特許第6238505号(P6238505)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】6238505
(24)【登録日】2017年11月10日
(45)【発行日】2017年11月29日
(54)【発明の名称】スロットアレーアンテナ
(51)【国際特許分類】
   H01Q 13/10 20060101AFI20171120BHJP
   H01Q 21/06 20060101ALI20171120BHJP
   H01P 3/123 20060101ALI20171120BHJP
【FI】
   H01Q13/10
   H01Q21/06
   H01P3/123
【請求項の数】21
【全頁数】102
(21)【出願番号】特願2017-516973(P2017-516973)
(86)(22)【出願日】2016年11月4日
(86)【国際出願番号】JP2016083622
(87)【国際公開番号】WO2017078183
(87)【国際公開日】20170511
【審査請求日】2017年3月28日
(31)【優先権主張番号】特願2015-217657(P2015-217657)
(32)【優先日】2015年11月5日
(33)【優先権主張国】JP
(31)【優先権主張番号】特願2016-174841(P2016-174841)
(32)【優先日】2016年9月7日
(33)【優先権主張国】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000232302
【氏名又は名称】日本電産株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】315008773
【氏名又は名称】株式会社WGR
(74)【代理人】
【識別番号】100101683
【弁理士】
【氏名又は名称】奥田 誠司
(74)【代理人】
【識別番号】100135703
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 英隆
(74)【代理人】
【識別番号】100188813
【弁理士】
【氏名又は名称】川喜田 徹
(72)【発明者】
【氏名】桐野 秀樹
(72)【発明者】
【氏名】加茂 宏幸
【審査官】 米倉 秀明
(56)【参考文献】
【文献】 特許第5514731(JP,B2)
【文献】 特表2011−527171(JP,A)
【文献】 国際公開第2008/081807(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01Q 13/10
H01P 3/123
H01Q 21/06
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を拡大する複数の凹部を、前記導電性表面および/または前記導波面に有し、
前記複数の凹部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の凹部、第2の凹部、および第3の凹部を含み、
前記第1の凹部と前記第2の凹部との中心間距離は、前記第2の凹部と前記第3の凹部との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【請求項2】
前記第1から第3の凹部は、前記導電部材の前記導電性表面上にある、請求項1に記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項3】
前記第1から第3の凹部は、前記導波部材の前記導波面上にある、請求項1に記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項4】
前記複数のスロットは、隣り合う第1のスロットおよび第2のスロットを含み、
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1から第3の凹部のうちの少なくとも2つは、前記第1および第2のスロットの間に位置している、請求項1から3のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項5】
前記導電性表面の法線方向から見たとき、
前記第1および第2の凹部は、前記第1および第2のスロットの間に位置し、
前記第3の凹部は、前記第1および第2のスロットの外側に位置している、
請求項4に記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項6】
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1および第2の凹部の間に、前記第1および第2のスロットの中点が位置している、請求項4または5に記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項7】
前記導電部材の前記導電性表面に対向する他の導電性表面を有する他の導電部材を有し、
前記導波部材は、前記他の導電部材上のリッジである、
請求項1から6のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項8】
前記スロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記第1の凹部と前記第2の凹部との中心間距離、および前記第2の凹部と前記第3の凹部との中心間距離の少なくとも一方は、1.15λo/8よりも大きい、
請求項1から7のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項9】
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を狭める複数の凸部を、前記導電性表面および/または前記導波面に有し、
前記複数の凸部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の凸部、第2の凸部、および第3の凸部を含み、
前記第1の凸部と前記第2の凸部との中心間距離は、前記第2の凸部と前記第3の凸部との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【請求項10】
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を広げる複数の幅広部を、前記導波面に有し、
前記複数の幅広部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の幅広部、第2の幅広部、および第3の幅広部を含み、
前記第1の幅広部と前記第2の幅広部との中心間距離は、前記第2の幅広部と前記第3の幅広部との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【請求項11】
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を狭める複数の狭小部を、前記導波面に有し、
前記複数の狭小部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の狭小部、第2の狭小部、および第3の狭小部を含み、
前記第1の狭小部と前記第2の狭小部との中心間距離は、前記第2の狭小部と前記第3の狭小部との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【請求項12】
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のキャパシタンスが極大または極小を示す複数の箇所を含み、
前記複数の箇所は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の箇所、第2の箇所、および第3の箇所を含み、
前記第1の箇所と前記第2の箇所との中心間距離は、前記第2の箇所と前記第3の箇所との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【請求項13】
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のインダクタンスが極大または極小を示す複数の箇所を含み、
前記複数の箇所は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の箇所、第2の箇所、および第3の箇所を含み、
前記第1箇所と前記第2箇所との中心間距離は、前記第2箇所と前記第3箇所との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【請求項14】
前記導波面は、前記複数のスロットに対向する平坦部分を有している、請求項1から13のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項15】
前記導波部材を含む複数の導波部材を備え、
前記導電部材は、前記複数のスロットによって構成されるスロット列を含む複数のスロット列を有し、
前記複数のスロット列の各々は、前記第1の方向に配列された複数のスロットを含み、
前記複数の導波部材の導波面は、前記複数のスロット列にそれぞれ対向し、
前記複数のスロット列および前記複数の導波部材は、前記第1の方向と交差する第2の方向に並ぶ、
請求項1から14のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項16】
前記導電部材の前記導電性表面に対向する他の導電性表面を有する他の導電部材を有し、
前記人工磁気導体は、各々が、前記導電性表面に対向する先端部と、前記他の導電性表面に接続された基部とを持つ複数の導電性ロッドを有する、
請求項1から15のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項17】
前記スロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記第1の方向および前記複数の導電性ロッドの前記基部から前記先端部に向かう方向の両方に垂直な方向における、前記導波部材の幅、各導電性ロッドの幅、および隣り合う2つの導電性ロッドの間の空間の幅、ならびに前記複数の導電性ロッドの各々の前記基部から前記導電性表面までの距離は、λo/2未満である、請求項16に記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項18】
前記スロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記複数のスロットのうちの隣り合う2つのスロットの中心間距離は、λoよりも短い、請求項1から17のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【請求項19】
請求項1から18のいずれかに記載のスロットアレーアンテナと、
前記スロットアレーアンテナに接続されたマイクロ波集積回路と、
を備えるレーダ装置。
【請求項20】
請求項19に記載のレーダ装置と、
前記レーダ装置の前記マイクロ波集積回路に接続された信号処理回路と、
を備えるレーダシステム。
【請求項21】
請求項1から18のいずれかに記載のスロットアレーアンテナと、
前記スロットアレーアンテナに接続された通信回路と、
を備える無線通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、スロットアレーアンテナに関する。
【背景技術】
【0002】
線上または面上に複数のアンテナ素子(以下、「放射エレメント」とも称する。)が配列されたアレーアンテナが、様々な用途、例えばレーダおよび通信システムに利用されている。アレーアンテナから電磁波を放射するには、電磁波を生成する回路から各アンテナ素子に電磁波(例えば高周波の信号波)を供給(給電)する必要がある。このような給電は、導波路を介して行われる。導波路は、アンテナ素子で受けた電磁波を受信回路に送るためにも用いられる。
【0003】
従来、アレーアンテナへの給電には、マイクロストリップ線路が用いられることが多かった。しかし、アレーアンテナによって送信または受信する電磁波の周波数が、例えば30ギガヘルツ(GHz)を超える高い周波数である場合、マイクロストリップ線路の誘電体損失が大きくなり、アンテナの効率が低下する。このため、このような高周波領域では、マイクロストリップ線路に代わる導波路が必要になる。
【0004】
マイクロストリップ線路の代わりに導波管を用いて各アンテナ素子への給電を行えば、30GHzを超える周波数領域でも損失を低減できることが知られている。導波管は、中空導波管(hollow metallic waveguide)とも呼ばれ、円形または方形の断面を持つ金属製の管である。導波管の内部では、管の形状およびサイズに応じた電磁界モードが形成される。このため、電磁波は特定の電磁界モードで管内を伝搬することができる。管の内部は中空であるため、伝搬すべき電磁波の周波数が高くなっても誘電体損失の問題は生じない。しかしながら、導波管を用いてアンテナ素子を高密度に配置することは困難である。なぜなら、導波管の中空部分は、伝搬すべき電磁波の半波長以上の幅を有する必要があり、また、導波管の管(金属壁)そのものの厚さを確保する必要もあるからである。
【0005】
特許文献1から3、ならびに非特許文献1および2は、それぞれ、リッジ型導波路の両側に配置された人工磁気導体(AMC: Artificial Magnetic Conductor)を利用して電磁波の導波を行う導波構造を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】国際公開第2010/050122号
【特許文献2】米国特許第8803638号明細書
【特許文献3】欧州特許出願公開第1331688号明細書
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】Kirino et al., "A 76 GHz Multi-Layered Phased Array Antenna Using a Non-Metal Contact Metamaterial Waveguide", IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 60, No. 2, February 2012, pp 840-853
【非特許文献2】Kildal et al., "Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 8, 2009, pp84-87
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本願の発明者の一人は、人工磁気導体を利用したリッジ型導波路を利用してアンテナアレイを構成することを着想し、特許文献1に開示した。しかし、そのスロットアレーアンテナでは、複数のアンテナ素子に、目的に応じた適正な放射を行わせることができなかった。本開示の実施形態は、従来のマイクロストリップ線路および導波管に代わる導波路構造を備え、かつ、複数のアンテナ素子に目的に応じた適正な放射を行わせることのできるスロットアレーアンテナを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示の一態様に係るスロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を狭める複数の凸部を、前記導電性表面または前記導波面に有する。前記複数の凸部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の凸部、第2の凸部、および第3の凸部を含む。前記第1の凸部と前記第2の凸部との中心間距離は、前記第2の凸部と前記第3の凸部との中心間距離とは異なっている。
【0010】
本開示の他の態様に係るスロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を拡大する複数の凹部を、前記導電性表面または前記導波面に有する。前記複数の凹部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の凹部、第2の凹部、および第3の凹部を含む。前記第1の凹部と前記第2の凹部との中心間距離は、前記第2の凹部と前記第3の凹部との中心間距離とは異なっている。
【0011】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を広げる複数の幅広部を、前記導波面に有する。前記複数の幅広部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の幅広部、第2の幅広部、および第3の幅広部を含む。前記第1の幅広部と前記第2の幅広部との中心間距離は、前記第2の幅広部と前記第3の幅広部との中心間距離とは異なっている。
【0012】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を狭める複数の狭小部を、前記導波面に有する。前記複数の狭小部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の狭小部、第2の狭小部、および第3の狭小部を含む。前記第1の狭小部と前記第2の狭小部との中心間距離は、前記第2の狭小部と前記第3の狭小部との中心間距離とは異なっている。
【0013】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のキャパシタンスが極大または極小を示す複数の箇所を含む。前記複数の箇所は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の箇所、第2の箇所、および第3の箇所を含む。前記第1の箇所と前記第2の箇所との中心間距離は、前記第2の箇所と前記第3の箇所との中心間距離とは異なっている。
【0014】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のインダクタンスが極大または極小を示す複数の箇所を含む。前記複数の箇所は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1箇所、第2箇所、および第3箇所を含む。前記第1箇所と前記第2箇所との中心間距離は、前記第2箇所と前記第3箇所との中心間距離とは異なっている。
【0015】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、自由空間中における中心波長がλoである帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられるスロットアレーアンテナであって、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを含むスロット列を有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のインダクタンスおよびキャパシタンスのうちの少なくとも一方が極小を示す少なくとも1つの極小箇所、および、極大を示す少なくとも1つの極大箇所を含み、前記少なくとも1つの極小箇所および前記少なくとも1つの極大箇所は、前記第1の方向に並んでおり、前記少なくとも1つの極小箇所は、1.15λo/8よりも隔たって前記極大箇所の1つと隣り合う、第1種の極小箇所を含む。
【0016】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、自由空間中における中心波長がλoである帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられる。前記スロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを含むスロット列を有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導波面の幅はλo/2未満である。前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、付加要素を、前記導電性表面および前記導波面の少なくとも一方に有する。前記付加要素は、第1種の付加要素および第2種の付加要素の少なくとも一方を含む。前記第1種の付加要素は、前記導電性表面および前記導波面のいずれかに配置され、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を狭める凸部、または隣り合う部位よりも前記導波面の幅を広げる幅広部である。前記第2種の付加要素は、前記導電性表面および前記導波面のいずれかに配置され、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を広げる凹部、または隣り合う部位よりも前記導波面の幅を狭める狭小部である。(a)前記第1種の付加要素は、前記第2種の付加要素、または前記付加要素が配置されていない中立部と前記第1の方向において隣り合い、かつ、前記第1種の付加要素の中心位置と、前記第2種の付加要素または前記中立部の中心位置とが、前記第1の方向に1.15λo/8よりも隔たっている、または、(b)前記第2種の付加要素は、前記第1種の付加要素、または前記付加要素が配置されていない中立部と前記第1の方向において隣り合い、かつ、前記第1種の付加要素の中心位置と、前記第2種の付加要素または前記中立部の中心位置とが、前記第1の方向に1.15λo/8よりも隔たっている。
【0017】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、自由空間中における中心波長がλoである帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられる。前記スロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを含むスロット列を有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導波面の幅はλo/2未満である。前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、付加要素を、前記導電性表面および前記導波面の少なくとも一方に有する。前記複数の付加要素は、第3種の付加要素および第4種の付加要素の少なくとも一方を含む。前記第3種の付加要素は、前記導電性表面および前記導波面のいずれかに配置され、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を狭める凸部であって、かつ隣り合う部位よりも前記導波面の幅が狭い。前記第4種の付加要素は、前記導電性表面および前記導波面のいずれかに配置され、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を広げる凹部であって、かつ隣り合う部位よりも前記導波面の幅が広い。(c)前記第3種の付加要素は、前記第4種の付加要素、または前記付加要素が配置されていない中立部と前記第1の方向において隣り合い、かつ、前記第3種の付加要素の中心位置と、前記第4種の付加要素または前記中立部の中心位置とが、前記第1の方向に1.15λo/8よりも隔たっている、または、(d)前記第4種の付加要素は、前記第3種の付加要素、または前記付加要素が配置されていない中立部と前記第1の方向において隣り合い、かつ、前記第4種の付加要素の中心位置と、前記第3種の付加要素または前記中立部の中心位置とが、前記第1の方向に1.15λo/8よりも隔たっている。
【0018】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記第1の方向に沿って、前記複数のスロットのうちの隣り合う2つのスロットの中心間距離の1/2以上の周期で変動している。
【0019】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられる。前記スロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導波面の幅は、λo未満である。前記導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記第1の方向に沿って、1.15λo/4よりも長い周期で変動している。
【0020】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoである帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられる。前記スロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導波面の幅は、λo未満である。前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、前記導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方を、隣り合う部位から変化させる複数の付加要素を、前記導波面または前記導電性表面に有する。前記複数の付加要素が存在しない場合に、波長λoの電磁波が、前記導電部材と前記導波部材との間の導波路を伝搬する際の波長をλRとするとき、前記導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記第1の方向に沿って、λR/4よりも長い周期で変動している。
【0021】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導電性表面と前記導波面との間の導波路におけるキャパシタンスおよびインダクタンスの少なくとも一方は、前記第1の方向に沿って、前記複数のスロットのうちの隣り合う2つのスロットの中心間距離の1/2以上の周期で変動している。
【0022】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導電性表面と前記導波面との間隔は、前記第1の方向に沿って変動している。前記導電部材と前記導波部材との間の導波路は、前記導電性表面と前記導波面との間隔が異なる少なくとも3つの箇所を有する。
【0023】
本開示のさらに他の態様に係るスロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導波面の幅は、前記第1の方向に沿って変動している。前記導波面は、前記幅が異なる少なくとも3つの箇所を有する。
【0024】
これらの一般的および特定の態様は、システム、方法、およびコンピュータプログラム、ならびにシステム、方法、およびコンピュータプログラムの任意の組み合わせを用いて実現され得る。
【0025】
本開示の実施形態のさらなる利益および利点は、明細書および図面から明らかになるであろう。この利益および/または利点は、種々の実施形態と、明細書および図面に開示された事項によって個別に提供され得る。1以上の同様のものを得るために、全てが設けられている必要はない。
【発明の効果】
【0026】
本開示の実施形態によると、導波路を伝搬する電磁波の位相を調整することができるため、各アンテナ素子の位置で所望の励振状態を実現することができる。このため、複数のアンテナ素子に、目的に応じた適正な放射を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
図1図1は、リッジ導波路を有するスロットアレーアンテナ201の構成例を模式的に示す斜視図である。
図2A図2Aは、本開示の例示的な実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。
図2B図2Bは、本開示の他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。
図2C図2Cは、本開示のさらに他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。
図2D図2Dは、本開示のさらに他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。
図2E図2Eは、特許文献1に開示されたスロットアレーアンテナに類似する構造を備えたスロットアレーアンテナを模式的に示す断面図である。
図3A図3Aは、図2Bに示す構成における隣接する2つのスロット112の間のキャパシタンスのY方向の依存性を示す図である。
図3B図3Bは、図2Eに示す構成における隣接する2つのスロット112の間のキャパシタンスのY方向の依存性を示す図である。
図4図4は、リッジ122の上面(導波面)の高さを滑らかに変動させた構成例を示す図である。
図5A図5Aは、本開示の他の実施形態を模式的に示す断面図である。
図5B図5Bは、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。
図5C図5Cは、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。
図5D図5Dは、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。
図6図6は、本開示の例示的な実施形態におけるスロットアレーアンテナ200の構成を模式的に示す斜視図である。
図7A図7Aは、XZ面に平行な、1つのスロット112の中心を通る断面の構成を模式的に示す図である。
図7B図7Bは、XZ面に平行な、1つのスロット112の中心を通る断面の構成の他の例を模式的に示す図である。
図8図8は、第1の導電部材110と第2の導電部材120との間隔を極端に離した状態にあるスロットアレーアンテナ200を模式的に示す斜視図である。
図9図9は、図7Aに示す構造における各部材の寸法の範囲の例を示す図である。
図10図10は、理想的な定在波直列給電がなされているアレーアンテナの一例を示す原理図である。
図11図11は、図10に示すアレーアンテナにおいて、アンテナ入力端子側(図10の左側)から見た各点でのインピーダンス軌跡をスミスチャート上に示した図である。
図12図12は、放射エレメントの両端の電圧に着目した場合の図10のアレーアンテナの等価回路を示す図である。
図13A図13Aは、特許文献1に開示された構造に類似する構造を備えたアレーアンテナ401の一例(比較例)を示す斜視図である。
図13B図13Bは、特許文献1に開示された構造に類似する構造を備えたアレーアンテナ401の一例(比較例)を示す断面図である。
図14A図14Aは、実施形態1におけるアレーアンテナ501を示す斜視図である。
図14B図14Bは、実施形態1におけるアレーアンテナ501を示す断面図である。
図15図15は、図13Aおよび図13Bに示す直列給電アレーアンテナの等価回路を示している。
図16図16は、図15に示す等価回路の点0〜16のインピーダンス軌跡をスミスチャート上に示した図である。
図17図17は、図14Aおよび図14Bに示す直列給電によるアレーアンテナの等価回路を示す図である。
図18図18は、図17に示す等価回路における点0〜14のインピーダンス軌跡をスミスチャート上に示した図である。
図19A図19Aは、実施形態2におけるアレーアンテナ1001の構造を示す斜視図である。
図19B図19Bは、図19Aに示すアレーアンテナを、複数の放射スロット112の各々の中心およびリッジ122の中心を通る平面で切断した場合の断面図である。
図20図20は、実施形態2における定在波直列給電が適用されたアレーアンテナの等価回路を示す図である。
図21図21は、図20に示す等価回路の点0〜10のインピーダンス軌跡をスミスチャート上に示した図である。
図22A図22Aは、本開示の他の実施形態を示す模式断面図である。
図22B図22Bは、本開示のさらに他の実施形態を示す模式断面図である。
図23A図23Aは、本開示のさらに他の実施形態を示す図である。
図23B図23Bは、本開示のさらに他の実施形態を示す図である。
図24A図24Aは、ホーンを有するスロットアンテナ200の構成例を示す斜視図である。
図24B図24Bは、図24Aに示す第1の導電部材110および第2の導電部材120のそれぞれを+Z方向からみた上面図である。
図25A図25Aは、導波部材122の上面である導波面122aのみが導電性を有し、導波部材122の導波面122a以外の部分は導電性を有していない構造の例を示す断面図である。
図25B図25Bは、導波部材122が第2の導電部材120上に形成されていない変形例を示す図である。
図25C図25Cは、第2の導電部材120、導波部材122、および複数の導電性ロッド124の各々が、誘電体の表面に金属などの導電性材料がコーティングされた構造の例を示す図である。
図25D図25Dは、導電部材110、120、導波部材122、および導電性ロッド124の各々の最表面に、誘電体の層110b、120bを有する構造の例を示す図である。
図25E図25Eは、導電部材110、120、導波部材122、および導電性ロッド124の各々の最表面に、誘電体の層110b、120bを有する構造の他の例を示す図である。
図25F図25Fは、導波部材122の高さが導電性ロッド124の高さよりも低く、第1の導電部材110の導電性表面110aのうち、導波面122aに対向する部分が、導波部材122の側に突出している例を示す図である。
図25G図25Gは、図25Fの構造において、更に、導電性表面110aのうち導電性ロッド124に対向する部分が、導電性ロッド124の側に突出している例を示す図である。
図26A図26Aは、第1の導電部材110の導電性表面110aが曲面形状を有する例を示す図である。
図26B図26Bは、さらに、第2の導電部材120の導電性表面120aも曲面形状を有する例を示す図である。
図27図27は、第2の導電部材120上において2個の導波部材122が平行に延びる形態を示す斜視図である。
図28A図28Aは、16個のスロットが4行4列に配列されたアレーアンテナのZ方向からみた上面図である。
図28B図28Bは、図28AのB−B線断面図である。
図29A図29Aは、第1の導波路装置100aにおける導波部材122Uの平面レイアウトを示す図である。
図29B図29Bは、第1の導波路装置100aにおける導波部材122Uの平面レイアウトの他の例を示す図である。
図30図30は、第2の導波路装置100bにおける導波部材122Lの平面レイアウトを示す図である。
図31A図31Aは、スロットの形状の他の例を示す図である。
図31B図31Bは、スロットの形状の他の例を示す図である。
図31C図31Cは、スロットの形状の他の例を示す図である。
図31D図31Dは、スロットの形状の他の例を示す図である。
図32図32は、図31Aから図31Dに示す4種類のスロット112a〜112dを、導波部材122上に配置した場合の平面レイアウトを示す図である。
図33図33は、自車両500と、自車両500と同じ車線を走行している先行車両502とを示す図である。
図34図34は、自車両500の車載レーダシステム510を示す図である。
図35A図35Aは、車載レーダシステム510のアレーアンテナAAと、複数の到来波kとの関係を示す図である。
図35B図35Bは、k番目の到来波を受信するアレーアンテナAAを示す図である。
図36図36は、本開示による車両走行制御装置600の基本構成の一例を示すブロック図である。
図37図37は、車両走行制御装置600の構成の他の例を示すブロック図である。
図38図38は、車両走行制御装置600のより具体的な構成の例を示すブロック図である。
図39図39は、応用例におけるレーダシステム510のより詳細な構成例を示すブロック図である。
図40図40は、三角波生成回路581が生成した信号に基づいて変調された送信信号の周波数変化を示す図である。
図41図41は、「上り」の期間におけるビート周波数fu、および「下り」の期間におけるビート周波数fdを示す図である。
図42図42は、信号処理回路560がプロセッサPRおよびメモリ装置MDを備えるハードウェアによって実現されている形態の例を示す図である。
図43図43は、3つの周波数f1、f2、f3の関係を示す図である。
図44図44は、複素平面上の合成スペクトルF1〜F3の関係を示す図である。
図45図45は、変形例による相対速度および距離を求める処理の手順を示すフローチャートである。
図46図46は、スロットアレーアンテナを有するレーダシステム510、およびカメラ700を備えるフュージョン装置に関する図である。
図47図47は、ミリ波レーダ510とカメラ700を車室内のほぼ同じ位置に置くことで、それぞれの視野・視線が一致し、照合処理が容易になることを示す図である。
図48図48は、ミリ波レーダによる監視システム1500の構成例を示す図である。
図49図49は、デジタル式通信システム800Aの構成を示すブロック図である。
図50図50は、電波の放射パターンを変化させることのできる送信機810Bを含む通信システム800Bの例を示すブロック図である。
図51図51は、MIMO機能を実装した通信システム800Cの例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
<本開示の基礎となった知見>
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
【0029】
アンテナおよび導波路の薄型化が求められる用途(例えば車載ミリ波レーダの用途)では、薄型化に適したアレーアンテナが広く採用されている。アレーアンテナに求められる性能には、利得と指向特性とがある。利得はレーダの検出距離を決定する。指向特性は、検出領域、角度分解能、およびイメージ抑圧度を決定する。アレーアンテナの各アンテナ素子(放射エレメント)には、給電路を介して信号波(例えば高周波の信号波)が供給される。信号波の供給方法は、アレーアンテナに求められる性能によって異なる。例えば、利得を最大化することを目的とする場合、給電路上に定在波を形成し、給電路に直列に挿入されたアンテナ素子に高周波信号を与える方式(以下、「定在波直列給電」と称する。)が利用され得る。
【0030】
前述の特許文献1および非特許文献1に開示されているリッジ導波路は、人工磁気導体として機能し得るワッフルアイアン構造中に設けられている。このような人工磁気導体を、本開示に基づいて利用するリッジ導波路(以下、WRG:Waffle−iron Ridge waveGuideと称する場合がある。)は、マイクロ波またはミリ波帯において、損失の低いアンテナ給電路を実現できる。また、このようなリッジ導波路を利用することにより、アンテナ素子を高密度に配置することが可能である。
