DE112018001406T5

DE112018001406T5 - Schlitzantennenvorrichtung

Info

Publication number: DE112018001406T5
Application number: DE112018001406.1T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki KAMO; Hideki Kirino
Original assignee: Nidec Corp; WGR Co Ltd
Current assignee: Nidec Elesys Corp; WGR Co Ltd
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-12-05
Also published as: WO2018190343A1; JP2020517175A; JP7060212B2; US20200044360A1; CN108736166B; CN208093762U; CN108736166A; US10992056B2

Abstract

Eine Schlitzantennenvorrichtung weist auf: ein erstes elektrisch leitendes Bauglied mit ersten und zweite elektrisch leitende Oberflächen; ein zweites elektrisch leitendes Bauglied mit einer dritten elektrisch leitenden Oberfläche, die zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist; ein Wellenleiterbauglied auf der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche und einen künstlichen magnetischen Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Das erste elektrisch leitende Bauglied hat einen Schlitz. Das Wellenleiterbauglied hat eine Wellenleiterfläche, die zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist. Die dritte elektrisch leitende Oberfläche, die Wellenleiterfläche und der künstliche magnetische Leiter definieren einen Wellenleiter. Das Wellenleiterbauglied weist eine erste Rippe und eine zweite Rippe auf. Aus einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, ist der Schlitz zwischen dem einen Ende der ersten Rippe und dem einen Ende der zweiten Rippe angeordnet. Mindestens entweder eine Beabstandung zwischen der Wellenleiterfläche und der dritten elektrisch leitenden Oberfläche oder eine Breite der Wellenleiterfläche ist entlang einer Richtung variiert, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Schlitzantennenvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Eine Antennenvorrichtung, in der ein oder mehrere Strahlelemente (nachfolgend auch als „Antennenelemente“ bezeichnet) arrayartig auf einer Linie oder Ebene angeordnet sind, findet Verwendung in verschiedenen Anwendungen, z.B. in Radar- und Kommunikationssystemen. Zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen aus einer Antennenvorrichtung ist es notwendig, jedem Antennenelement elektromagnetische Wellen (z.B. Hochfrequenz-Signalwellen) aus einer Schaltung zuzuführen, die elektromagnetische Wellen generiert („Speisung“). Eine solche Speisung mit elektromagnetischen Wellen erfolgt über einen Wellenleiter. Ein Wellenleiter wird auch dazu verwendet, elektromagnetische Wellen, die an den Antennenelementen empfangen werden, an eine Empfangsschaltung zu senden.
Herkömmlicherweise wird die Speisung in eine Array-Antenne bisher häufig mit einer beziehungsweise mehreren Mikrostreifenleitungen erreicht. Im Fall, dass die Frequenz einer elektromagnetischen Welle, die durch eine Array-Antenne zu senden oder zu empfangen ist, eine hohe Frequenz von über30 Gigahertz (GHz) ist, wie im Millimeterband, unterliegt eine Mikrostreifenleitungjedoch hohem dielektrischem Verlust, so dass der Wirkungsgrad der Antenne beeinträchtigt ist. Daher wird in einer solchen Hochfrequenzregion ein alternativer Wellenleiter als Ersatz für eine Mikrostreifenleitung benötigt.
Als zu der Mikrostreifenleitung alternative Wellenleiterstrukturen offenbaren die Patentdokumente 1 bis 3 sowie die Nicht-Patentdokumente 1 und 2 Strukturen, die elektromagnetische Wellen mithilfe eines künstlichen magnetischen Leiters (AMC) führen, der sich auf beiden Seiten eines Wellenleiters vom Rippentyp erstreckt. Das Patentdokument 1 und das Nicht-Patentdokument 1 offenbaren Schlitz-Array-Antennen, bei denen eine solche Wellenleiterstruktur genutzt wird.
LISTE ZITIERTER DRUCKSCHRIFTEN
Patentliteratur

[PTL 1] Spezifikation des US-Patents Nr. 8779995
[PTL 2] Spezifikation des US-Patents Nr. 8803638
[PTL 3] Spezifikation der europäischen Patentanmeldung, Veröffentlichungsnr. 1331688

[Nicht - Patentliteratur]

[NPL 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, Nr. 2, Februar 2012, S. 840-853
[NPL 2] Kildal et al., „Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates", IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 8, 2009, S. 84-87

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technische Aufgabe
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Antennenvorrichtung bereit, die auf einem Prinzip basiert, das sich von dem herkömmlichen unterscheidet.
Lösung der Aufgabe
Eine Schlitzantennenvorrichtung gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung ist eine Schlitzantennenvorrichtung, die aufweist: ein erstes elektrisch leitendes Bauglied mit einer ersten elektrisch leitenden Oberfläche auf einer Vorderseite und einer zweiten elektrisch leitenden Oberfläche auf einer Rückseite und mit mindestens einem Schlitz, der sich von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt; ein zweites elektrisch leitendes Bauglied auf der Rückseite des ersten elektrisch leitenden Bauglieds, wobei das zweite elektrisch leitende Bauglied eine dritte elektrisch leitende Oberfläche auf der Vorderseite hat, wobei die dritte elektrisch leitende Oberfläche zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist; ein rippenförmiges Wellenleiterbauglied auf der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche des ersten elektrisch leitenden Bauglieds, wobei das Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und sich entlang der dritten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter auf mindestens entweder der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche oder der dritten elektrisch leitenden Oberfläche, wobei der künstliche magnetische Leiter sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt. Die dritte elektrisch leitende Oberfläche, die Wellenleiterfläche und der künstliche magnetische Leiter definieren einen Wellenleiter in einem Zwischenraum, der sich zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt. Das Wellenleiterbauglied weist eine erste Rippe und eine zweite Rippe auf. Ein Ende der ersten Rippe und ein Ende der zweiten Rippe sind zueinander entgegengesetzt. Aus einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, ist der mindestens eine Schlitz zwischen dem einen Ende der ersten Rippe und dem einen Ende der zweiten Rippe angeordnet. Der mindestens eine Schlitz durch die erste elektrisch leitende Oberfläche zu einem äußeren Raum offen. Mindestens entweder eine Beabstandung zwischen der Wellenleiterfläche und der dritten elektrisch leitenden Oberfläche oder eine Breite der Wellenleiterfläche ist entlang einer Richtung variiert, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine verlustarme Antennenvorrichtung auf Basis eines Prinzips realisierbar, das sich von dem herkömmlichen unterscheidet.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein nicht einschränkendes Beispiel für die Grundkonstruktion einer Wellenleitervorrichtung schematisch zeigt.
2A ist ein Diagramm, das eine Querschnittskonstruktion einer Wellenleitervorrichtung 100, parallel zu der XZ-Ebene genommen, schematisch zeigt.
2B ist ein Diagramm, das eine weitere Querschnittskonstruktion der Wellenleitervorrichtung 100, parallel zu der XZ-Ebene genommen, schematisch zeigt.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Wellenleitervorrichtung 100 schematisch zeigt, welche so illustriert ist, dass die Beabstandung zwischen einem leitenden Bauglied 110 und einem leitenden Bauglied 120 zum leichteren Verständnis übertrieben ist.
4 ist ein Diagramm, das einen Beispiel-Abmessungsbereich eines jedes Bauglieds in der in 2A gezeigten Struktur zeigt.
5A ist ein Diagramm, das schematisch eine elektromagnetische Welle zeigt, die sich in einem schmalen Raum, d.h. einem Spalt zwischen einer Wellenleiterfläche 122a eines Wellenleiterbauglieds 122 und einer leitenden Oberfläche 110a eines leitenden Bauglieds 110, ausbreitet.
5B ist ein Diagramm, das einen Querschnitt eines Hohlwellenleiters 130 schematisch zeigt.
5C ist eine Querschnittsansicht, die eine Implementierung zeigt, bei der zwei Wellenleiterbauglieder 122 auf dem leitenden Bauglied 120 vorgesehen sind.
5D ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt einer Wellenleitervorrichtung zeigt, bei der zwei Hohlwellenleiter 130 nebeneinander angeordnet sind.
6A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Teilkonstruktion einer Schlitz-Array-Antenne 200 (Vergleichsbeispiel) mit Nutzung einer WRG-Struktur schematisch zeigt.
6B ist ein Diagramm, das schematisch einen Teilquerschnitt zeigt, der durch die Mitten von zwei Schlitzen 112 einer Schlitz-Array-Antenne 200 verläuft, welche entlang der X-Richtung angeordnet sind, wobei der Querschnitt parallel zu der XZ-Ebene genommen ist.
7A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Teilkonstruktion einer Antennenvorrichtung 300 gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
7B ist ein Diagramm, das schematisch die Positionierung eines ersten leitenden Bauglieds 110 und eines Wellenleiterbauglieds 122 sowie eine Vielzahl leitender Stäbe 124 darauf zeigt.
7C ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt zeigt, der durch Schneiden der in 7A gezeigten Antennenvorrichtung 300 an einer Ebene entsteht, welche durch die Mitte eines Schlitzes 112 verläuft und zu der XZ-Ebene parallel ist.
7D ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt zeigt, der durch Schneiden der Antennenvorrichtung300 an einer Ebene entsteht, welche durch die Mitte eines Schlitzes 112 verläuft und zu derYZ-Ebene parallel ist.
8A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem ein Wellenleiterbauglied 122 eine Vielzahl von Ausnehmungen 122d auf der Wellenleiterfläche 122a hat.
8B ist ein Diagramm, das einen Querschnitt einer Schlitzantennenvorrichtung300 zeigt, der durch die Mitte des Schlitzes 112 verläuft und zu derYZ-Ebene parallel ist.
9A ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
9B ist eine Querschnittsansicht, die eine Schlitzantennenvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform zeigt.
9C ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
9D ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
9E ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
9F ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
10 ist ein Graph, der eine Abhängigkeit der Kapazität des Wellenleiters in der in 9C gezeigten Konstruktion von derY-Richtungzeigt.
11 ist ein Graph, der eine Abhängigkeit der Kapazität des Wellenleiters in der in 9F gezeigten Konstruktion von der Y-Richtung schematisch zeigt.
12 ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
13A ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
13B ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
13C ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
13D ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt.
14A ist ein Diagramm, das noch eine weitere Struktur für das Wellenleiterbauglied 122 zeigt.
14B ist ein Diagramm, das noch eine weitere Struktur für das Wellenleiterbauglied 122 zeigt.
15A ist eine Draufsicht, die schematisch eine Teilkonstruktion einer Antennenvorrichtung 300 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
15B ist eine perspektivische Ansicht, die spezifischer die Struktur eines ersten leitenden Bauglieds 110 derAntennenvorrichtung 300 und eines Wellenleiterbauglieds 122 darauf zeigt.
15C ist ein Diagramm, das schematisch eine Querschnittsstruktur der Antennenvorrichtung 300 zeigt, an einem Querschnitt genommen, der durch die Mitten einer Vielzahl von Schlitzen 112 verläuft und zu der YZ-Ebene parallel ist.
15D ist eine perspektivische Ansicht, die zwei benachbarte Strahlelemente aus der Vielzahl von Strahlelementen in Ausführungsform 1 zeigt.
16A ist eine Draufsicht, die eine Teilkonstruktion einer Antennenvorrichtung 300 gemäß Ausführungsform 2 zeigt.
16B ist eine perspektivische Ansicht, die zwei Strahlelemente von vier Strahlelementen zeigt.
17 ist eine perspektivische Ansicht, die zwei Strahlelemente gemäß einer Variante der Ausführungsform 2 zeigt.
18A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Strahlelement gemäß einer weiteren Variante der Ausführungsform 2 zeigt.
18B ist eine perspektivische Ansicht, die das Innere eines Strahlelements gemäß einerweiteren Variante der Ausführungsform 2 zeigt.
19 ist ein Diagramm, das ein erstes leitendes Bauglied 110 einer Schlitzantennenvorrichtung 300, in dem eine Vielzahl von Hörnern 114 jeweils um eine Vielzahl H-förmiger Schlitze 112 vorgesehen ist, von der Rückseite gesehen zeigt.
20 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in 19.
21A ist eine Querschnittsansicht, die die Konstruktion einer Antennenvorrichtung 300 gemäß Ausführungsform 3 schematisch zeigt.
21B ist eine Querschnittsansicht, die eine erste Variante der Ausführungsform 3 zeigt.
21C ist eine Querschnittsansicht, die eine weitere Variante der Ausführungsform 3 zeigt.
22 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Beispiel-Antennenvorrichtung 300 mit einer Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern 122 zeigt.
23 ist ein Diagramm zur spezifischeren Beschreibung von Beispielen für Querschnittsformen eines Ports 145 oder von Schlitzen 111, 112.
24A ist eine Querschnittsansicht, die eine Beispielstruktur zeigt, bei der nur eine Wellenleiterfläche 122a, die eine obere Fläche des Wellenleiterbauglieds 122 definiert, elektrisch leitend ist, während jedweder andere Abschnitt des Wellenleiterbauglieds 122 außer der Wellenleiterfläche 122a nicht elektrisch leitend ist.
24B ist ein Diagramm, das eine Variante zeigt, bei der das Wellenleiterbauglied 122 nicht auf dem leitenden Bauglied 120 gebildet ist.
24C ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur zeigt, bei der das leitende Bauglied 120, das Wellenleiterbauglied 122 und jeder von der Vielzahl von leitenden Stäben 124 aus einer dielektrischen Oberfläche gebildet sind, die mit einem elektrisch leitenden Material wie etwa einem Metall beschichtet ist.
24D ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur zeigt, bei der dielektrische Schichten 110c und 120c jeweils auf den äußersten Oberflächen von leitenden Baugliedern 110 und 120, einem Wellenleiterbauglied 122 und leitenden Stäben 124 vorgesehen sind.
