(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-02-14
(45)【発行日】2022-02-22
(54)【発明の名称】MIMOレーダー用アンテナ構造
(51)【国際特許分類】
H01Q 21/08 20060101AFI20220215BHJP
H01Q 21/06 20060101ALI20220215BHJP
G01S 7/02 20060101ALI20220215BHJP
G01S 7/03 20060101ALI20220215BHJP
【FI】
H01Q21/08
H01Q21/06
G01S7/02 216
G01S7/03 230
(21)【出願番号】P 2017195408
(22)【出願日】2017-10-05
【審査請求日】2020-10-02
(73)【特許権者】
【識別番号】000004330
【氏名又は名称】日本無線株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100126561
【氏名又は名称】原嶋 成時郎
(72)【発明者】
【氏名】小田 康明
(72)【発明者】
【氏名】時枝 幸伸
【審査官】赤穂 美香
(56)【参考文献】
【文献】特開2016-180720(JP,A)
【文献】特表2017-521683(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2015/0253420(US,A1)
【文献】特開2012-120144(JP,A)
【文献】特開平10-253730(JP,A)
【文献】中国特許出願公開第104950291(CN,A)
【文献】米国特許出願公開第2016/0285172(US,A1)
【文献】中国特許出願公開第106019238(CN,A)
【文献】中国特許出願公開第106662637(CN,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01Q 21/08
H01Q 21/06
G01S 7/02
G01S 7/03
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
送信アンテナおよび受信アンテナの一方を第1のアンテナ、他方を第2のアンテナとし、
前記第1のアンテナは、第1の間隔d1ごとに複数の第1のアンテナ素子が配設され、
前記第2のアンテナは、第2の間隔d2ごとに複数の第2のアンテナ素子が配設され、
前記第1のアンテナと前記第2のアンテナとによるMIMOアレー処理によって生成される仮想アンテナ素子の配設間隔を所望間隔dとした場合に、
d1=Ne×d(Ne:偶数)
中央のd2=3×d、その他のd2=2×d
第2のアンテナ素子の配設数=Ne
d1<第2のアンテナ素子の配設長<2×d1
が成り立っていることを特徴とするMIMOレーダー用アンテナ構造。
【請求項2】
前記第2のアンテナ素子が、配設方向に直交する方向にずれて配設されている、ことを特徴とする請求項
1に記載のMIMOレーダー用アンテナ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数のアンテナ素子(放射素子)が規則的に配設されたアンテナ構造に関し、特に、仮想アンテナ素子を有するMIMO(Multiple Input Multiple Output)レーダー用アンテナ構造に関する。
【背景技術】
【0002】
レーダーのアレーアンテナ装置において、分解能を高めるにはアンテナの開口長を大きくすることが有効であるが、多くのアンテナ素子を配設すると、コストが嵩むばかりでなく、回路規模や演算規模が大きくなり実用化が困難になるおそれがある。このため、少ないアンテナ素子で大開口と同等の性能が得られるレーダーとして、MIMOレーダーが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
このMIMOレーダーは、例えば
図7に示すように、アンテナ素子が第1の間隔d1で配設された送信アンテナTxと、アンテナ素子が第2の間隔d2で配設され、送信アンテナTxのアンテナ素子間隔d1と同じ配列長を有する受信アンテナRxと、で構成される。そして、送信アンテナTxの各アンテナ素子からの送信信号を受信アンテナRxの各アンテナ素子で受信し、信号処理(MIMOアレー処理)を施すことで、図中VAで示すように、間隔が広い送信アンテナTxのアンテナ素子間を受信アンテナRxのアンテナ素子で補間するように、仮想アレーアンテナVAが形成される。これにより、従来必要とされていた数分の1のアンテナ素子数で、所望のアンテナ指向性を実現できるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、アンテナ素子の間隔が大きいと、グレーティングローブが発生し、測角できる角度範囲が狭くなって、真の方位を推定できなくなる。このため、従来のMIMOレーダーでは、アンテナ素子の間隔(例えば、上記の受信アンテナRxの第2の間隔d2)が半波長に設定されている。しかしながら、高周波化が進むと半波長が短くなるため、アンテナ素子や給電部を配設することが困難となる場合がある。例えば、80GHzの場合、半波長が2mm以下となり、2mm以下の間隔でアンテナ素子や給電部を配設することが困難となる。