【0031】
図1は、リッジ導波路を有するスロットアレーアンテナ201の構成例を模式的に示す斜視図である。図示されるスロットアレーアンテナ201は、第1の導電部材110と、これに対向する第2の導電部材120とを備えている。第1の導電部材110の表面は導電性の材料で構成される。第1の導電部材110は、放射エレメントとして、複数のスロット112を有している。第2の導電部材120の上には、複数のスロット112からなるスロット列に対向する導電性の導波面122aを有する導波部材(リッジ)122と、複数の導電性ロッド124とが設けられている。複数の導電性ロッド124は、導波部材122の両側に配置され、第2の導電部材120の導電性表面とともに人工磁気導体を形成する。電磁波は人工磁気導体と第1の導電部材110の導電性表面との間の空間を伝搬できない。このため、電磁波(信号波)は、導波面122aと第1の導電部材110の導電性表面との間に形成される導波路を伝搬しながら、各スロット112を励振する。これにより、各スロット112から電磁波が放射される。以下の説明では、リッジ122の幅方向をX軸方向とし、リッジ122が延びる方向をY軸方向とし、リッジ122の上面である導波面122aに垂直な方向をZ軸方向とする直交座標系を用いる。
【0032】
図1に示す構成では、導波部材122は平坦な導波面122aを有する。このような構成に対し、特許文献1は、導波面122aの高さまたは幅をリッジ122が延びる方向に沿って波長に比べて十分に短い周期で変化させた構成を開示している。このような構成により、給電路の特性インピーダンスを変化させ、導波路内での信号波の波長を短縮できることが開示されている。
【0033】
しかしながら、本発明者らは、このような従来のリッジ導波路では、目的とするアンテナ特性を得ることが困難であることを見出した。まず、この課題について説明する。以下の説明において、「アンテナ素子」または「放射エレメント」の用語は、一般的なアレーアンテナを説明するときに用いられる。一方、「放射スロット」(単に「スロット」とも称する。)の用語は、本開示によるスロットアレーアンテナまたはその実施形態を説明するときに用いられる。また、「スロットアレーアンテナ」とは、放射エレメントとして複数のスロットを備えたアレーアンテナを意味する。スロットアレーアンテナを「スロットアンテナアレイ」と称する場合もある。
【0034】
アレーアンテナにおいては、目的によって各放射エレメントを励振させる方法が異なる。例えば、WRG導波路を用いたレーダ装置では、レーダ効率を最大にする、あるいはレーダ効率を犠牲にしてサイドローブを低減する、といった目標となるレーダ特性に応じて、各放射エレメントの励振方法が異なる。ここでは、一例として、レーダ効率を最大化するために、アレーアンテナの利得を最大化するための設計方法を説明する。アレーアンテナの利得を最大化するためには、アレーを構成する放射エレメントの配置密度を最大化し、全ての放射エレメントを等振幅かつ等位相で励振すればよいことが知られている。これを実現するためには、例えば前述の定在波直列給電が用いられる。定在波直列給電とは、「定在波が形成されている線路上の一波長離れた位置では電圧および電流が同じである」という性質を利用して、アレーアンテナの全ての放射エレメントを等振幅かつ等位相で励振する給電法である。
【0035】
ここで、一般的な定在波直列給電の設計手順を説明する。まず、給電線路の両端の少なくとも一方で電磁波(信号波)を全反射させ、給電線路上に定在波が形成されるように導波路を構成する。次に、給電線路上で一波長ずつ離れた、定在波電流の振幅が最大になる複数の位置に、定在波に大きな影響を与えない程度に小さい同一のインピーダンスを有する複数の放射エレメントを線路に直列に挿入する。これにより、定在波直列給電による等振幅かつ等位相の励振が実現する。
【0036】
このように、定在波直列給電の原理は理解し易い。しかし、このような構成を、WRGを用いたアレーアンテナに適用しても、等振幅かつ等位相の励振は実現されないことが判明した。本発明者らの検討によれば、全ての放射エレメントを等振幅かつ等位相で励振するためには、WRG上に他の部分とはキャパシタンスまたはインダクタンスの異なる部分(例えば、高さまたは幅が他の部分とは異なる部分)を設けて、WRGを伝搬する信号波の位相を調整することが必要となることがわかった。このような位相の調整は、全ての放射エレメントを等振幅かつ等位相で励振する場合に限らず、例えば効率を犠牲にしてサイドローブを低減する等の他の目的を実現する場合にも必要である。例えば、各スロットの位置で所望の励振状態が実現するように、隣り合う放射エレメント間で位相および振幅に差を与える等の調整が行われ得る。また、定在波給電を選択する場合のみならず、進行波給電を選択する場合も、同様の位相の調整が必要になる。
【0037】
しかしながら、前述の特許文献1に開示されている従来のWRGを用いたアレーアンテナでは、同一の凹部(切込)または幅広の部分が一定の短い周期で線路全体に配置されているだけで、信号波の位相を調整するための構造は設けられていない。より具体的には、特許文献1に開示された構成では、凹部も幅広の部分も設けられていない状態における導波路内での信号波の波長をλRとして、λR/4未満の周期で凹部または幅広の部分が周期的に配置されている。このような構造は、分布定数回路としての伝送線路上の特性インピーダンスを変化させ、結果として導波路内での信号波の波長を短縮させる。しかし、各スロットの励振状態を、目的とするアンテナ特性に応じて調整することができない。
【0038】
その理由は、特許文献1に開示されているリッジ導波路の上に複数のスロットを配置してスロットアレーアンテナを構成する場合、スロットのインピーダンスが導波路を伝搬する信号波の波形を大きく歪める程に大きいからであると推定される。そのため、特許文献1に開示された微細な周期構造を採用した場合、複数のスロットの各々から放射される電磁波の強度および位相を、目的に応じて調整することができない。このことは、WRGを用いたレーダ装置において、目標のレーダ特性(例えば、効率を最大にする、あるいは、効率を犠牲にしてサイドローブを低減する等の特性)を得るためには、導波路とスロットとを独立に設計できない(即ち、双方を同時に最適化する必要がある)ことを意味する。本発明者の一人が特許文献1の発明を出願した際には、スロットのインピーダンスがそのような影響を与えることは、全く認識されていなかった。
【0039】
本件発明を成すに当たって、本発明者らは、隣接する2つのスロットの間において、凹部または凸部などの付加要素を、伝送線路に沿ってλR/4未満の短い周期で一様に分布させるのではなく、λR/4よりも長い配置間隔で複数の付加要素が配置された領域を部分的に導入することを検討した。本発明者らは、さらに、隣接する2つのスロットの間において、凹部または凸部などの付加要素を、伝送線路に沿って非周期的に配置することを検討した。本発明者らはまた、導電部材と導波部材との間隔および/または導波部材の導波面の幅(インダクタンスおよび/またはキャパシタンス)を、導波面に沿って3段階以上に変化させた構造を検討した。それにより、導波路内での信号波の波長の調整と、スロットにおける信号波の強度および伝搬する信号波の位相の調節を行うことに成功した。λRは自由空間における波長λoよりも長いが、1.15λo未満である。よって、上記の「λR/4よりも長い配置間隔」とは、「1.15λo/4よりも長い配置間隔」と読み替えることもできる。なお、上記の配置間隔がλR/4よりも大きいものの、その差が小さい場合は、伝搬する信号波の位相の調節量が十分には得られない場合もある。その様な場合は、1.5λo/4以上の配置間隔で付加要素を配置した部位を導入する。
【0040】
本明細書において、「付加要素」とは、インダクタンスおよびキャパシタンスの少なくとも一方を局所的に変化させる伝送線路上の構造を意味する。本明細書において、「インダクタンス」および「キャパシタンス」とは、伝送線路に沿った方向(すなわち、スロット列の配列方向)について、自由空間波長λoの10分の1以下の単位長さあたりのインダクタンスおよびキャパシタンスの値をそれぞれ意味する。付加要素は、凹部または凸部に限らず、例えば導波面の幅が隣接する他の部分よりも大きい「幅広部」、または幅が隣接する他の部分よりも小さい「狭小部」であってもよい。あるいは、誘電率が他の部分とは異なる材料で形成された部分であってもよい。そのような付加要素は、典型的には導波部材(例えば導電部材上のリッジ)が有する導電性の導波面に設けられるが、導波面に対向する導電部材の導電性表面に設けられていてもよい。
【0041】
ここで、図2Aから図2Eを参照しながら、本開示の例示的な実施形態の構成を、特許文献1の構成と対比して説明する。
【0042】
図2Aは、本開示の例示的な実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。このスロットアレーアンテナは、導波部材122の構造が異なる点を除けば、図1に示す構成と同様の構成を有する。図2Aは、図1における複数のスロット112の中心を通るYZ面に平行な平面でスロットアレーアンテナを切断した場合の断面図に相当する。このスロットアレーアンテナは、第1の方向(Y方向とする)に配列された複数のスロット112(スロット列)を有する第1の導電部材110と、それに対向する第2の導電部材120と、第2の導電部材120上の導波部材(リッジ)122とを備える。図1に示す例とは異なり、リッジ122上には、複数の凹部が設けられている。凹部の位置には、複数のスロット112の位置での信号波の位相を変化させて、目的に適う特性が得られる位置が選択された。この例では、凹部122c1、122c2の位置は、隣接する2つのスロット112の中点に対向する位置に対して対称な2つの位置であるが、後述するように他の位置であってもよい。
【0043】
図2Aに示す構成において、凹部122c1は凸部122b1および122b2と隣り合っている。凹部122c1の中央部と凸部122b1の中央部とのY方向の距離bは、このスロットアレーアンテナで送信または受信される周波数帯の電磁波(電波)の中心周波数に対応する自由空間波長λoの1.15/8よりも長い。より好ましくは、λoの1.5/8倍以上である。言い換えれば、複数の凹部のうち、凸部122b1の両側にある隣り合う2つの凹部122c1、122c4の中心間の距離は1.15λo/4よりも長い。ここで、隣接する2つのスロット112の中心間の距離をaとする。距離aは、例えば、導波路を伝搬する電磁波の波長λgと同程度の長さに設計され得る。波長λgは、付加要素を配置することによって前述の波長λRから変化した波長である。設計によって異なるが、λgは、例えばλRよりも短い。その場合、a<λRとなるため、凸部122b1の両側の隣り合う2つの凹部122c1、122c4の中心間の距離(>λR/4)は、距離aの1/4よりも長い。なお、図2Aの構成において、凹部122c1と、他の凸部122b2との中心間の距離は、1.15λo/8以下であってもよい。
【0044】
図2Aの構成では、各凹部は、伝送線路のインダクタンスを局所的に増加させる要素として機能する。この例では、各凹部の底部および各凸部の頂部は平坦である。このため、各凹部の中央におけるY方向の位置を、インダクタンスが極大を示す「極大箇所」とし、各凸部の中央におけるY方向の位置を、インダクタンスが極小を示す「極小箇所」とする。すると、上記距離bは、1つの極大箇所と、それに隣り合う極小箇所との間の距離であり、b>1.15λo/8を満たす。より好ましくは、b>1.5λo/8λoである。
【0045】
図2Aの構成では、導波部材122における複数の凸部は、Y方向(第1の方向)に隣り合って順に並ぶ第1の凸部122b1、第2の凸部122b2、および第3の凸部122b3を含んでいる。第1の凸部122b1と第2の凸部122b2との中心間距離は、第2の凸部122b2と第3の凸部122b3との中心間距離とは異なっている。同様に、導波部材122における複数の凹部は、Y方向に隣り合って順に並ぶ第1の凹部122c1、第2の凹部122c2、第3の凹部122c3を含んでいる。第1の凹部122c1と第2の凹部122c2との中心間距離は、第2の凹部122c2と第3の凹部122c3との中心間距離とは異なっている。このように、図2Aに示す構成では、少なくとも図示されている領域内において、導電性表面110aと導波面122aとの間隔が、Y方向に沿って非周期的に(aperiodically)変動している。上記の第1から第3の凸部(または第1から第3の凹部)は、複数のスロット112のうちの両端の2つのスロットの間に設けられていれば、その位置は任意である。凸部または凹部は、導電部材110の導電性表面110aに設けられていてもよい。
【0046】
図2Aの構成においては、第1の凸部122b1は、1つのスロット112(第1のスロット)に対向する位置にあり、第3の凸部122b3は、当該スロット112に隣り合う他のスロット112(第2のスロット)に対向する位置にあり、第2の凸部122b2は、それらの2つのスロット112に対向する2つの位置の間にある。第2の凸部122b2は、導電性表面110aの法線方向から見たとき、当該2つのスロット112の中点に重なる位置にある。また、導電部材110の導電性表面110aの法線方向から見たとき、第1の凹部122c1および第2の凹部122c2は、隣り合う2つのスロット112の間に位置し、第3の凹部122c3は、当該2つのスロット112の外側に位置している。さらに、導電性表面110aの法線方向から見たとき、第1の凹部122c1および第2の凹部122c2の間(第2の凸部122b2)に、当該2つのスロット112の中点が位置している。このような構成以外にも、例えば、導電性表面110aの法線方向から見たとき、第1から第3の凹部122c1、122c2、122c3の全てが、隣り合う2つのスロット112の間に位置していてもよい。これらの構成では、導電性表面110aの法線方向から見たとき、第1から第3の凹部122c1、122c2、122c3の少なくとも2つが、隣り合う2つのスロット112の間に位置する。第1の凹部122c1と第2の凹部122c2との中心間距離、および第2の凹部122c2と第3の凹部122c3との中心間距離の少なくとも一方は、1.15λo/4よりも大きく設計され得る。また、第1の凸部122b1と第2の凸部122b2との中心間距離、および第2の凸部122b1と第3の凸部122b3との中心間距離の少なくとも一方は、1.15λo/4よりも大きく設計され得る。
【0047】
同様の非周期的な構成は、凹部または凸部を設ける代わりに、幅広部または狭小部を設けた場合でも実現可能である。例えば、導波部材122が、隣り合う部位よりも導波面122aの幅を広げる複数の幅広部を導波面122aに有している場合を考える。この場合、複数の幅広部は、Y方向に隣り合って順に並ぶ第1の幅広部、第2の幅広部、および第3の幅広部を含み、第1の幅広部と第2の幅広部との中心間距離が、第2の幅広部と第3の幅広部との中心間距離とは異なるように配置され得る。同様に、導波部材122が、隣り合う部位よりも導波面122aの幅を狭める複数の狭小部を導波面122aに有している場合を考える。この場合、複数の狭小部は、Y方向に隣り合って順に並ぶ第1の狭小部、第2の狭小部、および第3の狭小部を含み、第1の狭小部と第2の狭小部との中心間距離が、第2の狭小部と第3の狭小部との中心間距離とは異なるように配置され得る。第1から第3の幅広部(または第1から第3の狭小部)は、複数のスロット112のうちの両端の2つのスロットの間に設けられていれば、その位置は任意である。
【0048】
図2Aの構成では、導電性表面110aおよび導波面122aの間の導波路は、当該導波路のインダクタンス(またはキャパシタンス)が極大または極小を示す複数の箇所を含んでいる。それらの複数の箇所は、Y方向に隣り合って順に並ぶ第1の箇所(凸部122b1)、第2の箇所(凹部122c1)、および第3の箇所(凸部122b2)を含んでいる。第1の箇所と第2の箇所との中心間距離は、第2の箇所と第3の箇所との中心間距離とは異なっている。このように、複数のスロットが設けられた領域内で、少なくとも部分的に非周期的なインダクタンスまたはキャパシタンスの変動を生じさせる構造により、導波路内を伝搬する電磁波の位相を、所望の特性に応じて調整することができる。上記の第1から第3の箇所は、両端の2つのスロットの間に設けられていれば、その位置は任意である。
【0049】
図2Bは、本開示の他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。このスロットアレーアンテナは、凸部122bが、隣接する2つのスロット112の中点に対向する位置に配置されている。凸部122bの位置は、図示される位置に限らず、他の位置であってもよい。このような構成において、各凸部122bは、伝送線路のキャパシタンスを局所的に増加させる要素として機能する。この例においても、各凸部122bの頂部および各凹部122cの底部が平坦である。このため、各凸部122bの中央におけるY方向の位置を、キャパシタンスが極大を示す「極大箇所」とし、各凹部122cの中央におけるY方向の位置を、インダクタンスが極小を示す「極小箇所」とする。すると、この例でも、極大箇所と、それに隣り合う極小箇所との間の距離bは、b>1.15λo/8を満たす。より好ましくは、b>1.5λo/8である。凸部122bの代わりに幅広部を設けたり、導波面122aではなく導電性表面110aに凸部を設けたりした構成でも、同様の特性を得ることができる。
【0050】
図2Bの構成では、導電性表面110aと導波面122aとの間隔が、Y方向に沿って周期的に変動している。但し、その変動の周期が1.15λo/4またはλR/4よりも長い点で、特許文献1の構成とは異なる。図2Bに示す例では、周期は、隣り合う2つのスロット112の中心間距離(スロット間隔)に一致している。このような周期的な構成を採用する場合、周期は、例えばスロット間隔の1/2以上の値に設定され得る。すなわち、導電性表面110aと導波面122aとの間隔、および導波面122aの幅の少なくとも一方(または導波路のインダクタンスおよびキャパシタンスの少なくとも一方)は、Y方向に沿って、隣り合う2つのスロット112の中心間距離の1/2以上の周期で変動していてもよい。
【0051】
図2Cは、本開示のさらに他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。このスロットアレーアンテナでは、複数の凹部が、第1の導電部材110の導電性表面110aに配置されている。複数の凹部のY方向における位置は、図2Aにおける複数の凹部のY方向における位置と同一である。導波部材122の導波面122aには、凸部も凹部も配置されておらず、平坦である。
【0052】
図2Dは、本開示のさらに他の実施形態におけるスロットアレーアンテナの構造を模式的に示す断面図である。このスロットアレーアンテナでは、凹部および凸部の両方が、導電性表面110aおよび導波面122aのいずれにも配置されている。
【0053】
図2C、2Dに示すように、第1の導電部材110の導電性表面110aに、凸部および凹部の少なくとも一方を配置してもよい。その場合、導波部材122が延びる方向に直交する方向(X方向)における凹部または凸部の幅は、導波部材122の幅よりも広いことが製造上、好ましい。導電部材110における凹部または凸部と、導波部材122とのX方向における位置合わせに要求される精度を緩和することができる。ただしこれに限定されず、導電部材110における凹部または凸部のX方向の幅は、導波部材122の導波面122aの幅と同じ、あるいはより狭くてもよい。
【0054】
図2Aから2Dに示す実施形態におけるスロットアレーアンテナでは、導電性表面110aおよび導波面122aによって形成される導波路は、導波路のインダクタンスおよびキャパシタンスのうちの少なくとも一方が極小を示す少なくとも1つの極小箇所、および、導波路のインダクタンスおよびキャパシタンスのうちの少なくとも一方が極大を示す少なくとも1つの極大箇所を含む。「極小箇所」は、導波路(または伝送線路)のインダクタンスまたはキャパシタンスを示すY方向の座標についての関数が極小値をとるY方向の位置の近傍の箇所である。一方、「極大箇所」は、当該関数が極大値をとるY方向の位置の近傍の箇所である。図2Aから2Dに示す例のように、底部が平坦な凹部または頂部が平坦な凸部がインダクタンスまたはキャパシタンスの極大または極小を生じさせている場合は、凹部または凸部の中央部が「極大箇所」または「極小箇所」であるものとする。図2Aおよび2Cに示す構成例では、各凹部の中央が、インダクタンスを極大にする「極大箇所」であり、各凸部の中央が、インダクタンスを極小にする「極小箇所」である。一方、図2Bに示す構成例では、各凸部122bの中央が、キャパシタンスを極大にする「極大箇所」であり、各凹部122cの中央が、キャパシタンスを極小にする「極小箇所」である。図2Dに示す例でも同様に、複数の極大箇所および複数の極小箇所を有する。
【0055】
極小箇所には、1.15λo/8よりも隔たって極大箇所の1つと隣り合う第1種の極小箇所が含まれる。図2Aに示す構成例では、凸部122b1の中央の位置が第1種の極小箇所に該当する。図2Bに示す構成例では、凹部122cの中央の位置が第1種の極小箇所に該当する。いずれの例においても、第1種の極小箇所と、それに隣り合う極大箇所とのY方向の距離bは、1.15λo/8よりも長い。より好ましくは、b>1.5λo/8である。
【0056】
図2Eは、特許文献1に開示されたスロットアレーアンテナに類似する構造を備えたスロットアレーアンテナ(比較例)を模式的に示す断面図である。このスロットアレーアンテナでは、リッジ122上に複数の微細な凹部122cが周期的に配列されている。この配列の周期は、複数の凹部122cが設けられていない状態における導波路内での信号波の波長をλRとして、λR/4未満である。波長λRは、自由空間波長λoの1.15倍未満なので、凹部122cの配列の周期は、1.15λo/4未満である。したがって、図2Eに示す構成では、凹部の中心と、隣接する凸部の中心とのY方向の距離bは、1.15λo/8よりも短い。
【0057】
ここで、図3A図3Bとを参照しながら、図2Bに示す構成と、図2Eに示す構成とを対比する。
【0058】
図3Aは、図2Bに示す構成における導波路のキャパシタンスのY方向の依存性を模式的に示すグラフである。図3Bは、図2Eに示す構成における導波路のキャパシタンスのY方向の依存性を模式的に示すグラフである。これらのグラフにおいて、1つのスロット112の位置をY座標の原点とし、Y=0〜aの範囲についてのキャパシタンスの変化が示されている。なお、図3Aおよび図3Bは、キャパシタンスのY方向の変化の傾向を示すものであり、厳密なものではない。図3Aおよび図3Bに示すように、図2Bの構成および図2Eの構成のいずれでも、Y方向に沿ってキャパシタンスは変化する。しかし、その変化の周期が異なる。図2Bの構成では、スロット付近でキャパシタンスは極小を示した後、凸部122b近傍で極大を示す。極小を示す極小箇所と、これにY方向において隣り合って極大を示す極大箇所は、スロット間隔aの約2分の1だけ隔たっている。これに対して、図2Eの構成では、凹部が存在しない場合のリッジ導波路上における電磁波の波長λRの4分の1未満の細かな周期で振動している。
【0059】
各スロットから位相の揃った電磁波が放射されるようにスロットアレイが設計されている場合、Y方向において隣り合うスロットの間隔は、伝送線路上における伝送波の波長λgとほぼ一致する。よって、その場合、図2Bの構成では、波長λgと同程度の長い周期でキャパシタンスが変動しているのに対して、図2Eの構成では、波長λRの4分の1未満の短い周期でキャパシタンスが振動していると言える。波長λRの4分の1未満の短い変調構造では、伝送波は個々の変調によっては殆ど反射されることはなく、伝送波は一様に近い媒体中を伝搬するように振舞う。これに対して、波長λRの4分の1以上の長い変調構造では、伝送波は個々の変調によって反射され得る。
【0060】
なお、図2Aおよび図2Bの構成の説明において、「波長」という言葉を用いたが、これは説明の便宜のためである。キャパシタンスまたはインダクタンスが長い間隔で変動している場合、伝送波は複雑な反射を起こす筈であり、実際の伝送波の波長は直接的にはまだ確認できていない。しかし、キャパシタンスまたはインダクタンスに長い周期の変動を加えることで、WRGを使用するスロットアンテナにおいては、各スロットの励振状態を、目的とするアンテナ特性を実現するように、適切に調整することができる。そして、そのような状態においては、おそらくは伝送波の波長λgは隣り合う2つのスロット112の間隔とほぼ一致しているものと推測される。キャパシタンスまたはインダクタンスが長い周期で変動している場合でも、その状況に応じた波長λgが定義され得るものと仮定して、以後説明する。
【0061】
上記のように、図2Aおよび図2Bに示す実施形態では、特許文献1に開示された構成とは異なり、インダクタンスおよびキャパシタンスの少なくとも一方が、隣接する2つのスロットの間において、導波部材に沿った方向に、波長λRの4分の1よりも長い変調構造によって変化している。この変化の態様は、凸部、凹部、幅広部、狭小部などの付加要素の位置を調整することにより、自在に変化させることができる。また、例えば図4に例示するように、リッジ122の上面(導波面)の高さを滑らかに変動させることによっても同様の効果が得られる。同様の効果は、導波面の幅を滑らかに変動させることによっても得られる。このように、本開示の実施形態は、第1の導電部材110の導電性表面と導波部材122の導波面との距離を滑らかに変動させた構成、および導波面の幅を滑らかに変動させた構成を含む。本開示の実施形態は、凸部または凹部が配列された構成のような、付加要素を明確に特定できる構成に限定されない。
【0062】
本明細書において、隣り合う部位よりも第1の導電部材の導電性表面と導波部材の導波面との間隔を狭める凸部、および隣り合う部位よりも導波面の幅を広げる幅広部を、「第1種の付加要素」と称することがある。第1種の付加要素は、伝送線路のキャパシタンスを増加させる機能を有する。また、隣り合う部位よりも第1の導電部材の導電性表面と導波部材の導波面との間隔を広げる凹部、および隣り合う部位よりも導波面の幅を狭める狭小部を、「第2種の付加要素」と称することがある。第2種の付加要素は、伝送線路のインダクタンスを増加させる機能を有する。ある態様において、付加要素は、第1種の付加要素および第2種の付加要素の少なくとも一方を含む。第1種の付加要素は、第2種の付加要素、または付加要素が配置されていない部位(本明細書において「中立部」と称することがある。)と隣接し得る。同様に、第2種の付加要素は、第1種の付加要素または中立部と隣接し得る。それらの互いに隣接する2つの要素の中心間距離は、導波路中での波長λRの1/8倍よりも長い、または自由空間中における中心波長λoの1.15/8倍よりも長い。より好ましくは、λoの1.5/8倍以上である。
【0063】
本開示の実施形態においては、凸部かつ狭小部、または凹部かつ幅広部と言えるような特殊な構造を付加要素として用いてもよい。本明細書において、隣り合う部位よりも導電性表面と導波面との間隔を狭める凸部であって、かつ隣り合う部位よりも導波面の幅が狭い狭小部でもある構造を、「第3種の付加要素」と称することがある。また、隣り合う部位よりも導電性表面と導波面との間隔を広げる凹部であって、かつ隣り合う部位よりも導波面の幅が広い幅広部でもある構造を、「第4種の付加要素」と称することがある。第3種の付加要素および第4種の付加要素は、その構造によって、キャパシタンス成分として機能するか、インダクタンス成分として機能するかが変わる。付加要素は、このような第3種の付加要素および第4種の付加要素の少なくとも一方を含んでいてもよい。第3種の付加要素は、第4種の付加要素、または付加要素が配置されていない中立部と隣接し得る。同様に、第4種の付加要素は、第3種の付加要素または中立部と隣接し得る。それらの互いに隣接する2つの要素の中心間距離は、λRの1/8倍よりも長い、またはλoの1.15/8倍よりも長い。この中心間距離は、より好ましくは、λoの1.5/8倍以上である。
【0064】
本開示の実施形態では、特許文献1に開示されているような、凹凸等がない場合における導波路中の波長λRの1/4倍未満の周期をもつ構造が設けられていてもよい。図5Aは、そのような構成の例を模式的に示す断面図である。この例では、極小箇所122cの中に、導波路方向の長さがλR/8未満または1.15λo/8未満である微小付加要素が複数配置されている。この例では、微小付加要素は凹部122c’である。隣り合う2つの凹部122c’の間は凸部122b’とみなすことができる。隣り合う2つの凹部122c’の中心間の距離b2はλR/8未満または1.15λo/8未満である。各凹部122c’において、局所的なキャパシタンスは極小を示す。よって、この構造では、極小箇所がλR/8未満または1.15λo/8未満だけ隔たって並んでいる。λR/8未満の距離だけ隔たって並ぶ極小箇所を、本明細書において、「近接極小箇所」と称することがある。複数の近接極小箇所122c’が並ぶことで、全体として1つの大きい凹部と類似の作用を有する部位122cが構成されている。複数の近接極小箇所を含むそのような凹部122cの中心と、これに隣り合う凸部122bの中心との距離bはλR/8よりも長い。このように、本開示の実施形態では、一部にλR/4未満の周期を持つ構造が含まれていてもよい。
【0065】
図5Bは、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。この例では、付加要素は、各々のY方向の長さb3がλR/8未満または1.15λo/8未満である複数の微小付加要素である凸部122dを含む。複数の凸部122dは、Y方向に隣り合って並び、極小箇所および極大箇所を含む範囲にわたって配置されている。これらの凸部122dのうちの隣り合う2つの凸部の中心間の距離は、導電性表面110aと導波面122aとの間隔L3の半分未満であり、かつ、λR/8未満または1.15λo/8未満である。これらの凸部122dの位置において、局所的なキャパシタンスは極大を示す。よって、この構造は、極大箇所がλR/8未満または1.15λo/8未満だけ隔たって並ぶ構造となっている。λR/8未満だけ隔たって並ぶ極大箇所を、本明細書において、「近接極大箇所」と称し、前述した「極大箇所」とは区別する。図5Bにおいて、近接極大箇所の中心間距離は、いずれの部位においてもλR/8未満または1.15λo/8未満だけ隔たっている。しかし、近接極大箇所の中心間距離は、隣り合う2つのスロット112間の中点で小さく、それ以外の場所で大きい。図5Bの例では、スロット112間の中点付近で複数の近接極大箇所がb3の間隔で並んで1つの極大箇所(または極大部)として機能する部位122b’’を構成する。そして隣り合う2つの極大部122b’’の間では、複数の近接極大箇所がb3より大きなb4の間隔で並び、1つの極小箇所(または極小部)として機能する部位122c’’を構成する。この例のように、微細な付加要素の濃淡(密度の違い)によって平均的なインダクタンスまたはキャパシタンスの、λR/8以上の距離に亘る変動を生じさせてもよい。このような形態では、「極大箇所」および「極小箇所」は、複数の微小付加要素を包含するある程度の拡がりを持つ領域を指す。
【0066】
図5Cは、本開示のさらに他の実施形態を模式的に示す断面図である。この実施形態では、導波部材122が、高さの異なる2種類の凸部を有している。2種類の凸部は、交互に等間隔で並んでいる。導波部材122の導波面122aと導電部材110の導電性表面110aとの間隔は、Y方向に沿って周期的に変動している。言い換えれば、導波路のインダクタンスおよび/またはキャパシタンスが、Y方向に沿って周期的に変動している。この変動の周期は、スロット間隔の1/2よりも短い。この例では、導電性表面110aと導波面122aとの間隔の異なる3種類の箇所がY方向に隣り合って並んでいる。このように、導波部材122に高さの異なる複数の凸部を設けた構造を採用してもよい。それぞれの凸部の高さを、所望の特性に応じて適切に設定することにより、導波路を伝搬する電磁波の位相を調整し、各スロット112の励振状態を調整することができる。高さの異なる複数の凸部に限らず、深さの異なる複数の凹部、または幅の異なる複数の幅広部もしくは狭小部を設けることによって同様の調整を行ってもよい。導波部材122に限らず、導電部材110に複数の凸部または複数の凹部を設けてもよい。複数のスロット112のうちの両端の2つのスロットの間において、導電性表面110aと導波面122aとの間隔、または導波面122aの幅が4段階以上に変化していてもよい。
【0067】
図5Dは、図5Cの例よりも導電性表面110aと導波面122aとの間隔(ギャップ)の異なる箇所を増加させ、より短い距離でギャップが変動する構成の例を示す図である。この例では、導電性表面110aと導波面122aとの間隔の異なる6種類の箇所が存在している。ギャップは、λR/4または1.15λo/4よりも短い距離で変化するが、凹凸の各繰り返し単位について見た場合、その繰り返し周期はλR/4または1.15λo/4よりも長い。
【0068】
図5Cおよび図5Dに示す例のように、導電部材110と導波部材122との間の導波路は、導電性表面110aと導波面122aとの間隔が異なる少なくとも3種類の箇所を有し得る。同様に、導波部材122は、導波面122aの幅の異なる少なくとも3つの箇所を有していてもよい。そのような少なくとも3種類の箇所の全てが、複数のスロット112のうちの隣接する2つのスロットの間に設けられている必要はなく、両端の2つのスロットの間に設けられていればよい。これらの態様では、導電性表面110aと導波面122aとの間隔、または導波面122aの幅は、導波面122aに沿って周期的に変化していてもよいし、非周期的に変化していてもよい。周期的に変化している場合、その周期は、前述のλR/4または1.15λo/4以下であってもよい。
【0069】
本開示の実施形態における付加要素は、ある特性インピーダンスをもつ分布定数回路に局所的に付加された集中定数素子的な要素とみなすことができる。そのような付加要素を適切な位置に配置することにより、用途または目的に応じた柔軟な調整が可能となる。例えば、導波路内の信号波の波長を所望の長さに調整し、かつ、定在波直列給電または進行波給電を適用して等振幅かつ等位相の励振を行い、利得を最大化することができる。また、複数のスロット間で意図的に所望の位相差を与えて指向特性を調整したり、進行波給電を適用して複数のスロットから所望の強度の電磁波を放射させたりすることもできる。このように、本開示の技術は、幅広い目的または用途に適用することができる。
【0070】
以下、本開示の実施形態によるスロットアレーアンテナのより具体的な構成例を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【0071】
<基本構成例>
まず、本開示の実施形態におけるスロットアレーアンテナの基本的な構成の例を説明する。
【0072】
本開示の実施形態におけるスロットアレーアンテナでは、導波部材の両側に配置された人工磁気導体を利用して電磁波の導波を行い、導電部材が有する複数のスロットで電磁波の放射または入射を行うことができる。人工磁気導体を用いることにより、導波部材(例えば、導電性の導波面を有するリッジ)の両側に高周波信号が漏洩することを抑制することができる。
【0073】
人工磁気導体は、自然界には存在しない完全磁気導体(PMC: Perfect Magnetic Conductor)の性質を人工的に実現した構造体である。完全磁気導体は、「表面における磁界の接線成分がゼロになる」という性質を有している。これは、完全導体(PEC: Perfect Electric Conductor)の性質、すなわち、「表面における電界の接線成分がゼロになる」という性質とは反対の性質である。完全磁気導体は、自然界には存在しないが、例えば導電性ロッドの配列のような人工的な構造によって実現され得る。人工磁気導体は、その構造によって定まる特定の周波数帯域において、完全磁気導体として機能する。人工磁気導体は、特定の周波数帯域(伝搬阻止帯域または禁止帯域)に含まれる周波数を有する電磁波が人工磁気導体の表面に沿って伝搬することを抑制または阻止する。このため、人工磁気導体の表面は、高インピーダンス面と呼ばれることがある。
【0074】
特許文献1および2、ならびに非特許文献1および2に開示されているように、行および列方向に配列された複数の導電性ロッドによって人工磁気導体を実現することができる。また、導電性ロッドは、1次元的または2次元的に分布していればよく、特定の周期と明瞭な行と列を伴って配置される必要はない。このようなロッドは、導電性の部材から突出した部分(突出部)であり、ポストまたはピンと呼ばれることもある。本開示のある実施形態におけるスロットアレーアンテナは、対向する一対の導電性部材(導電プレート)を備えている。一方の導電プレートは、他方の導電プレートの側に突出するリッジと、リッジの両側に位置する人工磁気導体とを有している。リッジの上面(導電性を有する面)は、ギャップを介して、他方の導電プレートの導電性表面に対向している。人工磁気導体の伝搬阻止帯域に含まれる周波数を有する電磁波は、この導電性表面とリッジの上面との間の空間(ギャップ)をリッジに沿って伝搬する。
【0075】
図6は、本開示の例示的な実施形態におけるスロットアレーアンテナ200(以下、「スロットアンテナ200」と称することもある。)の構成を模式的に示す斜視図である。図6では、互いに直交するX、Y、Z方向を示すXYZ座標が示されている。図示されているスロットアレーアンテナ200は、対向して平行に配置されたプレート状の第1の導電部材110および第2の導電部材120を備えている。第1の導電部材110は、第1の方向(Y方向)に沿って配列された複数のスロット112を有している。第2の導電部材120には複数の導電性ロッド124が配列されている。
【0076】
なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。