24E ist ein Diagramm, das eine weitere Beispielstruktur zeigt, bei der dielektrische Schichten 110c und 120c jeweils auf den äußersten Oberflächen von leitenden Baugliedern 110 und 120, einem Wellenleiterbauglied 122 und leitenden Stäben 124 vorgesehen sind.
24F ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem die Höhe des Wellenleiterbauglieds 122 niedriger als die Höhe der leitenden Stäbe 124 ist und ein Abschnitt einer leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110, der zu der Wellenleiterfläche 122a entgegengesetzt ist, in Richtung des Wellenleiterbauglieds 122 absteht.
24G ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem weiterhin in der Struktur aus 24F Abschnitte der leitenden Oberfläche 110a, die zu den leitenden Stäben 124 entgegengesetzt sind, in Richtung der leitenden Stäbe 124 abstehen.
25A ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine leitende Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 als gekrümmte Oberfläche geformt ist.
25B ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem auch eine leitende Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 als gekrümmte Oberfläche geformt ist.
26 ist ein Diagramm, das ein Eigenfahrzeug 500 und ein voraus befindliches Fahrzeug 502 auf derselben Fahrspur wie das Eigenfahrzeug 500 zeigt.
27 ist ein Diagramm, das ein Bordradarsystem 510 des Eigenfahrzeugs 500 zeigt.
28A ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen einer Array-Antenne AA des Bordradarsystems 510 und mehreren eintreffenden Wellen k zeigt.
28B ist ein Diagramm, das die Array-Antenne AA zeigt, die die k-te eintreffende Welle empfängt.
29 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispiel-Grundkonstruktion einer Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
30 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Beispielkonstruktion für die Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt.
31 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine spezifischere Konstruktion der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt.
32 ist ein Blockdiagramm, das eine detailliertere Beispielkonstruktion des Radarsystems 510 gemäß diesem Anwendungsbeispiel zeigt.
33 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Frequenz eines Sendesignals zeigt, das auf Basis des Signals moduliert ist, welches durch eine Dreieckswellen-Generierungsschaltung 581 generiert ist.
34 ist ein Diagramm, das eine Schwebungsfrequenz fu in einer „Anstiegs“-Periode und eine Schwebungsfrequenz fd in einer „Abfall“-Periode zeigt.
35 ist ein Diagramm, das eine Beispielimplementierung zeigt, bei der eine Signalverarbeitungsschaltung 560 in Hardware mit einem Prozessor PR und einer Speichervorrichtung MD implementiert ist.
36 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen drei Frequenzen f1, f2 und f3 zeigt.
37 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen synthetischen Spektren F1 bis F3 auf einer komplexen Ebene zeigt.
38 ist ein Ablaufdiagramm, das die Prozedur eines Bestimmungsprozesses für relative Geschwindigkeit und Distanz zeigt.
39 ist ein Diagramm zu einer zusammengeführten Einrichtung, in der ein Radarsystem 510 mit einer Schlitz-Array-Antenne und ein Bordkamerasystem 700 enthalten sind.
40 ist ein Diagramm, das illustriert, wie das Platzieren eines Millimeterwellenradars 510 und einer Kamera an im Wesentlichen derselben Position im Fahrzeugraum ermöglichen kann, dass sie ein identisches Sichtfeld und eine identische Sichtlinie erfassen, wodurch ein Abgleichprozess erleichtert wird.
41 ist ein Diagramm, das eine Beispielkonstruktion für ein Überwachungssystem 1500 auf Basis von Millimeterwellenradar zeigt.
42 ist ein Blockdiagramm, das eine Konstruktion für ein digitales Kommunikationssystem 800A zeigt.
43 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispielkommunikationssystem 800B mit einem Sender 810B zeigt, der fähig ist, sein Funkwellenabstrahlungsmuster zu verändern.
44 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispielkommunikationssystem 800C zeigt, welches eine MIMO-Funktion implementiert.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevor Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben werden, erfolgt eine Beschreibung von Feststellungen, die die Basis der vorliegenden Offenbarung bilden.
Ein Rippenwellenleiter, der in den oben genannten Patentdokumenten 1 bis 3 sowie Nicht-Patentdokumenten 1 und 2 offenbart ist, ist in einer Waffeleisenstruktur vorgesehen, die zum Funktionieren als künstlicher magnetischer Leiter fähig ist. Ein Rippenwellenleiter, bei dem ein solcher künstlicher magnetischer Leiter auf Basis der vorliegenden Offenbarung genutzt wird (nachfolgend auch als WRG, Waffeleisen-Rippenwellenleiter bezeichnet), ist fähig zum Realisieren eines Antennenspeisenetzes mit niedrigen Verlusten im Mikrowellen- oder Millimeterwellenband. Außerdem erlaubt die Verwendung eines solchen Rippenwellenleiters die Anordnung von Antennenelementen mit hoher Dichte. Nachfolgend wird ein Beispiel für eine Grundkonstruktion und einen Betrieb einer solchen Wellenleiterstruktur beschrieben.
Ein künstlicher magnetischer Leiter ist eine Struktur, die die Eigenschaften eines perfekten magnetischen Leiters (PMC), der in der Natur nicht vorkommt, künstlich realisiert. Eine Eigenschaft eines perfekten magnetischen Leiters besteht darin, dass „ein Magnetfeld auf seiner Oberfläche eine Tangentialkomponente von null hat“. Diese Eigenschaft ist entgegengesetzt zu der Eigenschaft eines perfekten elektrischen Leiters (PEC), dass nämlich „ein elektrisches Feld auf seiner Oberfläche eine Tangentialkomponente von null hat“. Obwohl ein perfekter magnetischer Leiter in der Natur nicht vorkommt, ist er durch eine künstliche Struktur ausführbar, z.B. durch eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe. Ein künstlicher magnetischer Leiter funktioniert als perfekter magnetischer Leiter in einem spezifischen Frequenzband, das durch seine Struktur definiert ist. Ein künstlicher magnetischer Leiter beschränkt oder verhindert die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle jeder Frequenz, die in dem spezifischen Frequenzband enthalten ist (ausbreitungsbeschränktes Band), entlang der Oberfläche des künstlichen magnetischen Leiters. Daher kann die Oberfläche eines künstlichen magnetischen Leiters als Oberfläche mit hoher Impedanz bezeichnet werden.
Bei den Wellenleitervorrichtungen, die in den Patentdokumenten 1 bis 3 und den Nicht-Patentdokumenten 1 und 2 offenbart sind, ist ein künstlicher magnetischer Leiter durch eine Vielzahl elektrisch leitender Stäbe realisiert, die entlang von Zeilen- und Spaltenrichtungen arrayartig angeordnet sind. Solche Stäbe sind Vorsprünge, die auch als Pfeiler oder Stifte bezeichnet werden können. Jede dieser Wellenleitervorrichtungen weist als Ganzes ein Paar entgegengesetzter elektrisch leitender Platten auf. Eine leitende Platte hat eine Rippe, die in Richtung der anderen leitenden Platte absteht, und Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters, die sich auf beiden Seiten der Rippe erstrecken. Eine obere Fläche der Rippe (d.h. ihre elektrisch leitende Fläche) ist über einen Zwischenraum zu einer elektrisch leitenden Oberfläche der anderen leitenden Platte entgegengesetzt. Eine elektromagnetische Welle (Signalwelle) mit einer Wellenlänge, die in dem ausbreitungsbeschränkten Band des künstlichen magnetischen Leiters enthalten ist, breitet sich entlang der Rippe in dem Raum (Zwischenraum) zwischen dieser leitenden Oberfläche und der oberen Fläche der Rippe aus.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein nicht einschränkendes Beispiel für eine Grundkonstruktion einer solchen Wellenleitervorrichtung schematisch zeigt. 1 zeigt XYZ-Koordinaten entlang der Richtungen X, Y und Z, die zueinander orthogonal verlaufen. Die in der Figur gezeigte Wellenleitervorrichtung 100 weist ein plattenartiges elektrisch leitendes Bauglied 110 und ein plattenförmiges (plattenartiges) elektrisch leitendes Bauglied 120 auf, die sich in zueinander entgegengesetzten und parallelen Positionen befinden. Eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben 124 ist auf dem leitenden Bauglied 120 arrayartig angeordnet.
Es wird angemerkt, dass jede in einer Figur der vorliegenden Anmeldung dargestellte Struktur in einer Ausrichtung gezeigt ist, die zur einfacheren Erläuterung gewählt ist, was ihre Ausrichtung bei tatsächlicher Ausübung einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken soll. Zudem sollen Form und Größe eines Ganzen oder eines Teils jedweder Struktur, die in einer Figur gezeigt ist, ihre tatsächliche Form und Größe nicht einschränken.
2A ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Querschnitts der Wellenleitervorrichtung 100 in 1, parallel zu der XZ-Ebene genommen, schematisch zeigt. Wie in 2A gezeigt, hat das leitende Bauglied 110 auf der dem leitenden Bauglied 120 zugewandten Seite eine elektrisch leitende Oberfläche 110a. Die leitende Oberfläche 110a hat eine zweidimensionale Ausdehnung entlang einer Ebene, die zu der axialen Richtung (d.h. der Z-Richtung) der leitenden Stäbe 124 orthogonal ist (d.h. einer Ebene, die zu der XY-Ebene parallel ist). Obwohl die leitende Oberfläche 110a in diesem Beispiel als glatte Ebene gezeigt ist, braucht die leitende Oberfläche 110a keine Ebene zu sein, wie noch beschrieben wird.
3 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Konstruktion der Wellenleitervorrichtung 100 zeigt, welche so illustriert ist, dass die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 zum leichteren Verständnis übertrieben ist. In einer tatsächlichen Wellenleitervorrichtung 100, wie in 1 und 2A gezeigt, ist die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 schmal, wobei das leitende Bauglied 110 alle leitenden Stäbe 124 auf dem leitenden Bauglied 120 überdeckt.
1 bis 3 zeigen nur Abschnitte der Wellenleitervorrichtung 100. Tatsächlich erstrecken sich die leitenden Bauglieder 110 und 120, die Wellenleiterbauglieder 122 und die Vielzahl leitender Stäbe 124 aus den in den Figuren illustrierten Abschnitten heraus. An einem Ende des Wellenleiterbauglieds 122, wie unten beschrieben, ist eine Drosselstruktur zum Verhindern eines Leckens elektromagnetischer Wellen in den äußeren Raum vorgesehen. Die Drosselstruktur kann beispielsweise eine Reihe aus leitenden Stäben aufweisen, die zu dem Ende des Wellenleiterbauglieds 122 benachbart sind.
Siehe wiederum 2A. Die Vielzahl von leitenden Stäben 124, die arrayartig auf dem leitenden Bauglied 120 angeordnet sind, haben jeweils ein führendes Ende 124a, das zu der leitenden Oberfläche 110a entgegengesetzt ist. Bei dem in der Figur gezeigten Beispiel befinden sich die führenden Enden 124a der Vielzahl von leitenden Stäben 124 auf derselben Ebene. Diese Ebene definiert die Oberfläche 125 eines künstlichen magnetischen Leiters. Jeder leitende Stab 124 braucht nicht vollständig elektrisch leitend zu sein, solange er mindestens eine elektrisch leitende Schicht aufweist, die sich entlang der oberen Fläche und der Seitenfläche der stabartigen Struktur erstreckt. Diese elektrisch leitende Fläche kann zwar an der Oberflächenschicht der stabartigen Struktur angeordnet sein, jedoch kann auch die Oberflächenschicht aus einer Isolierbeschichtung oder einer Harzschicht gebildet sein, ohne dass eine elektrisch leitende Schicht auf der Oberfläche der stabartigen Struktur existiert. Zudem braucht jedes leitende Bauglied 120 nicht vollständig elektrisch leitend zu sein, solange es die Vielzahl von leitenden Stäben 124 stützen kann, um einen künstlichen magnetischen Leiter zu bilden. Von den Oberflächen des leitenden Bauglieds 120 kann eine Fläche 120a, die die Vielzahl von leitenden Stäben 124 trägt, elektrisch leitend sein, so dass der elektrische Leiter die Oberflächen von benachbarten aus der Vielzahl von leitenden Stäben 124 elektrisch miteinander verbindet. Zudem kann die elektrisch leitende Schicht des zweiten leitenden Bauglieds 120 mit einer Isolierbeschichtung oder einer Harzschicht bedeckt sein. Mit anderen Worten, die gesamte Kombination aus dem leitenden Bauglied 120 und der Vielzahl von leitenden Stäben 124 kann mindestens eine elektrisch leitende Schicht mit Anstiegen und Senkungen aufweisen, die zu der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 entgegengesetzt ist.
Auf dem leitenden Bauglied 120 ist ein rippenartiges Wellenleiterbauglied 122 zwischen der Vielzahl der leitenden Stäbe 124 vorgesehen. Insbesondere sind Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 vorhanden, so dass das Wellenleiterbauglied 122 sandwichartig zwischen den Erstreckungen des künstlichen magnetischen Leiters auf beiden Seiten angeordnet ist. Wie aus 3 ersichtlich, ist das Wellenleiterbauglied 122 in diesem Beispiel auf das leitende Bauglied 120 gestützt und erstreckt sich geradlinig entlang derY-Richtung. Bei dem in der Figur gezeigten Beispiel hat das Wellenleiterbauglied 122 dieselbe Höhe und Breite wie diejenigen der leitenden Stäbe 124. Wie noch beschrieben wird, können Höhe und Breite des Wellenleiterbauglieds 122 jedoch auch andere Werte als die des leitenden Stabes 124 haben. Anders als die leitenden Stäbe 124 erstreckt sich das Wellenleiterbauglied 122 entlang einer Richtung (in diesem Beispiel entlang der Y-Richtung), in der elektromagnetische Wellen entlang der leitenden Oberfläche 110a zu führen sind. Ebenso braucht das Wellenleiterbauglied 122 nicht vollständig elektrisch leitend zu sein, sondern kann mindestens eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche 122a aufweisen, die zu der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 entgegengesetzt ist. Das leitende Bauglied 120, die Vielzahl von leitenden Stäben 124 und das Wellenleiterbauglied 122 können Teile eines kontinuierlichen einstückigen Körpers sein. Darüber hinaus kann das leitende Bauglied 110 ebenfalls Teil eines solchen einstückigen Körpers sein.
Auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 lässt der Raum zwischen der Oberfläche 125 einer jeden Erstreckung eines künstlichen magnetischen Leiters und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 keine Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle einer Frequenz zu, die innerhalb eines spezifischen Frequenzbandes liegt. Dieses Frequenzband wird als „verbotenes Band“ bezeichnet. Der künstliche magnetische Leiter ist so gestaltet, dass die Frequenz einer elektromagnetischen Welle (Signalwelle) (nachfolgend auch als „Betriebsfrequenz“ bezeichnet) zur Ausbreitung in der Wellenleitervorrichtung 100 in dem verbotenen Band enthalten ist. Das verbotene Band ist auf Basis von Folgendem einstellbar: die Höhe der leitenden Stäbe 124, d.h. die Tiefe einer jeden Vertiefung, die zwischen benachbarten leitenden Stäben 124 gebildet ist; die Breite eines jeden leitenden Stabes 124; das Intervall zwischen den leitenden Stäben 124 sowie die Größe des Zwischenraums zwischen dem führenden Ende 124a und der leitenden Oberfläche 110a eines jeden leitenden Stabes 124.
Als Nächstes werden mit Bezug auf 4 Abmessungen, Form, Positionierung und dergleichen einesjeden Bauglieds beschrieben.
4 ist ein Diagramm, das einen Beispiel-Abmessungsbereich eines jedes Bauglieds in der in 2A gezeigten Struktur zeigt. Die Wellenleitervorrichtung wird mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang elektromagnetischer Wellen eines vorbestimmten Bandes verwendet (als „Betriebsfrequenzband“ bezeichnet). In der vorliegenden Spezifikation bezeichnet λο einen repräsentativen Wert für Wellenlängen im freien Raum (z.B. eine Zentralwellenlänge, die einer Mittelfrequenz in dem Betriebsfrequenzband entspricht) einer elektromagnetischen Welle (Signalwelle), die sich in einem Wellenleiter ausbreitet, welcher sich zwischen der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 und der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 erstreckt. Außerdem bezeichnet λm eine Wellenlänge, im freien Raum, einer elektromagnetischen Welle der höchsten Frequenz in dem Betriebsfrequenzband. Das Ende eines jeden leitenden Stabes 124, das mit dem leitenden Bauglied 120 in Kontakt steht, wird als die „Wurzel“ bezeichnet. Wie in 4 gezeigt, hat jeder leitende Stab 124 das führende Ende 124a und die Wurzel 124b. Beispiele für Abmessungen, Formen, Positionierung und dergleichen der jeweiligen Bauglieder sind folgende.
Breite des leitenden Stabes
Die Breite (d.h. die Größe entlang der X-Richtung und derY-Richtung) des leitenden Stabes 124 kann auf weniger als λm/2 eingestellt sein. Innerhalb dieses Bereiches kann das Auftreten von Resonanz niedrigster Ordnung entlang der X-Richtung und derY-Richtung verhindert werden. Da Resonanz möglicherweise nicht nur in der X- und derY-Richtung, sondern auch in jeder diagonalen Richtung in einem X-Y-Querschnitt auftreten kann, ist die diagonale Länge eines X-Y-Querschnitts des leitenden Stabes 124 bevorzugt ebenfalls kleiner als λm/2. Die unteren Grenzwerte für Breite und diagonale Länge des Stabes entsprechen den minimalen Längen, die mit dem gegebenen Fertigungsverfahren erzeugbarsind, sind jedoch nicht in besonderer Weise eingeschränkt.
Distanz von der Wurzel des leitenden Stabes zu der leitenden Oberfläche des leitenden Bauglieds
Die Distanz von der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 zu der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 kann länger als die Höhe der leitenden Stäbe 124, dabei aber kleiner als λm/2 sein. Wenn die Distanz λm/2 oder mehr beträgt, kann zwischen der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 und der leitenden Oberfläche 110a Resonanz auftreten, was die Wirkung der Signalwelleneindämmung verringert.
Die Distanz von der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 zu der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 entspricht der Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120. Wenn sich beispielsweise eine Signalwelle von 76,5 ± 0,5 GHz (die dem Millimeterband oder dem extrem hohen Frequenzband angehört) in dem Wellenleiter ausbreitet, liegt die Wellenlänge der Signalwelle im Bereich von 3,8934 mm bis 3,9446 mm. Daher beträgt λm in diesem Fall 3,8934 mm, so dass die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 auf weniger als die Hälfte von 3,8934 mm eingestellt sein kann. Solange das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 eine so schmale Beabstandung realisieren und dabei zueinander entgegengesetzt angeordnet sind, brauchen das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 nicht exakt parallel zu sein. Wenn die Beabstandung zwischen dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 kleiner als λm/2 ist, kann außerdem die Gesamtheit oder ein Teil des leitenden Bauglieds 110 und/oder des leitenden Bauglieds 120 als gekrümmte Oberfläche geformt sein. Andererseits haben die leitenden Bauglieder 110 und 120 jeweils eine plane Form (d.h. die Form ihrer Region, senkrecht auf die XY-Ebene projiziert) und eine plane Größe (d.h. die Größe ihrer Region, senkrecht auf die XY-Ebene projiziert), die abhängig vom Zweck beliebig gestaltet sein können.
Obwohl die leitende Oberfläche 120a bei dem in 2A gezeigten Beispiel als Ebene illustriert ist, sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nicht darauf beschränkt. Wie in 2B gezeigt, kann es sich bei der leitenden Oberfläche 120a beispielsweise um die unteren Teile von Flächen handeln, die jeweils einen Querschnitt ähnlich einer U-Form oder einer V-Form haben. Die leitende Oberfläche 120a hat eine solche Struktur, wenn jeder leitende Stab 124 oder das Wellenleiterbauglied 122 mit einer Breite geformt ist, die sich in Richtung der Wurzel erhöht. Auch mit einer solchen Struktur kann die in 2B gezeigte Vorrichtung als die Wellenleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung funktionieren, solange die Distanz zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der leitenden Oberfläche 120a kleiner als eine Hälfte der Wellenlänge λm ist.
Distanz L2 von dem führenden Ende des leitenden Stabes zu der leitenden Oberfläche
Die Distanz L2 von dem führenden Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 zu der leitenden Oberfläche 110a ist auf weniger als λm/2 eingestellt. Wenn die Distanz λm/2 oder mehr beträgt, kann eine Ausbreitungsmode auftreten, bei der elektromagnetische Wellen zwischen dem führenden Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 und der leitenden Oberfläche 110a hin und her bewegt sind, so dass ein Eindämmen einer elektromagnetischen Welle nicht mehr möglich ist. Es wird angemerkt, dass von der Vielzahl von leitenden Stäben 124 mindestens bei den zu dem Wellenleiterbauglied 122 benachbarten die führenden Enden nicht in elektrischem Kontakt mit der leitenden Oberfläche 110a stehen. Dass das führende Ende eines leitenden Stabes nicht in elektrischem Kontakt mit der leitenden Oberfläche steht, bedeutet, wie hier verwendet, einen der folgenden Zustände: Zwischen dem führenden Ende und der leitenden Oberfläche besteht ein Luftspalt; oder das führende Ende des leitenden Stabes und die leitende Oberfläche grenzen über eine isolierende Schicht aneinander, die in dem führenden Ende des leitenden Stabes oder in der leitenden Oberfläche existieren kann.
Anordnung und Form der leitenden Stäbe
Der Zwischenraum zwischen zwei benachbarten leitenden Stäben 124 aus der Vielzahl von leitenden Stäben 124 hat beispielsweise eine Breite von weniger als λm/2. Die Breite des Zwischenraums zwischen jeweils zwei benachbarten leitenden Stäben 124 ist definiert durch die kürzeste Distanz von der Oberfläche (Seitenfläche) eines der zwei leitenden Stäbe 124 zu der Oberfläche (Seitenfläche) des anderen. Diese Breite des Zwischenraums zwischen den Stäben ist so zu bestimmen, dass in den Regionen zwischen den Stäben keine Resonanz niedrigster Ordnung auftritt. Die Bedingungen, unter denen Resonanz auftritt, werden auf Basis einer Kombination aus Folgendem bestimmt: die Höhe der leitenden Stäbe 124; die Distanz zwischen jeweils zwei benachbarten leitenden Stäben sowie die Kapazität des Luftspalts zwischen dem führenden Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 und der leitenden Oberfläche 110a. Daher kann die Breite des Zwischenraums zwischen den Stäben in geeigneter Weise nach anderen Gestaltungsparametern bestimmt werden. Obwohl es keine klare Untergrenze für die Breite des Zwischenraums zwischen den Stäben gibt, kann diese zur leichteren Fertigung z.B. λm/16 oder mehr betragen, wenn eine Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle im extrem hohen Frequenzbereich erfolgen soll. Es wird angemerkt, dass der Zwischenraum keine konstante Breite zu haben braucht. Solange diese kleiner als λm/2 bleibt, kann der Zwischenraum zwischen den leitenden Stäben 124 variieren.
Die Anordnung der Vielzahl von leitenden Stäben 124 ist nicht auf das illustrierte Beispiel beschränkt, solange sie eine Funktion als künstlicher magnetischer Leiter aufweist. Die Vielzahl von leitenden Stäben 124 braucht nicht in orthogonalen Zeilen und Spalten angeordnet zu sein; die Zeilen und Spalten können sich auch in anderen Winkeln als 90 Grad überschneiden. Die Vielzahl von leitenden Stäben 124 braucht kein lineares Array entlang von Zeilen oder Spalten zu bilden, sondern kann eine gestreute Anordnung haben, die keine einfache Regelmäßigkeit zeigt. Die leitenden Stäbe 124 können auch je nach der Position auf dem leitenden Bauglied 120 in Form und Größe variieren.
Die Oberfläche 125 des künstlichen magnetischen Leiters, die durch die führenden Enden 124a der Vielzahl von leitenden Stäben 124 gebildet ist, braucht keine exakte Ebene zu sein, sondern kann eine Ebene mit sehr kleinen Anstiegen und Senkungen oder sogar eine gekrümmte Oberfläche sein. Die leitenden Stäbe 124 brauchen keine einheitliche Höhe zu haben, vielmehr können die leitenden Stäbe 124 verschieden sein, solange das Array aus leitenden Stäben 124 als künstlicher magnetischer Leiter funktionsfähig ist.
Jeder leitende Stab 124 braucht keine Prismenform zu haben, wie in der Figur gezeigt, sondern kann beispielsweise auch zylindrische Form haben. Außerdem braucht jeder leitende Stab 124 keine einfache Säulenform zu haben. Der künstliche magnetische Leiter kann auch durch jede andere Struktur als durch ein Array aus leitenden Stäben 124 realisiert sein, und verschiedene künstliche magnetische Leiter sind für die Wellenleitervorrichtung der vorliegenden Offenbarung anwendbar. Es wird angemerkt, dass, wenn das führende Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 Prismenform hat, seine diagonale Länge bevorzugt weniger als λm/2 beträgt. Wenn das führende Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 als Ellipse geformt ist, beträgt die Länge ihrer großen Achse bevorzugt weniger als λm/2. Auch bei jeder anderen Form des führenden Endes 124a beträgt die Abmessung darüber auch an der längsten Position bevorzugt weniger als λm/2.
Die Höhe eines jeden leitenden Stabes 124 (insbesondere der leitenden Stäbe 124, die zu dem Wellenleiterbauglied 122 benachbart sind), d.h. die Länge von der Wurzel 124b zu dem führenden Ende 124a, kann auf einen Wert eingestellt sein, der kürzer als die Distanz (d.h. kleiner als λm/2) zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der leitenden Oberfläche 120a ist, z.B. λο/4.
Breite der Wellenleiterfläche
Die Breite der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122, d.h. die Größe der Wellenleiterfläche 122a entlang einer Richtung, die orthogonal zu der Richtung ist, in der sich das Wellenleiterbauglied 122 erstreckt, kann auf weniger als λm/2 (z.B. λm/8) eingestellt sein. Wenn die Breite der Wellenleiterfläche 122a λm/2 oder mehr beträgt, tritt Resonanz entlang der Breitenrichtung auf, was bei jedem WRG ein Funktionieren als einfache Übertragungsleitung verhindert.
Höhe des Wellenleiterbauglieds
Die Höhe des Wellenleiterbauglieds 122 (d.h. bei dem in der Figur gezeigten Beispiel die Größe entlang der Z-Richtung) ist auf weniger als λm/2 eingestellt. Der Grund hierfür ist, dass bei einer Distanz von λm/2 oder mehr die Distanz zwischen der Wurzel 124b eines jeden leitenden Stabes 124 und der leitenden Oberfläche 110a λm/2 oder mehr beträgt. Ebenso ist die Höhe der leitenden Stäbe 124 (insbesondere derjenigen leitenden Stäbe 124, die zu dem Wellenleiterbauglied 122 benachbart sind) ebenfalls auf weniger als λm/2 eingestellt.