【0006】
そこで本発明は、仮想的にアンテナ素子を短い間隔で配設可能なMIMOレーダー用アンテナ構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、送信アンテナおよび受信アンテナの一方を第1のアンテナ、他方を第2のアンテナとし、
前記第1のアンテナは、第1の間隔d1ごとに複数の第1のアンテナ素子が配設され、
前記第2のアンテナは、第2の間隔d2ごとに複数の第2のアンテナ素子が配設され、
前記第1のアンテナと前記第2のアンテナとによるMIMOアレー処理によって生成される仮想アンテナ素子の配設間隔を所望間隔dとした場合に、
d1=Ne×d(Ne:偶数)
中央のd2=3×d、その他のd2=2×d
第2のアンテナ素子の配設数=Ne
d1<第2のアンテナ素子の配設長<2×d1
が成り立っていることを特徴とするMIMOレーダー用アンテナ構造である。
【0009】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のMIMOレーダー用アンテナ構造において、前記第2のアンテナ素子が、配設方向に直交する方向にずれて配設されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
請求項1に記載の発明によれば、第1のアンテナ素子の第1の間隔d1と第2のアンテナ素子の第2の間隔d2がともに、仮想アンテナ素子の所望間隔dよりも大きく設定されている。換言すると、第1のアンテナ素子と第2のアンテナ素子を大きな間隔で配設しても、短い間隔で仮想アンテナ素子を生成することができる。この結果、高周波化が進んで半波長が短くなっても、第1のアンテナ素子と第2のアンテナ素子、給電部などを容易に配設した上で、半波長間隔で仮想アンテナ素子を配設することが可能となる。
【0011】
また、第1のアンテナ素子と第2のアンテナ素子を大きな間隔で配設できるため、隣接するアンテナ素子間の電磁結合を抑制することができる。さらに、アンテナ素子の横方向(配設方向)の開口長を拡張することが可能となる。
【0012】
請求項2に記載の発明によれば、配設方向に直交する方向にずれて第2のアンテナ素子が配設されているため、仮想アンテナ素子も配設方向に直交する方向にずれて配設される。つまり、一直線状ではなく縦横に(ジグザグ状に)配設された仮想アンテナ素子を生成することができ、使用目的に応じたアレーアンテナを形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図1】この発明の実施の形態1に係るMIMOレーダー用アンテナ構造を示す図である。
【
図2】
図1のMIMOレーダー用アンテナ構造の一具体例を示す図である。
【
図3】
図1のMIMOレーダー用アンテナ構造を備えたレーダー装置を示す概略構成図である。
【
図4】この発明の実施の形態2に係るMIMOレーダー用アンテナ構造を示す図である。
【
図5】
図4のMIMOレーダー用アンテナ構造の一具体例を示す図である。
【
図6】この発明の実施の形態3に係るMIMOレーダー用アンテナ構造を示す図である。
【
図7】従来のMIMOレーダー用アンテナ構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【0015】
(実施の形態1)
図1~
図3は、この実施の形態を示し、
図3は、この実施の形態に係るMIMOレーダー用アンテナ構造を備えたレーダー装置1を示す概略構成図である。このレーダー装置1は、第1のアンテナとしての送信アンテナ3と第2のアンテナとしての受信アンテナ4が上下に配置されたアレーアンテナ装置(仮想アレーアンテナ)2と、受信信号をデジタルビームフォーミング等によって信号処理してレーダー映像に変換する信号処理装置5と、を備える。
【0016】
このMIMOレーダー用アンテナ構造では、
図1に示すように、送信アンテナ3には、第1の間隔d
T(d1)ごとに複数の送信アンテナ素子(第1のアンテナ素子)FTが配設され、受信アンテナ4には、第2の間隔d
R(d2)ごとに複数(N
R個)の受信アンテナ素子(第2のアンテナ素子)FRが配設されている。また、送信アンテナ3と受信アンテナ4とによるMIMOアレー処理によって生成される仮想アンテナVAの仮想アンテナ素子FVの配設間隔を所望間隔dとした場合に、次の第1の関係が成り立っている。
d
T=No×d(No:奇数)
d
R=2×d
受信アンテナ素子FRの配設数N
R=No
d
T<受信アンテナ素子FRの配設長<2×d
T
【0017】