【0077】
図7Aは、XZ面に平行な、1つのスロット112の中心を通る断面の構成を模式的に示す図である。図7Aに示されるように、第1の導電部材110は、第2の導電部材120に対向する側に導電性表面110aを有している。導電性表面110aは、導電性ロッド124の軸方向(Z方向)に直交する平面(XY面に平行な平面)に沿って二次元的に拡がっている。この例における導電性表面110aは平滑な平面であるが、後述するように、導電性表面110aは、必ずしも平滑な平面である必要はなく、湾曲していたり、微細な凹凸を有したりしていてもよい。
【0078】
図8は、わかりやすさのため、第1の導電部材110と第2の導電部材120との間隔を極端に離した状態にあるスロットアレーアンテナ200を模式的に示す斜視図である。現実のスロットアレーアンテナ200では、図6および図7Aに示すように、第1の導電部材110と第2の導電部材120との間隔は狭く、第1の導電部材110は、第2の導電部材120の導電性ロッド124を覆うように配置されている。
【0079】
図8に示されているように、本実施形態における導波部材122の導波面122aは、複数の凸部122bを付加要素として備えている。これらの凸部122bは、両端の2つのスロット間の領域において、λRの1/4よりも長い間隔で分布している。図8に示す例では、各凸部122bは、図2Bの構成と同様に、隣接する2つのスロットの中点に対向する位置に配置されているが、他の位置に配置されていてもよい。凸部122bを適切な位置に配置することにより、各スロットにおける励振の振幅と位相の調整が可能になる。後述する実施形態のように、各スロットを等振幅かつ等位相で励振する等の効果を得ることもできる。付加要素は、凸部に限らず、凹部、幅広部、狭小部の少なくとも1つを含んでいてもよい。凸部または凹部を含む場合には、導波面122aは、隣接する2つの凹部または隣接する2つの凸部の間に、λRの1/4以上である平坦部分を含み得る。図8の例では付加要素が導波部材122上に設けられているが、第1の導電部材110に設けられていてもよい。
【0080】
再び図7Aを参照する。第2の導電部材120上に配列された複数の導電性ロッド124は、それぞれ、導電性表面110aに対向する先端部124aを有している。図示されている例において、複数の導電性ロッド124の先端部124aは同一平面上にある。この平面は人工磁気導体の表面125を形成している。導電性ロッド124は、その全体が導電性を有している必要はなく、ロッド状構造物の少なくとも上面および側面に沿って広がる導電層があればよい。この導電層はロッド状構造物の表層に位置してもよいが、表層が絶縁塗装または樹脂層からなり、ロッド状構造物の表面には導電層が存在していない状態であってもよい。また、第2の導電部材120は、複数の導電性ロッド124を支持して人工磁気導体を実現できれば、その全体が導電性を有している必要はない。第2の導電部材120の表面のうち、複数の導電性ロッド124が配列されている側の面120aが導電性を有し、隣接する複数の導電性ロッド124の表面が導電体で接続されていればよい。また、第2の導電部材120の導電性を有する層は、絶縁塗装または樹脂層で覆われていてもよい。言い換えると、第2の導電部材120および複数の導電性ロッド124の組み合わせの全体は、第1の導電部材110の導電性表面110aに対向する凹凸状の導電層を有していればよい。
【0081】
第2の導電部材120上には、複数の導電性ロッド124の間にリッジ状の導波部材122が配置されている。より詳細には、導波部材122の両側にそれぞれ人工磁気導体が位置しており、導波部材122は両側の人工磁気導体によって挟まれている。図8から分かるように、この例における導波部材122は、第2の導電部材120に支持され、Y方向に直線的に延びている。図示されている例において、導波部材122は、導電性ロッド124の高さおよび幅と同一の高さおよび幅を有している。しかし、後述するように、導波部材122の高さおよび幅は、導電性ロッド124の高さおよび幅とは異なっていてもよい。導波部材122は、導電性ロッド124とは異なり、導電性表面110aに沿って電磁波を案内する方向(この例ではY方向)に延びている。導波部材122も、全体が導電性を有している必要はなく、第1の導電部材110の導電性表面110aに対向する導電性の導波面122aを有していればよい。第2の導電部材120、複数の導電性ロッド124、および導波部材122は、連続した単一構造体の一部であってもよい。さらに、第1の導電部材110もこの単一構造体の一部であってもよい。
【0082】
導波部材122の導波面122aは、Y方向に沿って延びるストライプ形状を有する。本明細書において「ストライプ形状」とは、縞(stripes)の形状を意味するのではなく、単一のストライプ(a stripe)の形状を意味する。一方向に直線的に延びる形状だけでなく、途中で曲がったり、分岐したりする形状も「ストライプ形状」に含まれる。なお、導波面122a上に高さまたは幅の変化する部分が設けられている場合も、導波面122aの法線方向から見て一方向に沿って延びる部分を含む形状であれば、「ストライプ形状」に該当する。「ストライプ形状」を「ストリップ形状」と称することもある。導波面122aは、複数のスロット112に対向する領域において、Y方向に直線的に延びている必要はなく、途中で曲がったり、分岐していたりしてもよい。
【0083】
導波部材122の両側において、各人工磁気導体の表面125と第1の導電部材110の導電性表面110aとの間の空間は、特定周波数帯域内の周波数を有する電磁波を伝搬させない。そのような周波数帯域は「禁止帯域」と呼ばれる。スロットアレーアンテナ200の導波路内を伝搬する信号波の周波数(以下、「動作周波数」と称することがある。)が禁止帯域に含まれるように人工磁気導体は設計される。禁止帯域は、導電性ロッド124の高さ、すなわち、隣接する導電性ロッド124の間に形成される溝の深さ、導電性ロッド124の幅、配置間隔、および導電性ロッド124の先端部124aと導電性表面110aとの間の間隙の大きさによって調整され得る。
【0084】
本実施形態では、第1の導電部材110の全体が導電性の材料で構成され、各スロット112は、第1の導電部材110に設けられた開口である。しかし、スロット112はこのような構造に限定されない。例えば、第1の導電部材110が内部の誘電体層と表面の導電層とを含む構成では、導電層にのみ開口が設けられ、誘電体層には開口が設けられていない構造であってもスロットとして機能する。
【0085】
第1の導電部材110と導波部材122との間の導波路は、両端が開放されている。スロット間隔は、例えば導波路中における電磁波の波長λgの整数倍(典型的には1倍)に設定される。ここでλgは、リッジに凹凸その他の構造を付与したリッジ導波路における電磁波の波長を意味する。本開示の技術を用いる場合、λgは、そのような構造がない場合のリッジ導波路における電磁波の波長λRよりも大きくすることも小さくすることもできる。しかし、本実施形態ではλgはλRよりも小さい。図8には示されていないが、導波部材122のY方向における両端に近接して、チョーク構造が設けられ得る。チョーク構造は、典型的には、長さがおよそλg/4の付加的な伝送線路と、その付加的な伝送線路の端部に配置された深さが約λo/4の複数の溝または高さが約λo/4の複数のロッドの列とから構成され得る。チョーク構造は、入射波と反射波との間に約180°(π)の位相差を与え、導波部材122の両端から電磁波が漏洩することを抑制する。このようなチョーク構造は、第2の導電部材120上に限らず、第1の導電部材110に設けられていてもよい。
【0086】
図示されていないが、スロットアンテナ200における導波構造は、不図示の送信回路または受信回路(すなわち電子回路)に接続されるポート(開口部)を有する。ポートは、例えば図8に示す導波部材122の一端または中間の位置(例えば中央部)に設けられ得る。ポートを介して送信回路から送られてきた信号波は、リッジ122上の導波路を伝搬し、各スロット112から放射される。一方、各スロット112から導波路に導入された電磁波は、ポートを介して受信回路まで伝搬する。第2の導電部材120の裏側に、送信回路または受信回路に接続された他の導波路を備えた構造体(本明細書において「分配層」と称することがある。)が設けられていてもよい。その場合、ポートは、分配層における導波路と導波部材122上の導波路とを繋ぐ役割を担う。
【0087】
なお、隣接する2つのスロットの中心間隔を波長λgとは異なる値にしてもよい。そのようにすることにより、複数のスロット112の位置で位相差が生じるため、放射される電磁波が強め合う方位を正面方向からYZ面内の他の方位にずらすことができる。このように、図8に示すスロットアンテナ200によれば、YZ面内における指向性を調整することができる。
【0088】
本実施形態では、前述のように、アンテナの利得および指向性の調整を、導波面122a上の凸部122bなどの付加要素の形状、位置、および数を調整することによって実現できる。付加要素の構造および配置は、目的とする性能によって様々であり、図示される態様に限定されない。
【0089】
このような、導波路に複数のスロットを設けたアンテナを、スロットの配列方向である第1の方向に交差する第2の方向(例えば第1の方向に垂直なX方向)に複数個配列してもよい。そのような複数のスロットが平板状の導電部材に二次元的に設けられたアレーアンテナは、フラットパネルアレーアンテナとも呼ばれる。そのようなアレーアンテナは、平行に並んだ複数のスロット列と、複数の導波部材とを備える。複数の導波部材は各々導波面を有し、それらの導波面は複数のスロット列に各々対向する。複数の導波面上には、前述のような付加要素が、目的とするアンテナ性能に応じて適宜形成され得る。なお、用途によっては、平行に並ぶ複数のスロット列の長さ(スロット列の両端のスロットの間の長さ)は互いに異なっていてもよい。X方向に隣り合う2つの列の間で、各スロットのY方向の位置をずらした千鳥状の(staggered)配列としてもよい。また、用途によっては複数のスロット列および複数の導波部材は、平行ではなく角度を持たせて配列させてもよい。
【0090】
<各部材の寸法等の例>
次に、図9を参照しながら、本実施形態における各部材の寸法、形状、配置等の例を説明する。
【0091】
図9は、図7Aに示す構造における各部材の寸法の範囲の例を示す図である。スロットアレーアンテナは、所定の帯域(動作周波数帯域)の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられる。以下の説明において、第1の導電部材110の導電性表面110aと導波部材122の導波面122aとの間の導波路を伝搬する電磁波(信号波)の自由空間における波長(動作周波数帯域に広がりがある場合は中心周波数に対応する中心波長)をλoとする。また、動作周波数帯域における最高周波数の電磁波の自由空間における波長(最短波長)をλmとする。各導電性ロッド124のうち、第2の導電部材120に接している方の端の部分を「基部」と称する。図9に示すように、各導電性ロッド124は、先端部124aと基部124bとを有する。各部材の寸法、形状、配置などの例は、以下のとおりである。
【0092】
(1)導電性ロッドの幅
導電性ロッド124の幅(X方向およびY方向のサイズ)は、λo/2未満(好ましくはλm/2未満)に設定され得る。この範囲内であれば、自由空間波長がλo以上の信号波について、X方向およびY方向における最低次の共振の発生を防ぐことができる。なお、XおよびY方向だけでなくXY断面の対角方向でも共振が起こる可能性があるため、導電性ロッド124のXY断面の対角線の長さもλo/2未満(より好ましくはλm/2未満)であることが好ましい。ロッドの幅および対角線の長さの下限値は、工法的に作製できる最小の長さであり、特に限定されない。
【0093】
(2)導電性ロッドの基部から第1の導電部材の導電性表面までの距離
導電性ロッド124の基部124bから第1の導電部材110の導電性表面110aまでの距離は、導電性ロッド124の高さよりも長く、かつλo/2未満(好ましくはλm/2未満)に設定され得る。当該距離がλo/2以上の場合、自由空間波長がλoの信号波について、導電性ロッド124の基部124bと導電性表面110aとの間において共振が生じ、信号波の閉じ込め効果が減少する。
【0094】
導電性ロッド124の基部124bから第1の導電部材110の導電性表面110aまでの距離は、第1の導電部材110と第2の導電部材120との間隔に相当する。例えば導波路をミリ波帯である76.5±0.5GHzの信号波が伝搬する場合、信号波の波長は、3.8934mmから3.9446mmの範囲内である。したがって、この場合、λmは3.8934mmとなるので、第1の導電部材110と第2の導電部材120との間隔は、3.8934mmの半分よりも小さく設定され得る。第1の導電部材110と第2の導電部材120とが、このような狭い間隔を実現するように対向して配置されていれば、第1の導電部材110と第2の導電部材120とが厳密に平行である必要はない。また、第1の導電部材110と第2の導電部材120との間隔がλo/2未満(好ましくはλm/2未満)であれば、第1の導電部材110および/または第2の導電部材120の全体または一部が曲面形状を有していてもよい。他方、第1および第2の導電部材110、120の平面形状(XY面に垂直に投影した領域の形状)および平面サイズ(XY面に垂直に投影した領域のサイズ)は、用途に応じて任意に設計され得る。
【0095】
図7Aに示される例において、導電性表面120aは平面であるが、本開示の実施形態はこれに限られない。例えば、図7Bに示すように、導電性表面120aは断面がU字またはV字に近い形状である面の底部であってもよい。導電性ロッド124または導波部材122が、基部に向かって幅が拡大する形状を持つ場合に、導電性表面120aはこのような構造になる。このような構造であっても、導電性表面110aと導電性表面120aとの間の距離が波長λoまたはλmの半分よりも短ければ、図7Bに示す装置は、本開示の実施形態におけるスロットアンテナとして機能し得る。
【0096】
(3)導電性ロッドの先端部から導電性表面までの距離L2
導電性ロッド124の先端部124aから導電性表面110aまでの距離L2は、λo/2未満(好ましくはλm/2未満)に設定される。当該距離がλo/2以上の場合、自由空間波長がλoの電磁波について、導電性ロッド124の先端部124aと導電性表面110aとの間を往復する伝搬モードが生じ、電磁波を閉じ込められなくなるからである。なお、複数の導電性ロッド124の内、少なくとも導波部材122(後述)と隣り合うものについては、先端が導電性表面110aとは電気的には接触していない状態にある。ここで、導電性ロッドの先端が導電性表面に電気的に接触していない状態とは、先端と導電性表面の間に空隙がある状態、或いは、導電性ロッドの先端と導電性表面との何れかに絶縁層が存在し、導電性ロッドの先端と導電性表面とが絶縁層を間に介して接触している状態、の何れかを指す。
【0097】
(4)導電性ロッドの配列および形状
複数の導電性ロッド124のうちの隣接する2つの導電性ロッド124の間の隙間は、例えばλo/2未満(好ましくはλm/2未満)の幅を有する。隣接する2つの導電性ロッド124の間の隙間の幅は、当該2つの導電性ロッド124の一方の表面(側面)から他方の表面(側面)までの最短距離によって定義される。このロッド間の隙間の幅は、ロッド間の領域で最低次の共振が起こらないように決定される。共振が生じる条件は、導電性ロッド124の高さ、隣接する2つの導電性ロッド間の距離、および導電性ロッド124の先端部124aと導電性表面110aとの間の空隙の容量の組み合わせによって決まる。よって、ロッド間の隙間の幅は、他の設計パラメータに依存して適宜決定される。ロッド間の隙間の幅には明確な下限はないが、製造の容易さを確保するために、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる場合には、例えばλo/16以上であり得る。なお、隙間の幅は一定である必要はない。λo/2未満であれば、導電性ロッド124の間の隙間は様々な幅を有していてもよい。
【0098】
複数の導電性ロッド124の配列は、人工磁気導体としての機能を発揮する限り、図示されている例に限定されない。複数の導電性ロッド124は、直交する行および列状に並んでいる必要はなく、行および列は90度以外の角度で交差していてもよい。複数の導電性ロッド124は、行または列に沿って直線上に配列されている必要はなく、単純な規則性を示さずに分散して配置されていてもよい。各導電性ロッド124の形状およびサイズも、第2の導電部材120上の位置に応じて変化していてよい。
【0099】
複数の導電性ロッド124の先端部124aが形成する人工磁気導体の表面125は、厳密に平面である必要はなく、微細な凹凸を有する平面または曲面であってもよい。すなわち、各導電性ロッド124の高さが一様である必要はなく、導電性ロッド124の配列が人工磁気導体として機能し得る範囲内で個々の導電性ロッド124は多様性を持ち得る。
【0100】
導電性ロッド124は、図示されている角柱形状に限らず、例えば円筒状の形状を有していてもよい。さらに、導電性ロッド124は、単純な柱状の形状を有している必要はなく、例えばマッシュルーム形状を有していてもよい。人工磁気導体は、導電性ロッド124の配列以外の構造によっても実現することができ、多様な人工磁気導体を本開示の導波路構造に利用することができる。なお、導電性ロッド124の先端部124aの形状が角柱形状である場合は、その対角線の長さはλo/2未満であることが好ましい。導電性ロッド124の先端部124aの形状が楕円形状であるときは、長軸の長さがλo/2未満(さらに好ましくはλm/2未満)であることが好ましい。先端部124aがさらに他の形状をとる場合でも、その差し渡し寸法は一番長い部分でもλo/2未満(さらに好ましくはλm/2未満)であることが好ましい。
【0101】
(5)導波面の幅
導波部材122の導波面122aの幅、すなわち、導波部材122が延びる方向に直交する方向における導波面122aのサイズは、λo/2未満(好ましくはλm/2未満、例えばλo/8)に設定され得る。導波面122aの幅がλo/2以上になると、自由空間波長がλoの電磁波について、幅方向で共振が起こり、共振が起こるとWRGは単純な伝送線路としては動作しなくなるからである。
【0102】
(6)導波部材の高さ
導波部材122の高さ(図示される例ではZ方向のサイズ)は、λo/2未満(好ましくはλm/2未満)に設定される。当該距離がλo/2以上の場合、導電性ロッド124の基部124bと導電性表面110aとの距離がλo/2以上となるからである。同様に、導電性ロッド124(特に、導波部材122に隣接する導電性ロッド124)の高さについても、λo/2未満またはλm/2未満に設定される。
【0103】
(7)導波面と導電性表面との間の距離L1
導波部材122の導波面122aと導電性表面110aとの間の距離L1については、λo/2未満(好ましくはλm/2未満)に設定される。当該距離がλo/2以上の場合、自由空間波長がλoの電磁波について、導波面122aと導電性表面110aとの間で共振が起こり、導波路として機能しなくなるからである。ある例では、当該距離はλo/4以下である。製造の容易さを確保するために、ミリ波帯の電磁波を伝搬させる場合には、距離L1を、例えばλo/16以上とすることが好ましい。
【0104】
導電性表面110aと導波面122aとの距離L1の下限、および導電性表面110aとロッド124の先端部124aとの距離L2の下限は、機械工作の精度と、上下の2つの導電部材110、120を一定の距離に保つように組み立てる際の精度とに依存する。プレス工法またはインジェクション工法を用いた場合、上記距離の現実的な下限は50マイクロメートル(μm)程度である。MEMS(Micro−Electro−Mechanical System)技術を用いて例えばテラヘルツ領域の製品を作る場合には、上記距離の下限は、2〜3μm程度である。
【0105】
(8)スロットの配列間隔およびサイズ
スロットアンテナ200における隣接する2つのスロット112の中心間の距離(スロット間隔)aは、導波路を伝搬する信号波の導波路中での波長(動作周波数帯域に広がりがある場合は中心周波数に対応する中心波長)をλgとして、例えばλgの整数倍(典型的にはλgと同じ値)に設定され得る。これにより、定在波直列給電を適用した場合に、各スロットの位置で等振幅かつ等位相の状態が実現し得る。なお、隣接する2つのスロットの中心間隔aは、要求される指向特性によって決まるため、λgに一致しない場合もある。本実施形態ではスロット112の数は6個であるが、スロット112の数は2個以上の任意の数であってよい。
【0106】
図8および図9に示す例では、各スロットは、X方向に長く、Y方向に短い矩形に近い平面形状を有している。各スロットのX方向のサイズ(長さ)をL、Y方向のサイズ(幅)をWとすると、LおよびWは、高次モードの振動が起こらず、かつ、スロットのインピーダンスが小さくなり過ぎない値に設定される。例えば、Lはλo/2<L<λoの範囲内に設定される。Wは、λo/2未満であり得る。なお、高次モードを積極的に利用することを目的に、Lをλoより大きくすることもあり得る。
【0107】
次に、以上の構成を有するスロットアレーアンテナの、より具体的な実施形態を説明する。
【0108】
<実施形態1>
実施形態1は、定在波直列給電を適用して、複数のスロットを等振幅かつ等位相で励振し、高い利得を実現するスロットアレーアンテナ(以下、単に「アレーアンテナ」とも称する。)に関する。本開示におけるスロットアレーアンテナは、必ずしも複数のスロットを等振幅かつ等位相で励振する構成に限定されないが、本実施形態では、発明の理解を容易にするために、最も単純な例である、等振幅等位相の励振を実現し、利得を最大化し得るスロットアレーアンテナを説明する。
【0109】
まず、定在波直列給電の原理を説明する。
【0110】
図10は、理想的な定在波直列給電がなされているアレーアンテナの一例を示す原理図である。図11は、図10に示すアレーアンテナにおいて、アンテナ入力端子側(図10の左側)から見た各点でのインピーダンス軌跡をスミスチャート上に示した図である。図12は、放射エレメントの両端の電圧に着目した場合の図10のアレーアンテナの等価回路を示している。
【0111】
図10に示される理想的な定在波直列給電がなされているアレーアンテナでは、各放射エレメントのインピーダンスは、給電路の特性インピーダンスZoに較べて十分小さく且つ純抵抗成分Rだけを有する。また、各放射エレメントは、定在波電流の振幅が最大となる位置に直列に挿入されている。よって、図11に示されるように、各放射エレメントの両端のインピーダンス軌跡(1→2、3→4、および5→6)は、スミスチャートにおける実軸上の短絡インピーダンスに近い領域にある。さらに、隣接する2つの放射エレメントを繋ぐ線路の両端の長さが波長λに等しいので、その間のインピーダンス軌跡(2→3および4→5)は、スミスチャートの中心の周囲を時計回りに2回転した後に元の点に戻る。つまり、各放射エレメントの電圧の振幅と位相だけに着目すると、図12の等価回路に示すように入力信号(電圧V)が全ての放射エレメントに等分される。よって全ての放射エレメントが等振幅等位相で励振されることとなる。
【0112】
次に、WRGと放射スロットとを用いたアレーアンテナに定在波直列給電を適用しようとした場合において、特許文献1に開示された構成と、本実施形態における構成とを比較することにより、本実施形態のアレーアンテナが有する効果を説明する。
【0113】
図13Aおよび図13Bは、特許文献1に開示された構造が一部適用された構造を備えたアレーアンテナ401の一例(比較例)を示している。図13Aは、アレーアンテナ401の構造を示す斜視図であり、図13Bは、複数のスロット112の各々の中心およびリッジ122の中心を通る平面でアレーアンテナ401を切断した場合の断面図である。
【0114】
図14Aおよび図14Bは、本実施形態におけるアレーアンテナ501を示している。図14Aは、アレーアンテナ501の構造を示す斜視図であり、図14Bは、複数のスロット112の各々の中心およびリッジ122の中心を通る平面でアレーアンテナ501を切断した場合の断面図である。
【0115】
前述したように、理想的な定在波直列給電がなされている場合、各放射エレメントのインピーダンスが、給電路の特性インピーダンスに較べて十分に小さい純抵抗成分のみをもつ。しかし、本発明者らの検討によれば、図13Aおよび図13Bに示す例、ならびに図14Aおよび図14Bに示す例のように、WRGに放射スロット112を用いる場合には、各放射スロット112のインピーダンスが給電路の特性インピーダンスと同程度あるいはそれ以上の大きさになることが判明した。つまり、実際には放射スロット112を挿入する前と挿入した後とでは、電圧の振幅が最大になる位置と、電流の振幅が最大になる位置とが、波長λに比して無視できない程の大きさ変化してしまう。このことは、目的の放射特性を得るために、導波路とスロットとを独立して設計できない(即ち、双方を同時に最適化する必要がある)ことを意味する。このような課題は、従来は全く認識されていなかった。電波励振口であるスロットのインピーダンスが給電路のインピーダンスに比べて無視できないために、WRGを用いたスロットアレーアンテナでは、上記の定在波法に代わる新たな設計方法が必要である。
【0116】
本発明者らは、上記の課題を解決するために、従来の定在波法に代わる新たな方法(以下、「拡張定在波法」と称することがある。)を発明するに至った。この拡張定在波法では、定在波給電の概念を拡張し、前述した理想的な定在波直列給電の判定法のうち、アレーアンテナの各点のインピーダンス軌跡に基づいて等振幅等位相励振の状態にあるかどうかを判定する方法を用いる。つまり、等振幅等位相励振が実現されているかどうかの判定法として、以下の2条件を採用する。
(1)全ての放射スロットの両端のインピーダンス軌跡が実軸上にある。
(2)隣接する2つの放射エレメントを繋ぐ領域の両端のインピーダンス軌跡がスミスチャートの中心の周囲を2回転した後に一致する。
【0117】
本実施形態では、上記の(1)および(2)の条件を満足するように、伝送路のインダクタンスおよびキャパシタンスの少なくとも一方を変化させる付加要素が、適切な位置に配置される。これにより、等振幅等位相励振を実現することができる。
【0118】
以下、本実施形態の構成を、比較例の構成と対比しながら説明する。
【0119】
図13Aおよび図13Bに示す比較例では、凹部122cは一定の短い間隔で周期的に配列されている。凹部122cの配列の周期は、特許文献1の構成では、凹部122cが設けられていない場合の導波路内における信号波の波長λRの1/4未満である。波長λRは、隣接する2つのスロットの中心間の距離に近い長さである。このような短い周期で複数の凹部122cが形成された伝送線路は、通常、一定の特性インピーダンスを有する分布定数回路と考えることができ、現に特許文献1でもそのように説明されている。しかし、本発明者らは、凹部122c等の付加要素を集中定数素子的な要素として取り扱うことを着想し、その着想に基づいて本願発明を完成させた。
【0120】
本実施形態では、図14Bに示すように、凹部122cが放射スロット112に対向する領域以外の領域内に形成されている。さらに、隣接する2つの放射スロット112の間の領域において、当該2つの放射スロット112の中点の両側で、凹部122cが同じ組み合わせで且つ対称的な配置になるように設けられている。なお、図14Bに示すように、凹部122cの深さは、場所によって異なっていてもよい。また、必要に応じて、放射スロット112に対向する領域に、凹部を配置する構成を採用してもよい。
【0121】
図15は、図13Aおよび図13Bに示す比較例における直列給電アレーアンテナの等価回路を示している。図15において、放射スロットがもつ放射インピーダンス(純抵抗)をRs、凹部が設けられていない線路部の特性インピーダンスをZ0、凹部が設けられていない線路部の長さをd、凹部による等価直列インダクタンス成分をL、放射スロットとWRG間に形成された寄生容量をCと表している。
【0122】
図16は、図15に示す等価回路の点0〜16のインピーダンス軌跡をスミスチャート上に示した図である。図16において、点同士を結ぶ矢印は、放射スロットの抵抗Rsと寄生容量Cとの合成インピーダンス、線路部の特性インピーダンスZo、および直列インダクタンス成分Lによるインピーダンスの軌跡を示している。
【0123】
図15図16とを対応させて観察することにより、比較例のアレーアンテナの等価回路におけるインピーダンス軌跡と、その軌跡に至る理由が理解できる。図15および図16に示されるように、インピーダンス軌跡は開放端0に始まる。線路部(インピーダンスZo)が等価回路に挿入された場合(0→1、2→3、4→5、6→7、10→11、12→13、14→15)には、スミスチャートの中心の回りに半径一定の円上を反射位相が遅れる方向に回転する。放射インピーダンス(抵抗Rs)と寄生容量Cとの並列合成インピーダンスが挿入された場合(1→2、8→9、15→16)および等価直列インダクタンスLが挿入された場合(3→4、5→6、7→8、9→10、11→12、13→14)は、挿入されたインピーダンスに特有の軌跡を通ってスミスチャート上を移動する。
【0124】
ここで、図16に示すインピーダンス軌跡は、Zo、Rs、ω、C、L、dの値を、図15に記載されている4つの式を満足するように設定した場合に得られた。ωは信号波の角周波数であり、図15に記載されているλgは、導波路中の信号波の波長を表す。これらの値は、放射エレメントが配置されていない状態におけるWRG上の波長を制御するために同一の凹凸形状を一定周期で線路全体に配置する、という従来技術の制約のもとで、上述した等振幅等位相励振の判定基準をできる限り満たすようにして決定された値である。すなわち、これらの値は、点2〜8および点9〜15のインピーダンス軌跡がスミスチャートの中心の周りに2回転した後にできるだけ元の点に近づくように、凹部間の線路長さと凹部の深さを選択した結果として決定された。言い換えると、図16に示されているインピーダンス軌跡は、従来のアレーアンテナにおいて、最も等振幅等位相の励振状態に近づけた最適状態を表している。
【0125】
しかし、結果としては、図16からわかるように、全ての放射スロットの両端のインピーダンス軌跡(1→2、8→9、15→16)は実軸上になく、さらに、隣接する2つの放射エレメントを繋ぐ領域の両端のインピーダンス軌跡(2→8、9→15;図16中に★印で示した破線枠内)がスミスチャートの中心の周囲を2回転はしているものの一致していない。このことは、従来のアレーアンテナでは等振幅等位相を狙って設計しても等振幅等位相の励振が実現できず、よって利得が最大化できないことを意味している。そしてその原因は、放射エレメントが配置されていない状態におけるWRG上の波長を制御するために同一の凹凸形状を一定周期で線路全体に配置しただけの構造であることによる。放射スロットと凹部との位置関係に特定の関連性を与え、寄生容量Cを各スロットにおいて一定にしたとしても、この状況は変わらない。実際、図15に示されるように、図16に示されるインピーダンス軌跡は、寄生容量Cが各スロットにおいて等しい条件下で得られたものである。
【0126】
なお、寄生容量Cを消す方法として、各スロットと重なる領域には凹部を設けないという構造を選択することが考えられる。また、寄生容量Cを各スロットで異ならせることにより、各スロットにおける励振条件を調節することも考えられる。しかし、これらはいずれも、そのままでは解決策にならない。従来、WRGを伝搬する電磁波の波長を制御するためには、凹部等が設けられていない構成におけるWRG中の電磁波の波長をλRとして、λR/4よりも小さい周期で、凹部等を一様に配置することが求められていた。その理由は、複数のスロットの間隔とWRG中の電磁波の波長λgとを一致させるために、分布定数回路としての給電路の特性インピーダンスを一様に変化させる必要があると考えられていたからである。上記の各スロットと重なる領域には凹部を設けない構造、および寄生容量Cを各スロットの位置で異ならせる構造では、λR/4以上の周期の構造をWRGが持つことになる。そのような非周期的あるいは非一様な構造において、WRGを用いたスロットアレーアンテナを構成する方法は従来知られていなかった。
【0127】
次に、本実施形態のアレーアンテナの動作を説明する。
【0128】
図17は、図14Aおよび図14Bに示す定在波直列給電によるアレーアンテナの等価回路を示している。図17において、各放射スロットの放射インピーダンス(純抵抗)をRs、凹部が設けられていない線路部の特性インピーダンスをZo、凹部が設けられていない連続した線路部の長さをd1およびd2、凹部による等価直列インダクタンス成分をL1およびL2と表している。
【0129】
図18は、図17に示す等価回路における点0〜14のインピーダンス軌跡をスミスチャート上に示した図である。図18において、点同士を結ぶ矢印は、線路部の特性インピーダンスZo、放射スロットの抵抗Rs、および直列インダクタンス成分Lによるインピーダンス軌跡を示している。
【0130】
図17図18とを対応させて観察することにより、本実施形態のアレーアンテナの等価回路におけるインピーダンス軌跡と、その軌跡に至る理由が理解できる。図17および図18に示されるように、インピーダンス軌跡は開放端0に始まる。線路部(インピーダンスZo)が等価回路に挿入された場合(0→1、2→3、4→5、6→7、8→9、10→11、12→13)にはスミスチャートの中心の回りに半径一定の円上を反射位相が遅れる方向に回転する。放射インピーダンス(抵抗Rs)が挿入された場合(1→2、7→8、13→14)および等価直列インダクタンスLが挿入された場合(3→4、5→6、9→10、11→12)は、挿入されたインピーダンスに特有の軌跡を通ってスミスチャート上を移動する。
【0131】
ここで、図18に示すインピーダンス軌跡は、Zo、Rs、ω、L1、L2、d1、d2の値を、図17に記載されている5つの式を満足するように設定した場合に得られた。これらの値は、図14Aおよび図14Bに示す本実施形態のアレーアンテナで実現できる範囲において、上述した等振幅等位相励振の判定基準をできる限り満たすように、凹部122cの位置と凹部122cの深さとを選択した結果として決定された。言い換えると、図18に示されているインピーダンス軌跡は、本実施形態のアレーアンテナにおいて、等振幅等位相の励振状態に最も近づけた最適状態を表している。したがって、現実の装置におけるインピーダンス軌跡は、図18に示すような理想的なインピーダンス軌跡とは異なっていてもよい。
【0132】
本実施形態のアレーアンテナでは、最適状態において、全ての放射スロットの両端のインピーダンス軌跡(1→2、7→8、13→14)が実軸上にあり、さらに、隣接する2つの放射エレメントを繋ぐ領域の両端のインピーダンス軌跡(2→7、8→13;図18中に★印で示した破線枠内)がスミスチャートの中心の周囲を2回転した後に元の点と一致している。このことは、本実施形態のアレーアンテナでは等振幅等位相の励振が実現でき、よって利得が最大化できることを意味している。
【0133】
以上のように、本実施形態によれば、拡張定在波法を用いて、複数の凹部を導波面の適切な位置に配置することにより、理想的な定在波励振を実現でき、アレーアンテナの利得を最大化することができる。
【0134】
<実施形態2>
図19Aは、本開示の第2の実施形態におけるアレーアンテナ1001の構造を示す斜視図である。図19Bは、図19Aに示すアレーアンテナを、複数の放射スロット112の各々の中心およびリッジ122の中心を通る平面で切断した場合の断面図である。本実施形態でも、定在波直列給電の原理に従って、全ての放射スロット112は、放射インピーダンスが純抵抗成分になるように共振状態に設計されている。また、全ての放射スロット112は同一の形状を有する。
【0135】
本実施形態では、WRG上には、定在波の波長および位相を制御するために、他の線路部分とは異なる構造、つまり凸部122bが付加要素として配置されている。隣接する2つの放射スロット112の間の領域において、当該2つの放射スロット112の中点の両側で、凸部122bが同じ組み合わせで且つ対照的な配置になるように配置されている。特に、図19Aおよび図19Bに示す実施形態では、対称的に配置された2つの凸部が中点で重なり、1つの合成された凸部122bが形成されている。
【0136】
図20は、本実施形態における定在波直列給電が適用されたアレーアンテナの等価回路を示している。図20において、各放射スロットの放射インピーダンス(純抵抗)をRs、凸部が配置されていない線路部の特性インピーダンスをZo、凸部が配置されていない連続した線路部の長さをd3、凸部による並列キャパシタンス成分をC1およびC2と表している。
【0137】
図21は、図20に示す等価回路の点0〜10のインピーダンス軌跡をスミスチャート上に示した図である。図21において、点同士を結ぶ矢印は、線路部の特性インピーダンスZo、放射スロットの抵抗Rs、および並列キャパシタンス成分C1、C2によるインピーダンス軌跡を示している。
【0138】
図20図21とを対応させて観察することにより、本実施形態のアレーアンテナの等価回路のインピーダンス軌跡と、その軌跡に至る理由が理解できる。図20図21に示すように、インピーダンス軌跡は開放端0に始まる。各線路部(インピーダンスZo)が等価回路に挿入された場合(0→1、2→3、4→5、6→7、8→9)には、スミスチャートの中心の回りに半径一定の円上を反射位相が遅れる方向に回転する。放射インピーダンス(抵抗Rs)が挿入された場合(1→2、5→6、9→10)および等価並列キャパシタンスC1、C2が挿入された場合(3→4、7→8)は、挿入されたインピーダンスに特有の軌跡を通ってスミスチャート上を移動する。
【0139】
ここで、図21に示すインピーダンス軌跡は、Zo、Rs、ω、C1、C2、d3の値を、図20に記載されている4つの式を満足するように設定した場合に得られた。これらの値は、図19Aおよび図19Bに示す本実施形態のアレーアンテナで実現できる範囲において、上述した等振幅等位相励振の判定基準をできる限り満たすように、凸部を置く位置と凸部の高さとを選択した結果として決定された。言い換えると、図21に示されているインピーダンス軌跡は、本実施形態のアレーアンテナにおいて、等振幅等位相の励振状態に最も近づけた最適状態を表している。