(7) Distanz L1 zwischen der Wellenleiterfläche und der leitenden Oberfläche Die Distanz L1 zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a ist auf weniger als λm/2 eingestellt. Wenn die Distanz λm/2 oder mehr beträgt, tritt Resonanz zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der leitenden Oberfläche 110a auf, was eine Funktionalität als Wellenleiter verhindert. In einem Beispiel beträgt die Distanz L1 λm/4 oder weniger. Um eine einfache Fertigung zu gewährleisten, beträgt die Distanz L1 bevorzugt beispielsweise λm/16 oder mehr, wenn sich eine elektromagnetische Welle im extrem hohen Frequenzbereich ausbreiten soll.
Die Untergrenze der Distanz L1 zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a sowie die Untergrenze der Distanz L2 zwischen der leitenden Oberfläche 110a und dem führenden Ende 124a eines jeden leitenden Stabes 124 sind abhängig von der Bearbeitungsgenauigkeit und auch von der Genauigkeit beim Montieren der zwei oberen/unteren leitenden Bauglieder 110 und 120 in der Weise, dass sie um eine konstante Distanz voneinander entfernt sind. Bei Verwendung einer Presstechnik oder einer Spritztechnik beträgt die praktische Untergrenze der genannten Distanz circa 50 Mikrometer (µm). Im Fall der Verwendung einer MEMS-Technik (mikro-elektromechanisches System) zur Herstellung eines Erzeugnisses z.B. im Terahertzbereich beträgt die Untergrenze für die oben genannte Distanz circa 2 bis circa 3 µm.
In der Wellenleitervorrichtung 100 mit der oben beschriebenen Konstruktion kann sich eine Signalwelle mit der Betriebsfrequenz nicht in dem Raum zwischen der Oberfläche 125 des künstlichen magnetischen Leiters und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 ausbreiten, sondern breitet sich in dem Raum zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 aus. Anders als bei einem Hohlwellenleiter braucht die Breite des Wellenleiterbauglieds 122 in einer solchen Wellenleiterstruktur nicht gleich oder größer zu sein als eine Hälfte der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle, deren Ausbreitung erfolgen soll. Zudem brauchen das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 nicht durch eine Metallwand miteinander verbunden zu sein, die sich entlang der Dickenrichtung (d.h. parallel zu derYZ-Ebene) erstreckt.
5A zeigt schematisch eine elektromagnetische Welle, die sich in einem schmalen Raum, d.h. einem Zwischenraum zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110, ausbreitet. In 5A zeigen drei Pfeile schematisch die Ausrichtung eines elektrischen Feldes der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle an. Das elektrische Feld der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle steht zu der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 und zu der Wellenleiterfläche 122a senkrecht.
Auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 befinden sich Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters, die durch die Vielzahl von leitenden Stäben 124 erzeugt sind. Eine elektromagnetische Welle breitet sich in dem Zwischenraum zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 aus. 5A ist schematisch und stellt die Größenordnung eines elektromagnetischen Feldes, das tatsächlich durch die elektromagnetische Welle zu erzeugen ist, nicht korrekt dar. Ein Teil der elektromagnetischen Welle (elektromagnetisches Feld), der sich in dem Raum über der Wellenleiterfläche 122a ausbreitet, kann eine seitliche Ausdehnung aus dem Raum heraus haben, der durch die Breite der Wellenleiterfläche 122a umgrenzt ist (d.h. dorthin, wo der künstliche magnetische Leiter existiert). In diesem Beispiel breitet sich die elektromagnetische Welle in einer Richtung (d.h. derY-Richtung) aus, die zu der Ebene aus 5A senkrecht steht. Als solches braucht sich das Wellenleiterbauglied 122 nicht linear entlang der V-Richtung zu erstrecken, sondern kann eine beziehungsweise mehrere Biegungen und/oder einen beziehungsweise mehrere Verzweigungsabschnitte, nicht gezeigt, aufweisen. Da die elektromagnetische Welle sich entlang der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 ausbreitet, würde sich die Ausbreitungsrichtung an einer Biegung ändern, während die Ausbreitungsrichtung an einem Verzweigungsabschnitt sich in mehrere Richtungen gabeln würde.
In der Wellenleiterstruktur aus 5A existiert keine Metallwand (elektrische Wand), die für einen Hohlwellenleiter unerlässlich wäre, auf beiden Seiten der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle. Daher ist in der Wellenleiterstruktur aus diesem Beispiel „eine Beschränkung aufgrund einer Metallwand (elektrischen Wand)“ nicht in den Grenzbedingungen für die elektromagnetische Feldmode enthalten, die durch die sich ausbreitende elektromagnetische Welle zu erzeugen ist, und die Breite (Größe entlang der X-Richtung) der Wellenleiterfläche 122a ist kleiner als eine Hälfte der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle.
Als Referenz zeigt 5B schematisch einen Querschnitt eines Hohlwellenleiters 130. Durch Pfeile zeigt 5B schematisch die Ausrichtung eines elektrischen Feldes einer elektromagnetischen Feldmode (TE10), die in dem inneren Raum 132 des Hohlwellenleiters 130 erzeugt ist. Die Längen der Pfeile entsprechen elektrischen Feldstärken. Die Breite des inneren Raums 132 des Hohlwellenleiters 130 muss breiter als eine Hälfte der Wellenlänge eingestellt sein. Anders ausgedrückt, kann die Breite des inneren Raums 132 des Hohlwellenleiters 130 kann nicht kleiner eingestellt sein als eine Hälfte der Wellenlänge der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle.
5C ist eine Querschnittsansicht, die eine Implementierung zeigt, bei der zwei Wellenleiterbauglieder 122 auf dem leitenden Bauglied 120 vorgesehen sind. Somit existiert zwischen den zwei benachbarten Wellenleiterbaugliedern 122 ein künstlicher magnetischer Leiter, der durch die Vielzahl von leitenden Stäben 124 erzeugt ist. Genauer gesagt, befinden sich Erstreckungen eines künstlichen magnetischen Leiters, der durch die Vielzahl von leitenden Stäben 124 erzeugt ist, auf beiden Seiten eines jeden Wellenleiterbauglieds 122, so dass jedes Wellenleiterbauglied 122 unabhängig eine elektromagnetische Welle ausbreiten kann.
Als Referenz zeigt 5D schematisch einen Querschnitt einer Wellenleitervorrichtung, bei der zwei Hohlwellenleiter 130 nebeneinander angeordnet sind. Die beiden Hohlwellenleiter 130 sind elektrisch voneinander isoliert. Jeder Raum, in dem sich eine elektromagnetische Welle ausbreiten soll, muss von einer Metallwand umgeben sein, die den jeweiligen Hohlwellenleiter 130 definiert. Daher kann das Intervall zwischen den inneren Räumen 132, in denen elektromagnetische Wellen sich ausbreiten sollen, nicht kleiner gestaltet sein als eine Gesamtdicke von zwei Metallwänden. Gewöhnlich ist eine Gesamtdicke von zwei Metallwänden länger als eine Hälfte der Wellenlänge einer sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle. Das Intervall zwischen den Hohlwellenleitern 130 (d.h. das Intervall zwischen ihren Mitten) kann daher nur schwer kürzer als die Wellenlänge einer sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle sein. Insbesondere bei elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen im extrem hohen Frequenzbereich (d.h. Wellenlänge der elektromagnetischen Welle: 10 mm oder kleiner) oder noch kürzeren Wellenlängen ist es schwierig, eine Metallwand zu bilden, die im Verhältnis zur Wellenlänge ausreichend dünn ist. Bei einer gewerblich praktikablen Implementierung stellt dies ein Kostenproblem dar.
Dagegen kann mit einer Wellenleitervorrichtung 100, die einen künstlichen magnetischen Leiter aufweist, leicht eine Struktur realisiert werden, bei der Wellenleiterbauglieder 122 nah aneinander angeordnet sind. Somit ist eine solche Wellenleitervorrichtung 100 zur Verwendung in einer Array-Antenne geeignet, die mehrere Antennenelemente in einer engen Anordnung aufweist.
6A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Beispielkonstruktion einer Schlitz-Array-Antenne 200 (Vergleichsbeispiel) mit Nutzung der oben beschriebenen Wellenleiterstruktur schematisch zeigt. 6B ist ein Diagramm, das schematisch einen Teilquerschnitt zeigt, der durch die Mitten von zwei Schlitzen 112 einer Schlitz-Array-Antenne 200 führt, die entlang der X-Richtung angeordnet sind, wobei der Querschnitt parallel zu der XZ-Ebene genommen ist. Bei der Schlitz-Array-Antenne 200 weist das erste leitende Bauglied 110 eine Vielzahl von Schlitzen 112 auf, die entlang der X-Richtung und der Y-Richtung arrayartig angeordnet sind. In diesem Beispiel weist die Vielzahl von Schlitzen 112 zwei Zeilen Schlitze auf. Jede Zeile Schlitze weist sechs Schlitze 112 auf, die entlang derY-Richtung in gleichen Intervallen angeordnet sind. Auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 sind zwei Wellenleiterbauglieder 122 vorgesehen, die sich entlang derY-Richtung erstrecken. Jedes Wellenleiterbauglied 122 hat eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche 122a, die zu einer Zeile Schlitze entgegengesetzt ist. In der Region zwischen den zwei Wellenleiterbaugliedern 122 und in den Regionen außerhalb der zwei Wellenleiterbauglieder 122 ist eine Vielzahl leitender Stäbe 124 vorgesehen. Die leitenden Stäbe 124 bilden einen künstlichen magnetischen Leiter.
Dem Wellenleiter, der sich zwischen der Wellenleiterfläche 122a eines jeden Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 erstreckt, wird eine elektromagnetische Welle aus einer Sendeschaltung, nicht gezeigt, zugeführt. Unter der Vielzahl von Schlitzen 112, die entlang derY-Richtung angeordnet sind, ist die Distanz zwischen den Mitten von jeweils zwei benachbarten Schlitzen 112 so gestaltet, dass sie beispielsweise den gleichen Wert wie die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle hat, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet. Infolgedessen werden aus den sechs Schlitzen 112, die entlang der Y-Richtung angeordnet sind, elektromagnetische Wellen mit gleicher Phase abgestrahlt.
Die in 6A und 6B gezeigte Schlitz-Array-Antenne 200 ist ein Antennen-Array, dessen Strahlelemente die Vielzahl von Schlitzen 112 sind. Mit dieser Konstruktion der Schlitz-Array-Antenne 200 ist das Intervall zwischen den Mitten der Strahlelemente entlang der X-Richtung beispielsweise kürzer gestaltbar als die Wellenlänge λ0 im freien Raum einer elektromagnetischen Welle, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet.
Die Erfinder haben festgestellt, dass eine Antennenvorrichtung mit niedrigen Verlusten durch eine Struktur realisierbar ist, die sich von derjenigen der oben beschriebenen Schlitz-Array-Antenne 200 unterscheidet. Nachfolgend wird eine Beispielkonstruktion einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
<Beispielkonstruktion einer Schlitzantennenvorrichtung>
Zuerst wird unter Bezugnahme auf 7A bis 7D die Konstruktion einer Schlitzantennenvorrichtung 300 (nachfolgend auch einfach als „Antennenvorrichtung 300“ bezeichnet) gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. In der vorliegenden Offenbarung bezeichnet aus praktischen Gründen „die Vorderseite“ die Seite, die an den freien Raum grenzt, in dem eine aus der Antennenvorrichtung 300 abgestrahlte elektromagnetische Welle oder eine auf die Antennenvorrichtung 300 einfallende elektromagnetische Welle sich ausbreiten soll; die entgegengesetzte Seite wird als „die Rückseite“ bezeichnet. In der vorliegenden Offenbarung werden Ausdrücke wie etwa „erste“, „zweite“ usw., nur zur Unterscheidung zwischen Baugliedern, Vorrichtungen, Teilen, Abschnitten, Schichten, Regionen oder dergleichen eingesetzt, ohne Einschränkungen der Bedeutung darzustellen.
7A ist eine perspektivische Ansicht, die eine Teilkonstruktion der Antennenvorrichtung 300 gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. Die Antennenvorrichtung 300 weist ein erstes leitendes Bauglied 110 und ein zweites leitendes Bauglied 120 und auf, die zueinander entgegengesetzt sind. Das erste leitende Bauglied 110 hat einen Schlitz 112. In dieser Ausführungsform sind, anders als bei dem oben beschriebenen Vergleichsbeispiel, ein Wellenleiterbauglied 122 und eine Vielzahl leitender Stäbe 124 statt mit dem zweiten leitenden Bauglied 120 mit dem ersten leitenden Bauglied 110 verbunden.
7B zeigt schematisch die Positionierung des ersten leitenden Bauglieds 110 und des Wellenleiterbauglieds 122 sowie der Vielzahl leitender Stäbe 124 darauf. Das Wellenleiterbauglied 122, das ein rippenförmiges Bauglied ist, welches auf dem ersten leitenden Bauglied 110 vorgesehen ist und eine elektrisch leitende Oberfläche hat, ist an der Position des Schlitzes 112 in eine erste Rippe 122A und eine zweite Rippe 122B geteilt. In diesem Beispiel haben die erste Rippe 122A und die zweite Rippe 122B jeweils eine Erhebung 122b in dem zentralen Abschnitt.
7C ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt zeigt, der durch Schneiden der in 7A gezeigten Antennenvorrichtung 300 an einer Ebene entsteht, die durch die Mitte eines Schlitzes 112 verläuft und zu der XZ-Ebene parallel ist. 7D ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt zeigt, der durch Schneiden der Antennenvorrichtung 300 an einer Ebene entsteht, die durch die Mitte eines Schlitzes 112 verläuft und zu derYZ-Ebene parallel ist. In 7D ist nur ein Querschnitt des Wellenleiterbauglieds 122 schraffiert dargestellt. Eine ähnliche Darstellung kann auch in jeder der folgenden Figuren verwendet werden.