すなわち、送信アンテナ素子FTの第1の間隔dTは、仮想アンテナ素子FVの所望間隔dの奇数No倍(Noは3以上の奇数)に設定され、受信アンテナ素子FRの第2の間隔dRは、仮想アンテナ素子FVの所望間隔dの2倍に設定されている。また、受信アンテナ素子FRの配設数NRは、上記の奇数No(=dT÷d)に設定されている。さらに、受信アンテナ素子FRの配設長(≒dR×(NR-1))は、第1の間隔dTよりも大きく第1の間隔dTの2倍よりも小さく設定されている。
【0018】
そして、このような送信アンテナ3と受信アンテナ4とによるMIMOアレー処理によって、所望間隔dで仮想アンテナ素子FVが配設された仮想アンテナVAが生成される。すなわち、図示のように、先頭(最左)の受信アンテナ素子FRが各送信アンテナ素子FTに位置するように、受信アンテナ4(全受信アンテナ素子FR)を送信アンテナ3に重ねる(この図では3度重ねる)ことで、仮想アンテナ素子FVが所望間隔dで配設された仮想アンテナVAが生成される。
【0019】
ここで、送信アンテナ素子FTの配設数、配設長は、所望の任意の数、長さでよい。また、仮想アンテナVAの両端においては、仮想アンテナ素子FVの配設間隔が所望間隔dではなく第2の間隔dR(=2×d)となり、この部分の信号を目的に応じて使用しても使用しなくてもよい。
【0020】
このような第1の関係が成り立つMIMOレーダー用アンテナ構造の具体例を
図2に示す。この例では、仮想アンテナ素子FVの所望間隔dが0.5λ(λ:波長)に設定され、送信アンテナ素子FTの第1の間隔d
Tが3.5λに設定され、受信アンテナ素子FRの第2の間隔d
Rが1.0λに設定されている。また、受信アンテナ素子FRの配設数N
Rは、7(=3.5λ÷0.5λ)に設定されている。
【0021】
以上のように、本MIMOレーダー用アンテナ構造によれば、送信アンテナ素子FTの第1の間隔dTと受信アンテナ素子FRの第2の間隔dRがともに、仮想アンテナ素子FVの所望間隔dよりも大きく設定されている。換言すると、送信アンテナ素子FTと受信アンテナ素子FRを大きな間隔(所望間隔dの数倍の間隔)で配設しても、短い間隔で仮想アンテナ素子FVを生成することができる。この結果、高周波化が進んで半波長(0.5λ)が短くなっても、送信アンテナ素子FTと受信アンテナ素子FR、給電部などを容易に配設した上で(1.0λ以上の間隔でアンテナ素子FT、FRなどを配設した上で)、半波長間隔で仮想アンテナ素子FVを配設することが可能となる。
【0022】
また、送信アンテナ素子FTと受信アンテナ素子FRを大きな間隔で配設できるため、隣接するアンテナ素子FT、FR間の電磁結合を抑制することができる。さらに、アンテナ素子FT、FRの横方向(配設方向)の開口長を拡張する(1.0λにする)ことが可能となる。
【0023】
(実施の形態2)
図4、
図5は、この実施の形態を示し、実施の形態1と同等の構成については、同一符号を付することで、その説明を省略する。
【0024】
この実施の形態のMIMOレーダー用アンテナ構造では、
図4に示すように、送信アンテナ3には、第1の間隔d
T(d1)ごとに複数の送信アンテナ素子(第1のアンテナ素子)FTが配設され、受信アンテナ4には、第2の間隔d
R(d2)ごとに複数(N
R個)の受信アンテナ素子(第2のアンテナ素子)FRが配設されている。また、送信アンテナ3と受信アンテナ4とによるMIMOアレー処理によって生成される仮想アンテナVAの仮想アンテナ素子FVの配設間隔を所望間隔dとした場合に、次の第2の関係が成り立っている。
d
T=Ne×d(Ne:偶数)
中央のd
R=3×d、その他のd
R=2×d
受信アンテナ素子FRの配設数N
R=Ne
d
T<受信アンテナ素子FRの配設長<2×d
T
【0025】
すなわち、送信アンテナ素子FTの第1の間隔dTは、仮想アンテナ素子FVの所望間隔dの偶数Ne倍(Neは4以上の偶数)に設定され、受信アンテナ素子FRの第2の間隔dRは、基本的に仮想アンテナ素子FVの所望間隔dの2倍に設定され、中央の第2の間隔dR(中央に位置する間隔である図中のdR(NR/2))は、所望間隔dの3倍に設定されている。また、受信アンテナ素子FRの配設数NRは、上記の偶数Ne(=dT÷d)に設定されている。さらに、受信アンテナ素子FRの配設長(≒dR×(NR-2)+dR(NR/2)は、第1の間隔dTよりも大きく第1の間隔dTの2倍よりも小さく設定されている。
【0026】
そして、このような送信アンテナ3と受信アンテナ4とによるMIMOアレー処理によって、所望間隔dで仮想アンテナ素子FVが配設された仮想アンテナVAが生成される。すなわち、図示のように、先頭(最左)の受信アンテナ素子FRが各送信アンテナ素子FTに位置するように、受信アンテナ4(全受信アンテナ素子FR)を送信アンテナ3に重ねる(この図では3度重ねる)ことで、仮想アンテナ素子FVが所望間隔dで配設された仮想アンテナVAが生成される。
【0027】