【0140】
その結果として、本実施形態のアレーアンテナでは、全ての放射スロットの両端のインピーダンス軌跡(1→2、5→6、9→10)が実軸上にあり、さらに、隣接する2つの放射エレメントを繋ぐ領域の両端のインピーダンス軌跡(2→5、6→9;図21中に★印で示した破線枠内)がスミスチャートの中心の周囲を2回転した後に元の点と一致している。このことは、本実施形態のアレーアンテナでも等振幅等位相の励振が実現でき、よって利得が最大化できることを意味している。そして、その結果に至った理由は、WRG上の放射スロットの開口と重ならない領域にのみ凸部を配置することにより、放射スロットの位置で寄生容量が付加されないこと、および、隣接する2つの放射スロット間の領域において、当該2つの放射スロットの中点の両側で、凸部が同じ組み合わせで且つ対称的な配置になるように設けられていることによる。
【0141】
以上のように、本実施形態によっても、拡張定在波法を用いて、複数の凸部を適切な位置に配置することにより、理想的な定在波励振を実現でき、アレーアンテナの利得を最大化することができる。
【0142】
上記のように、実施形態1、2では、λR/4以上の大きさの構造、すなわち、インピーダンスまたはインダクタンスが、極小箇所から隣接する極大箇所まで変化するのに要する距離がλR/8以上である構造をWRGに導入することにより、各スロットの励振状態が調節されている。実施形態1、2では、その手法を用いて等振幅等位相の励振を実現したが、等振幅等位相以外の励振を実現するためにλR/4以上の大きさの構造を導入することも可能である。
【0143】
<他の実施形態>
以下、他の実施形態を例示する。
【0144】
上記の実施形態1、2では、WRG上に凹部および凸部の一方が設けられているが、凹部および凸部の両方が設けられていてもよい。
【0145】
例えば、図22Aに示すように、隣接する2つのスロット112の中点に対向する領域に凸部122bを設け、その両側に凹部122cを設けてもよい。また、図22Bに示すように、隣接する2つのスロット112の中点に対向する位置に対称に2つの凹部122cを設け、さらにその外側に2つの凸部122bを設けてもよい。これらの構成では、インピーダンス軌跡が、図18および図21を参照しながら説明した軌跡とは異なる。しかし、このような構成によっても、凸部の位置および高さ、ならびに凹部の位置および深さを適切に調整することによって上記(1)、(2)の条件を満足させることにより、所望の励振状態を実現し得る。さらに、利得を最大化するという目的とは異なる目的(例えば、効率を犠牲にしてサイドローブを低減する等)のために、上記(1)、(2)の条件を敢えて満足しないように設計することも可能である。その場合、各放射スロットの位置で所望の励振状態が実現するように、適切な形状の付加要素を適切な位置に配置し、さらには各スロットの形状および配置間隔を調節すればよい。
【0146】
例えば、上記の実施形態1、2で実現された等振幅等位相の状態を出発点とし、そこからスロット間隔を少しだけ変化させることで、各スロットから放射される電波の位相を必要量だけシフトさせることができる。スロットの形状をわずかに変更することで、各スロットから放射される電波の振幅に差をつけることができる。付加要素およびスロットの、形状および位置、さらにはWRG導波路各部の寸法は、例えば電磁界シミュレーションまたは進化的アルゴリズム等を利用して決定することができる。
【0147】
以上の実施形態1、2では、等振幅等位相の励振を実現するために、凹部または凸部などの付加要素が、隣接する2個のスロットの間において、2個のスロットの中点位置または中点位置に対向する導波面上の位置に関して対称に分布している。しかし、そのような対称的な分布でなくとも、付加要素の構造および位置を適切に設計することにより、同等の性能を実現することができる。
【0148】
図23Aは、導波部材122のさらに他の構造の例を示す図である。図23Aは、+Z方向から第2の導電部材120、導波部材122、および複数のロッド124をみた上面図である。図23Aでは、導波面122aにおいて複数のスロットに対向する部分が破線で示されている。この例では、導電性表面110aと導波面122aとの間の距離を変動させるのではなく、導波面122aの幅を変動させている。このような構成においても、隣接する2つのスロットの中央付近のキャパシタンスが大きくなるため、図19Aおよび図19Bに示す構成と同様の効果が得られる。この例では幅広部122eを前述の凸部の代わりに用いているが、狭小部を前述の凹部の代わりに用いてもよい。さらに、高さおよび幅の両方を、付加要素が配置されていない部分(中立部)から変化させた構造を付加要素として用いてもよい。また、凸部、凹部、幅広部、狭小部に代えて、誘電率が周囲の誘電率とは異なる部分を付加要素として導電性表面110aと導波面122aとの間の適切な位置に配置してもよい。
【0149】
図23Bは、導波部材122のさらに他の構造の例を示す図である。図の表示様式は、図23Aと同一である。図23Aでは導波部材122の伸びる方向に沿って幅広部122eが等間隔に配置されていたが、この例では等間隔ではない。図23BのY方向上から数えて1番目の幅広部122eと2番目の幅広部122eの間の間隔は、2番目の幅広部122eと3番目の幅広部122eの間隔よりも大きい。また、導波部材122は狭小部122fも含む。4番目の幅広部122eに続いて、狭小部122fが4つ並ぶ。その内、Y方向上から数えて1番目の狭小部122fと2番目の狭小部122fの間の間隔は、2番目の狭小部122fと3番目の狭小部122fの間隔よりも小さい。
【0150】
この様に、幅広部や狭小部(幅狭部)の配置間隔を局所的に異ならせたり、幅広部および狭小部の両方を配置したりすることで、スロットアレイアンテナに必要な特性を付与することができる。
【0151】
次に、本開示の実施形態の他の構成例を説明する。
【0152】
・ホーンを有する構造
図24Aは、ホーンを有するスロットアンテナ200の構成例を示す斜視図である。図24Bは、図24Aに示す第1の導電部材110および第2の導電部材120のそれぞれを+Z方向からみた上面図である。図24Aおよび図24Bは、簡単のため、第1の導電部材110が、2つのスロット112と、それらをそれぞれ取り囲む2つのホーン114を有する例を示している。スロット112の数およびホーン114の数は3つ以上であってもよい。
【0153】
各ホーン114は、少なくとも表面が導電性の材料で構成された4つの側壁(すなわち2組の一対の導電壁)を有している。各側壁は、第1の導電部材110の表面に垂直な方向に対して傾斜している。ホーン114を設けることにより、各スロット112から放射される電磁波の指向性を向上させることができる。ホーン114の形状は、図示されるものに限定されない。例えば、各側壁が第1の導電部材110の表面に垂直な部分を有していてもよい。
【0154】
・導波部材、導電部材、および導電性ロッドの変形例
次に、導波部材122、導電部材110、120、および導電性ロッド124の変形例を説明する。
【0155】
図25Aは、導波部材122の上面である導波面122aのみが導電性を有し、導波部材122の導波面122a以外の部分は導電性を有していない構造の例を示す断面図である。第1の導電部材110および第2の導電部材120も同様に、導波部材122が位置する側の表面(導電性表面110a、120a)のみが導電性を有し、他の部分は導電性を有していない。このように、導波部材122、第1の導電部材110、および第2の導電部材120の各々は、全体が導電性を有していなくてもよい。
【0156】
図25Bは、導波部材122が第2の導電部材120上に形成されていない変形例を示す図である。この例では、導波部材122は、第1の導電部材110と第2の導電部材120とを支持する支持部材(例えば、筐体の内壁等)に固定されている。導波部材122と第2の導電部材120との間には間隙が存在する。このように、導波部材122は第2の導電部材120に接続されていなくてもよい。
【0157】
図25Cは、第2の導電部材120、導波部材122、および複数の導電性ロッド124の各々が、誘電体の表面に金属などの導電性材料がコーティングされた構造の例を示す図である。第2の導電部材120、導波部材122、および複数の導電性ロッド124は、相互に導電体で接続されている。一方、第1の導電部材110は、金属などの導電性材料で構成されている。
【0158】
図25Dおよび図25Eは、導電部材110、120、導波部材122、および導電性ロッド124の各々の最表面に、誘電体の層110b、120bを有する構造の例を示す図である。図25Dは、導電体である金属製の導電部材の表面を誘電体の層で覆った構造の例を示す。図25Eは、導電部材120が、樹脂などの誘電体製の部材の表面を、金属などの導電体で覆い、さらにその金属の層を誘電体の層で覆った構造を有する例を示す。金属表面を覆う誘電体の層は樹脂などの塗膜であってもよいし、当該金属が酸化することによって生成された不動態皮膜などの酸化皮膜であってもよい。
【0159】
最表面の誘電体層は、WRG導波路を伝搬する電磁波の損失を増加させる。しかし、導電性を有する導電性表面110a、120aを腐食から守ることができる。また、直流電圧、およびWRG導波路によっては伝搬できない程度に周波数の低い交流電圧のかかる導線が、導電性ロッド124に接触し得る場所に配置されていても、短絡を防ぐことができる。
【0160】
図25Fは、導波部材122の高さが導電性ロッド124の高さよりも低く、第1の導電部材110の導電性表面110aのうち、導波面122aに対向する部分が、導波部材122の側に突出している例を示す図である。このような構造であっても、図9に示す寸法の範囲を満たしていれば、前述の実施形態と同様に動作する。
【0161】
図25Gは、図25Fの構造において、更に、導電性表面110aのうち導電性ロッド124に対向する部分が、導電性ロッド124の側に突出している例を示す図である。このような構造であっても、図9に示す寸法の範囲を満たしていれば、前述の実施形態と同様に動作する。なお、導電性表面110aの一部が突出する構造に代えて、一部が窪む構造であっても良い。
【0162】
図26Aは、第1の導電部材110の導電性表面110aが曲面形状を有する例を示す図である。図26Bは、さらに、第2の導電部材120の導電性表面120aも曲面形状を有する例を示す図である。これらの例のように、導電性表面110a、120aは、平面形状に限らず、曲面形状を有していてもよい。
【0163】
第2の導電部材120上には、複数の導波部材122が配置されていてもよい。図27は、第2の導電部材120上において2個の導波部材122が平行に延びる形態を示す斜視図である。複数の導波部材122を1つの導波構造内に設けることにより、複数のスロットが2次元的に短い間隔で配列されたアレーアンテナを実現することができる。図27の構成では、2つの導波部材122の間に3列の導電性ロッド124を含む人工磁気導体が存在する。なお、複数の導波部材122が位置する領域全体の両側にも人工磁気導体が配置される。
【0164】
図28Aは、16個のスロットが4行4列に配列されたアレーアンテナのZ方向からみた上面図である。図28Bは、図28AのB−B線断面図である。このアレーアンテナにおける第1の導電部材110は、複数のスロット112にそれぞれ対応して配置された複数のホーン114を備えている。図示されるアレーアンテナにおいては、スロット112に直接的に結合する導波部材122Uを備える第1の導波路装置100aと、第1の導波路装置100aの導波部材122Uに結合する他の導波部材122Lを備える第2の導波路装置100bとが積層されている。第2の導波路装置100bの導波部材122Lおよび導電性ロッド124Lは、第3の導電部材140上に配置されている。第2の導波路装置100bは、基本的には、第1の導波路装置100aの構成と同様の構成を備えている。
【0165】
図28Aに示すように、導電部材110は、第1の方向(Y方向)および第1の方向に直交する第2の方向(X方向)に配列された複数のスロット112を備える。各導波部材122Uの導波面122aは、Y方向に延びており、複数のスロット112のうち、Y方向に並んだ4つのスロットに対向している。この例では導電部材110は、4行4列に配列された16個のスロット112を有しているが、スロット112の数はこの例に限定されない。各導波部材122Uは、複数のスロット112のうち、Y方向に並んだ全てのスロットに対向している例に限らず、Y方向に隣接する少なくとも2つのスロットに対向していればよい。隣接する2つの導波部材122Uの導波面122aの中心間隔は、例えば波長λoよりも短く設定される。
【0166】
図29Aは、第1の導波路装置100aにおける導波部材122Uの平面レイアウトを示す図である。図30は、第2の導波路装置100bにおける導波部材122Lの平面レイアウトを示す図である。これらの図から明らかなように、第1の導波路装置100aにおける導波部材122Uは直線状に延びており、分岐部も屈曲部も有していない。一方、第2の導波路装置100bにおける導波部材122Lは分岐部および屈曲部の両方を有している。第2の導波路装置100bにおける「第2の導電部材120」と「第3の導電部材140」との組み合わせは、第1の導波路装置100aにおける「第1の導電部材110」と「第2の導電部材120」との組み合わせに相当する。
【0167】
第1の導波路装置100aにおける導波部材122Uは、第2の導電部材120が有するポート(開口部)145Uを通じて第2の導波路装置100bにおける導波部材122Lに結合する。言い換えると、第2の導波路装置100bの導波部材122Lを伝搬してきた電磁波は、ポート145Uを通って第1の導波路装置100aの導波部材122Uに達し、第1の導波路装置100aの導波部材122Uを伝搬することができる。このとき、各スロット112は、導波路を伝搬してきた電磁波を空間に向けて放射するアンテナ素子として機能する。反対に、空間を伝搬してきた電磁波がスロット112に入射すると、その電磁波はスロット112の直下に位置する第1の導波路装置100aの導波部材122Uに結合し、第1の導波路装置100aの導波部材122Uを伝搬する。第1の導波路装置100aの導波部材122Uを伝搬してきた電磁波は、ポート145Uを通って第2の導波路装置100bの導波部材122Lに達し、第2の導波路装置100bの導波部材122Lを伝搬することも可能である。第2の導波路装置100bの導波部材122Lは、第3の導電部材140のポート145Lを介して、外部にある導波路装置または高周波回路(電子回路)に結合され得る。図30には、一例として、ポート145Lに接続された電子回路190が示されている。電子回路190は、特定の位置に限定されず、任意の位置に配置されていてよい。電子回路190は、例えば、第3の導電部材140の背面側(図28Bにおける下側)の回路基板に配置され得る。そのような電子回路は、マイクロ波集積回路であり、例えば、ミリ波を生成あるいは受信するMMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)であり得る。
【0168】
図28Aに示される第1の導電部材110を「放射層」と呼ぶことができる。また、図29Aに示される第2の導電部材120、導波部材122U、および導電性ロッド124Uの全体を「励振層」と呼び、図30に示される第3の導電部材140、導波部材122L、および導電性ロッド124Lの全体を「分配層」と呼んでもよい。また「励振層」と「分配層」とをまとめて「給電層」と呼んでもよい。「放射層」、「励振層」および「分配層」は、それぞれ、一枚の金属プレートを加工することによって量産され得る。放射層、励振層、分配層、および分配層の背面側に設けられる電子回路は、モジュール化された1つの製品として製造され得る。
【0169】
この例におけるアレーアンテナでは、図28Bからわかるように、プレート状の放射層、励振層および分配層が積層されているため、全体としてフラットかつ低姿勢(low profile)のフラットパネルアンテナが実現している。例えば、図28Bに示す断面構成を持つ積層構造体の高さ(厚さ)を10mm以下にすることができる。
【0170】
図30に示される導波部材122Lによれば、第3の導電部材140のポート145Lから第2の導電部材120の各ポート145U(図29A参照)までの、導波部材122Lに沿った距離が、全て等しい値に設定されている。このため、第3の導電部材140のポート145Lから、導波部材122Lに入力された信号波は、第2の導電部材120の4つのポート145Uのそれぞれに同じ位相で到達する。その結果、第2の導電部材120上に配置された4個の導波部材122Uは、同位相で励振され得る。
【0171】
アンテナ素子として機能する全てのスロット112が同位相で電磁波を放射する必要はない。励振層および分配層における導波部材122Uおよび122Lのネットワークパターンは任意であり、各導波部材122Uおよび122Lが互いに異なる信号を独立して伝搬するように構成されていてもよい。
【0172】
図29Aの構成では、隣り合う2つの導波部材122Uの間に、複数の導電性ロッド124を含む人工磁気導体が配置されているが、この人工磁気導体が配置されていなくてもよい。
【0173】
図29Bは、複数の導波部材122のうちの隣り合う2つの導波部材122の間に人工磁気導体が配置されていない例を示す図である。複数のスロット112を同一の位相で励振する場合には、隣り合う2つの導波部材122に沿って伝搬する電磁波が混合しても問題はない。よって、2つの導波部材122の間に導電性ロッド124などの人工磁気導体を設けなくてもよい。その場合でも、複数の導波部材122が並ぶ連続領域の両側には人工磁気導体が配置される。本開示では、図29Bに示すように、複数の導波部材122が並ぶ連続領域の両側に人工磁気導体が配置されている構造であれば、複数の導波部材122の各々の両側に人工磁気導体が位置しているものと解釈する。このような例では、隣接する2つの導波部材122Uの間のX方向における間隙の長さは、λm/2未満に設定される。
【0174】
なお、本明細書では、本発明者の一人である桐野による論文(非特許文献1)、および同時期に関連する内容の研究を発表したKildalらの論文の記載を尊重して、「人工磁気導体」という用語を用いて本開示の技術を記載している。しかし、本発明者らの検討の結果、本開示に係る発明には、従来の定義における「人工磁気導体」を、必ずしも必須としないことが明らかになってきている。即ち、人工磁気導体には、周期構造が必須であると考えられてきたが、本開示に係る発明を実施するためには、必ずしも周期構造は必須ではない。
【0175】
本開示において、人工磁気導体は、導電性ロッドの列によって実現されている。よって、導波面から離れる方向に漏れ出てゆく電磁波を止めるためには、導波部材(リッジ)に沿って並ぶ導電性ロッドの列が、導波部材の片側に少なくとも2つあることが必須であると考えられてきた。導電性ロッド列の配置「周期」は、列が最低限2本なければ存在しないからである。しかし、本発明者らの検討によれば、平行に延びる2つの導波部材の間に、導電性ロッドの列が1列しか配置されていない場合でも、一方の導波部材から他方の導波部材に漏れ出る信号の強度は−10dB以下に抑えられる。これは、多くの用途において実用上十分な値である。不完全な周期構造しか持たない状態で、このような十分なレベルの分離が達成される理由は、今のところ不明である。しかし、この事実を考慮し、本開示においては、「人工磁気導体」という概念を拡張し、「人工磁気導体」の用語が、便宜上導電性ロッドが1列のみ配置された構造をも包含することとする。
【0176】
・スロットの変形例
次に、スロット112の形状の変形例を説明する。これまでの例では、スロット112の平面形状は矩形(長方形)であるものとしたが、スロット112は他の形状を有していてもよい。以下、図31A〜31Dを参照しながら、スロットの形状の他の例を説明する。
【0177】
図31Aは、両端部が楕円の一部に類似する形状を有するスロット112aの例を示している。このスロット112aの長さ、すなわち長手方向のサイズ(図中において矢印で示す長さ)Lは、高次の共振が起こらず、かつ、スロットインピーダンスが小さくなり過ぎないように、動作周波数の中心周波数に対応する自由空間中での波長をλoとして、λo/2<L<λo、例えば約λo/2に設定される。
【0178】
図31Bは、一対の縦部分113Lおよび一対の縦部分113Lを繋ぐ横部分113Tからなる形状(本明細書において「H形状」と称する。)を有するスロット112bの例を示している。横部分113Tは、一対の縦部分113Lにほぼ垂直であり、一対の縦部分113Lのほぼ中央部同士を繋いでいる。このようなH形状のスロット112bでも、高次の共振が起こらず、かつ、スロットインピーダンスが小さくなり過ぎないように、その形状およびサイズが決定される。上記条件を満たすために、H形状の中心点(横部分113Tの中心点)から端部(縦部分113Lのいずれかの端部)までの、横部分113Tおよび縦部分113Lの半部分の2つに沿った長さの2倍の寸法をLとして、λo/2<L<λo、例えば約λo/2に設定される。これに基づいて、横部分113Tの長さ(図中において矢印で示す長さ)を例えばλo/2未満にでき、横部分113Tの長さ方向のスロット間隔を短縮することができる。
【0179】
図31Cは、横部分113Tおよび横部分113Tの両端から延びる一対の縦部分113Lを有するスロット112cの例を示している。一対の縦部分113Lの横部分113Tから延びる方向は横部分113Tにほぼ垂直であり、互いに逆である。この例でも横部分113Tの長さ(図中において矢印で示す長さ)を、例えばλo/2未満にできるため、横部分113Tの長さ方向のスロット間隔を短縮することができる。
【0180】
図31Dは、横部分113Tおよび横部分113Tの両端から横部分113Tに垂直な同じ方向に延びる一対の縦部分113Lを有するスロット112dの例を示している。この例でも横部分113Tの長さ(図中において矢印で示す長さ)を、例えばλo/2未満にできるため、横部分113Tの長さ方向のスロット間隔を短縮することができる。
【0181】
図32は、図31A〜31Dに示す4種類のスロット112a〜112dを、導波部材122上に配置した場合の平面レイアウトを示す図である。図示されるように、スロット112b〜112dを用いることにより、スロット112aを用いた場合と比較して、横部113Tの長さ方向(「横方向」と称する。)のサイズを短くすることができる。このため、複数の導波部材122を平行に並べた構造において、横方向のスロットの間隔を短くすることができる。
【0182】
なお、以上の例では、スロットの長手方向または横部の延びている方向が導波部材122の幅方向と一致しているが、両者の方向が互いに交差していてもよい。そのような構成では、放射される電磁波の偏波面を傾けることができる。これにより、例えば車載レーダに利用した場合、自車両が放射した電磁波と対向車から放射された電磁波とを区別することができる。
【0183】
以上のように、本開示の実施形態によれば、例えば、導電部材上の複数のスロットの間隔を狭くし、かつ、等振幅かつ等位相の励振を行うことが可能である。このため、小型かつ高利得のレーダ装置、レーダシステム、または無線通信システム等を実現することができる。本開示の実施形態は、等振幅かつ等位相の励振を行う形態に限定されない。例えば、レーダの出力効率を犠牲にしてサイドローブを低減する等の他の目的を実現することもできる。各スロットの位置における振幅および位相を個別に調整できるため、任意の放射パターンで電磁波を放射することが可能である。また、定在波給電に限定されず、進行波給電を適用してもよい。このように、本開示の技術は、幅広い目的および用途に適用することができる。
【0184】
本開示における導波路装置およびスロットアレーアンテナ(アンテナ装置)は、例えば車両、船舶、航空機、ロボット等の移動体に搭載されるレーダ装置またはレーダシステムに好適に用いられ得る。レーダ装置は、上述したいずれかの実施形態におけるスロットアレーアンテナと、当該スロットアレーアンテナに接続されたマイクロ波集積回路とを備える。レーダシステムは、当該レーダ装置と、当該レーダ装置のマイクロ波集積回路に接続された信号処理回路とを備える。本開示の実施形態におけるスロットアレーアンテナは、小型化が可能なWRG構造を備えているため、従来の導波管を用いた構成と比較して、アンテナ素子が配列される面の面積を著しく小さくすることができる。このため、当該アンテナ装置を搭載したレーダシステムを、例えば車両のリアビューミラーの鏡面の反対側の面のような狭小な場所、またはUAV(Unmanned Aerial Vehicle、所謂ドローン)のような小型の移動体にも容易に搭載することができる。なお、レーダシステムは、車両に搭載される形態の例に限定されず、例えば道路または建物に固定されて使用され得る。
【0185】
本開示の実施形態におけるスロットアレーアンテナは、無線通信システムにも利用できる。そのような無線通信システムは、上述したいずれかの実施形態におけるスロットアレーアンテナと、通信回路(送信回路または受信回路)とを備える。無線通信システムへの応用例の詳細については、後述する。
【0186】
本開示の実施形態におけるスロットアレーアンテナは、さらに、屋内測位システム(IPS:Indoor Positioning System)におけるアンテナとしても利用することができる。屋内測位システムでは、建物内にいる人、または無人搬送車(AGV:Automated Guided Vehicle)などの移動体の位置を特定することができる。アレーアンテナはまた、店舗その他の施設に来場した人が有する情報端末(スマートフォン等)に情報を提供するシステムにおいて用いられる電波発信機(ビーコン)に用いることもできる。そのようなシステムでは、ビーコンは、例えば数秒に1回、IDなどの情報を重畳した電磁波を発する。その電磁波を情報端末が受信すると、情報端末は、通信回線を介して遠隔地のサーバコンピュータに、受け取った情報を送信する。サーバコンピュータは、情報端末から得た情報から、その情報端末の位置を特定し、その位置に応じた情報(例えば、商品案内またはクーポン)を、当該情報端末に提供する。
【0187】
<応用例1:車載レーダシステム>
次に、上述したスロットアレーアンテナを利用する応用例として、スロットアレーアンテナを備えた車載レーダシステムの一例を説明する。車載レーダシステムに利用される送信波は、例えば76ギガヘルツ(GHz)帯の周波数を有し、その自由空間中の波長λoは約4mmである。
【0188】
自動車の衝突防止システムおよび自動運転などの安全技術には、特に自車両の前方を走行する1または複数の車両(物標)の識別が不可欠である。車両の識別方法として、従来、レーダシステムを用いた到来波の方向を推定する技術の開発が進められてきた。
【0189】
図33は、自車両500と、自車両500と同じ車線を走行している先行車両502とを示す。自車両500は、上述したいずれかの実施形態におけるスロットアレーアンテナを有する車載レーダシステムを備えている。自車両500の車載レーダシステムが高周波の送信信号を放射すると、その送信信号は先行車両502に到達して先行車両502で反射され、その一部は再び自車両500に戻る。車載レーダシステムは、その信号を受信して、先行車両502の位置、先行車両502までの距離、速度等を算出する。
【0190】
図34は、自車両500の車載レーダシステム510を示す。車載レーダシステム510は車内に配置されている。より具体的には、車載レーダシステム510は、リアビューミラーの鏡面と反対側の面に配置されている。車載レーダシステム510は、車内から車両500の進行方向に向けて高周波の送信信号を放射し、進行方向から到来した信号を受信する。
【0191】
本応用例による車載レーダシステム510は、本開示の実施形態におけるスロットアレーアンテナを有している。スロットアレーアンテナは、互いに平行な複数の導波部材を有し得る。複数の導波部材の各々が延びる方向が鉛直方向に一致し、複数の導波部材の配列方向が水平方向に一致するように配置される。このため、複数のスロットを正面から見たときの横方向および縦方向の寸法をより小さくできる。
【0192】
上述のアレーアンテナを含むアンテナ装置の寸法の一例は、横×縦×奥行きが、60×30×10mmである。76GHz帯のミリ波レーダシステムのサイズとしては非常に小型であることが理解される。
【0193】
なお、従来の多くの車載レーダシステムは、車外、例えばフロントノーズの先端部に設置されている。その理由は、車載レーダシステムのサイズが比較的大きく、本開示のように車内に設置することが困難であるからである。本応用例による車載レーダシステム510は、前述のように車内に設置できるが、フロントノーズの先端に搭載してもよい。フロントノーズにおいて、車載レーダシステムが占める領域を減少させられるため、他の部品の配置が容易になる。
【0194】
本応用例によれば、送信アンテナに用いられる複数の導波部材(リッジ)の間隔を狭くすることができるため、隣接する複数の導波部材に対向して設けられる複数のスロットの間隔も狭くすることができる。これにより、グレーティングローブの影響を抑制することができる。例えば、横方向に隣接する2つのスロットの中心間隔を送信波の自由空間波長λoよりも短く(約4mm未満に)した場合には、グレーティングローブは前方には発生しない。これにより、グレーティングローブの影響を抑制できる。なお、グレーティングローブは、アンテナ素子の配列間隔が電磁波の波長の半分よりも大きくなると出現する。しかし、配列間隔が波長未満であればグレーティングローブは前方には現れない。このため、本応用例のように、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子が前方にのみ感度を持つ場合は、アンテナ素子の配置間隔が波長よりも小さければ、グレーティングローブは実質的には影響しない。送信アンテナのアレーファクタを調整することにより、送信アンテナの指向性を調整することができる。複数の導波部材上を伝送される電磁波の位相を個別に調整できるように、位相シフタを設けてもよい。位相シフタを設けることにより、送信アンテナの指向性を任意の方向に変更することができる。位相シフタの構成は周知であるため、その構成の説明は省略する。
【0195】
本応用例における受信アンテナは、グレーティングローブに由来する反射波の受信を低減できるため、以下に説明する処理の精度を向上させることができる。以下、受信処理の一例を説明する。
【0196】
図35Aは、車載レーダシステム510のアレーアンテナAAと、複数の到来波k(k:1〜Kの整数;以下同じ。Kは異なる方位に存在する物標の数。)との関係を示している。アレーアンテナAAは、直線状に配列されたM個のアンテナ素子を有する。原理上、アンテナは送信および受信の両方に利用することが可能であるため、アレーアンテナAAは送信アンテナおよび受信アンテナの両方を含み得る。以下では受信アンテナが受信した到来波を処理する方法の例を説明する。
【0197】
アレーアンテナAAは、様々な角度から同時に入射する複数の到来波を受ける。複数の到来波の中には、同じ車載レーダシステム510の送信アンテナから放射され、物標で反射された到来波が含まれる。さらに、複数の到来波の中には、他の車両から放射された直接的または間接的な到来波も含まれる。
【0198】
到来波の入射角度(すなわち到来方向を示す角度)は、アレーアンテナAAのブロードサイドBを基準とする角度を表している。到来波の入射角度は、アンテナ素子群が並ぶ直線方向に垂直な方向に対する角度を表す。
【0199】
いま、k番目の到来波に注目する。「k番目の到来波」とは、異なる方位に存在するK個の物標からアレーアンテナにK個の到来波が入射しているときにおける、入射角θkによって識別される到来波を意味する。
【0200】
図35Bは、k番目の到来波を受信するアレーアンテナAAを示している。アレーアンテナAAが受信した信号は、M個の要素を持つ「ベクトル」として、数1のように表現できる。
(数1)
S=[s1,s2,…,sMT
【0201】
ここで、sm(m:1〜Mの整数;以下同じ。)は、m番目のアンテナ素子が受信した信号の値である。上付きのTは転置を意味する。Sは列ベクトルである。列ベクトルSは、アレーアンテナの構成によって決まる方向ベクトル(ステアリングベクトルまたはモードベクトルと称する。)と、物標(波源または信号源とも称する。)における信号を示す複素ベクトルとの積によって与えられる。波源の個数がKであるとき、各波源から個々のアンテナ素子に到来する信号の波が線形的に重畳される。このとき、smは数2のように表現できる。
【数2】
【0202】
数2におけるak、θkおよびφkは、それぞれ、k番目の到来波の振幅、到来波の入射角度、および初期位相である。λは到来波の波長を示し、jは虚数単位である。
【0203】
数2から理解されるように、smは、実部(Re)と虚部(Im)とから構成される複素数として表現されている。
【0204】
ノイズ(内部雑音または熱雑音)を考慮してさらに一般化すると、アレー受信信号Xは数3のように表現できる。
(数3)
X=S+N
Nはノイズのベクトル表現である。
【0205】
信号処理回路は、数3に示されるアレー受信信号Xを用いて到来波の自己相関行列Rxx(数4)を求め、さらに自己相関行列Rxxの各固有値を求める。
【数4】
【0206】
ここで、上付きのHは複素共役転置(エルミート共役)を表す。
【0207】
求めた複数の固有値のうち、熱雑音によって定まる所定値以上の値を有する固有値(信号空間固有値)の個数が、到来波の個数に対応する。そして、反射波の到来方向の尤度が最も大きくなる(最尤度となる)角度を算出することにより、物標の数および各物標が存在する角度を特定することができる。この処理は、最尤推定法として公知である。
【0208】
次に、図36を参照する。図36は、本開示による車両走行制御装置600の基本構成の一例を示すブロック図である。図36に示される車両走行制御装置600は、車両に実装されたレーダシステム510と、レーダシステム510に接続された走行支援電子制御装置520とを備えている。レーダシステム510は、アレーアンテナAAと、レーダ信号処理装置530とを有している。
【0209】
アレーアンテナAAは、複数のアンテナ素子を有しており、その各々が1個または複数個の到来波に応答して受信信号を出力する。上述のように、アレーアンテナAAは高周波のミリ波を放射することも可能である。
【0210】
レーダシステム510のうち、アレーアンテナAAは車両に取り付けられる必要がある。しかしながらレーダ信号処理装置530の少なくとも一部の機能は、車両走行制御装置600の外部(例えば自車両の外)に設けられたコンピュータ550およびデータベース552によって実現されてもよい。その場合、レーダ信号処理装置530のうちで車両内に位置する部分は、車両の外部に設けられたコンピュータ550およびデータベース552に、信号またはデータの双方向通信が行えるように、常時または随時に接続され得る。通信は、車両が備える通信デバイス540、および一般の通信ネットワークを介して行われる。
【0211】
データベース552は、各種の信号処理アルゴリズムを規定するプログラムを格納していてもよい。レーダシステム510の動作に必要なデータおよびプログラムの内容は、通信デバイス540を介して外部から更新され得る。このように、レーダシステム510の少なくとも一部の機能は、クラウドコンピューティングの技術により、自車両の外部(他の車両の内部を含む)において実現し得る。したがって、本開示における「車載」のレーダシステムは、構成要素のすべてが車両に搭載されていることを必要としない。ただし、本願では、簡単のため、特に断らない限り、本開示の構成要素のすべてが1台の車両(自車両)に搭載されている形態を説明する。
【0212】
レーダ信号処理装置530は、信号処理回路560を有している。この信号処理回路560は、アレーアンテナAAから直接または間接に受信信号を受け取り、受信信号、または受信信号から生成した二次信号を到来波推定ユニットAUに入力する。受信信号から二次信号を生成する回路(不示)の一部または全部は、信号処理回路560の内部に設けられている必要はない。このような回路(前処理回路)の一部または全部は、アレーアンテナAAとレーダ信号処理装置530との間に設けられていてもよい。
【0213】
信号処理回路560は、受信信号または二次信号を用いて演算を行い、到来波の個数を示す信号を出力するように構成されている。ここで、「到来波の個数を示す信号」は、自車両の前方を走行する1または複数の先行車両の数を示す信号ということができる。
【0214】
この信号処理回路560は、公知のレーダ信号処理装置が実行する各種の信号処理を実行するように構成されていればよい。例えば、信号処理回路560は、MUSIC法、ESPRIT法、およびSAGE法などの「超分解能アルゴリズム」(スーパーレゾリューション法)、または相対的に分解能が低い他の到来方向推定アルゴリズムを実行するように構成され得る。
【0215】
図36に示す到来波推定ユニットAUは、任意の到来方向推定アルゴリズムにより、到来波の方位を示す角度を推定し、推定結果を示す信号を出力する。信号処理回路560は、到来波推定ユニットAUによって実行される公知のアルゴリズムにより、到来波の波源である物標までの距離、物標の相対速度、物標の方位を推定し、推定結果を示す信号を出力する。
【0216】
本開示における「信号処理回路」の用語は、単一の回路に限られず、複数の回路の組み合わせを概念的に1つの機能部品として捉えた態様も含む。信号処理回路560は、1個または複数のシステムオンチップ(SoC)によって実現されてもよい。例えば、信号処理回路560の一部または全部がプログラマブルロジックデバイス(PLD)であるFPGA(Field−Programmable Gate Array)であってもよい。その場合、信号処理回路560は、複数の演算素子(例えば汎用ロジックおよびマルチプライヤ)および複数のメモリ素子(例えばルックアップテーブルまたはメモリブロック)を含む。または、信号処理回路560は、汎用プロセッサおよびメインメモリ装置の集合であってもよい。信号処理回路560は、プロセッサコアとメモリとを含む回路であってもよい。これらは信号処理回路560として機能し得る。