Das erste leitende Bauglied 110 hat eine erste leitende Oberfläche 110b auf der Vorderseite und eine zweite leitende Oberfläche 110a auf der Rückseite. Das erste leitendes Bauglied 110 hat mindestens einen Schlitz 112, der sich von der ersten leitenden Oberfläche 110b zu der zweiten leitenden Oberfläche 110a erstreckt. Obwohl das erste leitende Bauglied 110 in diesem Beispiel mit nur einem Schlitz 112 illustriert ist, kann das erste leitende Bauglied 110 eine Vielzahl von Schlitzen 112 haben, wie es bei dem oben beschriebenen Vergleichsbeispiel der Fall ist.
Das zweite leitende Bauglied 120 ist auf der Rückseite des ersten leitenden Bauglieds 110 angeordnet. Das zweite leitende Bauglied 120 hat eine dritte leitende Oberfläche 120a auf der Vorderseite, wobei die dritte leitende Oberfläche 120a zu der zweiten leitenden Oberfläche 110a entgegengesetzt ist.
Wie in 7D gezeigt, befindet sich das Wellenleiterbauglied 122 auf der zweiten leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110. Das Wellenleiterbauglied 122 hat eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche 122a, die zu der dritten leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 entgegengesetzt ist. Das Wellenleiterbauglied 122 erstreckt sich entlang der dritten leitenden Oberfläche 120a. Die Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 hat eine Streifenform (auch als „Bandform“ bezeichnet), die sich entlang der dritten leitenden Oberfläche 120a erstreckt.
In der vorliegenden Spezifikation bedeutet „Streifenform“ eher eine Form, die durch einen einzelnen Streifen definiert ist, als eine durch mehrere Streifen gebildete Form. Nicht nur Formen, die sich linear in einer Richtung erstrecken, sondern auch jede Form, die sich entlang der Strecke biegt oder verzweigt, ist ebenfalls in „Streifenform“ eingeschlossen. Auch in dem Fall, in dem die Wellenleiterfläche 122a einen Abschnitt hat, der einer Veränderung der Höhe oder Breite unterliegt, fällt die Form unter die Bedeutung von „Streifenform“, solange sie einen Abschnitt aufweist, der sich, aus der Normalrichtung der Wellenleiterfläche 122a gesehen, in nur einer Richtung erstreckt.
Der künstliche magnetische Leiter in der vorliegenden Ausführungsform weist die Vielzahl leitender Stäbe 124 auf. Der künstliche magnetische Leiter erstreckt sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 und unterdrückt das Lecken einer elektromagnetischen Welle, die sich entlang des Wellenleiterbauglieds 122 ausbreitet. Wie in 7C gezeigt, ist der künstliche magnetische Leiter auf der zweiten leitenden Oberfläche 110a angeordnet. Ohne auf dieses Beispiel begrenzt zu sein, kann der künstliche magnetische Leiter auch auf der dritten leitenden Oberfläche 120a angeordnet sein. Der künstliche magnetische Leiter kann auf mindestens entweder der zweiten leitenden Oberfläche 110a oder der dritten leitenden Oberfläche 120a existieren.
Die dritte leitende Oberfläche 120a, die Wellenleiterfläche 122a und der künstliche magnetische Leiter definieren einen Wellenleiter in einem Zwischenraum, dersich zwischen der dritten leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122a erstreckt. Dieser Wellenleiter ist über den Schlitz 112 mit dem äußeren Raum verbunden. Anders ausgedrückt, ist der Schlitz 112 zu dem äußeren Raum offen.
Wie in 7B und 7D gezeigt, weist das Wellenleiterbauglied 122 die erste Rippe 122A und die zweite Rippe 122B auf, die sich entlang eines gemeinsamen Wegs erstrecken. Sich „entlang eines Weges zu erstrecken“ bedeutet, sich entlang eines imaginären Weges zu erstrecken, und kann nicht nur die Erstreckung entlang einer Geraden, sondern auch die Erstreckung entlang einer Krümmung oder einer gebogenen Linie einschließen. Ein Ende der ersten Rippe 122A und ein Ende der zweiten Rippe 122B sind zueinander entgegengesetzt. Dass Enden von zwei Rippen zueinander entgegengesetzt sind, bedeutet, dass diese Endflächen der Rippen so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind.
Aus einer zu der Wellenleiterfläche 122a senkrechten Richtung gesehen, ist der Schlitz 112 zwischen einem Ende der ersten Rippe 122A und einem Ende der zweiten Rippe 122B angeordnet. Bei dem in 7D gezeigten Beispiel sind die Endflächen 122c der ersten Rippe 122A und der zweiten Rippe 122B, die zueinander entgegengesetzt sind, mit einer inneren Wandoberfläche 112c des Schlitzes 112 kontinuierlich. Bei dem in 7D gezeigten Beispiel sind die innere Wandoberfläche des Schlitzes 112 und die Endflächen 122c der Rippen 122A und 122B, wo sie kontinuierlich verbunden sind, nicht gestuft gezeigt; jedoch können sie alternativ gestuft sein.
Die Größe des Zwischenraums zwischen der Endfläche 122c der ersten Rippe 122A und der Endfläche 122c der zweiten Rippe 122B kann entlang einer Richtung senkrecht zu der Wellenleiterfläche 122a (d.h. der Z-Richtung) variieren. Beispielsweise kann zur Unterdrückung einer Reflexion von Signalwellen die Größe des Zwischenraums zwischen der ersten Rippe 122A und der zweiten Rippe 122B lokal eingestellt sein. Die Größe des Zwischenraums zwischen den zwei Endflächen 122c ist so gestaltet, dass der Wellenleiter, der sich zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der dritten leitenden Oberfläche 120a erstreckt, über den Zwischenraum zwischen den zwei Endflächen 122c und das Innere des Schlitzes 112 an den äußeren Raum koppelt.
Der Wellenleiter, der sich zwischen der Wellenleiterfläche 122a der ersten Rippe 122A und der dritten leitenden Oberfläche 120a erstreckt, oder der Wellenleiter, dersich zwischen der Wellenleiterfläche 122a der zweiten Rippe 122B und der dritten leitenden Oberfläche 120a erstreckt, ist in Verwendung mit einem Sender oder Empfänger, nicht gezeigt, zu verbinden. Während des Sendens breitet sich eine elektromagnetische Welle, die aus dem Sender zugeführt ist, in dem Wellenleiter aus und gelangt zwischen den zwei Endflächen 122c der Rippen 122A und 122B und durch das Innere des Schlitzes 112, um in den äußeren Raum abgestrahlt zu werden. Während des Empfangs gelangt eine elektromagnetische Welle, die aus dem äußeren Raum auf den Schlitz 112 auftrifft, durch das Innere des Schlitzes 112 und zwischen den Endflächen 122c der Rippen 122A und 122B und breitet sich entlang der Rippe 122A oder 122B aus, um durch die Empfangsschaltung empfangen zu werden.
In diesem Beispiel haben die Rippen 122A und 122B jeweils eine Erhebung 122b in dem zentralen Abschnitt. Die Erhebung 122b verschmälert das Intervall zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der dritten leitenden Oberfläche 120a. Die Erhebungen 122b sind zum Einstellen der Wellenlänge oder Phase einer Signalwelle vorgesehen, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet, welcher sich zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der dritten leitenden Oberfläche 120a erstreckt. Das Vorsehen der Erhebungen 122b stellt die Wirkung bereit, die Kapazität des Wellenleiters, der sich zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der dritten leitenden Oberfläche 120a erstreckt, lokal zu erhöhen, wodurch die Wellenlänge der Signalwelle verkürzt wird. Auf Basis dieser Wirkung kann z.B. während des Sendens die Phase einer Signalwelle an der Position des Schlitzes 112 so eingestellt sein, dass gewünschte Abstrahleigenschaften erreicht werden. Eine solche Struktur ist besonders wirksam in Anwendungen, bei denen beispielsweise in einer Konstruktion, in der das erste leitende Bauglied 110 eine Vielzahl von Schlitzen 112 aufweist, die entlang derY-Richtung angeordnet sind, alle Schlitze 112 Signalwellen mit gleicher Phase abstrahlen sollen. Durch das Vorsehen der Erhebungen 122b wird die Wellenlänge einer Signalwelle in dem Wellenleiter verkürzt, wodurch die Intervalle zwischen den Schlitzen reduziert werden können.
Ohne auf eine Konstruktion begrenzt zu sein, bei der Erhebungen 122b auf der Wellenleiterfläche 122a vorgesehen sind, ist eine solche Phaseneinstellung auch in anderen Konstruktionen möglich. Beispielsweise können ähnliche Wirkungen auch bei einer Konstruktion erzielt werden, in der auf der Wellenleiterfläche 122a mindestens eine Ausnehmung vorgesehen ist.
8A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel zeigt, bei dem das Wellenleiterbauglied 122 eine Vielzahl von Ausnehmungen 122d auf der Wellenleiterfläche 122a hat. 8A zeigt das erste leitende Bauglied 110 und das Wellenleiterbauglied 122 darauf, mit einer Beispielanordnung der Rippen 122A und 122B und einer Vielzahl leitender Stäbe 124 auf dem Wellenleiterbauglied 122. 8B ist ein Diagramm, das einen Querschnitt der Schlitzantennenvorrichtung 300 zeigt, der durch die Mitte des Schlitzes 112 verläuft und zu der YZ-Ebene parallel ist.
In diesem Beispiel hat das Wellenleiterbauglied 122 eine Vielzahl von Ausnehmungen 122d, die dazu dienen, die Beabstandung zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der dritten leitenden Oberfläche 120a zu verbreitern. Zwei der Ausnehmungen 122d sind zwischen dem zentralen Abschnitt der ersten Rippe 122A und ihren entgegengesetzten Enden vorgesehen. Zwei weitere Ausnehmungen 122d sind zwischen dem zentralen Abschnitt der zweiten Rippe 122B und ihren entgegengesetzten Enden vorgesehen. Durch das Vorsehen solcher Ausnehmungen 122d auf der Wellenleiterfläche 122a wird die Induktanz des Wellenleiters, der sich zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der dritten leitenden Oberfläche 120a erstreckt, lokal erhöht, was die Wirkung erzeugt, die Wellenlänge einer Signalwelle zu verkürzen. Auf Basis dieser Wirkung kann z.B. während des Sendens die Phase einer Signalwelle an der Position eines jeden Schlitzes 112 so eingestellt sein, dass gewünschte Abstrahleigenschaften erreicht werden.
Die Erhebungen 122b oder Ausnehmungen 122d in jedem der obigen Beispiele können statt auf der Wellenleiterfläche 122 auf der dritten leitenden Oberfläche 120a vorgesehen sein. Mit einer solchen Konstruktion werden ebenfalls ähnliche Wirkungen erzielt wie mit einer Konstruktion, bei der Erhebungen 122b oder Ausnehmungen 122d auf der Wellenleiterfläche 122a vorgesehen sind. Die Erhebungen 122b oder Ausnehmungen 122d können sowohl auf der Wellenleiterfläche 122a als auch auf der dritten leitenden Oberfläche 120a vorgesehen sein.
Die oben genannten Wirkungen der Wellenlängen- oder Phaseneinstellung können auch in dem Fall erzielt werden, in dem, statt die Erhebungen 122b oder Ausnehmungen 122d vorzusehen, die Breite der Wellenleiterfläche 122a entlang der Richtung variieren gelassen wird, in dersich die Wellenleiterfläche 122a erstreckt. Die Erzeugung breiter Abschnitte, an denen die Breite der Wellenleiterfläche 122a breiter als an jedweder benachbarten Stelle ist, stellt ähnliche Wirkungen bereit, wie sie durch die Erhebungen 122b erzielt werden. Die Erzeugung schmaler Abschnitte, an denen die Breite der Wellenleiterfläche 122a schmalerals an jedweder benachbarten Stelle ist, stellt ähnliche Wirkungen bereit, wie sie durch die Ausnehmungen 122d erzielt werden. Mit einer Konstruktion, bei der das Wellenleiterbauglied 122 breitere Abschnitte oder schmalere Abschnitte hat, werden Wellenlängen- oder Phaseneinstellungen ähnlich dem oben Beschriebenen realisiert. Es kann auch eine Struktur verwendet werden, bei der von den Erhebungen, Ausnehmungen, breiten Abschnitten und schmalen Abschnitten jeweils zwei oder mehr kombiniert sind.
Somit ist in einer Schlitzantennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mindestens entweder die Beabstandung zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der dritten leitenden Oberfläche 120a oder die Breite der Wellenleiterfläche 122a entlang einer Richtung variiert, in der sich das Wellenleiterbauglied 122 oder der Wellenleiter erstreckt. In einer Ausführungsform hat mindestens entweder das zweite leitende Bauglied 120 oder das Wellenleiterbauglied 122 mindestens eine Erhebung oder mindestens eine Ausnehmung. In einer weiteren Ausführungsform hat das Wellenleiterbauglied 122 mindestens einen breiten Abschnitt oder mindestens einen schmalen Abschnitt. Die Beabstandung zwischen der Wellenleiterfläche 122a und der dritten leitenden Oberfläche 120a oder die Breite der Wellenleiterfläche 122a kann entlang der Richtung, in der sich der Wellenleiter erstreckt, periodisch oder aperiodisch variiert sein. Die Wellenleiterfläche 122a und die dritte leitende Oberfläche 120a können abhängig von den Abstrahleigenschaften oder Empfangseigenschaften, die die Schlitzantennenvorrichtung300 erfüllen muss, vielfältige Strukturen annehmen.