ここで、送信アンテナ素子FTの配設数、配設長は、所望の任意の数、長さでよい。また、仮想アンテナVAの両端においては、仮想アンテナ素子FVの配設間隔が所望間隔dではなく第2の間隔dR(=2×d)となり、この部分の信号を目的に応じて使用しても使用しなくてもよい。
【0028】
このような第2の関係が成り立つMIMOレーダー用アンテナ構造の具体例を
図5に示す。この例では、仮想アンテナ素子FVの所望間隔dが0.5λに設定され、送信アンテナ素子FTの第1の間隔d
Tが4.0λに設定され、受信アンテナ素子FRの第2の間隔d
Rが1.0λに設定され、中央の第2の間隔d
R(N
R/2)が1.5λに設定されている。また、受信アンテナ素子FRの配設数N
Rは、8(=4.0λ÷0.5λ)に設定されている。
【0029】
以上のように、この実施の形態によれば、実施の形態1と同様に、送信アンテナ素子FTの第1の間隔dTと受信アンテナ素子FRの第2の間隔dRがともに、仮想アンテナ素子FVの所望間隔dよりも大きく設定されている。換言すると、送信アンテナ素子FTと受信アンテナ素子FRを大きな間隔(所望間隔dの数倍の間隔)で配設しても、短い間隔で仮想アンテナ素子FVを生成することができる。この結果、高周波化が進んで半波長(0.5λ)が短くなっても、送信アンテナ素子FTと受信アンテナ素子FR、給電部などを容易に配設した上で(1.0λ以上の間隔でアンテナ素子FT、FRなどを配設した上で)、半波長間隔で仮想アンテナ素子FVを配設することが可能となる。
【0030】
また、送信アンテナ素子FTと受信アンテナ素子FRを大きな間隔で配設できるため、隣接するアンテナ素子FT、FR間の電磁結合を抑制することができる。さらに、アンテナ素子FT、FRの横方向(配設方向)の開口長を拡張する(1.0λにする)ことが可能となる。
【0031】
(実施の形態3)
図6は、この実施の形態を示し、実施の形態1と同等の構成については、同一符号を付することで、その説明を省略する。
【0032】
この実施の形態では、受信アンテナ素子FRが、配設方向に直交する方向にずれて配設されている。すなわち、実施の形態2と同様に、上記の第2の関係が成り立つように送信アンテナ素子FTと受信アンテナ素子FRが配設され(受信アンテナ素子FRの配設数NRが偶数)、さらに、いくつかの受信アンテナ素子FRが、受信アンテナ素子FRの横並びに直交する方向にずれて(段差状に)配設されている。
【0033】
具体的には、仮想アンテナ素子FVの所望間隔dが0.5λに設定され、送信アンテナ素子FTの第1の間隔dTが2.0λに設定され、受信アンテナ素子FRの第2の間隔dRが1.0λに設定され、中央の第2の間隔dR(NR/2)が1.5λに設定されている。また、受信アンテナ素子FRの配設数NRは、4(=2.0λ÷0.5λ)に設定されている。さらに、左側の2つの受信アンテナ素子FRと右側の2つの受信アンテナ素子FRとが、横並びに直交する方向(縦方向)に0.5λずれて配設されている。
【0034】
そして、送信アンテナ3と受信アンテナ4とによるMIMOアレー処理によって、横方向の間隔が所望間隔0.5λで、縦方向に0.5λずれて仮想アンテナ素子FVが配設された仮想アンテナVAが生成される。すなわち、上下方向にジグザグ状に0.5λずれて仮想アンテナ素子FVが所望間隔0.5λで配設された仮想アンテナVAが生成される。
【0035】
以上のように、この実施の形態によれば、実施の形態1、2と同様に、高周波化が進んで半波長(0.5λ)が短くなっても、送信アンテナ素子FTと受信アンテナ素子FR、給電部などを容易に配設した上で(1.0λ以上の間隔でアンテナ素子FT、FRなどを配設した上で)、半波長間隔で仮想アンテナ素子FVを配設することが可能となる。さらに、配設方向に直交する方向にずれて受信アンテナ素子FRが配設されているため、仮想アンテナ素子FVも配設方向に直交する方向にずれて配設される。つまり、一直線状ではなく縦横に(ジグザグ状に)配設された仮想アンテナ素子FVを生成することができ、使用目的に応じたアレーアンテナを形成することが可能となる。
【0036】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、送信アンテナ3を第1のアンテナとし受信アンテナ4を第2のアンテナとしているが、送信アンテナ3を第2のアンテナとし受信アンテナ4を第1のアンテナとしてもよい。また、実施の形態3において、第2の関係が成り立つ場合(受信アンテナ素子FRの配設数NRが偶数の場合)について説明したが、第1の関係が成り立つ場合(受信アンテナ素子FRの配設数NRが奇数の場合)に適用してもよい。
【0037】
1 レーダー装置
3 送信アンテナ(第1のアンテナ)
4 受信アンテナ(第2のアンテナ)
VA 仮想アンテナ
FT 送信アンテナ素子(第1のアンテナ素子)
FR 受信アンテナ素子(第2のアンテナ素子)
FV 仮想アンテナ素子
dT(d1) 第1の間隔
dR(d2) 第2の間隔
d 所望間隔