【0217】
走行支援電子制御装置520は、レーダ信号処理装置530から出力される各種の信号に基づいて車両の走行支援を行うように構成されている。走行支援電子制御装置520は、所定の機能を発揮するように各種の電子制御ユニットに指示を行う。所定の機能は、例えば、先行車両までの距離(車間距離)が予め設定された値よりも短くなったときに警報を発してドライバにブレーキ操作を促す機能、ブレーキを制御する機能、アクセルを制御する機能を含む。例えば、自車両のアダプティブクルーズコントロールを行う動作モードのとき、走行支援電子制御装置520は、各種の電子制御ユニット(不図示)およびアクチュエータに所定の信号を送り、自車両から先行車両までの距離を予め設定された値に維持したり、自車両の走行速度を予め設定された値に維持したりする。
【0218】
MUSIC法による場合、信号処理回路560は、自己相関行列の各固有値を求め、それらのうちの熱雑音によって定まる所定値(熱雑音電力)より大きい固有値(信号空間固有値)の個数を示す信号を、到来波の個数を示す信号として出力する。
【0219】
次に、図37を参照する。図37は、車両走行制御装置600の構成の他の例を示すブロック図である。図37の車両走行制御装置600におけるレーダシステム510は、受信専用のアレーアンテナ(受信アンテナとも称する。)Rxおよび送信専用のアレーアンテナ(送信アンテナとも称する。)Txを含むアレーアンテナAAと、物体検知装置570とを有している。
【0220】
送信アンテナTxおよび受信アンテナRxの少なくとも一方は、上述した導波路構造を有している。送信アンテナTxは、例えばミリ波である送信波を放射する。受信専用の受信アンテナRxは、1個または複数個の到来波(例えばミリ波)に応答して受信信号を出力する。
【0221】
送受信回路580は、送信波のための送信信号を送信アンテナTxに送り、また、受信アンテナRxで受けた受信波による受信信号の「前処理」を行う。前処理の一部または全部は、レーダ信号処理装置530の信号処理回路560によって実行されてもよい。送受信回路580が行う前処理の典型的な例は、受信信号からビート信号を生成すること、および、アナログ形式の受信信号をデジタル形式の受信信号に変換することを含み得る。
【0222】
なお、本開示によるレーダシステムは、車両に搭載される形態の例に限定されず、道路または建物に固定されて使用され得る。
【0223】
続いて、車両走行制御装置600のより具体的な構成の例を説明する。
【0224】
図38は、車両走行制御装置600のより具体的な構成の例を示すブロック図である。図38に示される車両走行制御装置600は、レーダシステム510と、車載カメラシステム700とを備えている。レーダシステム510は、アレーアンテナAAと、アレーアンテナAAに接続された送受信回路580と、信号処理回路560とを有している。
【0225】
車載カメラシステム700は、車両に搭載される車載カメラ710と、車載カメラ710によって取得された画像または映像を処理する画像処理回路720とを有している。
【0226】
本応用例における車両走行制御装置600は、アレーアンテナAAおよび車載カメラ710に接続された物体検知装置570と、物体検知装置570に接続された走行支援電子制御装置520とを備えている。この物体検知装置570は、前述したレーダ信号処理装置530(信号処理回路560を含む)に加えて、送受信回路580および画像処理回路720を含んでいる。物体検知装置570は、レーダシステム510によって得られる情報だけではなく、画像処理回路720によって得られる情報を利用して、道路上または道路近傍における物標を検知することができる。例えば自車両が同一方向の2本以上の車線のいずれかを走行している最中において、自車両が走行している車線がいずれの車線であるかを、画像処理回路720によって判別し、その判別の結果を信号処理回路560に与えることができる。信号処理回路560は、所定の到来方向推定アルゴリズム(例えばMUSIC法)によって先行車両の数および方位を認識するとき、画像処理回路720からの情報を参照することにより、先行車両の配置について、より信頼度の高い情報を提供することが可能になる。
【0227】
なお、車載カメラシステム700は、自車両が走行している車線がいずれの車線であるかを特定する手段の一例である。他の手段を利用して自車両の車線位置を特定してもよい。例えば、超広帯域無線(UWB:Ultra Wide Band)を利用して、複数車線のどの車線を自車両が走行しているかを特定することができる。超広帯域無線が位置測定および/またはレーダとして利用可能なことは広く知られている。超広帯域無線を利用すれば、レーダの距離分解能が高まるため、前方に多数の車両が存在する場合でも、距離の差に基づいて個々の物標を区別して検知できる。このため、路肩のガードレール、または中央分離帯からの距離を精度よく特定することが可能である。各車線の幅は、各国の法律などで予め定められている。これらの情報を利用して、自車両が現在走行中の車線の位置を特定することができる。なお、超広帯域無線は一例である。他の無線による電波を利用してもよい。また、ライダー(LIDAR:Light Detection and Ranging)をレーダと組み合わせて用いてもよい。LIDARは、「レーザレーダ」と呼ばれることもある。
【0228】
アレーアンテナAAは、一般的な車載用ミリ波アレーアンテナであり得る。本応用例における送信アンテナTxは、ミリ波を送信波として車両の前方に放射する。送信波の一部は、典型的には先行車両である物標によって反射される。これにより、物標を波源とする反射波が発生する。反射波の一部は、到来波としてアレーアンテナ(受信アンテナ)AAに到達する。アレーアンテナAAを構成している複数のアンテナ素子の各々は、1個または複数個の到来波に応答して、受信信号を出力する。反射波の波源として機能する物標の個数がK個(Kは1以上の整数)である場合、到来波の個数はK個であるが、到来波の個数Kは既知ではない。
【0229】
図36の例では、レーダシステム510はアレーアンテナAAも含めて一体的にリアビューミラーに配置されるとした。しかしながら、アレーアンテナAAの個数および位置は、特定の個数および特定の位置に限定されない。アレーアンテナAAは、車両の後方に位置する物標を検知できるように車両の後面に配置されてもよい。また、車両の前面または後面に複数のアレーアンテナAAが配置されていてもよい。アレーアンテナAAは、車両の室内に配置されていてもよい。アレーアンテナAAとして、各アンテナ素子が上述したホーンを有するホーンアンテナが採用される場合でも、そのようなアンテナ素子を備えるアレーアンテナは車両の室内に配置され得る。
【0230】
信号処理回路560は、受信アンテナRxによって受信され、送受信回路580によって前処理された受信信号を受け取り、処理する。この処理は、受信信号を到来波推定ユニットAUに入力すること、
または、受信信号から二次信号を生成して二次信号を到来波推定ユニットAUに入力すること、を含む。
【0231】
図38の例では、信号処理回路560から出力される信号および画像処理回路720から出力される信号を受け取る選択回路596が物体検知装置570内に設けられている。選択回路596は、信号処理回路560から出力される信号および画像処理回路720から出力される信号の一方または両方を走行支援電子制御装置520に与える。
【0232】
図39は、本応用例におけるレーダシステム510のより詳細な構成例を示すブロック図である。
【0233】
図39に示すように、アレーアンテナAAは、ミリ波の送信を行う送信アンテナTxと、物標で反射された到来波を受信する受信アンテナRxとを備えている。図面上では送信アンテナTxは1つであるが、特性の異なる2種類以上の送信アンテナが設けられていてもよい。アレーアンテナAAは、M個(Mは3以上の整数)のアンテナ素子111、112、・・・、11Mを備えている。複数のアンテナ素子111、112、・・・、11Mの各々は、到来波に応答して、受信信号s1、s2、・・・、sM図35B)を出力する。
【0234】
アレーアンテナAAにおいて、アンテナ素子111〜11Mは、例えば、固定された間隔を空けて直線状または面状に配列されている。到来波は、アンテナ素子111〜11Mが配列されている面の法線に対する角度θの方向からアレーアンテナAAに入射する。このため、到来波の到来方向は、この角度θによって規定される。
【0235】
1個の物標からの到来波がアレーアンテナAAに入射するとき、アンテナ素子111〜11Mには、同一の角度θの方位から平面波が入射すると近似できる。異なる方位にあるK個の物標からアレーアンテナAAにK個の到来波が入射しているとき、相互に異なる角度θ1〜θKによって個々の到来波を識別することができる。
【0236】
図39に示されるように、物体検知装置570は、送受信回路580と信号処理回路560とを含む。
【0237】
送受信回路580は、三角波生成回路581、VCO(Voltage−Controlled−Oscillator:電圧制御可変発振器)582、分配器583、ミキサ584、フィルタ585、スイッチ586、A/Dコンバータ587、制御器588を備える。本応用例におけるレーダシステムは、FMCW方式でミリ波の送受信を行うように構成されているが、本開示のレーダシステムは、この方式に限定されない。送受信回路580は、アレーアンテナAAからの受信信号と送信アンテナTxのための送信信号とに基づいて、ビート信号を生成するように構成されている。
【0238】
信号処理回路560は、距離検出部533、速度検出部534、方位検出部536を備える。信号処理回路560は、送受信回路580のA/Dコンバータ587からの信号を処理し、検出された物標までの距離、物標の相対速度、物標の方位を示す信号をそれぞれ出力するように構成されている。
【0239】
まず、送受信回路580の構成および動作を詳細に説明する。
【0240】
三角波生成回路581は三角波信号を生成し、VCO582に与える。VCO582は、三角波信号に基づいて変調された周波数を有する送信信号を出力する。図40は、三角波生成回路581が生成した信号に基づいて変調された送信信号の周波数変化を示している。この波形の変調幅はΔf、中心周波数はf0である。このようにして周波数が変調された送信信号は分配器583に与えられる。分配器583は、VCO582から得た送信信号を、各ミキサ584および送信アンテナTxに分配する。こうして、送信アンテナは、図40に示されるように三角波状に変調された周波数を有するミリ波を放射する。
【0241】
図40には、送信信号に加えて、単一の先行車両で反射された到来波による受信信号の例が記載されている。受信信号は、送信信号に比べて遅延している。この遅延は、自車両と先行車両との距離に比例している。また、受信信号の周波数は、ドップラー効果により、先行車両の相対速度に応じて増減する。
【0242】
受信信号と送信信号とを混合すると、周波数の差異に基づいてビート信号が生成される。このビート信号の周波数(ビート周波数)は、送信信号の周波数が増加する期間(上り)と、送信信号の周波数が減少する期間(下り)とで異なる。各期間におけるビート周波数が求められると、それらのビート周波数に基づいて、物標までの距離と、物標の相対速度が算出される。
【0243】
図41は、「上り」の期間におけるビート周波数fu、および「下り」の期間におけるビート周波数fdを示している。図41のグラフにおいて、横軸が周波数、縦軸が信号強度である。このようなグラフは、ビート信号の時間−周波数変換を行うことによって得られる。ビート周波数fu、fdが得られると、公知の式に基づいて、物標までの距離と、物標の相対速度が算出される。本応用例では、以下に説明する構成および動作により、アレーアンテナAAの各アンテナ素子に対応したビート周波数を求め、それに基づいて物標の位置情報を推定することが可能になる。
【0244】
図39に示される例において、各アンテナ素子111〜11Mに対応したチャンネルCh1〜ChMからの受信信号は、増幅器によって増幅され、対応するミキサ584に入力される。ミキサ584の各々は、増幅された受信信号に送信信号を混合する。この混合により、受信信号と送信信号との間にある周波数差に対応したビート信号が生成される。生成されたビート信号は、対応するフィルタ585に与えられる。フィルタ585は、チャンネルCh1〜ChMのビート信号の帯域制限を行い、帯域制限されたビート信号をスイッチ586に与える。
【0245】
スイッチ586は、制御器588から入力されるサンプリング信号に応答してスイッチングを実行する。制御器588は、例えばマイクロコンピュータによって構成され得る。制御器588は、ROMなどのメモリに格納されたコンピュータプログラムに基づいて、送受信回路580の全体を制御する。制御器588は、送受信回路580の内部に設けられている必要はなく、信号処理回路560の内部に設けられていてもよい。つまり、送受信回路580は信号処理回路560からの制御信号にしたがって動作してもよい。または、送受信回路580および信号処理回路560の全体を制御する中央演算ユニットなどによって、制御器588の機能の一部または全部が実現されていてもよい。
【0246】
フィルタ585の各々を通過したチャンネルCh1〜ChMのビート信号は、スイッチ586を介して、順次、A/Dコンバータ587に与えられる。A/Dコンバータ587は、スイッチ586から入力されるチャンネルCh1〜ChMのビート信号を、サンプリング信号に同期してデジタル信号に変換する。
【0247】
以下、信号処理回路560の構成および動作を詳細に説明する。本応用例では、FMCW方式によって、物標までの距離および物標の相対速度を推定する。レーダシステムは、以下に説明するFMCW方式に限定されず、2周波CWまたはスペクトル拡散などの他の方式を用いても実施可能である。
【0248】
図39に示される例において、信号処理回路560は、メモリ531、受信強度算出部532、距離検出部533、速度検出部534、DBF(デジタルビームフォーミング)処理部535、方位検出部536、物標引継ぎ処理部537、相関行列生成部538、物標出力処理部539および到来波推定ユニットAUを備えている。前述したように、信号処理回路560の一部または全部がFPGAによって実現されていてもよく、汎用プロセッサおよびメインメモリ装置の集合によって実現されていてもよい。メモリ531、受信強度算出部532、DBF処理部535、距離検出部533、速度検出部534、方位検出部536、物標引継ぎ処理部537、および到来波推定ユニットAUは、それぞれ、別個のハードウェアによって実現される個々の部品であってもよいし、1つの信号処理回路における機能上のブロックであってもよい。
【0249】
図42は、信号処理回路560がプロセッサPRおよびメモリ装置MDを備えるハードウェアによって実現されている形態の例を示している。このような構成を有する信号処理回路560も、メモリ装置MDに格納されたコンピュータプログラムの働きにより、図39に示す受信強度算出部532、DBF処理部535、距離検出部533、速度検出部534、方位検出部536、物標引継ぎ処理部537、相関行列生成部538、到来波推定ユニットAUの機能が果たされ得る。
【0250】
本応用例における信号処理回路560は、デジタル信号に変換された各ビート信号を受信信号の二次信号として、先行車両の位置情報を推定し、推定結果を示す信号を出力するよう構成されている。以下、本応用例における信号処理回路560の構成および動作を詳細に説明する。
【0251】
信号処理回路560内のメモリ531は、A/Dコンバータ587から出力されるデジタル信号をチャンネルCh1〜ChMごとに格納する。メモリ531は、例えば、半導体メモリ、ハードディスクおよび/または光ディスクなどの一般的な記憶媒体によって構成され得る。
【0252】
受信強度算出部532は、メモリ531に格納されたチャンネルCh1〜ChMごとのビート信号(図40の下図)に対してフーリエ変換を行う。本明細書では、フーリエ変換後の複素数データの振幅を「信号強度」と称する。受信強度算出部532は、複数のアンテナ素子のいずれかの受信信号の複素数データ、または、複数のアンテナ素子のすべての受信信号の複素数データの加算値を周波数スペクトルに変換する。こうして得られたスペクトルの各ピーク値に対応するビート周波数、すなわち距離に依存した物標(先行車両)の存在を検出することができる。全アンテナ素子の受信信号の複素数データを加算すると、ノイズ成分が平均化されるため、S/N比が向上する。
【0253】
物標、すなわち先行車両が1個の場合、フーリエ変換の結果、図41に示されるように、周波数が増加する期間(「上り」の期間)および減少する期間(「下り」の期間)に、それぞれ、1個のピーク値を有するスペクトルが得られる。「上り」の期間におけるピーク値のビート周波数を「fu」、「下り」の期間におけるピーク値のビート周波数を「fd」とする。
【0254】
受信強度算出部532は、ビート周波数毎の信号強度から、予め設定された数値(閾値)を超える信号強度を検出することによって、物標が存在していることを判定する。受信強度算出部532は、信号強度のピークを検出した場合、ピーク値のビート周波数(fu、fd)を対象物周波数として距離検出部533、速度検出部534へ出力する。受信強度算出部532は、周波数変調幅Δfを示す情報を距離検出部533へ出力し、中心周波数f0を示す情報を速度検出部534へ出力する。
【0255】
受信強度算出部532は、複数の物標に対応する信号強度のピークが検出された場合には、上りのピーク値と下りのピーク値とを予め定められた条件によって対応づける。同一の物標からの信号と判断されたピークに同一の番号を付与し、距離検出部533および速度検出部534に与える。
【0256】
複数の物標が存在する場合、フーリエ変換後、ビート信号の上り部分とビート信号の下り部分のそれぞれに物標の数と同じ数のピークが表れる。レーダと物標の距離に比例して、受信信号が遅延し、図40における受信信号は右方向にシフトするので、レーダと物標との距離が離れるほど、ビート信号の周波数は、大きくなる。
【0257】
距離検出部533は、受信強度算出部532から入力されるビート周波数fu、fdに基づいて、下記の式により距離Rを算出し、物標引継ぎ処理部537へ与える。
R={C・T/(2・Δf)}・{(fu+fd)/2}
【0258】
また、速度検出部534は、受信強度算出部532から入力されるビート周波数fu、fdに基づいて、下記の式によって相対速度Vを算出し、物標引継ぎ処理部537へ与える。
V={C/(2・f0)}・{(fu−fd)/2}
【0259】
距離Rおよび相対速度Vを算出する式において、Cは光速度、Tは変調周期である。
【0260】
なお、距離Rの分解能下限値は、C/(2Δf)で表される。したがって、Δfが大きくなるほど、距離Rの分解能が高まる。周波数f0が76GHz帯の場合において、Δfを660メガヘルツ(MHz)程度に設定するとき、距離Rの分解能は例えば0.23メートル(m)程度である。このため、2台の先行車両が併走しているとき、FMCW方式では車両が1台なのか2台なのかを識別することが困難である場合がある。このような場合、角度分解能が極めて高い到来方向推定アルゴリズムを実行すれば、2台の先行車両の方位を分離して検出することが可能である。
【0261】
DBF処理部535は、アンテナ素子111、112、・・・、11Mにおける信号の位相差を利用して、入力される各アンテナに対応した時間軸でフーリエ変換された複素データを、アンテナ素子の配列方向にフーリエ変換する。そして、DBF処理部535は、角度分解能に対応した角度チャネル毎のスペクトルの強度を示す空間複素数データを算出し、ビート周波数毎に方位検出部536に出力する。
【0262】
方位検出部536は、先行車両の方位を推定するために設けられている。方位検出部536は、算出されたビート周波数毎の空間複素数データの値の大きさのうち、一番大きな値を取る角度θを対象物が存在する方位として物標引継ぎ処理部537に出力する。
【0263】
なお、到来波の到来方向を示す角度θを推定する方法は、この例に限定されない。前述した種々の到来方向推定アルゴリズムを用いて行うことができる。
【0264】
物標引継ぎ処理部537は、今回算出した対象物の距離、相対速度、方位の値と、メモリ531から読み出した1サイクル前に算出された対象物の距離、相対速度、方位の値とのそれぞれの差分の絶対値を算出する。そして、差分の絶対値が、それぞれの値毎に決められた値よりも小さいとき、物標引継ぎ処理部537は、1サイクル前に検知した物標と今回検知した物標とを同じものと判定する。その場合、物標引継ぎ処理部537は、メモリ531から読み出したその物標の引継ぎ処理回数を1つだけ増やす。
【0265】
物標引継ぎ処理部537は、差分の絶対値が決められた値よりも大きな場合には、新しい対象物を検知したと判断する。物標引継ぎ処理部537は、今回の対象物の距離、相対速度、方位およびその対象物の物標引継ぎ処理回数をメモリ531に保存する。
【0266】
信号処理回路560で、受信した反射波を基にして生成された信号であるビート信号を周波数解析して得られるスペクトラムを用い、対象物との距離、相対速度を検出することができる。
【0267】
相関行列生成部538は、メモリ531に格納されたチャンネルCh1〜ChMごとのビート信号(図40の下図)を用いて自己相関行列を求める。数4の自己相関行列において、各行列の成分は、ビート信号の実部および虚部によって表現される値である。相関行列生成部538は、さらに自己相関行列Rxxの各固有値を求め、得られた固有値の情報を到来波推定ユニットAUへ入力する。
【0268】
受信強度算出部532は、複数の対象物に対応する信号強度のピークが複数検出された場合、上りの部分および下りの部分のピーク値ごとに、周波数が小さいものから順番に番号をつけて、物標出力処理部539へ出力する。ここで、上りおよび下りの部分において、同じ番号のピークは、同じ対象物に対応しており、それぞれの識別番号を対象物の番号とする。なお、煩雑化を回避するため、図39では、受信強度算出部532から物標出力処理部539への引出線の記載は省略している。
【0269】
物標出力処理部539は、対象物が前方構造物である場合に、その対象物の識別番号を物標として出力する。物標出力処理部539は、複数の対象物の判定結果を受け取り、そのどちらもが前方構造物である場合、自車両の車線上にある対象物の識別番号を物標が存在する物体位置情報として出力する。また、物標出力処理部539は、複数の対象物の判定結果を受け取り、そのどちらもが前方構造物である場合であって、2つ以上の対象物が自車両の車線上にある場合、メモリ531から読み出した物標引継ぎ処理回数が多い対象物の識別番号を物標が存在する物体位置情報として出力する。
【0270】
再び図38を参照し、車載レーダシステム510が図38に示す構成例に組み込まれた場合の例を説明する。画像処理回路720は、映像から物体の情報を取得し、その物体の情報から物標位置情報を検出する。画像処理回路720は、例えば、取得した映像内のオブジェクトの奥行き値を検出して物体の距離情報を推定したり、映像の特徴量から物体の大きさの情報などを検出したりすることにより、予め設定された物体の位置情報を検出するように構成されている。
【0271】
選択回路596は、信号処理回路560および画像処理回路720から受け取った位置情報を選択的に走行支援電子制御装置520に与える。選択回路596は、例えば、信号処理回路560の物体位置情報に含まれている、自車両から検出した物体までの距離である第1距離と、画像処理回路720の物体位置情報に含まれている、自車両から検出した物体までの距離である第2距離とを比較してどちらが自車両に対して近距離であるかを判定する。例えば、判定された結果に基づいて、自車両に近いほうの物体位置情報を選択回路596が選択して走行支援電子制御装置520に出力し得る。なお、判定の結果、第1距離および第2距離が同じ値であった場合には、選択回路596は、そのいずれか一方または両方を走行支援電子制御装置520に出力し得る。
【0272】
なお、物標出力処理部539(図39)は、受信強度算出部532から物標候補がないという情報が入力された場合には、物標なしとしてゼロを物体位置情報として出力する。そして、選択回路596は、物標出力処理部539からの物体位置情報に基づいて予め設定された閾値と比較することで信号処理回路560あるいは画像処理回路720の物体位置情報を使用するか選択している。
【0273】
物体検知装置570によって先行物体の位置情報を受け取った走行支援電子制御装置520は、予め設定された条件により、物体位置情報の距離や大きさ、自車両の速度、降雨、降雪、晴天などの路面状態などの条件と併せて、自車両を運転しているドライバに対して操作が安全あるいは容易となるような制御を行う。例えば、走行支援電子制御装置520は、物体位置情報に物体が検出されていない場合、予め設定されている速度までスピードを上げるようにアクセル制御回路526に制御信号を送り、アクセル制御回路526を制御してアクセルペダルを踏み込むことと同等の動作を行う。
【0274】
走行支援電子制御装置520は、物体位置情報に物体が検出されている場合において、自車両から所定の距離であることが分かれば、ブレーキバイワイヤなどの構成により、ブレーキ制御回路524を介してブレーキの制御を行う。すなわち、速度を落とし、車間距離を一定に保つように操作する。走行支援電子制御装置520は、物体位置情報を受けて、警告制御回路522に制御信号を送り、車内スピーカを介して先行物体が近づいていることをドライバに知らせるように音声またはランプの点灯を制御する。走行支援電子制御装置520は、先行車両の配置を含む物体位置情報を受け取り、予め設定された走行速度の範囲であれば、先行物体との衝突回避支援を行うために自動的にステアリングを左右どちらかに操作し易くするか、あるいは、強制的に車輪の方向を変更するようにステアリング側の油圧を制御することができる。
【0275】
物体検知装置570では、選択回路596が前回検出サイクルにおいて一定時間連続して検出していた物体位置情報のデータで、今回検出サイクルで検出できなかったデータに対して、カメラで検出したカメラ映像からの先行物体を示す物体位置情報が紐付けされれば、トラッキングを継続させる判断を行い、信号処理回路560からの物体位置情報を優先的に出力するようにしても構わない。
【0276】
信号処理回路560および画像処理回路720の出力を選択回路596に選択するための具体的構成の例および動作の例は、米国特許第8446312号明細書、米国特許第8730096号明細書、および米国特許第8730099号明細書に開示されている。この公報の内容の全体をここに援用する。
【0277】
[第1の変形例]
上記の応用例の車載用レーダシステムにおいて、周波数変調連続波FMCWの1回の周波数変調の(掃引)条件、つまり変調に要する時間幅(掃引時間)は、例えば1ミリ秒である。しかし、掃引時間を100マイクロ秒程度に短くすることもできる。
【0278】
ただし、そのような高速の掃引条件を実現するためには、送信波の放射に関連する構成要素のみならず、当該掃引条件下での受信に関連する構成要素をも高速に動作させる必要が生じる。例えば、当該掃引条件下で高速に動作するA/Dコンバータ587(図39)を設ける必要がある。A/Dコンバータ587のサンプリング周波数は、例えば10MHzである。サンプリング周波数は10MHzよりも早くてもよい。
【0279】
本変形例においては、ドップラーシフトに基づく周波数成分を利用することなく、物標との相対速度を算出する。本実施形態では、掃引時間Tm=100マイクロ秒であり、非常に短い。検出可能なビート信号の最低周波数は1/Tmであるので、この場合は10kHzとなる。これは、およそ20m/秒の相対速度を持つ物標からの反射波のドップラーシフトに相当する。即ち、ドップラーシフトに頼る限り、これ以下の相対速度を検出することはできない。よって、ドップラーシフトに基づく計算方法とは異なる計算方法を採用することが好適である。
【0280】
本変形例では、一例として、送信波の周波数が増加するアップビート区間で得られた、送信波と受信波との差の信号(アップビート信号)を利用する処理を説明する。FMCWの1回の掃引時間は100マイクロ秒で、波形は、アップビート(上り)部分のみからなる鋸歯形状である。即ち、本実施形態において、三角波/CW波生成回路581が生成する信号波は鋸歯形状を有する。また、周波数の掃引幅は500MHzである。ドップラーシフトに伴うピークは利用しないので、アップビート信号とダウンビート信号を生成して双方のピークを利用する処理は行わず、何れか一方の信号のみで処理を行う。ここではアップビート信号を利用する場合について説明するが、ダウンビート信号を用いる場合も同様の処理を行うことができる。
【0281】
A/Dコンバータ587(図39)は、10MHzのサンプリング周波数で各アップビート信号をサンプリングして、数百個のデジタルデータ(以下「サンプリングデータ」と呼ぶ。)を出力する。サンプリングデータは、例えば、受信波が得られる時刻以後で、かつ、送信波の送信が終了した時刻までのアップビート信号に基づいて生成される。なお、一定数のサンプリングデータが得られた時点で処理を終了してもよい。
【0282】
本変形例では、連続して128回アップビート信号の送受信を行い、各々について数百個のサンプリングデータを得る。このアップビート信号の数は128個に限られない。256個であってもよいし、あるいは8個であってもよい。目的に応じて様々の個数を選択することができる。
【0283】
得られたサンプリングデータは、メモリ531に格納される。受信強度算出部532はサンプリングデータに2次元の高速フーリエ変換(FFT)を実行する。具体的には、まず、1回の掃引で得られたサンプリングデータ毎に、1回目のFFT処理(周波数解析処理)を実行してパワースペクトルを生成する。次に、速度検出部534は、処理結果を、全ての掃引結果に渡って集めて2回目のFFT処理を実行する。
【0284】
同一物標からの反射波により各掃引期間で検出される、パワースペクトルのピーク成分の周波数はいずれも同じである。一方、物標が異なるとピーク成分の周波数は異なる。1回目のFFT処理によれば、異なる距離に位置する複数の物標を分離することができる。
【0285】
物標に対する相対速度がゼロでない場合は、アップビート信号の位相は、掃引毎に少しずつ変化する。つまり、2回目のFFT処理によれば、上述した位相の変化に応じた周波数成分のデータを要素として有するパワースペクトルが、1回目のFFT処理の結果毎に求められることになる。
【0286】
受信強度算出部532は、2回目に得られたパワースペクトルのピーク値を抽出して速度検出部534に送る。
【0287】
速度検出部534は、位相の変化から相対速度を求める。例えば、連続して得られたアップビート信号の位相が、位相θ[RXd]ずつ変化していたとする。送信波の平均波長をλとすると、1回のアップビート信号が得られるごとに距離がλ/(4π/θ)だけ変化したことを意味する。この変化は、アップビート信号の送信間隔Tm(=100マイクロ秒)で生じた。よって、{λ/(4π/θ)}/Tm により、相対速度が得られる。
【0288】
以上の処理によれば、物標との距離に加えて、物標との相対速度を求めることができる。
【0289】
[第2の変形例]
レーダシステム510は、1つまたは複数の周波数の連続波CWを用いて、物標を検知することができる。この方法は、車両がトンネル内にある場合の様に、周囲の静止物から多数の反射波がレーダシステム510に入射する環境において、特に有用である。
【0290】
レーダシステム510は、独立した5チャンネルの受信素子を含む受信用のアンテナアレイを備えている。このようなレーダシステムでは、入射する反射波の到来方位の推定は、同時に入射する反射波が4つ以下の状態でしか行うことができない。FMCW方式のレーダでは、特定の距離からの反射波のみを選択することで、同時に到来方位の推定を行う反射波の数を減らすことができる。しかし、トンネル内など、周囲に多数の静止物が存在する環境では、電波を反射する物体が連続的に存在しているのに等しい状況にあるため、距離に基づいて反射波を絞り込んでも、反射波の数が4つ以下にならない状況が生じ得る。しかし、それら周囲の静止物は、自車両に対する相対速度が全て同一で、しかも前方を走行する他車両よりも相対速度が大きいため、ドップラーシフトの大きさに基づいて、静止物と他車両とを区別し得る。
【0291】
そこで、レーダシステム510は、複数の周波数の連続波CWを放射し、受信信号において静止物に相当するドップラーシフトのピークを無視し、それよりもシフト量が小さなドップラーシフトのピークを用いて距離を検知する処理を行う。FMCW方式とは異なり、CW方式では、ドップラーシフトのみに起因して、送信波と受信波との間に周波数差が生じる。つまり、ビート信号に現れるピークの周波数はドップラーシフトのみに依存する。
【0292】
なお、本変形例の説明でも、CW方式で利用される連続波を「連続波CW」と記述する。上述のとおり、連続波CWの周波数は一定であり、変調されていない。
【0293】
レーダシステム510が周波数fpの連続波CWを放射し、物標で反射した周波数fqの反射波を検出したとする。送信周波数fpと受信周波数fqとの差はドップラー周波数と呼ばれ、近似的にfp−fq=2・Vr・fp/c と表される。ここでVrはレーダシステムと物標との相対速度、cは光速である。送信周波数fp、ドップラー周波数(fp−fq)、および光速cは既知である。よって、この式から相対速度Vr=(fp−fq)・c/2fpを求めることができる。物標までの距離は、後述するように位相情報を利用して算出する。
【0294】
連続波CWを用いて、物標までの距離を検出ためには2周波CW方式を採用する。2周波CW方式では、少しだけ離れた2つの周波数の連続波CWが、それぞれ一定期間ずつ放射され、各々の反射波が取得される。例えば76GHz帯の周波数を用いる場合には、2つの周波数の差は数百キロヘルツである。なお、後述する様に、2つの周波数の差は、使用するレーダが物標を検知できる限界の距離を考慮して定められることがより好ましい。
【0295】
レーダシステム510が周波数fp1およびfp2(fp1<fp2)の連続波CWを順次放射し、2種類の連続波CWが1つの物標で反射されることにより、周波数fq1およびfq2の反射波がレーダシステム510に受信されたとする。
【0296】
周波数fp1の連続波CWとその反射波(周波数fq1)とによって、第1のドップラー周波数が得られる。また、周波数fp2の連続波CWとその反射波(周波数fq2)とによって、第2のドップラー周波数が得られる。2つのドップラー周波数は実質的に同じ値である。しかしながら、周波数fp1およびfp2の相違に起因して、受信波の複素信号における位相が異なる。この位相情報を用いることにより、物標までの距離(レンジ)を算出できる。
【0297】
具体的には、レーダシステム10は、距離RをR=c・Δφ/4π(fp2−fp1)として求めることができる。ここで、Δφは2つのビート信号の位相差を表す。2つのビート信号とは、周波数fp1の連続波CWとその反射波(周波数fq1)との差分として得られるビート信号fb1、および、周波数fp2の連続波CWとその反射波(周波数fq2)との差分として得られるビート信号fb2である。各ビート信号の周波数fb1およびfb2の特定方法は、上述した単周波数の連続波CWにおけるビート信号の例と同じである。
【0298】
なお、2周波CW方式での相対速度Vrは、以下のとおり求められる。
Vr=fb1・c/2・fp1 または Vr=fb2・c/2・fp2
【0299】
また、物標までの距離を一意に特定できる範囲は、Rmax<c/2(fp2−fp1)の範囲に限られる。これよりも遠い物標からの反射波より得られるビート信号は、Δφが2πを超え、より近い位置の物標に起因するビート信号と区別がつかなくなるためである。そこで、2つの連続波CWの周波数の差を調節して、Rmaxをレーダの検出限界距離よりも大きくすることがより好ましい。検出限界距離が100mであるレーダでは、fp2−fp1を例えば1.0MHzとする。この場合、Rmax=150mとなるため、Rmaxを超える位置にある物標からの信号は検出されない。また、250mまで検出できるレーダを搭載する場合は、fp2−fp1を例えば500kHzとする。この場合は、Rmax=300mとなるため、やはりRmaxを超える位置にある物標からの信号は検出されない。また、レーダが、検出限界距離が100mで水平方向の視野角が120度の動作モードと、検出限界距離が250mで水平方向の視野角が5度の動作モードとの、両方を備えている場合は、各々の動作モードにおいて、fp2−fp1の値を、1.0MHzと500kHzとにそれぞれ切り替えて動作させることがより好ましい。
【0300】
N個(N:3以上の整数)の異なる周波数で連続波CWを送信し、各々の反射波の位相情報を利用することにより、各物標までの距離をそれぞれ検出することが可能な検出方式が知られている。当該検出方式によれば、N−1個までの物標については距離を正しく認識できる。そのための処理として、例えば高速フーリエ変換(FFT)を利用する。いま、N=64、あるいは128として、各周波数の送信信号と受信信号との差であるビート信号のサンプリングデータについてFFTを行って周波数スペクトル(相対速度)を得る。その後、同一の周波数のピークに関してCW波の周波数でさらにFFTを行って距離情報を求めることができる。
【0301】
以下、より具体的に説明する。
【0302】
説明の簡単化のため、まず、3つの周波数f1,f2,f3の信号を時間的に切り換えて送信する例を説明する。ここでは、f1>f2>f3であり、かつ、f1−f2=f2−f3=Δfであるとする。また、各周波数の信号波の送信時間をΔtとする。図43は、3つの周波数f1、f2、f3の関係を示す。
【0303】
三角波/CW波生成回路581(図39)は、それぞれが時間Δtだけ持続する周波数f1、f2、f3の連続波CWを、送信アンテナTXを介して送信する。受信アンテナRXは、各連続波CWが1または複数の物標で反射された反射波を受信する。