<Beispielkonstruktion einer Schlitzantennenvorrichtung mit mehreren Schlitzen>
Die Funktion der Wellenlängen- oder Phaseneinstellung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist besonders wirksam bei einer Schlitzantennenvorrichtung mit einer Vielzahl von Schlitzen als Strahlelementen. Nachfolgend wird eine solche Schlitzantennenvorrichtung spezifischer beschrieben. Sofern hierdurch keine Widersprüche entstehen, ist die Konstruktion eines jeden der unten beschriebenen Beispiele auf eine Schlitzantennenvorrichtung mit einem einzelnen Schlitz anwendbar. Außerdem können die Konstruktionen der unten beschriebenen Beispiele in Kombinationen verwendet werden. In der folgenden Beschreibung kann eine Schlitzantennenvorrichtung als „Schlitz-Array-Antenne“ oder einfach als „Array-Antenne“ bezeichnet sein.
Je nach Zweck kann eine Array-Antenne zum Anregen eines jeden Strahlelements unterschiedliche Verfahren einsetzen. Beispielsweise wird in einer Radarvorrichtung, in der ein WRG-Wellenleiter verwendet wird, abhängig von den angezielten Radareigenschaften, z.B. einer Maximierung des Wirkungsgrades des Radars oder einer Reduzierung von Seitenkeulen mit Einbußen beim Wirkungsgrad des Radars, unterschiedliche Verfahren zur Anregung eines jeden Strahlelements eingesetzt. Vorliegend wird als Beispiel ein Gestaltungsverfahren beschrieben, bei dem die Verstärkung einer Array-Antenne maximiert wird, um ihren Radarwirkungsgrad zu maximieren. Zur Maximierung der Verstärkung einer Array-Antenne ist bekannt, dass die Dichte maximiert werden kann, mit der die Strahlelemente, die ein Array bilden, angeordnet sind, und alle Strahlelemente mit gleicher Amplitude und gleicher Phase angeregt werden können. Um dies zu realisieren, kann beispielsweise Stehwellen-Reihenspeisung verwendet werden. Die Stehwellen-Reihenspeisung ist ein Speiseverfahren, bei dem alle Strahlelemente in einer Array-Antenne mit gleicher Amplitude und gleicher Phase angeregt werden, indem ihre Eigenschaft genutzt wird, dass „auf einem Weg, auf dem eine Stehwelle erzeugt wird, identische Spannungen und Ströme an Positionen existieren, die um eine Wellenlänge voneinander entfernt sind“.
Vorliegend wird eine übliche Gestaltungsprozedur zum Erreichen einer Stehwellen-Reihenspeisung beschrieben. Zuerst wird ein Wellenleiter in der Weise konstruiert, dass zugelassen wird, dass eine elektromagnetische Welle (Signalwelle) in mindestens einem der zwei Enden eines Speisewegs einer Totalreflexion unterliegt, so dass auf dem Speiseweg eine Stehwelle erzeugt wird. Als Nächstes wird an einer Vielzahl von Positionen, die auf dem Speiseweg um eine Wellenlänge voneinander entfernt sind, eine Vielzahl von Strahlelementen mit einer identischen Impedanz, die klein genug ist, um sich nicht wesentlich auf die Stehwelle auszuwirken, seriell zu dem Weg eingefügt, so dass der Strom der Stehwelle an diesen Positionen die größte Amplitude hat. Infolgedessen wird eine Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase auf Basis einer Stehwellen-Reihenspeisung realisiert.
Das Prinzip der Stehwellen-Reihenspeisung ist somit leicht verständlich. Es wurde jedoch festgestellt, dass durch bloße Anwendung einer solchen Konstruktion auf eine WRGbasierte Array-Antenne nicht leicht eine Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase erreicht wird. Die Untersuchungen der Erfinder ergaben, dass es zum Anregen aller Strahlelemente mit gleicher Amplitude und gleicher Phase wirksam ist, die Phase einer Signalwelle zur Ausbreitung durch den WRG einzustellen, indem auf dem WRG ein beziehungsweise mehrere Abschnitte mit einer anderen Kapazität oder Induktanz als an jedwedem anderen Abschnitt vorgesehen werden. Eine andere Kapazität oder Induktanz als an jedwedem anderen Abschnitt kann beispielsweise erzielt werden, indem ein beziehungsweise mehrere Abschnitte eingeführt werden, an denen die Distanz zwischen der Wellenleiterfläche und der elektrisch leitenden Oberfläche eines entgegengesetzten leitenden Bauglieds oder die Breite der Wellenleiterfläche sich relativ zu derjenigen an jedweder benachbarten Stelle unterscheidet. Solche Phaseneinstellungen werden nicht nur im Fall einer Anregung aller Strahlelemente mit gleicher Amplitude und gleicher Phase benötigt, sondern auch zum Erzielen anderer Zwecke wie etwa einer Reduzierung von Seitenkeulen mit Einbußen beim Wirkungsgrad. Beispielsweise können Phasen- und Amplitudenunterschiede zwischen benachbarten Strahlelementen eingeführt sein, so dass gewünschte Anregungszustände an den jeweiligen Schlitzpositionen realisiert werden, oder es können andere Einstellungen vorgenommen werden. Außerdem werden ähnliche Phaseneinstellungen nicht nur bei der Verwendung einer Stehwellenspeisung, sondern auch bei der Verwendung einer Wanderwellenspeisung benötigt.
Bei einer herkömmlichen WRG-basierten Array-Antenne, die im oben genannten Patentdokument 1 offenbart ist, sind identische Ausnehmungen (Aussparungen) oder breite Abschnitte über den gesamten Weg mit einer bestimmten kurzen Periode angeordnet, und es ist keine Struktur zum Einstellen der Phase der Signalwelle vorgesehen. Bei der im Patentdokument 1 offenbarten Konstruktion werden bei einer gegebenen Wellenlänge λ_R einer Signalwelle in einem Wellenleiter, in dem keine Ausnehmungen oder breiten Abschnitte vorgesehen sind, periodisch Ausnehmungen oder breite Abschnitte mit einer Periode angeordnet, die kleiner als λ_R/4 ist. Eine solche Struktur wirkt sich auf die charakteristische Impedanz auf der Übertragungsleitung als Verteilte-Konstante-Schaltung aus und verkürzt infolgedessen die Wellenlänge der Signalwelle innerhalb des Wellenleiters. Sie ist jedoch nicht fähig, den Anregungszustand eines jeden Schlitzes entsprechend den gewünschten Antenneneigenschaften einzustellen.
Der Grund ist, dass bei der Konstruktion einer Schlitz-Array-Antenne durch Anordnung einer Vielzahl von Schlitzen auf dem Rippenwellenleiter, der im Patentdokument 1 offenbart ist, die Schlitzimpedanz groß genug ist, um die Wellenform einer Signalwelle, die sich durch den Wellenleiter ausbreitet, signifikant zu verzerren. Bei der Verwendung der sehr kleinen periodischen Struktur, die im Patentdokument 1 offenbart ist, ist es daher vermutlich schwierig, die Intensität und Phase einer elektromagnetischen Welle, die aus jedem von der Vielzahl von Schlitzen abgestrahlt wird, je nach Zweck einzustellen. Bei einer WRG-basierten Radarvorrichtung oder dergleichen kann man also zum Erzielen der angestrebten Radareigenschaften nicht den Wellenleiter und die Schlitze unabhängig voneinander konstruieren. Anders ausgedrückt: Zum Erzielen der gewünschten Eigenschaften, z.B. zur Maximierung des Wirkungsgrades oder Reduzierung von Seitenkeulen mit Einbußen beim Wirkungsgrad, müssen der Wellenleiter und die Schlitze beide gleichzeitig optimiert werden. Als einer der Erfinder die Erfindung gemäß Patentdokument 1 zum Patent anmeldete, waren solche Einflüsse der Schlitzimpedanz noch gar nicht erkannt.
Zum Erzielen der gewünschten Antenneneigenschaften haben die Erfinder erwogen, zwischen zwei benachbarten Schlitzen entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, Zusatzelemente (z.B. Ausnehmungen oder Erhebungen) in einem Intervall einzuführen, das länger als λ_R/4 ist. Des Weiteren haben die Erfinder eine Anordnung von Zusatzelementen wie etwa Ausnehmungen oder Erhebungen zwischen zwei benachbarten Schlitzen auf aperiodische Weise entlang der Übertragungsleitung untersucht. Außerdem haben die Erfinder eine Struktur untersucht, bei der die Beabstandung zwischen dem zweiten leitenden Bauglied und dem Wellenleiterbauglied und/oder die Breite der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds in drei oder mehr Schritten entlang der Wellenleiterfläche variiert (d.h. die Induktanz und/oder Kapazität variiert). Infolgedessen gelang ihnen die erfolgreiche Einstellung der Wellenlänge der Signalwelle innerhalb des Wellenleiters und auch eine Einstellung der Intensität und Phase der sich ausbreitenden Signalwelle an den Schlitzen. λ_R ist länger als eine Wellenlänge λo im freien Raum, jedoch kleiner als 1,15λο. Das oben genannte „Intervall, das länger als λ_R/4“ ist, lässtsich daher auch lesen als „Intervall, das länger als 1,15λo/4 ist“. Wenn das oben genannte Intervall größer als λ_R/4 ist, jedoch nur um eine kleine Differenz, wird in der sich ausbreitenden Signalwelle möglicherweise kein ausreichender Phaseneinstellbetrag erzielt. In einem solchen Fall kann eine Stelle eingeführt sein, an der Zusatzelemente in einem Intervall angeordnet sind, das gleich oder größer als 1,5λο/4.
In der vorliegenden Spezifikation bedeutet „Zusatzelement“ eine Struktur auf einer Übertragungsleitung, die mindestens entweder die Induktanz oder die Kapazität lokal verändert. In der vorliegenden Spezifikation bezeichnen „Induktanz“ und „Kapazität“ Induktanz- und Kapazitätswerte pro Längeneinheit in einer Richtung entlang der Übertragungsleitung (d.h. der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt), wobei die Längeneinheit gleich oder kleiner als 1/10 der Wellenlänge λo im freien Raum ist. Ohne auf eine Ausnehmung oder eine Erhebung begrenzt zu sein, kann ein Zusatzelement beispielsweise ein „breiter Abschnitt“ sein, an dem die Wellenleiterfläche eine größere Breite als an den anderen, benachbarten Abschnitten hat, oder ein „schmaler Abschnitt“ sein, an dem die Wellenleiterfläche eine geringere Breite als an den anderen, benachbarten Abschnitten hat. Alternativ kann es ein Abschnitt sein, der aus einem Material gebildet ist, dessen dielektrische Konstante sich von derjenigen jedes anderen Abschnitts unterscheidet. Ein beziehungsweise mehrere solche Zusatzelemente können auf einer elektrisch leitenden Wellenleiterfläche eines Wellenleiterbauglieds oder auf einer leitenden Oberfläche eines leitenden Bauglieds vorgesehen sein, die zu der Wellenleiterfläche entgegengesetzt ist.
Unter Bezugnahme auf 9A bis 9F werden nun Beispielkonstruktionen für Schlitz-Array-Antennen gemäß veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
9A ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. 9A ist eine Querschnittsansicht, die durch Schneiden der Schlitz-Array-Antenne entlang einer Ebene entsteht, welche zu der YZ-Ebene parallel ist und sich durch die Mitte der Vielzahl von Schlitzen 112 erstreckt. Ein erstes leitendes Bauglied 110 dieser Schlitz-Array-Antenne hat eine Vielzahl von Schlitzen 112, die entlang derY-Richtung angeordnet sind. Das Wellenleiterbauglied 122 erstreckt sich entlang der Y-Richtung und weist eine Vielzahl von Rippen auf, die entlang der Y-Richtung in Intervallen angeordnet sind. Aus einer Richtung gesehen, die zu der leitenden Oberfläche 110a oder der Wellenleiterfläche 122a senkrecht steht, ist jeder von der Vielzahl von Schlitzen 112 zwischen entgegengesetzten Enden von zwei benachbarten Rippen aus der Vielzahl von Rippen angeordnet. In diesem Beispiel hat das erste leitende Bauglied 110 drei Schlitze 112, während das Wellenleiterbauglied 122 vier Rippen hat. Die Zahl der Schlitze 112 und die Zahl der Rippen in dem Wellenleiterbauglied 122 können sich von den in diesem Beispiel illustrierten unterscheiden.
Auf dem Wellenleiterbauglied 122 ist eine Vielzahl von Ausnehmungen vorgesehen. Die Positionen der Ausnehmungen sind so gewählt, dass an den Positionen der Vielzahl von Schlitzen 112 Veränderungen in die Signalwellenphase eingeführt werden, um gewünschte Eigenschaften bereitzustellen. In diesem Beispiel befinden sich die zwei Ausnehmungen 122d1 und 122d2 in der zweiten Rippe von links an symmetrischen Positionen in Bezug auf eine XZ-Ebene, die sich durch den Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 entlang der Y-Richtung erstreckt. Zahl, Formen und Größen der Ausnehmungen sowie ihre Positionen auf der Rippe unterscheiden sich von Rippe zu Rippe. Es ist somit nicht notwendig, dass alle Rippen in dem Wellenleiterbauglied 122 in der Struktur identisch sind.
Bei der Konstruktion aus 9A weist die Vielzahl von Ausnehmungen des Wellenleiterbauglieds 122 eine erste Ausnehmung 122d1, eine zweite Ausnehmung 122d2 und eine dritte Ausnehmung 122d3 auf, die in dieser Reihenfolge entlang derY-Richtung benachbart sind. Die Distanz zwischen den Mitten der ersten Ausnehmung 122d1 und der zweiten Ausnehmung 122d2 unterscheidet sich von der Distanz zwischen den Mitten der zweiten Ausnehmung 122d2 und der dritten Ausnehmung 122d3. Somit ist bei der in 9A gezeigten Konstruktion mindestens in der Region, die in der Figur gezeigt ist, die Beabstandung zwischen der zweiten leitenden Oberfläche 110a auf der Rückseite des ersten leitenden Bauglieds 110 und der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 entlang derY-Richtung aperiodisch variiert. Die ersten bis dritten Ausnehmungen können an beliebigen Positionen liegen, solange sie zwischen den zwei äußersten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen 112 vorgesehen sind. Die Vielzahl von Ausnehmungen kann stattdessen auf der dritten leitenden Oberfläche 120a auf der Vorderseite des zweiten leitenden Bauglieds 120 vorgesehen sein.
Bei der in 9A gezeigten Konstruktion ist die Distanz b1 zwischen der Mitte der zweiten Ausnehmung 122d2 und der Mitte der dritten Ausnehmung 122d3 länger als 1,15λο/4. Weiter bevorzugt, ist die Distanz b1 gleich oder größer als 1,5λο/4. Die Distanz zwischen den Mitten von zwei benachbarten Schlitzen 112 entlang derY-Richtung sei nun a. Die Distanz a kann beispielsweise so gestaltet sein, dass sie ungefähr gleich der Wellenlänge λg einer elektromagnetischen Welle ist, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet. Die Wellenlänge λg ist eine Wellenlänge, die durch das Vorsehen der Zusatzelemente gegenüber der Wellenlänge λ_R variiert ist. Obwohl es möglicherweise von der Gestaltung abhängt, kann λg beispielsweise kürzer als λ_R sein. In diesem Fall ist a < λ_R, und daher ist die Distanz (> λ_R/4) zwischen den Mitten der zwei benachbarten Ausnehmungen 122d2 und 122d3 länger als a/4. Bei der Konstruktion aus 9A kann die Distanz zwischen den Mitten der ersten Ausnehmung 122d1 und der zweiten Ausnehmung 122d2 gleich oder kleiner als 1,15λo/4 sein.
Bei der Konstruktion aus 9A funktioniert jede Ausnehmung als Element zur lokalen Erhöhung der Induktanz der Übertragungsleitung. Obwohl der Boden einer jeden Ausnehmung und jede andere Stelle außer den Ausnehmungen flach dargestellt sind, können sie auch nicht flach sein.
Bei der Konstruktion aus 9A sind die erste Ausnehmung 122d1 und die zweite Ausnehmung 122d2 auf einer Rippe vorgesehen, während die dritte Ausnehmung 122d3 auf einer anderen Rippe vorgesehen ist. Ohne auf eine solche Implementierung begrenzt zu sein, können beispielsweise die ersten bis dritten Ausnehmungen auf einer Rippe vorgesehen sein, oder sie können jeweils auf drei verschiedenen Rippen vorgesehen sein.
9B ist eine Querschnittsansicht, die eine Schlitzantennenvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform zeigt. In diesem Beispiel ist eine Vielzahl von Erhebungen auf dem Wellenleiterbauglied 122 vorgesehen. Die Positionen der Erhebungen sind so gewählt, dass die Signalwellenphase an den Positionen der Vielzahl von Schlitzen 112 variiert ist, so dass Eigenschaften erzielt werden, die für einen gegebenen Zweck geeignet sind. Wie in der Figur gezeigt, können sich Zahl, Formen und Größen der Erhebungen, sowie ihre Positionen auf der Rippe, von Rippe zu Rippe unterscheiden.
Bei der Konstruktion aus 9B weist die Vielzahl von Erhebungen auf dem Wellenleiterbauglied 122 eine erste Erhebung 122b1, eine zweite Erhebung 122b2 und eine dritte Erhebung 122b3 auf, die zueinander benachbart sind und entlang der Y-Richtung (ersten Richtung) aufeinanderfolgen. Die Distanz zwischen den Mitten der ersten Erhebung 122b1 und der zweiten Erhebung 122b2 unterscheidet sich von der Distanz zwischen den Mitten der zweiten Erhebung 122b2 und der dritten Erhebung 122b3. Somit ist in der in 9B gezeigten Konstruktion, zumindest innerhalb der dargestellten Region, die Beabstandung zwischen der zweiten leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a entlang der Y-Richtung aperiodisch variiert. Die oben genannten ersten bis dritten Erhebungen können an jeder Position liegen, solange sie zwischen den zwei äußersten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen 112 vorgesehen sind. Die Vielzahl der Erhebungen kann auf der dritten leitenden Oberfläche 120a vorgesehen sein.
Bei der in 9B gezeigten Konstruktion ist die Distanz b2 zwischen der Mitte der ersten Erhebung 122b1 und der Mitte der zweiten Erhebung 122b2 länger als 1,15λο/4. Weiter bevorzugt, ist die Distanz b2 1,5λο/4 oder größer. Wenn λg kürzer als λ_R ist, ist a<λ_R; daher ist die Distanz (>λ_R/4) zwischen den Mitten der zwei benachbarten Erhebungen 122b1 und 122b2 länger als a/4. Bei der in 9B gezeigten Konstruktion kann die Distanz zwischen den Mitten der zweiten Erhebung 122b2 und der dritte Erhebung 122b3 gleich oder kleiner als 1,15λo/4 sein.
Bei der Konstruktion aus 9B funktioniert jede Erhebung als Element zur lokalen Erhöhung der Kapazität der Übertragungsleitung. Obwohl die Oberseite einer jeden Erhebung und jede andere Stelle außer den Erhebungen flach dargestellt sind, können sie auch nicht flach sein.
Bei der Konstruktion aus 9B sind die zweite Erhebung 122d2 und die dritte Erhebung 122b3 auf einer Rippe vorgesehen, während die erste Erhebung 122b1 auf einer anderen Rippe vorgesehen ist. Ohne auf eine solche Implementierung begrenzt zu sein, können beispielsweise die ersten bis dritten Erhebungen auf einer Rippe vorgesehen sein, oder sie können jeweils auf drei verschiedenen Rippen vorgesehen sein.
Aperiodische Konstruktionen ähnlich denen in 9A und 9B sind auch realisierbar, indem anstelle von Ausnehmungen oder Erhebungen breite Abschnitte oder schmale Abschnitte vorgesehen werden. Als Beispiel sei ein Fall betrachtet, in dem das Wellenleiterbauglied 122 eine Vielzahl von breiten Abschnitten auf der Wellenleiterfläche 122a aufweist, wobei die Vielzahl von breiten Abschnitten die Breite der Wellenleiterfläche 122a relativ zu jedweder benachbarten Stelle erweitert. In diesem Fall weist die Vielzahl von breiten Abschnitten einen ersten breiten Abschnitt, einen zweiten breiten Abschnitt und einen dritten breiten Abschnitt auf, die zueinander benachbart sind und entlang derY-Richtung aufeinanderfolgen, und sie können sie so angeordnet sein, dass die Distanz zwischen den Mitten des ersten breiten Abschnitts und des zweiten breiten Abschnitts sich von der Distanz zwischen den Mitten des zweiten breiten Abschnitts und des dritten breiten Abschnitts unterscheidet. Ebenso sei ein Fall betrachtet, in dem das Wellenleiterbauglied 122 eine Vielzahl von schmalen Abschnitten aufweist, die die Breite der Wellenleiterfläche 122a relativ zu jedweder benachbarten Stelle auf der Wellenleiterfläche 122a verschmälern. In diesem Fall weist die Vielzahl von schmalen Abschnitten einen ersten schmalen Abschnitt, einen zweiten schmalen Abschnitt und einen dritten schmalen Abschnitt auf, die zueinander benachbart sind und entlang derY-Richtung aufeinanderfolgen, und sie können sie so angeordnet sein, dass die Distanz zwischen den Mitten des ersten schmalen Abschnitts und des zweiten schmalen Abschnitts sich von der Distanz zwischen den Mitten des zweiten schmalen Abschnitts und des dritten schmalen Abschnitts unterscheidet. Die ersten bis dritten breiten Abschnitte (oder die ersten bis dritten schmalen Abschnitte) können an jeder Position liegen, solange sie zwischen den zwei äußersten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen 112 vorgesehen sind.
Bei der Konstruktion aus 9A und 9B weist der Wellenleiter, der zwischen der dritten leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122a existiert, eine Vielzahl von Positionen auf, an denen die Induktanz (oder Kapazität) des Wellenleiters lokale Maxima oder Minima aufweist. Die Vielzahl von Positionen weist eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position auf, die zueinander benachbart sind und entlang derY-Richtung aufeinanderfolgen. Die Distanz zwischen den Mitten der ersten Position und der zweiten Position unterscheidet sich von der Distanz zwischen den Mitten der zweiten Position und der dritten Position. Innerhalb einer Region, in der eine Vielzahl von Schlitzen vorgesehen ist, erlaubt somit eine Struktur, bei der aperiodische Variationen der Induktanz oder Kapazität mindestens lokal eingeführt sind, das Einstellen der Phase einer elektromagnetischen Welle, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet, entsprechend den gewünschten Eigenschaften. Die oben genannten ersten bis dritten Positionen können an jeder Position liegen, solange sie zwischen den zwei äußersten Schlitzen vorgesehen sind.
9C ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. Aus einer zu der Wellenleiterfläche 122a senkrechten Richtung gesehen, ist in dieser Schlitz-Array-Antenne eine Erhebung 122b an jedem Mittelpunkt zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 vorgesehen. Ohne auf die in der Figur gezeigten Positionen begrenzt zu sein, können die Erhebungen 122b auch an anderen Positionen liegen. Bei einer solchen Konstruktion funktioniert jede Erhebung 122b als Element zur lokalen Erhöhung der Kapazität der Übertragungsleitung. Auch in diesem Beispiel sind die Oberseite einer jeden Erhebung 122b und jede andere Stelle flach. Die Distanz b zwischen den Mitten von zwei benachbarten Erhebungen 122b entlang der Y-Richtung erfüllt b > 1,15λo/4. Weiter bevorzugt, erfüllt die Distanz b: b > 1,5λo/8. Ähnliche Eigenschaften können auch mit einer Konstruktion erzielt werden, bei der anstelle der Erhebungen 122b breite Abschnitte vorgesehen sind oder Erhebungen auf der dritten leitenden Oberfläche 120a statt auf der Wellenleiterfläche 122a vorgesehen sind.
Bei der Konstruktion aus 9C ist die Beabstandung zwischen der dritten leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122a entlang der Y-Richtung periodisch variiert. Die Periode der Variation ist jedoch länger als 1,15λo/4 oder λ_R/4. Die Periode ist gleich der Distanz (dem Schlitzintervall) zwischen den Mitten von zwei benachbarten Schlitzen 112. Wenn eine solche periodische Konstruktion verwendet wird, kann die Periode auf einen Wert eingestellt sein, der gleich oder größer als 1/2 Schlitzintervall ist. Anders ausgedrückt: Mindestens entweder die Beabstandung zwischen der dritten leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122a oder die Breite der Wellenleiterfläche 122a können entlang der Y-Richtung mit einer Periode variieren, die gleich oder größer als 1/2 Distanz zwischen den Mitten von zwei benachbarten Schlitzen 112 ist. Alternativ kann mindestens entweder die Induktanz oder die Kapazität des Wellenleiters, der sich zwischen der dritten leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122a erstreckt, entlang derY-Richtung mit einer Periode variieren, die gleich oder größer als 1/2 Distanz zwischen den Mitten von zwei benachbarten Schlitzen 112 ist.
9D ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. Bei dieser Schlitz-Array-Antenne ist eine Vielzahl von Ausnehmungen auf der dritten leitenden Oberfläche 120a des ersten leitenden Bauglieds 110 vorgesehen. Die Positionen der Vielzahl von Ausnehmungen entlangderY-Richtungsind identisch mit den Positionen derVielzahl von Ausnehmungen entlang derY-Richtung in 9A. Die Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 hat keine Erhebungen oder Ausnehmungen und ist flach.
9E ist eine Querschnittsansicht, die die Struktur einer Schlitz-Array-Antenne gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. Bei dieser Schlitz-Array-Antenne haben die dritte leitende Oberfläche 120a und die Wellenleiterfläche 122a jeweils sowohl Ausnehmungen als auch Erhebungen.
Wie in 9D und 9E gezeigt, kann die dritte leitende Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 mindestens entweder die Erhebungen oder die Ausnehmungen haben. In diesem Fall ist hinsichtlich der Herstellung die Breite jeder Ausnehmung oder Erhebung entlang der X-Richtung, d.h. der Richtung, die orthogonal zu der Richtung verläuft, in der sich das Wellenleiterbauglied 122 erstreckt, bevorzugt breiter als die Breite des Wellenleiterbauglieds 122, da dies die Genauigkeit der Ausrichtung entlang der X-Richtung verringert, die zwischen den Ausnehmungen oder Erhebungen auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 und dem Wellenleiterbauglied 122 erforderlich ist. Jedoch kann, ohne Einschränkung, die Breite jederAusnehmung oder Erhebung auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 entlang der X-Richtung gleich oder schmaler als die Breite der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 sein.