【0304】
ミキサ584は、送信波と受信波とを混合してビート信号を生成する。A/Dコンバータ587はアナログ信号としてのビート信号を、例えば数百個のデジタルデータ(サンプリングデータ)に変換する。
【0305】
受信強度算出部532は、サンプリングデータを用いてFFT演算を行う。FFT演算の結果、送信周波数f1,f2,f3の各々について、受信信号の周波数スペクトルの情報が得られる。
【0306】
その後受信強度算出部532は、受信信号の周波数スペクトルの情報から、ピーク値を分離する。所定以上の大きさを有するピーク値の周波数は、物標との相対速度に比例する。受信信号の周波数スペクトルの情報から、ピーク値を分離することは、相対速度の異なる1または複数の物標を分離することを意味する。
【0307】
次に、受信強度算出部532は、送信周波数f1〜f3の各々について、相対速度が同一または予め定められた範囲内のピーク値のスペクトル情報を計測する。
【0308】
いま、2つの物標AおよびBが、同程度の相対速度で、かつ、それぞれが異なる距離に存在する場合を考える。周波数f1の送信信号は物標AおよびBの両方で反射され、受信信号として得られる。物標AおよびBからの各反射波のビート信号の周波数は、概ね同一になる。そのため、受信信号の、相対速度に相当するドップラー周波数でのパワースペクトルは、2つの物標AおよびBの各パワースペクトルを合成した合成スペクトルF1として得られる。
【0309】
同様に、周波数f2およびf3の各々についても、受信信号の、相対速度に相当するドップラー周波数でのパワースペクトルは、2つの物標AおよびBの各パワースペクトルを合成した合成スペクトルF2およびF3として得られる。
【0310】
図44は、複素平面上の合成スペクトルF1〜F3の関係を示す。合成スペクトルF1〜F3の各々を張る2つのベクトルの方向に向かって、右側のベクトルが物標Aからの反射波のパワースペクトルに対応する。図44ではベクトルf1A、f2Aおよびf3Aに対応する。一方、合成スペクトルF1〜F3の各々を張る2つのベクトルの方向に向かって、左側のベクトルが物標Bからの反射波のパワースペクトルに対応する。図44ではベクトルf1B、f2Bおよびf3Bに対応する。
【0311】
送信周波数の差分Δfが一定のとき、周波数f1およびf2の各送信信号に対応する各受信信号の位相差と、物標までの距離は比例する関係にある。よって、ベクトルf1Aとf2Aの位相差と、ベクトルf2Aとf3Aの位相差とは同じ値θAになり、位相差θAが物標Aまでの距離に比例する。同様に、ベクトルf1Bとf2Bの位相差と、ベクトルf2Bとf3Bの位相差とは同じ値θBになり、位相差θBが物標Bまでの距離に比例する。
【0312】
周知の方法を用いて、合成スペクトルF1〜F3、および、送信周波数の差分Δfから物標AおよびBの各々までの距離を求めることができる。この技術は、例えば米国特許6703967号に開示されている。この公報の内容の全体をここに援用する。
【0313】
送信する信号の周波数が4以上になった場合も同様の処理を適用することができる。
【0314】
なお、N個の異なる周波数で連続波CWを送信する前に、2周波CW方式で各物標までの距離および相対速度を求める処理を行ってもよい。そして、所定の条件下で、N個の異なる周波数で連続波CWを送信する処理に切り換えてもよい。例えば、2つの周波数の各々のビート信号を用いてFFT演算を行い、各送信周波数のパワースペクトルの時間変化が30%以上である場合には、処理の切り換えを行ってもよい。各物標からの反射波の振幅はマルチパスの影響等で時間的に大きく変化する。所定の以上の変化が存在する場合には、複数の物標が存在する可能性があると考えられる。
【0315】
また、CW方式では、レーダシステムと物標との相対速度がゼロである場合、すなわちドップラー周波数がゼロの場合には物標を検知できないことが知られている。しかしながら、例えば以下の方法によって擬似的にドップラー信号を求めると、その周波数を用いて物標を検知することは可能である。
【0316】
(方法1)受信用アンテナの出力を一定周波数シフトさせるミキサを追加する。送信信号と、周波数がシフトされた受信信号とを用いることにより、擬似ドップラー信号を得ることができる。
【0317】
(方法2)受信用アンテナの出力とミキサとの間に、時間的に連続して位相を変化させる可変位相器を挿入し、受信信号に擬似的に位相差を付加する。送信信号と、位相差が付加された受信信号とを用いることにより、擬似ドップラー信号を得ることができる。
【0318】
方法2による、可変位相器を挿入して擬似ドップラー信号を発生させる具体的構成の例および動作の例は、特開2004−257848号公報に開示されている。この公報の内容の全体をここに援用する。
【0319】
相対速度がゼロの物標、または、非常に小さな物標を検知する必要がある場合は、上述の擬似ドップラー信号を発生させる処理を使用してもよいし、または、FMCW方式による物標検出処理への切り換えを行ってもよい。
【0320】
次に、図45を参照しながら、車載レーダシステム510の物体検知装置570によって行われる処理の手順を説明する。
【0321】
以下では、2個の異なる周波数fp1およびfp2(fp1<fp2)で連続波CWを送信し、各々の反射波の位相情報を利用することにより、物標との距離をそれぞれ検出する例を説明する。
【0322】
図45は、本変形例による相対速度および距離を求める処理の手順を示すフローチャートである。
【0323】
ステップS41において、三角波/CW波生成回路581は、少しだけ周波数が離れている、2種類の異なる連続波CWを生成する。周波数はfp1およびfp2とする。
【0324】
ステップS42において、送信アンテナTXおよび受信アンテナRXは、生成された一連の連続波CWの送受信を行う。なお、ステップS41の処理およびステップS42の処理はそれぞれ、三角波/CW波生成回路581およびアンテナ素子TX/RXにおいて並列的に行われる。ステップS41の完了後にステップS42が行われるのではないことに留意されたい。
【0325】
ステップS43において、ミキサ584は、各送信波と各受信波とを利用して2つの差分信号を生成する。各受信波は、静止物由来の受信波と、物標由来の受信波とを含む。そのため、次に、ビート信号として利用する周波数を特定する処理を行う。なお、ステップS41の処理、ステップS42の処理およびステップ43の処理はそれぞれ、三角波/CW波生成回路581、アンテナ素子TX/RXおよびミキサ584において並列的に行われる。ステップS41の完了後にステップS42が行われるのではなく、また、ステップ42の完了後にステップ43が行われるのでもないことに留意されたい。
【0326】
ステップS44において、物体検知装置570は、2つの差分信号の各々について、閾値として予め定められた周波数以下で、かつ予め定められた振幅値以上の振幅値を有し、なおかつ互いの周波数の差が所定の値以下であるピークの周波数を、ビート信号の周波数fb1およびfb2として特定する。
【0327】
ステップS45において、受信強度算出部532は、特定した2つのビート信号の周波数のうちの一方に基づいて相対速度を検出する。受信強度算出部532は、例えばVr=fb1・c/2・fp1 により、相対速度を算出する。なお、ビート信号の各周波数を利用して相対速度を算出してもよい。これにより、受信強度算出部532は、両者が一致しているか否かの検証し、相対速度の算出精度を高めることができる。
【0328】
ステップS46において、受信強度算出部532は、2つのビート信号fb1およびfb2の位相差Δφを求め、物標までの距離R=c・Δφ/4π(fp2−fp1)を求める。
【0329】
以上の処理により、物標までの相対速度および距離を検出することができる。
【0330】
なお、3以上のN個の異なる周波数で連続波CWを送信し、各々の反射波の位相情報を利用して、相対速度が同一で、かつ異なる位置に存在する複数の物標までの距離を検出してもよい。
【0331】
以上で説明した、車両500は、レーダシステム510に加えて、さらに他のレーダシステムを有していてもよい。例えば車両500は、車体の後方、または側方に検知範囲を持つレーダシステムをさらに備えていてもよい。車体の後方に検知範囲を持つレーダシステムを有する場合には、当該レーダシステムは後方を監視し、他車両によって追突される危険性があるときは、警報を出す等の応答をすることができる。車体の側方に検知範囲を持つレーダシステムを有する場合には、当該レーダシステムは、自車両が車線変更などを行う場合に、隣接車線を監視し、必要に応じて警報を出す等の応答をすることができる。
【0332】
以上で説明したレーダシステム510の用途は、車載用途に限られない。種々の用途のセンサとして利用することができる。例えば、家屋その他の建築物の周囲を監視するためのレーダとして利用できる。あるいは、屋内において特定の場所における人物の有無、あるいはその人物の動きの有無等を、光学的画像に寄らずに監視するためのセンサとして利用することができる。
【0333】
[処理の補足]
前記したアレーアンテナに関する2周波CWまたはFMCW技術について、他の実施形態を説明する。前述したとおり、図39の例において、受信強度算出部532は、メモリ531に格納されたチャンネルCh1〜ChMごとのビート信号(図40の下図)に対してフーリエ変換を行う。その際のビート信号は、複素信号である。その理由は、演算対象としている信号の位相を特定するためである。これにより、到来波方向を正確に特定できる。しかしこの場合、フーリエ変換のための演算負荷量が増大し、回路規模が大きくなる。
【0334】
これを克服するために、ビート信号としてスカラ信号を生成し、それぞれ生成された複数のビート信号に対して、アンテナ配列に沿った空間軸方向および時間の経過に沿った時間軸方向についての2回の複素フーリエ変換を実行することにより、周波数分析結果を得てもよい。これにより、最終的には、少ない演算量で、反射波の到来方向を特定可能なビーム形成を行うことができ、ビーム毎の周波数分析結果を得ることができる。本件に関連する特許公報として、米国特許第6339395号明細書の開示内容全体を本明細書に援用する。
【0335】
[カメラ等の光学センサとミリ波レーダ]
次に、上述したアレーアンテナと従来のアンテナとの比較、および、本開示によるアレーアンテナと光学センサ、例えばカメラ、との双方を利用した応用例について説明する。なお、光学センサとして、ライダー(LIDAR)等を用いてもよい。
【0336】
ミリ波レーダは、物標までの距離(レンジ)とその相対速度を直接検出することが可能である。また、薄暮を含む夜間、または降雨、霧、降雪等の悪天候時にも、検出性能が大きく低下しないという特徴がある。一方、ミリ波レーダは、カメラに比較して、物標を2次元的にとらえることが容易ではない、とされている。他方、カメラは、物標を2次元的にとらえ、その形状を認識することが比較的容易である。しかし、カメラは、夜間または悪天候時には、物標を撮像できないことがあり、この点が大きな課題となっている。特に採光部分に水滴が付着した場合、または霧で視界が狭くなった場合には、この課題が顕著である。同じ光学系センサであるLIDAR等でも、この課題は同様に存在する。
【0337】
近年、車両の安全運行要求が高まる中、衝突等を未然に回避する運転者補助システム(Driver Assist System)が開発されている。運転者補助システムは、車両進行方向の画像をカメラまたはミリ波レーダ等のセンサで取得し、車両運行上障害になると予想される障害物を認識した場合に、自動的にブレーキ等を操作することで、衝突等を未然に回避する。このような衝突防止機能は、夜間または悪天候時といえども、正常に機能することが求められる。
【0338】
そこで、センサとして、従来のカメラ等の光学センサに加えて、ミリ波レーダを搭載し、双方の利点を生かした認識処理を行う、いわゆるフュージョン構成の運転者補助システムが普及しつつある。そのような運転者補助システムについては、後述する。
【0339】
一方、ミリ波レーダそのものに求められる要求機能は、一層高まっている。車載用途のミリ波レーダでは、76GHz帯の電磁波が主に使用されている。そのアンテナの空中線電力(antenna power)は、各国の法律等により、一定以下に制限されている。例えば日本国では0.01W以下に制限されている。このような制限の中で、車載用途のミリ波レーダには、例えばその検出距離は200m以上、アンテナのサイズは60mm角以下、水平方向の検知角度は90度以上、距離分解能は20cm以下、10m以内の近距離での検出も可能であること等、の要求性能を満たすことが求められている。従来のミリ波レーダは、導波路としてマイクロストリップラインを用い、アンテナとしてパッチアンテナを用いていた(以下、これらを合わせて「パッチアンテナ」という)。しかしパッチアンテナでは、上記の性能を実現することは困難であった。
【0340】
発明者は、本開示の技術を応用したスロットアレーアンテナを用いることで、上記性能を実現することに成功した。これにより、従来のパッチアンテナ等に比較して、小型、高効率、高性能なミリ波レーダを実現した。加えて、このミリ波レーダと、カメラ等の光学センサとを組み合わせることで、従来存在しなかった小型、高効率、高性能のフュージョン装置を実現した。以下、これについて詳述する。
【0341】
図46は、車両500における、本開示の技術を応用したスロットアレーアンテナを有するレーダシステム510(以下、ミリ波レーダ510とも称する。)、およびカメラ700を備えるフュージョン装置に関する図である。この図を参照しながら、以下に、種々の実施形態について説明する。
【0342】
[ミリ波レーダの車室内設置]
従来のパッチアンテナによるミリ波レーダ510’は、車両のフロントノーズにあるグリル512の後方内側に配置される。アンテナから放射される電磁波は、グリル512の隙間を抜け、車両500の前方に放射される。この場合、電磁波通過領域には、ガラス等の電磁波エネルギーを減衰させ、または反射する誘電層は存在しない。これにより、パッチアンテナによるミリ波レーダ510’から放射された電磁波は、遠距離、例えば150m以上、の物標にも届く。そしてこれに反射した電磁波をアンテナで受信することで、ミリ波レーダ510’は、物標を検出できる。しかしこの場合、アンテナが車両のグリル512の後方内側に配置されることで、車両が障害物に衝突した場合に、レーダが破損することがある。また雨天等の際に泥等がかぶることで、アンテナに汚れが付着し、電磁波の放射や受信を阻害することがある。
【0343】
本開示の実施形態におけるスロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダ510では、従来と同様に、車両のフロントノーズにあるグリル512の後方に配置することができる(図示せず)。これにより、アンテナから放射される電磁波のエネルギーを100%活用することができ、従来を超える遠距離、例えば250m以上の距離にある物標の検出が可能となる。
【0344】
さらに、本開示の実施形態によるミリ波レーダ510は、車両の車室内に配置することもできる。その場合、ミリ波レーダ510は、車両のフロントガラス511の内側で、且つリアビューミラー(図示せず)の鏡面とは反対側の面との間のスペースに配置される。一方、従来のパッチアンテナによるミリ波レーダ510’は、車室内に置くことはできなかった。その理由は、主に次の2つである。第1の理由は、サイズが大きいため、フロントガラス511とリアビューミラーとの間のスペースに収まらないことである。第2の理由は、前方に放射された電磁波が、フロントガラス511により反射され、誘電損により減衰する為、求められる距離まで到達できないことである。その結果、従来のパッチアンテナによるミリ波レーダを車室内に置いた場合、例えば前方100mに存在する物標までしか検出できなかった。他方、本開示の実施形態によるミリ波レーダは、フロントガラス511での反射または減衰があっても、200m以上の距離にある物標を検出できる。これは従来のパッチアンテナによるミリ波レーダを車室外に置いた場合と同等、あるいはそれ以上の性能である。
【0345】
[ミリ波レーダとカメラ等の車室内配置によるフュージョン構成]
現在、多くの運転者補助システム(Driver Assist System)で用いられている主たるセンサには、CCDカメラ等の光学的撮像装置が用いられている。そして通常、カメラ等は、外的環境等の悪影響を考慮して、フロントガラス511の内側の車室内に配置されている。その際、雨滴等の光学的影響を最小にするために、カメラ等は、フロントガラス511の内側で且つワイパー(図示せず)が作動する領域に配置される。
【0346】
近年、車両の自動ブレーキ等の性能向上要請から、どんな外的環境でも確実に作動する自動ブレーキ等が求められている。この場合、運転者補助システムのセンサをカメラ等の光学機器のみで構成した場合、夜間や悪天候時においては確実な作動が保証できないという課題があった。そこで、カメラ等の光学センサに加えて、ミリ波レーダも併用し、連携処理することで、夜間や悪天候時でも確実に動作する運転者補助システムが求められている。
【0347】
前述したとおり、本開示によるスロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダは、小型化できたこと、および放射される電磁波の効率が従来のパッチアンテナに比較して著しく高まったことで、車室内に配置することが可能になった。この特性を活用し、図46に示す通り、カメラ等の光学センサ700のみならず、本開示によるスロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダ510も、共に車両500のフロントガラス511の内側に配置することが可能になった。これにより以下の新たな効果が生じた。
【0348】
(1)運転者補助システム(Driver Assist System)の車両500への取付けが容易になった。従来のパッチアンテナ510’では、フロントノーズにあるグリル512の後方に、レーダを配置するスペースを確保する必要があった。このスペースは車両の構造設計に影響する部位を含むことから、レーダ装置のサイズが変化した場合、新たに構造設計をやり直す必要が生じる場合があった。しかしミリ波レーダを車室内に配置することで、そのような不都合は解消された。
【0349】
(2)車両の外的環境である雨天や夜間等に影響されず、より信頼性の高い動作が確保できるようになった。特に図47に示す通り、ミリ波レーダ510とカメラ700を車室内のほぼ同じ位置に置くことで、それぞれの視野・視線が一致し、後述する「照合処理」、即ちそれぞれが捉えた物標情報が同一物であることを認識する処理、が容易になる。他方、ミリ波レーダ510’を車室外のフロントノーズにあるグリル512の後方に置いた場合、そのレーダ視線Lは、車室内に置いた場合のレーダ視線Mと異なることから、カメラ700で取得された画像とのずれが大きくなる。
【0350】
(3)ミリ波レーダ装置の信頼性が向上した。前述の通り、従来のパッチアンテナ510’は、フロントノーズにあるグリル512の後方に配置されていることから、汚れが付着しやすく、また小さな接触事故等でも破損する場合があった。これらの理由により、清掃および機能確認が常時必要であった。また、後述する通り、事故等の影響でミリ波レーダの取付け位置または方向がずれた場合、カメラとの位置合わせを再度行う必要が生じていた。しかし、ミリ波レーダを車室内に配置することで、これらの確率は小さくなり、そのような不都合は解消された。
【0351】
このようなフュージョン構成の運転者補助システムでは、カメラ等の光学センサ700と、本開示によるスロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダ510とは、相互に固定された一体の構成を有してもよい。その場合、カメラ等の光学センサの光軸と、ミリ波レーダのアンテナの方向とは、一定の位置関係を確保する必要がある。これについては後述する。またこの一体構成の運転者補助システムを、車両500の車室内に固定する場合、カメラの光軸等が車両前方の所要の方向に向くように調整する必要がある。これについては、米国特許出願公開第2015/0264230号、米国特許出願公開第2016/0264065号、米国特許出願15/248141、米国特許出願15/248149、米国特許出願15/248156が存在し、これらを援用する。また、これに関連するカメラを中心とした技術として、米国特許第7355524号明細書、および米国特許第7420159号明細書があり、これらの開示内容全体を本明細書に援用する。
【0352】
また、カメラ等の光学センサとミリ波レーダとを車室内に配置することについては、米国特許第8604968号明細書、米国特許第8614640号明細書、および米国特許第7978122号明細書等が存在する。これらの開示内容全体を本明細書に援用する。しかし、これらの特許の出願時点では、ミリ波レーダとしてはパッチアンテナを含む従来のアンテナしか知られておらず、従って、十分な距離の観測ができない状態であった。例えば、従来のミリ波レーダで観測可能な距離はせいぜい100m〜150mと考えられる。また、ミリ波レーダをフロントガラスの内側に配置した場合、レーダのサイズが大きいため、運転者の視野を遮り、安全運転に支障をきたす等の不都合が生じていた。これに対し、本開示の実施形態にかかるスロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダは、小型であること、および放射される電磁波の効率が従来のパッチアンテナに比較して著しく高まったことで、車室内に配置することが可能になった。これにより、200m以上の遠距離の観測が可能となるとともに、運転者の視野を遮ることもない。
【0353】
[ミリ波レーダとカメラ等との取付け位置の調整]
フュージョン構成の処理(以下「フュージョン処理」ということがある)においては、カメラ等で得られた画像とミリ波レーダにて得られたレーダ情報とが、同じ座標系に対応付けられることが求められる。相互に位置および物標のサイズが異なった場合、双方の連携処理に支障をきたすからである。
【0354】
これについては次の3つの観点で、調整する必要がある。
【0355】
(1)カメラ等の光軸と、ミリ波レーダのアンテナの方向とが一定の固定関係にあること。
【0356】
カメラ等の光軸とミリ波レーダのアンテナの方向とが相互に一致していることが求められる。あるいは、ミリ波アンテナでは、2以上の送信アンテナと2以上の受信アンテナを持つ場合があり、それぞれのアンテナの方向が意図的に異なっている場合もある。従ってカメラ等の光軸と、これらのアンテナの方向との間には、少なくとも一定の既知の関係があることを保証することが求められる。
【0357】
前述の、カメラ等とミリ波レーダとが相互に固定された一体の構成を有する場合、カメラ等とミリ波レーダとの位置関係は固定されている。従ってこの一体構成の場合は、これらの要件は満たされている。他方、従来のパッチアンテナ等では、ミリ波アンテナは、車両500のグリル512の後方に配置される。この場合は、これらの位置関係は、通常次の(2)により調整される。
【0358】
(2)カメラ等による取得画像とミリ波レーダのレーダ情報とが、車両に取り付けられた場合の初期状態(例えば出荷時)において、一定の固定関係にあること。
【0359】
カメラ等の光学センサ700、およびミリ波レーダ510または510’の、車両500における取付け位置は、最終的に、以下の手段で決定される。即ち、車両500の前方の所定位置に、基準となるチャート、またはレーダによって観測させる物標(以下、それぞれ「基準チャート」、「基準物標」といい、両者をまとめて「基準対象物」ということがある)を正確に配置する。これをカメラ等の光学センサ700、あるいはミリ波レーダ510によって観測する。観測された基準対象物の観測情報と、予め記憶された基準対象物の形状情報等とを比較し、現状のずれ情報を定量的に把握する。このずれ情報に基づき、以下の少なくとも一方の手段で、カメラ等の光学センサ700、およびミリ波レーダ510または510’の取付け位置を調整または補正する。なお、同様の結果をもたらす、これ以外の手段を用いてもよい。
(i)基準対象物がカメラとレーダの中点に来るように、カメラとレーダ装置の取付け位置を調整する。この調整には、別途設けられた治具等を使用してもよい。
(ii)基準対象物に対するカメラとレーダのずれ量を求め、カメラ画像の画像処理およびレーダ処理にて、それぞれのずれ量を補正する。
【0360】
注目すべき点は、カメラ等の光学センサ700と、本開示の実施形態にかかるスロットアレーアンテナを用いたミリ波レーダ510とが、相互に固定された一体の構成を有する場合は、カメラあるいはレーダの何れかについて、基準対象物とのずれを調整すれば、他方についてもずれ量が分かり、他方について再度基準対象物のずれを検査する必要がない点である。
【0361】
即ち、カメラ700について、基準チャートを所定位置750に置き、その撮像画像と、予め基準チャート画像がカメラ700の視野の何処に位置すべきかを示す情報と、を比較することで、ずれ量を検出する。これに基づき、上記(i)、(ii)の少なくとも一方の手段により、カメラ700の調整を行う。次にカメラで求めたずれ量を、ミリ波レーダのずれ量に換算する。その後、レーダ情報について、上記(i)、(ii)の少なくとも一方の手段により、ずれ量を調整する。
【0362】
あるいは、これをミリ波レーダ510に基づいて行ってもよい。即ち、ミリ波レーダ510について、基準物標を所定位置に置き、そのレーダ情報と、予め基準物標がミリ波レーダ510の視野の何処に位置すべきかを示す情報とを比較することで、ずれ量を検出する。これに基づき、上記(i)、(ii)の少なくとも一方の手段により、ミリ波レーダ510の調整を行う。次に、ミリ波レーダで求めたずれ量を、カメラのずれ量に換算する。その後、カメラ700で得られた画像情報について、上記(i)、(ii)の少なくとも一方の手段により、ずれ量を調整する。
【0363】
(3)カメラ等による取得画像とミリ波レーダのレーダ情報とが、車両における初期状態以降においても、一定の関係が維持されていること。
【0364】
通常、カメラ等による取得画像とミリ波レーダのレーダ情報とは、初期状態において固定され、車両事故等がない限り、その後変化することは少ないとされる。しかし、仮にこれらにずれが生じた場合は、以下の手段で調整することが可能である。
【0365】
カメラ700は、その視野内に、例えば自車両の特徴部分513、514(特徴点)が入る状態で取り付けられている。この特徴点のカメラ700による現実の撮像位置と、カメラ700が本来正確に取付けられている場合のこの特徴点の位置情報と、を比較し、そのずれ量を検出する。この検出されたずれ量に基づき、それ以降に撮像された画像の位置を補正することで、カメラ700の物理的な取付け位置のずれを補正することができる。この補正により、車両に求められる性能が十分発揮できる場合は、前記(2)の調整は不要となる。またこの調整を、車両500の起動時や稼働中でも定期的に行うことで、新たにカメラ等のずれが生じた場合でも、ずれ量の補正が可能であり、安全な運行を実現できる。
【0366】
ただしこの手段は、前記(2)で述べた手段に比較して、一般に、調整精度が落ちると考えられている。本来は十分な精度が得られる標準対象物を、車両から適度に離れた所定位置に配置し、調整することで、所定の精度での調整が可能である。しかし(3)では、車体の一部を基準に調整することから、基準としての精度が、基準対象物と比較して十分ではなく、その結果、調整精度も落ちることになる。但し事故や車室内でのカメラ等に大きな外力が加わった場合等が原因で、カメラ等の取付け位置が大きく狂った場合の補正手段としては有効である。
【0367】
[ミリ波レーダとカメラ等とが検出した物標の対応付け:照合処理]
フュージョン処理においては、1つの物標に対して、カメラ等で得られた画像とミリ波レーダにて得られたレーダ情報とが「同一物標である」と認識されている必要がある。例えば車両500の前方に、2つの障害物(第1の障害物と第2の障害物)、例えば2台の自転車、が出現した場合を考える。この2つの障害物は、カメラの画像として撮像されると同時に、ミリ波レーダのレーダ情報としても検出される。その際、第1の障害物について、カメラ画像とレーダ情報とは、相互に同一の物標であることが対応づけられている必要がある。同様に、第2の障害物について、そのカメラ画像とそのレーダ情報とは、相互に同一の物標であることが対応づけられている必要がある。仮に誤って、第1の障害物であるカメラ画像と、第2の障害物であるレーダ情報とが、同一物であると誤認された場合、大きな事故に繋がる可能性が生じる。以下、本明細書においては、このようなカメラ画像とレーダ物標とが同一物標であるか否かを判断する処理を、「照合処理」と称することがある。
【0368】
この照合処理については、以下に述べる種々の検出装置(または方法)がある。以下これらについて、具体的に説明する。なお以下の検出装置は、車両に設置され、少なくとも、ミリ波レーダ検出部と、ミリ波レーダ検出部が検出する方向と重複する方向に向けて配置されたカメラ等の画像検出部と、照合部とを備える。ここで、ミリ波レーダ検出部は、本開示のいずれかの実施形態におけるスロットアレーアンテナを有し、少なくとも、その視野におけるレーダ情報を取得する。画像取得部は、少なくとも、その視野における画像情報を取得する。照合部は、ミリ波レーダ検出部による検出結果と画像検出部による検出結果とを照合し、これら2つの検出部で同一の物標を検出しているか否かを判断する処理回路を含む。ここで画像検出部は、光学カメラ、LIDAR、赤外線レーダ、超音波レーダの何れか1つ、または2つ以上が選択されて構成され得る。以下の検出装置は、照合部における検出処理が異なっている。
【0369】
第1の検出装置における照合部は、次の2つの照合を行う。第1の照合は、ミリ波レーダ検出部によって検出された注目する物標に対して、その距離情報および横位置情報を得るのと並行して、画像検出部で検出された1または2以上の物標の中で、注目する物標に最も近い位置にある物標を照合し、それらの組合せを検出することを含む。第2の照合は、画像検出部によって検出された注目する物標に対して、その距離情報および横位置情報を得るのと並行して、ミリ波レーダ検出部によって検出された1または2以上の物標の中で、注目する物標に最も近い位置にある物標を照合し、それらの組合せを検出することを含む。さらにこの照合部は、ミリ波レーダ検出部によって検出されたこれらの各物標に対する組合せと、画像検出部によって検出されたこれらの各物標に対する組合せとにおいて一致する組合せがあるか否かを判定する。そして一致する組合せがある場合には、2つの検出部で同一の物体を検出していると判断する。これにより、ミリ波レーダ検出部と画像検出部とでそれぞれ検出された物標の照合を行う。
【0370】
これに関連する技術は、米国特許第7358889号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。この公報において、画像検出部は、2つのカメラを有する、いわゆるステレオカメラを例示して、説明されている。しかしこの技術は、これに限定されるものではない。画像検出部が1つのカメラを有する場合でも、検出された物標に対して適宜画像認識処理等を行うことで、物標の距離情報と横位置情報とが得られればよい。同様に画像検出部としてレーザスキャナ等のレーザセンサを用いてもよい。
【0371】
第2の検出装置における照合部は、所定時間毎に、ミリ波レーダ検出部による検出結果と画像検出部による検出結果とを照合する。照合部は、前回の照合結果で2つの検出部で同一の物標を検出していると判断した場合、その前回の照合結果を用いて照合を行う。具体的には、照合部は、ミリ波レーダ検出部で今回検出された物標および画像検出部で今回検出された物標と、前回の照合結果において判断されている2つの検出部で検出された物標とを照合する。そして、照合部は、ミリ波レーダ検出部で今回検出された物標との照合結果と、画像検出部で今回検出された物標との照合結果とに基づいて、2つの検出部で同一の物標を検出しているか否かを判断する。このように、この検出装置は、2つの検出部による検出結果を直接照合するのではなく、前回の照合結果を利用して2つの検出結果と時系列での照合を行う。このため、瞬間的な照合しか行わない場合に比べて検出精度が向上し、安定的な照合を行うことができる。特に、瞬間的に検出部の精度が低下したときでも、過去の照合結果を利用しているので、照合が可能である。また、この検出装置では、前回の照合結果を利用することにより、2つの検出部の照合を簡単に行うことができる。
【0372】
また、この検出装置の照合部は、前回の照合結果を利用した今回の照合において、2つの検出部で同一の物体を検出していると判断した場合、その判断された物体を除いて、ミリ波レーダ検出部で今回検出された物体と、画像検出部で今回検出された物体とを照合する。そして、この照合部は、2つの検出部で今回検出された同一の物体があるか否かを判断する。このように、検出装置は、時系列での照合結果を考慮した上で、その一瞬一瞬で得られた2つの検出結果により瞬間的な照合を行う。そのため、検出装置は、今回の検出で検出した物体も確実に照合することができる。
【0373】
これらに関連する技術は、米国特許第7417580号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。この公報においては、画像検出部は、2つのカメラを有する、いわゆるステレオカメラを例示して、説明されている。しかしこの技術は、これに限定されるものではない。画像検出部が1つのカメラを有する場合でも、検出された物標に対して適宜画像認識処理等を行うことで、物標の距離情報と横位置情報とが得られればよい。同様に、画像検出部としてレーザスキャナ等のレーザセンサを用いてもよい。
【0374】
第3の検出装置における2つの検出部および照合部は、所定の時間間隔で物標の検出とこれらの照合を行い、これらの検出結果と照合結果とが時系列でメモリなどの記憶媒体に記憶される。そして照合部は、画像検出部によって検出された物標の画像上のサイズの変化率と、ミリ波レーダ検出部によって検出された自車両から物標までの距離およびその変化率(自車両との相対速度)とに基づいて、画像検出部によって検出された物標とミリ波レーダ検出部によって検出された物標とが同一物体であるかどうかを判断する。
【0375】
照合部は、これらの物標が同一物体であると判断した場合には、画像検出部によって検出された物標の画像上の位置と、ミリ波レーダ検出部によって検出された自車から物標までの距離および/またはその変化率とに基づき、車両との衝突の可能性を予測する。
【0376】
これらに関連する技術は、米国特許第6903677号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。
【0377】
以上説明した通り、ミリ波レーダとカメラ等の画像撮像装置とのフュージョン処理においては、カメラ等で得られた画像とミリ波レーダにて得られたレーダ情報とが、照合される。上述した本開示の実施形態によるアレーアンテナを用いたミリ波レーダは、高性能且つ小型に構成可能である。従って、上記照合処理を含むフュージョン処理全体について、高性能化と小型化等が達成できる。これにより、物標認識の精度が向上し、車両のより安全な運行制御が可能となる。
【0378】
[他のフュージョン処理]
フュージョン処理においては、カメラ等で得られた画像とミリ波レーダ検出部にて得られたレーダ情報との照合処理に基づき、種々の機能が実現される。フュージョン処理の代表的な機能を実現する処理装置の例を以下に説明する。
【0379】
以下の処理装置は、車両に設置され、少なくとも、所定方向に電磁波を送受するミリ波レーダ検出部と、このミリ波レーダ検出部の視野と重複する視野を有する単眼カメラ等の画像取得部と、これらから情報を得て物標の検出等を行う処理部とを備える。ミリ波レーダ検出部は、その視野におけるレーダ情報を取得する。画像取得部は、その視野における画像情報を取得する。画像取得部には、光学カメラ、LIDAR、赤外線レーダ、超音波レーダの何れか1つ、または2以上が選択されて使用され得る。処理部は、ミリ波レーダ検出部および画像取得部に接続された処理回路によって実現され得る。以下の処理装置は、この処理部における処理内容が異なっている。
【0380】
第1の処理装置の処理部は、ミリ波レーダ検出部によって検出された物標と同一であると認識される物標を、画像取得部によって撮像された画像から抽出する。即ち、前述した検出装置による照合処理が行われる。そして、抽出された物標の画像の右側エッジおよび左側エッジの情報を取得し、取得された右側エッジおよび左側エッジの軌跡を近似する直線または所定の曲線である軌跡近似線を両エッジについて導出する。この軌跡近似線上に存在するエッジの数が多い方を物標の真のエッジとして選択する。そして真のエッジとして選択された方のエッジの位置に基づいて物標の横位置を導出する。これにより、物標の横位置の検出精度をより向上させることが可能である。
【0381】
これらに関連する技術は、米国特許第8610620号明細書に記載されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。
【0382】
第2の処理装置の処理部は、物標の有無の決定に際して、画像情報に基づいて、レーダ情報における物標の有無の決定に用いられる判断基準値を変更する。これにより、例えば車両運行の障害物となる物標画像がカメラ等にて確認できた場合、あるいは物標の存在が推定された場合等において、ミリ波レーダ検出部による物標検出の判断基準を最適に変更することで、より正確な物標情報を得ることができる。即ち、障害物の存在する可能性が高い場合には、判断基準を変更することにより、確実にこの処理装置を作動させることが可能となる。他方、障害物の存在する可能性が低い場合に、判断基準を変更することにより、この処理装置の不要な作動を防止できる。これにより、適切なシステムの作動が行える。
【0383】
さらにこの場合、処理部は、レーダ情報に基づいて画像情報の検出領域を設定し、この領域内の画像情報に基づいて障害物の存在を推定することも可能である。これにより検出処理の効率化を図ることができる。
【0384】
これらに関連する技術は、米国特許第7570198号明細書に記載されている。この文献の開示内容全体を本明細書に援用する。
【0385】
第3の処理装置の処理部は、複数の異なる画像撮像装置およびミリ波レーダ検出部により得られた画像およびレーダ情報に基づく画像信号を、少なくとも1台の表示装置に表示する複合表示を行う。この表示処理において、水平、垂直同期信号を複数の画像撮像装置およびミリ波レーダ検出部で相互に同期させ、これらの装置からの画像信号に対して、1水平走査期間内もしくは1垂直走査期間内で所望の画像信号に選択的に切り替え可能とする。これにより、水平および垂直同期信号に基づき、選択された複数の画像信号の像を並べて表示可能とし、かつ、表示装置から所望の画像撮像装置およびミリ波レーダ検出部における制御動作を設定する制御信号を送出する。
【0386】
複数台の異なる表示装置にそれぞれの画像等が表示された場合は、それぞれの画像間の比較が困難となる。また表示装置が第3の処理装置本体とは別個に配置される場合には装置に対する操作性がよくない。第3の処理装置は、このような欠点を克服する。
【0387】
これらに関連する技術は、米国特許第6628299号明細書、および米国特許第7161561号明細書に記載されている。これらの開示内容全体を本明細書に援用する。
【0388】
第4の処理装置の処理部は、車両の前方にある物標について、画像取得部およびミリ波レーダ検出部に指示し、その物標を含む画像およびレーダ情報を取得する。処理部は、その画像情報の内、その物標が含まれる領域を決定する。処理部は、さらに、この領域におけるレーダ情報を抽出し、車両から物標までの距離および車両と物標との相対速度を検出する。処理部は、これらの情報に基づいて、その物標が車両に衝突する可能性を判定する。これによりいち早く物標との衝突可能性を判定する。
【0389】
これらに関連する技術は、米国特許第8068134号明細書に記載されている。これらの開示内容全体を本明細書に援用する。
【0390】
第5の処理装置の処理部は、レーダ情報により、またはレーダ情報と画像情報とに基づくフュージョン処理により、車両前方の1または2以上の物標を認識する。この物標には、他の車両または歩行者等の移動体、道路上の白線によって示された走行レーン、路肩およびそこにある静止物(側溝および障害物等を含む)、信号機、横断歩道等が含まれる。処理部は、GPS(Global Positioning System)アンテナを含み得る。GPSアンテナによって自車両の位置を検出し、その位置に基づき、道路地図情報を格納した記憶装置(地図情報データベース装置と称する)を検索し、地図上の現在位置を確認してもよい。この地図上の現在位置と、レーダ情報等によって認識された1または2以上の物標とを比較し、走行環境を認識することができる。これに基づき、処理部は、車両走行に障害となると推定される物標を抽出し、より安全な運行情報を見出し、必要に応じて表示装置に表示し、運転者に知らせてもよい。
【0391】
これらに関連する技術は、米国特許第6191704号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。
【0392】
第5の処理装置は、さらに、車両外部の地図情報データベース装置と通信するデータ通信装置(通信回路を有する)を有していてもよい。データ通信装置は、例えば毎週1回または月1回程度の周期で、地図情報データベース装置にアクセスし、最新の地図情報をダウンロードする。これにより、最新の地図情報を用いて、上記の処理を行うことができる。
【0393】
第5の処理装置は、さらに、上記の車両運行時に取得した最新の地図情報と、レーダ情報等によって認識された1または2以上の物標に関する認識情報とを比較し、地図情報にはない物標情報(以下「地図更新情報」という)を抽出してもよい。そしてこの地図更新情報を、データ通信装置を介して地図情報データベース装置に送信してもよい。地図情報データベース装置は、この地図更新情報を、データベース内の地図情報に関連付けて記憶し、必要があれば現在の地図情報そのものを更新してもよい。更新に際しては、複数の車両から得られた地図更新情報を比較することで、更新の確実性を検証してもよい。
【0394】
なお、この地図更新情報には、現在の地図情報データベース装置が有する地図情報より詳しい情報を含むことができる。例えば一般の地図情報では、道路の概形は把握できるが、例えば路肩部分の幅またはそこにある側溝の幅、新たに生じた凹凸または建造物の形状等の情報は典型的には含まれない。また、車道と歩道の高さ、または歩道に繋がるスロープの状況等の情報も含まれない。地図情報データベース装置は、別途設定された条件に基づき、これらの詳しい情報(以下「地図更新詳細情報」という)を、地図情報と関連付けて記憶しておくことができる。これらの地図更新詳細情報は、自車両を含む車両に、元の地図情報よりも詳しい情報を提供することで、車両の安全走行の用途に加えて、他の用途でも利用可能となる。ここで「自車両を含む車両」とは、例えば自動車でもよいし、二輪車、自転車、あるいは今後新たに出現する自動走行車両、例えば電動車椅子等であってもよい。地図更新詳細情報は、これらの車両が運行する際に利用される。
【0395】
(ニューラルネットワークによる認識)
第1から第5の処理装置は、さらに、高度認識装置を備えていてもよい。高度認識装置は、車両の外部に設置されていてもよい。その場合、車両は、高度認識装置と通信する高速データ通信装置を備え得る。高度認識装置は、いわゆるディープラーニング等を含むニューラルネットワークにて構成されてもよい。このニューラルネットワークは、例えば、畳み込みニューラルネットワーク(Convolutional Neural Network、以下「CNN」という)を含むことがある。CNNは、画像認識で成果を挙げているニューラルネットワークであり、その特徴の1つは、畳み込み層(Convolutional Layer)とプーリング層(Pooling Layer)と呼ばれる2つの層の組を一または複数持つ点にある。
【0396】
処理装置における畳み込み層に入力される情報として、少なくとも次の3種類の何れかがあり得る。
(1)ミリ波レーダ検出部で取得されたレーダ情報に基づき得られた情報
(2)レーダ情報に基づき、画像取得部で取得された特定画像情報に基づき得られた情報
(3)レーダ情報と、画像取得部で取得された画像情報とに基づいて得られたフュージョン情報、またはこのフュージョン情報に基づき得られた情報
【0397】
これらの何れかの情報、あるいはこれらの組み合わせられた情報に基づき、畳み込み層に対応する積和演算が行われる。その結果は、次段のプーリング層に入力され、予め設定されたルールに基づき、データの選択が行われる。そのルールとしては、例えば、画素値の最大値を選ぶ最大プーリング(max pooling)では、畳み込み層の分割領域ごとに、その中の最大値を選択し、これがプーリング層における対応する位置の値とされる。
【0398】
CNNで構成された高度認識装置は、このような畳み込み層とプーリング層を一組、あるいは複数組、直列につなぐ構成を有することがある。これにより、レーダ情報および画像情報に含まれた車両周辺の物標を正確に認識することができる。
【0399】
これらに関連する技術は、米国特許第8861842号明細書、米国特許第9286524号明細書、および米国特許出願公開第2016/0140424号明細書に記載されている。これらの開示内容全体を本明細書に援用する。
【0400】
第6の処理装置の処理部は、車両のヘッドランプ制御に関係する処理を行う。車両を夜間に走行させる際、運転者は、自車両の前方に他の車両または歩行者が存在するか否かを確認し、自車両のヘッドランプのビームを操作する。他の車両の運転者または歩行者が、自車両のヘッドランプで幻惑されることを防ぐためである。この第6の処理装置は、レーダ情報、またはレーダ情報とカメラ等による画像との組み合わせを用いて、自車両のヘッドランプを自動で制御する。
【0401】
処理部は、レーダ情報により、またはレーダ情報と画像情報とに基づくフュージョン処理により、車両前方の車両あるいは歩行者に該当する物標を検出する。この場合、車両前方の車両には、前方の先行車両、対向車線の車両、2輪車等が含まれる。処理部は、これらの物標を検出した場合、ヘッドランプのビームを下げる指令を出す。この指令を受けた車両内部の制御部(制御回路)は、ヘッドランプを操作し、そのビームを下げる。
【0402】
これらに関連する技術は、米国特許第6403942号明細書、米国特許第6611610号明細書、米国特許第8543277号明細書、米国特許第8593521号明細書、および米国特許第8636393号明細書に記載されている。これらの開示内容全体を本明細書に援用する。
【0403】
以上説明したミリ波レーダ検出部による処理、およびミリ波レーダ検出部とカメラ等の画像撮像装置とのフュージョン処理においては、ミリ波レーダを高性能且つ小型に構成可能であることから、レーダ処理、またはフュージョン処理全体の高性能化と小型化等が達成できる。これにより、物標認識の精度が向上し、車両のより安全な運行制御が可能となる。
【0404】
<応用例2:各種監視システム(自然物、建造物、道路、見守り、セキュリティ)>
本開示の実施形態によるアレーアンテナを備えるミリ波レーダ(レーダーシステム)は、自然物、気象、建造物、セキュリティ、介護等における監視の分野でも、広く活用することができる。これに関係する監視システムでは、ミリ波レーダを含む監視装置は、例えば固定した位置に設置され、監視対象を常時監視する。ミリ波レーダは、この特定の監視対象における検知分解能を最適値に調整し、設定される。
【0405】
本開示の実施形態によるアレーアンテナを備えるミリ波レーダは、例えば100GHzを超える高周波電磁波による検出が可能である。また、レーダ認識に用いられる方式、例えばFMCW方式等における変調帯域については、当該ミリ波レーダは、現在4GHzを超える広帯域を実現している。即ち前述した超広帯域(UWB:Ultra Wide Band)に対応している。この変調帯域は、距離分解能に関係する。即ち従来のパッチアンテナにおける変調帯域は600MHz程度までであったことから、その距離分解能は25cmであった。これに対し、本開示によるアレーアンテナに関係するミリ波レーダでは、その距離分解能が3.75cmとなる。これは、従来のLIDARの距離分解能にも匹敵する性能を実現できることを示している。一方、LIDAR等の光学式センサは、前述したとおり、夜間または悪天候時には物標を検出できない。これに対してミリ波レーダでは、昼夜、天候にかかわらず、常時検出が可能である。これにより従来のパッチアンテナを利用したミリ波レーダでは適用できなかった多様な用途で、本開示によるアレーアンテナに関係するミリ波レーダを利用することが可能になった。
【0406】
図48は、ミリ波レーダによる監視システム1500の構成例を示す図である。ミリ波レーダによる監視システム1500は、少なくとも、センサ部1010と本体部1100とを備える。センサ部1010は、少なくとも、監視対象1015に照準を合わせたアンテナ1011と、送受される電磁波に基づいて物標を検出するミリ波レーダ検出部1012と、検出されたレーダ情報を送信する通信部(通信回路)1013とを備える。本体部1100は、少なくとも、レーダ情報を受信する通信部(通信回路)1103と、受信したレーダ情報に基づいて所定の処理を行う処理部(処理回路)1101と、過去のレーダ情報および所定の処理に必要な他の情報等を蓄積するデータ蓄積部(記録媒体)1102とを備える。センサ部1010と本体部1100との間には、通信回線1300があり、これを介して両者間での情報およびコマンドの送信および受信が行われる。ここで通信回線とは、例えば、インターネット等の汎用の通信ネットワーク、携帯通信ネットワーク、専用の通信回線等の何れかを含み得る。なお、本監視システム1500は、通信回線を介することなく、センサ部1010と本体部1100とが直接接続される構成でもよい。センサ部1010には、ミリ波レーダに加えて、カメラ等の光学センサを併設することもできる。これにより、レーダ情報とカメラ等による画像情報とのフュージョン処理による物標認識を行うことで、監視対象1015等のより高度な検出が可能になる。
【0407】
以下これらの応用事例を実現する監視システムの例を、具体的に説明する。
【0408】
[自然物監視システム]
第1の監視システムは、自然物を対象に監視するシステム(以下「自然物監視システム」という)である。図48を参照して、この自然物監視システムについて説明する。この自然物監視システム1500における監視対象1015は、例えば河川、海面、山岳、火山、地表等であり得る。例えば河川が監視対象1015である場合、定位置に固定されたセンサ部1010が、河川1015の水面を常時監視する。その水面情報は、常時、本体部1100における処理部1101に送信される。そして水面が一定以上の高さになった場合、処理部1101は、本監視システムとは別に設けられた、例えば気象観測監視システム等の他のシステム1200に、通信回線1300を介してその旨を知らせる。あるいは、処理部1101は、河川1015に設けられた水門等(図示せず)を自動的に閉鎖するための指示情報を、水門を管理するシステム(図示せず)に送付する。
【0409】
この自然物監視システム1500は、1つの本体部1100で、複数のセンサ部1010、1020等を監視することができる。この複数のセンサ部が、一定の地域に分散して配置された場合、その地域における河川の水位状況を同時に把握できる。これにより、この地域における降雨が、河川の水位にどの様に影響し、洪水等の災害に繋がる可能性があるか否かを評価することも可能になる。これに関する情報は、通信回線1300を介して、気象観測監視システム等の他のシステム1200に、通信回線1300を介して知らせることができる。これにより、気象観測監視システム等の他のシステム1200は、より広域の気象観測または災害予想に、通知された情報を活用することができる。
【0410】
この自然物監視システム1500は、河川以外の他の自然物にも同様に適用できる。例えば津波または高潮を監視する監視システムにおいては、その監視対象は、海面水位である。また海面水位の上昇に対応して、防潮堤の水門を自動的に開閉することも可能である。あるいは、降雨または地震等による山崩れを監視する監視システムでは、その監視対象は、山岳部の地表等である。
【0411】
[交通路監視システム]
第2の監視システムは、交通路を監視するシステム(以下「交通路監視システム」という)である。この交通路監視システムにおける監視対象は、例えば、鉄道の踏切、特定の線路、空港の滑走路、道路の交差点、特定の道路、または駐車場等であり得る。
【0412】
例えば監視対象が鉄道の踏切である場合、踏切内部を監視できる位置にセンサ部1010が配置される。この場合、センサ部1010は、ミリ波レーダに加えて、カメラ等の光学センサも併設してよい。この場合には、レーダ情報と画像情報とのフュージョン処理により、より多角的に監視対象における物標を検出できる。センサ部1010によって得られた物標情報は、通信回線1300を介して、本体部1100に送られる。本体部1100は、より高度な認識処理、制御で必要となる他の情報(例えば電車の運行情報等)の収集、およびこれらに基づく必要な制御指示等を行う。ここで、必要な制御指示とは、例えば、踏切閉鎖時に踏切内部に人または車両等が確認された場合に、電車を停止させる等の指示をいう。
【0413】
また、例えば監視対象を空港の滑走路とした場合は、滑走路上を所定の分解能、例えば5cm角以上の異物が検出できる分解能に設定できる様に、複数のセンサ部1010、1020等が、滑走路に沿って配置される。監視システム1500は、滑走路上を昼夜、天候を問わず常時監視する。この機能は、UWB対応が可能な本開示の実施形態におけるミリ波レーダを用いるからこそ実現できる機能である。また、本ミリ波レーダ装置は、小型、高解像、低コストで実現できるので、滑走路全面を隈なくカバーする場合にも、現実的な対応が可能である。この場合、本体部1100は、複数のセンサ部1010、1020等を統合管理する。本体部1100は、滑走路上に異物を確認した場合、空港管制システム(図示せず)に、異物の位置と大きさに関する情報を送信する。これを受けた空港管制システムは、その滑走路での離着陸を一時的に禁止する。その間、本体部1100は、例えば別途設けられた滑走路上を自動的に清掃する車両等に対して、異物の位置と大きさに関する情報を送信する。これを受けた清掃車両は、自力で異物がある位置に移動し、その異物を自動的に除去する。清掃車両は、異物の除去が完了すると、本体部1100にその旨の情報を送信する。そして本体部1100は、その異物を検出したセンサ部1010等が「異物がない」ことを再度確認し、安全であることを確認した後、空港管制システムにその旨を伝える。これを受けた空港管制システムは、該当する滑走路の離着陸禁止を解除する。
【0414】
さらに、例えば監視対象を駐車場とした場合、駐車場のどの位置が空いているのかを、自動的に認識することができる。これに関連する技術は、米国特許第6943726号明細書に記載されている。その開示内容全体を、本明細書に援用する。
【0415】
[セキュリティ監視システム]
第3の監視システムは、私有敷地内または家屋への不法侵入者を監視するシステム(以下「セキュリティ監視システム」という)である。このセキュリティ監視システムでの監視対象は、例えば、私有敷地内または家屋内等の特定領域である。
【0416】
例えば、監視対象を私有敷地内とした場合、これを監視できる1または2以上の位置にセンサ部1010が配置される。この場合、センサ部1010として、ミリ波レーダに加えて、カメラ等の光学センサも併設してよい。この場合には、レーダ情報と画像情報とのフュージョン処理により、より多角的に監視対象における物標を検出できる。センサ部1010で得られた物標情報は、通信回線1300を介して、本体部1100に送られる。本体部1100において、より高度な認識処理、制御で必要となる他の情報(例えば侵入対象が人であるか犬または鳥等の動物であるかを正確に認識するために必要となる参照データ等)の収集、およびこれらに基づく必要な制御指示等が行われる。ここで、必要な制御指示とは、例えば、敷地内に設置された警報を鳴らすとか、照明を点ける等の指示に加えて、携帯通信回線等を通じて敷地の管理者に直接通報する等の指示を含む。本体部1100における処理部1101は、検出された物標を、内蔵した、ディープラーニング等の手法を採用した高度認識装置に認識させてもよい。あるいは、この高度認識装置は、外部に配置されていてもよい。その場合、高度認識装置は、通信回線1300によって接続され得る。
【0417】
これに関連する技術は、米国特許第7425983号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。
【0418】
このようなセキュリティ監視システムの他の実施形態として、空港の搭乗口、駅の改札口、建物の入り口等に設置される人監視システムにも応用することができる。この人監視システムでの監視対象は、例えば、空港の搭乗口、駅の改札口、建物の入り口等である。
【0419】
例えば監視対象が空港の搭乗口である場合、センサ部1010は、例えば搭乗口の持ち物検査装置に設置され得る。この場合、その検査方法には次の2通りの方法がある。1つは、ミリ波レーダが、自らが送信した電磁波が監視対象である搭乗者で反射して戻ってきた電磁波を受信することで、搭乗者の持ち物等を検査する方法である。もう1つは、搭乗者自らの人体から放射される微弱なミリ波をアンテナで受けることで、搭乗者が隠し持つ異物を検査する方法である。後者の方法では、ミリ波レーダには、受信するミリ波をスキャンする機能を持つことが望ましい。このスキャン機能は、デジタルビームフォーミングを利用することによって実現してもよいし、機械的なスキャン動作によって実現してもよい。なお、本体部1100の処理については、前述した例と同様の通信処理および認識処理を用いることもできる。
【0420】
[建造物検査システム(非破壊検査)]
第4の監視システムは、道路もしくは鉄道の高架橋または建造物等のコンクリートの内部、または道路もしくは地面の内部等の監視または検査を行うシステム(以下「建造物検査システム」という)である。この建造物検査システムでの監視対象は、例えば、高架橋もしくは建造物等のコンクリートの内部、または道路もしくは地面の内部等である。
【0421】
例えば、監視対象がコンクリート建造物の内部である場合、センサ部1010は、コンクリート建造物の表面に沿ってアンテナ1011を走査させることができる構造を有する。ここで「走査」は、手動で実現してもよいし、走査用の固定レールを別途設置し、このレール上をモータ等の駆動力を用いて移動させることで実現してもよい。また、監視対象が道路または地面の場合は、アンテナ1011を車両等に下向きに設置し、車両を一定速度で走行させることによって「走査」を実現してもよい。センサ部1010で使用される電磁波は、例えば100GHzを超える、いわゆるテラヘルツ領域のミリ波を用いてもよい。前述したとおり、本開示の実施形態におけるアレーアンテナによれば、例えば100GHzを超える電磁波にも、従来のパッチアンテナ等に比較して、より少ない損失のアンテナを構成できる。より高周波の電磁波は、コンクリート等の検査対象物に、より深く浸透することができ、より正確な非破壊検査を実現できる。なお、本体部1100の処理については、前述した他の監視システム等と同様の通信処理や認識処理も用いることができる。
【0422】
これに関連する技術は、米国特許第6661367号明細書に記載されている。その開示内容全体を本明細書に援用する。
【0423】
[人監視システム]
第5の監視システムは、介護対象者を見守るシステム(以下「人見守りシステム」という)である。この人見守りシステムでの監視対象は、例えば、介護者または病院の患者等である。
【0424】
例えば監視対象を介護施設の室内における介護者とした場合、この室内に、室内全体を監視できる1または2以上の位置に、センサ部1010が配置される。この場合、センサ部1010には、ミリ波レーダに加えて、カメラ等の光学センサも併設してよい。この場合には、レーダ情報と画像情報とのフュージョン処理により、より多角的に監視対象を監視できる。他方、監視対象を人とした場合、プライバシー保護の観点から、カメラ等での監視は適当でない場合がある。この点を考慮して、センサを選択する必要がある。なお、ミリ波レーダでの物標検出では、監視対象の人を、画像ではなくその影ともいえる信号によって取得することができる。従って、ミリ波レーダは、プライバシー保護の観点から、望ましいセンサと言える。
【0425】
センサ部1010で得られた介護者の情報は、通信回線1300を介して、本体部1100に送られる。センサ部1010は、より高度な認識処理、制御で必要となる他の情報(例えば介護者の物標情報を正確に認識するために必要となる参照データ等)の収集、およびこれらに基づく必要な制御指示等、を行う。ここで、必要な制御指示とは、例えば、検出結果に基づき、管理者に直接通報する等の指示を含む。また、本体部1100の処理部1101は、検出された物標を、内蔵した、ディープラーニング等の手法を採用した高度認識装置に認識させてもよい。この高度認識装置は、外部に配置されてもよい。その場合、高度認識装置は、通信回線1300によって接続され得る。
【0426】
ミリ波レーダで人を監視対象とする場合、少なくとも次の2つの機能を追加することができる。
【0427】
第1の機能は、心拍数・呼吸数の監視機能である。ミリ波レーダでは、電磁波は衣服を透過して、人体の皮膚表面の位置および動きを検出できる。処理部1101は、まず監視対象となる人とその外形を検出する。次に、例えば心拍数を検知する場合は、心拍の動きが検出しやすい体表面の位置を特定し、そこの動きを時系列化して検出する。これにより、例えば1分間の心拍数を検出することができる。呼吸数を検知する場合も同様である。この機能を用いることで、介護者の健康状態を常時確認することができ、より質の高い介護者への見守りが可能である。
【0428】
第2の機能は、転倒検出機能である。老人等の介護者は、足腰が弱っていることに起因して、転倒することがある。人が転倒する場合、人体の特定部位、例えば頭部等、の速度、または加速度が一定以上になる。ミリ波レーダで人を監視対象とする場合、常時、対象物標の相対速度または加速度を検出することができる。従って、例えば監視対象として頭部を特定し、その相対速度または加速度を時系列的に検知することで、一定値以上の速度を検出した場合、転倒したと認識することができる。処理部1101は、転倒を認識した場合、例えば的確な介護支援に対応する指示等を発行することができる。
【0429】
なお、以上説明した監視システム等では、センサ部1010が一定の位置に固定されていた。しかしセンサ部1010を、例えばロボット、車両、ドローン等の飛行体等の移動体に設置することも可能である。ここで車両等には、例えば自動車のみならず、電動車椅子等の小型移動体も含まれる。この場合、この移動体は、自己の現在位置を常に確認するためにGPSユニットを内蔵してもよい。加えてこの移動体は、地図情報および前述の第5の処理装置について説明した地図更新情報を用いて、自らの現在位置の正確性をさらに向上させる機能を有していてもよい。
【0430】
さらに、以上説明した、第1から第3の検出装置、第1から第6の処理装置、第1から第5の監視システム等と類似する装置またはシステムにおいて、これらと同様の構成を利用することで、本開示の実施形態におけるアレーアンテナまたはミリ波レーダを用いることができる。
【0431】
<応用例3:通信システム>
[通信システムの第1の例]
本開示における導波路装置およびアンテナ装置(アレーアンテナ)は、通信システム(telecommunication system)を構成する送信機(transmitter)および/または受信機(receiver)に用いることができる。本開示における導波路装置およびアンテナ装置は、積層された導電部材を用いて構成されるため、導波管を用いる場合に比して、送信機および/または受信機のサイズを小さく抑えることができる。また、誘電体を必要としないため、マイクロストリップ線路を用いる場合に比して、電磁波の誘電損失を小さく抑えることができる。よって、小型で高効率の送信機および/または受信機を備える通信システムを構築することができる。
【0432】
そのような通信システムは、アナログ信号に直接変調をかけて送受信する、アナログ式通信システムであり得る。しかし、デジタル式通信システムであれば、より柔軟で性能の高い通信システムを構築することが可能である。
【0433】
以下、図49を参照しながら、本開示の実施形態における導波路装置およびアンテナ装置を用いた、デジタル式通信システム800Aを説明する。
【0434】
図49は、デジタル式通信システム800Aの構成を示すブロック図である。通信システム800Aは、送信機810Aと受信機820Aとを備えている。送信機810Aは、アナログ/デジタル(A/D)コンバータ812と、符号化器813と、変調器814と、送信アンテナ815とを備えている。受信機820Aは、受信アンテナ825と、復調器824と、復号化器823と、デジタル/アナログ(D/A)コンバータ822とを備えている。送信アンテナ815および受信アンテナ825の少なくとも一方は、本開示の実施形態におけるアレーアンテナによって実現され得る。本応用例において、送信アンテナ815に接続される変調器814、符号化器813、およびA/Dコンバータ812などを含む回路を、送信回路と称する。受信アンテナ825に接続される復調器824、復号化器823、およびD/Aコンバータ822などを含む回路を、受信回路と称する。送信回路と受信回路とを合わせて、通信回路と称することもある。
【0435】
送信機810Aは、信号源811から受け取ったアナログ信号を、アナログ/デジタル(A/D)コンバータ812によってデジタル信号に変換する。次に、デジタル信号は、符号化器813によって符号化される。ここで、「符号化」とは、送信すべきデジタル信号を操作し、通信に適した形態に変換することを指す。そのような符号化の例としては、CDM(Code−Division Multiplexing)等がある。また、TDM(Time−Division Multiplexing)またはFDM (Frequency Division Multiplexing)、またはOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)を行うための変換も、この符号化の一例である。符号化された信号は、変調器814によって高周波信号に変換され、送信アンテナ815から送信される。
【0436】
なお、通信の分野では、搬送波に重畳される信号を表す波を「信号波」と称することがあるが、本明細書における「信号波」の用語は、そのような意味では用いられていない。本明細書における「信号波」とは、導波路を伝搬する電磁波、およびアンテナ素子を用いて送受信される電磁波を広く意味する。
【0437】
受信機820Aは、受信アンテナ825で受信した高周波信号を、復調器824によって低周波の信号に戻し、復号化器823によってデジタル信号に戻す。復号されたデジタル信号は、デジタル/アナログ(D/A)コンバータ822でアナログ信号に戻され、データシンク(データ受信装置)821に送られる。以上の処理により、一連の送信と受信のプロセスが完了する。
【0438】
通信する主体がコンピュータのようなデジタル機器である場合は、上記の処理において、送信信号のアナログ/デジタル変換、および受信信号のデジタル/アナログ変換は不要である。したがって、図49におけるアナログ/デジタルコンバータ812およびデジタル/アナログコンバータ822は省略可能である。このような構成のシステムも、デジタル式通信システムに含まれる。
【0439】
デジタル式通信システムにおいては、信号強度の確保、または通信容量の拡大のために、様々な方法が用いられる。そのような方法の多くは、ミリ波帯またはテラヘルツ帯の電波を用いる通信システムにおいても有効である。
【0440】
ミリ波帯またはテラヘルツ帯における電波は、より低い周波数の電波に比して直進性が高く、障害物の陰の側に回り込む回折は小さい。このため、受信機が、送信機から送信された電波を直接に受信できないことも少なくない。そのような状況でも、反射波を受信できることは多いが、反射波の電波信号の質は直接波よりも劣ることが多いため、安定した受信はより難しくなる。また、複数の反射波が異なる経路を通って到来することもある。その場合、経路長の異なる受信波は互いに位相が異なり、マルチパス・フェージング(Multi−Path Fading)を引き起こす。
【0441】
このような状況を改善するための技術として、アンテナダイバーシティ(Antenna Diversity)と呼ばれる技術を利用することができる。この技術においては、送信機および受信機の少なくとも一方は、複数のアンテナを備える。それらの複数のアンテナ間の距離が、波長程度以上異なれば、受信波の状態は異なってくる。そこで、最も品質のよい送受信が行えるアンテナが選択して用いられる。こうすることで通信の信頼性を高めることができる。また、複数のアンテナから得られる信号を合成して信号の品質の改善を図ってもよい。
【0442】
図49に示される通信システム800Aにおいて、例えば受信機820Aは受信アンテナ825を複数個備えていてもよい。この場合、複数の受信アンテナ825と復調器824との間には、切り替え器が介在する。受信機820Aは、切り替え器によって、複数の受信アンテナ825の中から最も品質のよい信号が得られるアンテナと復調器824とを接続する。なお、この例において、送信機810Aが送信アンテナ815を複数個備えていてもよい。
【0443】
[通信システムの第2の例]
図50は、電波の放射パターンを変化させることのできる送信機810Bを含む通信システム800Bの例を示すブロック図である。この応用例において、受信機は図49に示す受信機820Aと同一である。このため、図50には受信機は図示されていない。送信機810Bは、送信機810Aの構成に加えて、複数個のアンテナ素子8151を含むアンテナアレイ815bを有する。アンテナアレイ815bは、本開示の実施形態におけるアレーアンテナであり得る。送信機810Bはさらに、複数のアンテナ素子8151と変調器814との間にそれぞれ接続された複数の移相器(PS)816を有する。この送信機810Bにおいて、変調器814の出力は、複数の移相器816に送られ、そこで位相差を付与されて、得られた信号が複数のアンテナ素子8151に導かれる。複数のアンテナ素子8151が等間隔に配置されている場合において、各アンテナ素子8151に、隣り合うアンテナ素子に対して一定量だけ異なる位相の高周波信号が供給される場合、その位相差に応じてアンテナアレイ815bの主ローブ817は正面から傾いた方位を向く。この方法はビームフォーミング(Beam Forming)と呼ばれることがある。
【0444】
各移相器816が付与する位相差を様々に異ならせて主ローブ817の方位を変化させることができる。この方法はビームステアリング(Beam Steering)と呼ばれることがある。送受信の状態が最も良くなる位相差を見つけることにより、通信の信頼性を高めることができる。なお、ここでは移相器816が付与する位相差が、隣り合うアンテナ素子8151の間では一定である例を説明したが、そのような例に限られない。また、直接波だけではなく、反射波が受信機に届く方位に電波が放射されるように、位相差が付与されてもよい。
【0445】
送信機810Bでは、ヌルステアリング(Null Steering)と呼ばれる方法も利用できる。これは、位相差を調節することで、特定の方向に電波が放射されない状態を作る方法を指す。ヌルステアリングを行うことにより、電波を送信したくない他の受信機に向けて放射される電波を抑制することができる。これにより、混信を回避することができる。ミリ波またはテラヘルツ波を用いたデジタル通信は、非常に広い周波数帯域を利用できるが、それでも、可能な限り効率的に帯域幅を利用することが好ましい。ヌルステアリングを利用すれば、同一の帯域で複数の送受信が行えるため、帯域幅の利用効率を高めることができる。ビームフォーミング、ビームステアリング、およびヌルステアリング等の技術を用いて帯域幅の利用効率を高める方法は、SDMA(Spatial Division Multiple Access)と呼ばれることもある。
【0446】
[通信システムの第3の例]
特定の周波数帯域における通信容量を増やす為に、MIMO(Multiple−Input and Multiple−Output)と呼ばれる方法を適用することもできる。MIMOにおいては、複数の送信アンテナおよび複数の受信アンテナが使用される。複数の送信アンテナの各々から電波が放射される。ある一例において、放射される電波には、それぞれ異なる信号を重畳させることができる。複数の受信アンテナの各々は、送信された複数の電波を何れも受信する。しかし、異なる受信アンテナは、異なる経路を通って到達する電波を受信するため、受信する電波の位相に差異が生じる。この差異を利用することにより、複数の電波に含まれていた複数の信号を受信機の側で分離することが可能である。
【0447】
本開示に係る導波路装置およびアンテナ装置は、MIMOを利用する通信システムにおいても用いることができる。以下、そのような通信システムの例を説明する。
【0448】
図51は、MIMO機能を実装した通信システム800Cの例を示すブロック図である。この通信システム800Cにおいて、送信機830は、符号化器832と、TX−MIMOプロセッサ833と、2つの送信アンテナ8351、8352とを備える。受信機840は、2つの受信アンテナ8451、8452と、RX−MIMOプロセッサ843と、復号化器842とを備える。なお、送信アンテナおよび受信アンテナのそれぞれの個数は、2つより多くてもよい。ここでは、説明を簡単にするため、各アンテナが2つの例を取り上げる。一般には、送信アンテナと受信アンテナの内の少ない方の個数に比例して、MIMO通信システムの通信容量は増大する。
【0449】
データ信号源831から信号を受け取った送信機830は、符号化器832によって信号を送信のために符号化する。符号化された信号は、TX−MIMOプロセッサ833によって、2つの送信アンテナ8351、8352に分配される。
【0450】
MIMO方式のある一例における処理方法においては、TX−MIMOプロセッサ833は、符号化された信号の列を、送信アンテナ8352の数と同じ数である2つに分割し、並列に送信アンテナ8351、8352に送る。送信アンテナ8351、8352は、分割された複数の信号列の情報を含む電波をそれぞれ放射する。送信アンテナがN個である場合は、信号列はN個に分割される。放射された電波は、2つの受信アンテナ8451、8452の両方で同時に受信される。すなわち、受信アンテナ8451、8452の各々で受信された電波には、送信時に分割された2つの信号が混ざって含まれている。この混ざった信号の分離は、RX−MIMOプロセッサ843によって行われる。
【0451】
混ざった2つの信号は、例えば電波の位相差に着目すれば分離することができる。送信アンテナ8351から到達した電波を受信アンテナ8451、8452が受信した場合の2つの電波の位相差と、送信アンテナ8352から到達した電波を受信アンテナ8451、8452が受信した場合の2つの電波の位相差と異なる。すなわち、送受信の経路によって、受信アンテナ間での位相差は異なる。また、送信アンテナと受信アンテナの空間的な配置関係が変化しなければ、それらの位相差は不変である。そこで、2つの受信アンテナで受信された受信信号を、送受信経路によって定まる位相差だけずらして相関をとることにより、その送受信経路を通って受信された信号を抽出することができる。RX−MIMOプロセッサ843は、例えばこの方法により、受信信号から2つの信号列を分離し、分割される前の信号列を回復する。回復された信号列は、まだ符号化された状態にあるので、復号化器842に送られて、そこで元の信号に復元される。復元された信号は、データシンク841に送られる。
【0452】
この例におけるMIMO通信システム800Cは、デジタル信号を送受信するが、アナログ信号を送受信するMIMO通信システムも実現可能である。その場合は、図51の構成に、図49を参照して説明した、アナログ/デジタルコンバータと、デジタル/アナログコンバータとが追加される。なお、異なる送信アンテナからの信号を見分けるために利用される情報は、位相差の情報に限られない。一般に、送信アンテナと受信アンテナとの組合せが異なると、受信された電波は、位相以外にも、散乱またはフェージング等の状況が異なり得る。これらは総称してCSI(Channel State Information)と呼ばれる。CSIは、MIMOを利用するシステムにおいて、異なる送受信経路を見分けるために利用される。
【0453】
なお、複数の送信アンテナが、各々独立の信号を含んだ送信波を放射することは、必須の条件ではない。受信アンテナの側で分離できるのであれば、複数の信号を含んだ電波を、各送信アンテナが放射する構成でもよい。また、送信アンテナの側でビームフォーミングを行って、各送信アンテナからの電波の合成波として、単一の信号を含んだ送信波が受信アンテナの側で形成されるように構成することも可能である。この場合も、各送信アンテナは、複数の信号を含む電波を放射する構成となる。
【0454】
この第3の例においても、第1および第2の例と同様、信号の符号化の方法として、CDM、FDM、TDM、OFDM等の種々の方法を用いることができる。
【0455】
通信システムにおいて、信号を処理するための集積回路(信号処理回路または通信回路と称する)を搭載する回路基板は、本開示の実施形態における導波路装置およびアンテナ装置に積層して配置することができる。本開示の実施形態における導波路装置およびアンテナ装置は、板形状の導電部材が積層された構造を持つため、回路基板をそれらの上に積み重ねる配置にすることは容易である。このような配置にすることで、導波管などを用いた場合に比して、容積が小さい送信機および受信機を実現できる。
【0456】
以上で説明した、通信システムの第1から第3の例において、送信機または受信機の構成要素である、アナログ/デジタルコンバータ、デジタル/アナログコンバータ、符号化器、復号化器、変調器、復調器、TX−MIMOプロセッサ、RX−MIMOプロセッサ等は、図49、50、51においては独立した1つの要素として表されているが、必ずしも独立している必要はない。例えば、これらの要素の全てを、1つの集積回路で実現してもよい。あるいは、一部の要素のみを纏めて、1つの集積回路で実現してもよい。いずれの場合も、本開示で説明した機能を実現している限り、本発明を実施しているといえる。
【0457】
以上のように、本開示は、以下の項目に記載のスロットアレーアンテナ、レーダ装置、レーダシステム、および無線通信システムを含む。
【0458】
[項目1]
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を拡大する複数の凹部を、前記導電性表面および/または前記導波面に有し、
前記複数の凹部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の凹部、第2の凹部、および第3の凹部を含み、
前記第1の凹部と前記第2の凹部との中心間距離は、前記第2の凹部と前記第3の凹部との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【0459】
[項目2]
前記第1から第3の凹部は、前記導電部材の前記導電性表面上にある、項目1に記載のスロットアレーアンテナ。
【0460】
[項目3]
前記第1から第3の凹部は、前記導波部材の前記導波面上にある、項目1に記載のスロットアレーアンテナ。
【0461】
[項目4]
前記複数のスロットは、隣り合う第1のスロットおよび第2のスロットを含み、
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1から第3の凹部のうちの少なくとも2つは、前記第1および第2のスロットの間に位置している、項目1から3のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0462】
[項目5]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、
前記第1および第2の凹部は、前記第1および第2のスロットの間に位置し、
前記第3の凹部は、前記第1および第2のスロットの外側に位置している、
項目4に記載のスロットアレーアンテナ。
【0463】
[項目6]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1および第2の凹部の間に、前記第1および第2のスロットの中点が位置している、項目4または5に記載のスロットアレーアンテナ。
【0464】
[項目7]
前記導電部材の前記導電性表面に対向する他の導電性表面を有する他の導電部材を有し、
前記導波部材は、前記他の導電部材上のリッジである、
項目1から6のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0465】
[項目8]
前記スロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記第1の凹部と前記第2の凹部との中心間距離、および前記第2の凹部と前記第3の凹部との中心間距離の少なくとも一方は、1.15λo/8よりも大きい、
項目1から7のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0466】
[項目9]
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を狭める複数の凸部を、前記導電性表面および/または前記導波面に有し、
前記複数の凸部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の凸部、第2の凸部、および第3の凸部を含み、
前記第1の凸部と前記第2の凸部との中心間距離は、前記第2の凸部と前記第3の凸部との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【0467】
[項目10]
前記第1から第3の凸部は、前記導電部材の前記導電性表面上にある、項目9に記載のスロットアレーアンテナ。
【0468】
[項目11]
前記第1から第3の凸部は、前記導波部材の前記導波面上にある、項目9に記載のスロットアレーアンテナ。
【0469】
[項目12]
前記複数のスロットは、隣り合う第1のスロットおよび第2のスロットを含み、
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1から第3の凸部のうちの少なくとも2つは、前記第1および第2のスロットの間に位置している、項目9から11のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0470】
[項目13]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、
前記第1および第2の凸部は、前記第1および第2のスロットの間に位置し、
前記第3の凸部は、前記第1および第2のスロットの外側に位置している、
項目4に記載のスロットアレーアンテナ。
【0471】
[項目14]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1および第2の凸部の間に、前記第1および第2のスロットの中点が位置している、項目4、12または13に記載のスロットアレーアンテナ。
【0472】
[項目15]
前記導電部材の前記導電性表面に対向する他の導電性表面を有する他の導電部材を有し、
前記導波部材は、前記他の導電部材上のリッジである、
項目9から14のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0473】
[項目16]
前記スロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記第1の凸部と前記第2の凸部との中心間距離、および前記第2の凸部と前記第3の凸部との中心間距離の少なくとも一方は、1.15λo/8よりも大きい、
項目9から15のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0474】
[項目17]
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を広げる複数の幅広部を、前記導波面に有し、
前記複数の幅広部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の幅広部、第2の幅広部、および第3の幅広部を含み、
前記第1の幅広部と前記第2の幅広部との中心間距離は、前記第2の幅広部と前記第3の幅広部との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【0475】
[項目18]
前記第1から第3の幅広は、前記導電部材の前記導電性表面上にある、項目17に記載のスロットアレーアンテナ。
【0476】
[項目19]
前記第1から第3の幅広部は、前記導波部材の前記導波面上にある、項目17に記載のスロットアレーアンテナ。
【0477】
[項目20]
前記複数のスロットは、隣り合う第1のスロットおよび第2のスロットを含み、
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1から第3の幅広部のうちの少なくとも2つは、前記第1および第2のスロットの間に位置している、項目17から19のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0478】
[項目21]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、
前記第1および第2の幅広部は、前記第1および第2のスロットの間に位置し、
前記第3の幅広部は、前記第1および第2のスロットの外側に位置している、
項目20に記載のスロットアレーアンテナ。
【0479】
[項目22]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1および第2の幅広部の間に、前記第1および第2のスロットの中点が位置している、項目4、20または21に記載のスロットアレーアンテナ。
【0480】
[項目23]
前記導電部材の前記導電性表面に対向する他の導電性表面を有する他の導電部材を有し、
前記導波部材は、前記他の導電部材上のリッジである、
項目17から22のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0481】
[項目24]
前記スロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記第1の幅広部と前記第2の幅広部との中心間距離、および前記第2の幅広部と前記第3の幅広部との中心間距離の少なくとも一方は、1.15λo/8よりも大きい、
項目17から23のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0482】
[項目25]
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導波部材は、隣り合う部位よりも前記導波面の幅を狭める複数の狭小部を、前記導波面に有し、
前記複数の狭小部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の狭小部、第2の狭小部、および第3の狭小部を含み、
前記第1の狭小部と前記第2の狭小部との中心間距離は、前記第2の狭小部と前記第3の狭小部との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【0483】
[項目26]
前記第1から第3の狭小部は、前記導電部材の前記導電性表面上にある、項目25に記載のスロットアレーアンテナ。
【0484】
[項目27]
前記第1から第3の狭小部は、前記導波部材の前記導波面上にある、項目25に記載のスロットアレーアンテナ。
【0485】
[項目28]
前記複数のスロットは、隣り合う第1のスロットおよび第2のスロットを含み、
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1から第3の狭小部のうちの少なくとも2つは、前記第1および第2のスロットの間に位置している、項目25から27のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0486】
[項目29]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、
前記第1および第2の狭小部は、前記第1および第2のスロットの間に位置し、
前記第3の狭小部は、前記第1および第2のスロットの外側に位置している、
項目28に記載のスロットアレーアンテナ。
【0487】
[項目30]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1および第2の狭小部の間に、前記第1および第2のスロットの中点が位置している、項目4、28または29に記載のスロットアレーアンテナ。
【0488】
[項目31]
前記導電部材の前記導電性表面に対向する他の導電性表面を有する他の導電部材を有し、
前記導波部材は、前記他の導電部材上のリッジである、
項目25から30のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0489】
[項目32]
前記スロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記第1の狭小部と前記第2の狭小部との中心間距離、および前記第2の狭小部と前記第3の狭小部との中心間距離の少なくとも一方は、1.15λo/8よりも大きい、
項目25から31のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0490】
[項目33]
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のキャパシタンスが極大または極小を示す複数の箇所を含み、
前記複数の箇所は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の箇所、第2の箇所、および第3の箇所を含み、
前記第1の箇所と前記第2の箇所との中心間距離は、前記第2の箇所と前記第3の箇所との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【0491】
[項目34]
前記第1から第3の箇所は、前記導電部材の前記導電性表面上にある、項目33に記載のスロットアレーアンテナ。
【0492】
[項目35]
前記第1から第3の箇所は、前記導波部材の前記導波面上にある、項目33に記載のスロットアレーアンテナ。
【0493】
[項目36]
前記複数のスロットは、隣り合う第1のスロットおよび第2のスロットを含み、
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1から第3の箇所のうちの少なくとも2つは、前記第1および第2のスロットの間に位置している、項目33から35のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0494】
[項目37]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、
前記第1および第2の箇所は、前記第1および第2のスロットの間に位置し、
前記第3の箇所は、前記第1および第2のスロットの外側に位置している、
項目36に記載のスロットアレーアンテナ。
【0495】
[項目38]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1および第2の箇所の間に、前記第1および第2のスロットの中点が位置している、項目4、36または37に記載のスロットアレーアンテナ。
【0496】
[項目39]
前記導電部材の前記導電性表面に対向する他の導電性表面を有する他の導電部材を有し、
前記導波部材は、前記他の導電部材上のリッジである、
項目33から38のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0497】
[項目40]
前記スロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記第1の箇所と前記第2の箇所との中心間距離、および前記第2の箇所と前記第3の箇所との中心間距離の少なくとも一方は、1.15λo/8よりも大きい、
項目33から39のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0498】
[項目41]
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のインダクタンスが極大または極小を示す複数の箇所を含み、
前記複数の箇所は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の箇所、第2の箇所、および第3の箇所を含み、
前記第1箇所と前記第2箇所との中心間距離は、前記第2箇所と前記第3箇所との中心間距離とは異なっている、
スロットアレーアンテナ。
【0499】
[項目42]
前記第1から第3の箇所は、前記導電部材の前記導電性表面上にある、項目41に記載のスロットアレーアンテナ。
【0500】
[項目43]
前記第1から第3の箇所は、前記導波部材の前記導波面上にある、項目41に記載のスロットアレーアンテナ。
【0501】
[項目44]
前記複数のスロットは、隣り合う第1のスロットおよび第2のスロットを含み、
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1から第3の箇所のうちの少なくとも2つは、前記第1および第2のスロットの間に位置している、項目41から43のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0502】
[項目45]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、
前記第1および第2の箇所は、前記第1および第2のスロットの間に位置し、
前記第3の箇所は、前記第1および第2のスロットの外側に位置している、
項目44に記載のスロットアレーアンテナ。
【0503】
[項目46]
前記導電性表面の法線方向から見たとき、前記第1および第2の箇所の間に、前記第1および第2のスロットの中点が位置している、項目4、44または45に記載のスロットアレーアンテナ。
【0504】
[項目47]
前記導電部材の前記導電性表面に対向する他の導電性表面を有する他の導電部材を有し、
前記導波部材は、前記他の導電部材上のリッジである、
項目41から46のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0505】
[項目48]
前記スロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記第1の箇所と前記第2の箇所との中心間距離、および前記第2の箇所と前記第3の箇所との中心間距離の少なくとも一方は、1.15λo/8よりも大きい、
項目41から47のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0506】
[項目49]
自由空間中における中心波長がλoである帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられるスロットアレーアンテナであって、
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを含むスロット列を有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導波面の幅はλo/2未満であり、
前記導電性表面および前記導波面の間の導波路は、前記導波路のインダクタンスおよびキャパシタンスのうちの少なくとも一方が極小を示す少なくとも1つの極小箇所、および、極大を示す少なくとも1つの極大箇所を含み、前記少なくとも1つの極小箇所および前記少なくとも1つの極大箇所は、前記第1の方向に並んでおり、
前記少なくとも1つの極小箇所は、1.15λo/8よりも隔たって前記極大箇所と隣り合う、第1種の極小箇所を含む、
スロットアレーアンテナ。
【0507】
[項目50]
前記少なくとも1つの極大箇所は、複数の極大箇所を含み、
前記少なくとも1つの極小箇所は、複数の極小箇所を含み、
前記複数の極小箇所は、1.15λo/8未満だけ隔たって前記極大箇所のいずれかと隣り合う極小箇所をさらに含む、
項目49に記載のスロットアレーアンテナ。
【0508】
[項目51]
前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、前記導電性表面および前記導波面の間の導波路の前記インダクタンスおよびキャパシタンスの少なくとも一方を変化させる複数の付加要素を前記導電性表面および前記導波面上の少なくとも一方に有し、
各付加要素の前記第1の方向における位置は、前記極小箇所の少なくとも1つ、または前記極大箇所の少なくとも1つと重なる、
項目49または50に記載のスロットアレーアンテナ。
【0509】
[項目52]
前記複数の付加要素の少なくとも1つは、各々の前記第1の方向の長さが1.15λo/8未満である複数の微小付加要素を含み、
前記複数の微小付加要素は、前記第1の方向に隣り合って並び、
前記極小箇所および前記極大箇所の少なくとも1つには、隣り合って並ぶ前記複数の微小付加要素が配置され、
隣り合って並ぶ前記複数の微小付加要素の中心間の距離は、1.15λo/8未満である、
項目51に記載のスロットアレーアンテナ。
【0510】
[項目53]
各付加要素は、凹部および凸部および幅広部および狭小部のうちの少なくとも1つを含む、項目51に記載のスロットアレーアンテナ。
【0511】
[項目54]
各付加要素は、前記導波面上の凹部または凸部であり、
前記導波面は、隣り合う2つの凹部または隣り合う2つの凸部の間に、1.15λo/4よりも大きい長さを有する平坦部分を含んでいる、項目51または53に記載のスロットアレーアンテナ。
【0512】
[項目55]
自由空間中における中心波長がλoである帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられるスロットアレーアンテナであって、
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを含むスロット列を有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導波面の幅はλo/2未満であり、
前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、複数の付加要素を、前記導電性表面および前記導波面の少なくとも一方に有し、
前記複数の付加要素は、少なくとも1つの第1種の付加要素および少なくとも1つの第2種の付加要素の少なくとも一方を含み、
前記少なくとも1つの第1種の付加要素は、前記導電性表面および前記導波面のいずれかに配置され、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を狭める凸部、または隣り合う部位よりも前記導波面の幅を広げる幅広部であり、
前記少なくとも1つの第2種の付加要素は、前記導電性表面および前記導波面のいずれかに配置され、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を広げる凹部、または隣り合う部位よりも前記導波面の幅を狭める狭小部であり、
(a)前記少なくとも1つの第1種の付加要素は、前記少なくとも1つの第2種の付加要素、または前記少なくとも1つの付加要素が配置されていない少なくとも1つの中立部と前記第1の方向において隣り合い、かつ、前記少なくとも1つの第1種の付加要素の中心位置と、前記少なくとも1つの第2種の付加要素または前記少なくとも1つの中立部の中心位置とが、前記第1の方向に1.15λo/8よりも隔たっている、
または、
(b)前記少なくとも1つの第2種の付加要素は、前記少なくとも1つの第1種の付加要素、または前記少なくとも1つの付加要素が配置されていない少なくとも1つの中立部と前記第1の方向において隣り合い、かつ、前記少なくとも1つの第1種の付加要素の中心位置と、前記少なくとも1つの第2種の付加要素または前記少なくとも1つの中立部の中心位置とが、前記第1の方向に1.15λo/8よりも隔たっている、
スロットアレーアンテナ。
【0513】
[項目56]
自由空間中における中心波長がλoである帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられるスロットアレーアンテナであって、
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを含むスロット列を有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導波面の幅はλo/2未満であり、
前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、複数の付加要素を、前記導電性表面および前記導波面の少なくとも一方に有し、
前記複数の付加要素は、少なくとも1つの第3種の付加要素および少なくとも1つの第4種の付加要素の少なくとも一方を含み、
前記少なくとも1つの第3種の付加要素は、前記導電性表面および前記導波面のいずれかに配置され、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を狭める凸部であって、かつ隣り合う部位よりも前記導波面の幅が狭く、
前記少なくとも1つの第4種の付加要素は、前記導電性表面および前記導波面のいずれかに配置され、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を広げる凹部であって、かつ隣り合う部位よりも前記導波面の幅が広く、
(c)前記少なくとも1つの第3種の付加要素は、前記少なくとも1つの第4種の付加要素、または前記少なくとも1つの付加要素が配置されていない少なくとも1つの中立部と前記第1の方向において隣り合い、かつ、前記少なくとも1つの第3種の付加要素の中心位置と、前記少なくとも1つの第4種の付加要素または前記少なくとも1つの中立部の中心位置とが、前記第1の方向に1.15λo/8よりも隔たっている、
または、
(d)前記少なくとも1つの第4種の付加要素は、前記少なくとも1つの第3種の付加要素、または前記少なくとも1つの付加要素が配置されていない少なくとも1つの中立部と前記第1の方向において隣り合い、かつ、前記少なくとも1つの第4種の付加要素の中心位置と、前記少なくとも1つの第3種の付加要素または前記少なくとも1つの中立部の中心位置とが、前記第1の方向に1.15λo/8よりも隔たっている、
スロットアレーアンテナ。
【0514】
[項目57]
前記複数の付加要素は、1.15λo/8未満だけ隔たって他の付加要素と隣り合う付加要素を含む、項目55または56に記載のスロットアレーアンテナ。
【0515】
[項目58]
前記複数の付加要素は、前記複数のスロットのうちの隣り合う2つのスロットの中点位置または前記中点位置に対向する前記導波面上の位置に関して対称に分布している複数の付加要素を含む、項目51から57のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0516】
[項目59]
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記第1の方向に沿って、前記複数のスロットのうちの隣り合う2つのスロットの中心間距離の1/2以上の周期で変動している、
スロットアレーアンテナ。
【0517】
[項目60]
自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられるスロットアレーアンテナであって、
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導波面の幅は、λo未満であり、
前記導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記第1の方向に沿って、1.15λo/4よりも長い周期で変動している、
スロットアレーアンテナ。
【0518】
[項目61]
自由空間中の中心波長がλoである帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられるスロットアレーアンテナであって、
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導波面の幅は、λo未満であり、
前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、前記導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方を、隣り合う部位から変化させる複数の付加要素を、前記導波面または前記導電性表面に有し、
前記複数の付加要素が存在しない場合に、波長λoの電磁波が、前記導電部材と前記導波部材との間の導波路を伝搬する際の波長をλRとするとき、
前記導電性表面と前記導波面との間隔、および前記導波面の幅の少なくとも一方は、前記第1の方向に沿って、λR/4よりも長い周期で変動している、
スロットアレーアンテナ。
【0519】
[項目62]
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導電性表面と前記導波面との間の導波路におけるキャパシタンスおよびインダクタンスの少なくとも一方は、前記第1の方向に沿って、前記複数のスロットのうちの隣り合う2つのスロットの中心間距離の1/2以上の周期で変動している、
スロットアレーアンテナ。
【0520】
[項目63]
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導電性表面と前記導波面との間隔は、前記第1の方向に沿って変動しており、
前記導電部材と前記導波部材との間の導波路は、前記導電性表面と前記導波面との間隔が異なる少なくとも3つの箇所を有する、
スロットアレーアンテナ。
【0521】
[項目64]
前記導電部材と前記導波部材との間の導波路は、前記導電性表面と前記導波面との間隔が異なる前記少なくとも3つの箇所を、前記複数のスロットのうちの隣り合う2つのスロットの間に有する、項目63に記載のスロットアレーアンテナ。
【0522】
[項目65]
導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、
前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、
前記導波部材の両側の人工磁気導体と、
を備え、
前記導波面の幅は、前記第1の方向に変動しており、
前記導波面は、前記幅が異なる少なくとも3つの箇所を有する、
スロットアレーアンテナ。
【0523】
[項目66]
前記導波面は、前記幅が異なる少なくとも3つの箇所を、前記複数のスロットのうちの隣り合う2つのスロットの間に有する、項目65に記載のスロットアレーアンテナ。
【0524】
[項目67]
前記導波面は、前記複数のスロットに対向する平坦部分を有している、項目1から66のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0525】
[項目68]
前記導波部材を含む複数の導波部材を備え、
前記導電部材は、前記複数のスロットによって構成されるスロット列を含む複数のスロット列を有し、
前記複数のスロット列の各々は、前記第1の方向に配列された複数のスロットを含み、
前記複数の導波部材の導波面は、前記複数のスロット列にそれぞれ対向し、
前記複数のスロット列および前記複数の導波部材は、前記第1の方向と交差する第2の方向に並ぶ、
項目1から67のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0526】
[項目69]
前記導電部材の前記導電性表面に対向する他の導電性表面を有する他の導電部材を有し、
前記人工磁気導体は、各々が、前記導電性表面に対向する先端部と、前記他の導電性表面に接続された基部とを持つ複数の導電性ロッドを有する、
項目1から68のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0527】
[項目70]
前記スロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記第1の方向および前記複数の導電性ロッドの前記基部から前記先端部に向かう方向の両方に垂直な方向における、前記導波部材の幅、各導電性ロッドの幅、および隣り合う2つの導電性ロッドの間の空間の幅、ならびに前記複数の導電性ロッドの各々の前記基部から前記導電性表面までの距離は、λo/2未満である、項目69に記載のスロットアレーアンテナ。
【0528】
[項目71]
前記スロットアレーアンテナは、自由空間中の中心波長がλoの帯域の電磁波の送信および受信の少なくとも一方に用いられ、
前記複数のスロットのうちの隣り合う2つのスロットの中心間距離は、λoよりも短い、項目1から70のいずれかに記載のスロットアレーアンテナ。
【0529】
[項目72]
項目1から71のいずれかに記載のスロットアレーアンテナと、
前記スロットアレーアンテナに接続されたマイクロ波集積回路と、
を備えるレーダ装置。
【0530】
[項目73]
項目72に記載のレーダ装置と、
前記レーダ装置の前記マイクロ波集積回路に接続された信号処理回路と、
を備えるレーダシステム。
【0531】
[項目74]
項目1から71のいずれかに記載のスロットアレーアンテナと、
前記スロットアレーアンテナに接続された通信回路と、
を備える無線通信システム。
【0532】
例示的な実施形態について、本発明を説明したが、開示された発明が多様な態様に改変することができ、上で詳述したものとは異なる多くの実施形態が想定されることは、当業者に明らかであろう。したがって、添付の請求項により、発明の真の精神および範囲に含まれる発明の全ての改変がカバーされることが意図されている。
【0533】
本願は、2015年11月5日付けで出願された日本国特許出願第2015−217657号、および2016年9月7日付けで出願された日本国特許出願第2016−174841号に基づいている。これらの開示全体を本願において参考のため援用する。
【産業上の利用可能性】
【0534】
本開示のスロットアレーアンテナは、アンテナを利用するあらゆる技術分野において利用可能である。例えばギガヘルツ帯域またはテラヘルツ帯域の電磁波の送受信を行う各種の用途に利用され得る。特に小型化および高利得化が求められる車載レーダシステム、各種の監視システム、屋内測位システム、および無線通信システム等に好適に用いられ得る。
【符号の説明】
【0535】
100 導波路装置
110 第1の導電部材
110a 第1の導電部材の導電性表面
112、112a、112b、112c、112d スロット
113L スロットの縦部
113T スロットの横部
114 ホーン
120 第2の導電部材
120a 第2の導電部材の導電性表面
122、122L、122U 導波部材
122a 導波面
122b 凸部
122c 凹部
122c’ 近接極小箇所
122d 微小付加要素
124、124L、124U 導電性ロッド
124a 導電性ロッド124の先端部
124b 導電性ロッド124の基部
125 人工磁気導体の表面
140 第3の導電部材
145、145L、145U ポート
190 電子回路
200 スロットアレーアンテナ
500 自車両
502 先行車両
510 車載レーダシステム
520 走行支援電子制御装置
530 レーダ信号処理装置
540 通信デバイス
550 コンピュータ
552 データベース
560 信号処理回路
570 物体検知装置
580 送受信回路
596 選択回路
600 車両走行制御装置
700 車載カメラシステム
710 カメラ
720 画像処理回路800A、800B、800C 通信システム
810A、810B、830 送信機
820A、840 受信機
813、832 符号化器
823、842 復号化器
814 変調器
824 復調器
1010、1020 センサ部
1011、1021 アンテナ
1012、1022 ミリ波レーダ検出部
1013、1023 通信部
1015、1025 監視対象
1100 本体部
1101 処理部
1102 データ蓄積部
1103 通信部
1200 他のシステム
1300 通信回線
1500 監視システム
【要約】
スロットアレーアンテナは、導電性表面、および前記導電性表面に沿った第1の方向に配列された複数のスロットを有する導電部材と、前記複数のスロットに対向し、前記第1の方向に沿って延びる導電性の導波面を有する導波部材と、前記導波部材の両側の人工磁気導体と、を備える。前記導電部材および前記導波部材の少なくとも一方は、隣り合う部位よりも前記導電性表面と前記導波面との間隔を拡大する複数の凹部を、前記導電性表面および/または前記導波面に有する。前記複数の凹部は、前記第1の方向に隣り合って順に並ぶ第1の凹部、第2の凹部、および第3の凹部を含む。前記第1の凹部と前記第2の凹部との中心間距離は、前記第2の凹部と前記第3の凹部との中心間距離とは異なっている。
図1
図2A
図2B
図2C
図2D
図2E
図3A
図3B
図4
図5A
図5B
図5C
図5D
図6
図7A
図7B
図8
図9
図10
図11
図12
図13A
図13B
図14A
図14B
図15
図16
図17
図18
図19A
図19B
図20
図21
図22A
図22B
図23A
図23B
図24A
図24B
図25A
図25B
図25C
図25D
図25E
図25F
図25G
図26A
図26B
図27
図28A
図28B
図29A
図29B
図30
図31A
図31B
図31C
図31D
図32
図33
図34
図35A
図35B
図36
図37
図38
図39
図40
図41
図42
図43
図44
図45
図46
図47
図48
図49
図50
図51