Bei den Schlitz-Array-Antennen gemäß den in 9A bis 9E gezeigten Ausführungsformen weist ein Wellenleiter, der durch die dritte leitende Oberfläche 120a und die Wellenleiterfläche 122a gebildet ist, auf: mindestens eine Minimalposition, an der mindestens entweder die Induktanz oder die Kapazität des Wellenleiters ein lokales Minimum aufweist; und mindestens eine Maximalposition, an der mindestens entweder die Induktanz oder die Kapazität des Wellenleiters ein lokales Maximum aufweist. Eine „Minimalposition“ ist eine Position in der Umgebung einer Position entlang derY-Richtung, an der eine Funktion in Bezug auf Koordinaten entlang derY-Richtung, die die Induktanz oder Kapazität des Wellenleiters (oder der Übertragungsleitung) zeigen, einen lokalen Minimalwert annimmt. Dagegen ist eine „Maximalposition“ eine Position in der Umgebung einer Position entlang derY-Richtung, an der die oben genannte Funktion einen lokalen Maximalwert annimmt. Wenn, wie bei den in 9A bis 9E gezeigten Beispielen, ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum der Induktanz oder Kapazität auf eine Ausnehmung mit einem flachen Boden oder eine Erhebung mit einer flachen Oberseite zurückzuführen ist, gilt der zentrale Abschnitt der Ausnehmung oder Erhebung als „Maximalposition“ oder „Minimalposition“. Bei den in 9A bis 9D gezeigten Beispielkonstruktionen ist die Mitte einer jeden Ausnehmung eine „Maximalposition“, an der die Induktanz ein lokales Maximum annimmt, und die Mitte des Abschnitts zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen ist eine „Minimalposition“, an der die Induktanz ein lokales Minimum annimmt. Dagegen ist bei den in 9B und 9C gezeigten Beispielkonstruktionen die Mitte einer jeden Ausnehmung eine „Maximalposition“, an der die Kapazität ein lokales Maximum annimmt, und die Mitte des Abschnitts zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen ist eine „Minimalposition“, an der die Kapazität ein lokales Minimum annimmt. Ebenso gibt es bei dem in 9E gezeigten Beispiel eine Vielzahl von Maximalpositionen und eine Vielzahl von Minimalpositionen.
9F ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform zeigt, bei der eine Vielzahl von Erhebungen oder Ausnehmungen auf der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds 122 angeordnet ist. Bei dieser Schlitz-Array-Antenne ist eine Vielzahl von sehr kleinen Ausnehmungen oder Erhebungen auf der Rippe 122 periodisch arrayartig angeordnet. Die Periode dieses Arrays ist kleiner als λ_R/4, wobei λ_R die Wellenlänge einer Signalwelle in dem Wellenleiter ist, bei dem keine Ausnehmungen oder Erhebungen vorgesehen sind. Da die Wellenlänge λ_R kleiner als das 1,15-fache der Wellenlänge λo im freien Raum ist, ist die Periode des Arrays der Ausnehmungen 122d kleiner als 1,15λο/4. Daher ist bei der in 9F gezeigten Konstruktion die Distanz b zwischen der Mitte einer Ausnehmung und der Mitte einer benachbarten Erhebung entlang derY-Richtung kürzer als 1,15λο/8.
Unter Bezugnahme auf 10 und 11 werden nun die in 9C gezeigte Konstruktion und die in 9F gezeigte Konstruktion verglichen.
10 ist ein Graph, der eine Abhängigkeit der Kapazität des Wellenleiters in der in 9C gezeigten Konstruktion von derY-Richtung schematisch zeigt. 11 ist ein Graph, der eine Abhängigkeit der Kapazität des Wellenleiters in der in 9F gezeigten Konstruktion von derY-Richtung schematisch zeigt. Diese Graphen illustrieren eine Veränderung der Kapazität in einem Bereich von Y=0 bis a, wobei der Ursprung derY-Koordinaten an der Position eines Schlitzes 112 definiert ist. Es wird angemerkt, dass 10 und 11 eher Tendenzen der Kapazitätsveränderung entlang derY-Richtung illustrieren, als exakt zu sein. Wie in 10 und 11 gezeigt, verändert sich sowohl bei der Konstruktion aus 9C als auch bei der Konstruktion aus 9F die Kapazität entlang derY-Richtung, jedoch mit unterschiedlichen Perioden. Bei der Konstruktion aus 9C weist die Kapazität in der Umgebung einer Erhebung 122b ein lokales Maximum auf, nachdem sie in der Nähe eines Schlitzes ein lokales Minimum aufwies. Die Minimalposition, die ein lokales Minimum aufweist, und die Maximalposition, die entlang derY-Richtung dazu benachbart ist und ein lokales Maximum aufweist, sind um circa 1/2 des Schlitzintervalls a voneinander entfernt. Dagegen oszilliert die Konstruktion aus 9F mit einer feinen Periode, die kleiner als 1/4 der Wellenlänge λ_R einer elektromagnetischen Welle auf einem Rippenwellenleiter ohne die Ausnehmungen oder Erhebungen ist.
Im Fall, dass das Schlitz-Array so gestaltet ist, dass elektromagnetische Wellen mit identischer Phase aus den jeweiligen Schlitzen abgestrahlt werden, ist das Intervall zwischen benachbarten Schlitzen entlang derY-Richtung im Wesentlichen gleich der Wellenlänge λ_g einer Sendewelle auf der Übertragungsleitung. Daher ist in diesem Fall in der Konstruktion aus 9C die Kapazität mit einer langen Periode variiert, die ungefähr gleich der Wellenlänge λg ist, während in der Konstruktion aus 9F die Kapazität mit einer kurzen Periode oszilliert, die kleiner als 1/4 der Wellenlänge λ_R ist. In einer kurzen Modulationsstruktur, die kleiner als 1/4 der Wellenlänge λ_R bemessen ist, wird eine Sendewelle kaum durch jede einzelne Modulation reflektiert, und die Sendewelle verhält sich wie bei derAusbreitung in einem Medium, das nahezu einheitlich ist. Dagegen kann eine Sendewelle in einer langen Modulationsstruktur, die gleich oder größer als 1/4 der Wellenlänge λ_R bemessen ist, durch jede einzelne Modulation reflektiert werden.
Obwohl in der Beschreibung der Konstruktionen aus 9A bis 9F der Ausdruck „Wellenlänge“ verwendet wird, dient dies nur der praktischeren Erläuterung. Bei einer Variation der Kapazität oder Induktanz in langen Intervallen unterliegt eine Sendewelle komplexen Reflexionen, und die Wellenlänge einer tatsächlichen Sendewelle muss noch direkt bestätigt werden. Indem der Kapazität oder Induktanz jedoch Variationen mit einer langen Periode verliehen werden, kann in einer WRG-basierten Schlitzantenne der Anregungszustand eines jeden Schlitzes in geeigneter Weise eingestellt sein, um die gewünschten Antenneneigenschaften zu erreichen. In einem solchen Zustand wird angenommen, dass die Wellenlänge λg einer Sendewelle im Wesentlichen gleich dem Intervall zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 ist. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass auch bei einer Variation der Kapazität oder Induktanz mit einer langen Periode eine Wellenlänge λg noch für jede Situation adaptiv definierbar ist.
Wie oben beschrieben, verändert sich bei den in 9A bis 9E gezeigten Ausführungsformen mindestens entweder die Induktanz oder die Kapazität zwischen zwei benachbarten Schlitzen in einer Richtung entlang des Wellenleiterbauglieds, auf Basis einer Modulationsstruktur, die länger als 1/4 der Wellenlänge λ_R ist. Wie eine solche Veränderung tatsächlich erfolgt, kann beliebig abgewandelt werden, indem die Positionen von Zusatzelementen wie etwa Erhebungen, Ausnehmungen, breiter Abschnitte und schmaler Abschnitte eingestellt werden. Dagegen variiert bei der in 9F gezeigten Ausführungsform zwischen zwei benachbarten Schlitzen mindestens entweder die Induktanz oder die Kapazität entlang einer dem Wellenleiterbauglied entsprechenden Richtung, auf Basis von Modulationsstrukturen, die kürzer als 1/4 der Wellenlänge λ_R sind. Ähnlich wie die im Patentdokument 1 offenbarten periodischen Strukturen stellen diese Strukturen die Wirkung bereit, die Wellenlänge einer Signalwelle in dem Wellenleiter einheitlich zu verkürzen. Anders als bei den in 9A bis 9E gezeigten Konstruktionen ist die Signalwellenphase an der Position eines jeden Schlitzes 112 nicht fein einstellbar; bei Anwendungen, die keine solchen Feineinstellungen erfordern, ist die in 9F gezeigte Konstruktion anwendbar.
12 ist eine Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie in 12 illustriert, kann auch eine Konstruktion verwendet werden, bei der ein glattes Variieren der Höhe der Wellenleiterfläche 122a der Rippe 122 ab der zweiten leitenden Oberfläche 110a zugelassen ist. Eine solche Konstruktion stellt ebenfalls Wirkungen ähnlich denjenigen bereit, die durch die Konstruktion aus 9C erzielt werden. Ähnliche Wirkungen können auch erzielt werden, indem sichergestellt wird, dass die Wellenleiterfläche eine glatt variierende Breite hat. Somit können Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Konstruktion mit einer glatt variierenden Distanz zwischen der dritten leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 und der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und auch eine Konstruktion einschließen, bei der die Wellenleiterfläche 122a eine glatt variierende Breite hat. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind nicht auf Konstruktionen begrenzt, bei denen Zusatzelemente klar definiert sind (z.B. eine Konstruktion, bei der Erhebungen oder Ausnehmungen arrayartig angeordnet sind).
Erhebungen, die zum Verschmälern der Beabstandung zwischen der dritten leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 und der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 relativ zu jedweder benachbarten Stelle dienen, und breite Abschnitte, die zum Verbreitern der Breite der Wellenleiterfläche 122a relativ zu jedweder benachbarten Stelle dienen, können in der vorliegenden Spezifikation als „Zusatzelemente eines ersten Typs“ bezeichnet sein. Ein Zusatzelement eines ersten Typs hat die Funktion, die Kapazität der Übertragungsleitung zu erhöhen. Darüber hinaus können Ausnehmungen, die zum Verbreitern der Beabstandung zwischen der dritten leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 und der Wellenleiterfläche 122a relativ zu jedweder benachbarten Stelle dienen, und schmale Abschnitte, die zum Verschmälern der Breite der Wellenleiterfläche 122a relativ zu jedweder benachbarten Stelle dienen, als „Zusatzelemente eines zweiten Typs“ bezeichnet sein. Ein Zusatzelement des zweiten Typs hat die Funktion, die Induktanz der Übertragungsleitung zu erhöhen. Bei einer Implementierung weisen die Zusatzelemente ein beziehungsweise mehrere Zusatzelemente eines ersten Typs und/oder ein beziehungsweise mehrere Zusatzelemente eines zweiten Typs auf. Ein Zusatzelement eines ersten Typs kann zu einem Zusatzelement eines zweiten Typs oder zu einer Stelle benachbart sein, an der kein Zusatzelement vorgesehen ist (in der vorliegenden Spezifikation auch als „neutraler Abschnitt“ bezeichnet). Ebenso kann ein Zusatzelement eines zweiten Typs zu einem Zusatzelement eines ersten Typs oder einem neutralen Abschnitt benachbart sein. Die Distanz zwischen den Mitten von zwei solchen benachbarten Elementen kann beispielsweise auf einen Wert eingestellt sein, der länger als 1/8 der Wellenlänge λ_R innerhalb des Wellenleiters ist, oder auf einen Wert, der länger als 1,15/8 der zentralen Wellenlänge λo im freien Raum ist. Weiter bevorzugt, kann die Distanz zwischen den Mitten von zwei benachbarten Elementen auf einen Wert eingestellt sein, der gleich oder größer als 1,5/8 von λo ist.
Als Zusatzelement ist in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine besondere Struktur, die als Erhebung und dabei als schmaler Abschnitt angesehen werden kann, oder eine besondere Struktur verwendbar, die als Ausnehmung und dabei als breiter Abschnitt angesehen werden kann. Eine Struktur, die eine Erhebung ist, welche die Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu einer benachbarten Stelle verschmälert, und dabei ein schmaler Abschnitt ist, der die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu einer benachbarten Stelle verschmälert, kann in der vorliegenden Spezifikation als „Zusatzelement eines dritten Typs“ bezeichnet sein. Außerdem kann eine Struktur, die eine Ausnehmung ist, welche die Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle verbreitert, und dabei ein breiter Abschnitt ist, der die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle verbreitert, als „Zusatzelement eines vierten Typs“ bezeichnet sein. Abhängig von ihrer Struktur können ein Zusatzelement eines dritten Typs und ein Zusatzelement eines vierten Typs jeweils als Kapazitätskomponente oder als Induktanzkomponente funktionieren. Die Zusatzelemente können als solche ein beziehungsweise mehrere Zusatzelemente eines dritten Typs und/oder ein beziehungsweise mehrere Zusatzelement eines vierten Typs aufweisen. Ein Zusatzelement eines dritten Typs kann zu einem Zusatzelement eines vierten Typs oder einem neutralen Abschnitt benachbart sein, an dem kein Zusatzelement vorgesehen ist. Ebenso kann ein Zusatzelement eines vierten Typs zu einem Zusatzelement eines dritten Typs oder einem neutralen Abschnitt benachbart sein. Die Distanz zwischen den Mitten von zwei solchen benachbarten Elementen kann beispielsweise auf einen Wert eingestellt sein, der länger als 1/8 von λ_R ist, oder auf einen Wert, der länger als 1,15/8 von λο ist. Weiter bevorzugt, kann diese Distanz zwischen den Mitten gleich oder größer als 1,5/8 von λο sein.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann auch lokal jede Struktur mit einer Periode aufweisen, die kleiner als 1/4 der Wellenlänge λ_R in einem Wellenleiter ohne Erhebungen oder Ausnehmungen usw. ist. 13A ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für solche Konstruktionen schematisch zeigt. In diesem Beispiel hat das Wellenleiterbauglied 122 eine Vielzahl von sehr kleinen Ausnehmungen 122d. Jede Ausnehmung 122d hat entlang derY-Richtung eine Abmessung, die kleiner als λ_R/8 ist. Die Vielzahl von Ausnehmungen 122d ist an Positionen in der Nähe der entgegengesetzten Enden einer jeden Rippe, jedoch nicht in dem zentralen Abschnitt vorgesehen. Die Periode der Vielzahl von Ausnehmungen 122d an den entgegengesetzten Enden einer jeden Rippe ist kleiner als λ_R/4.
13B ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. In diesem Beispiel hat das Wellenleiterbauglied 122 eine Vielzahl von sehr kleinen Erhebungen 122b. Die Größe einer jeden Erhebung entlang derY-Richtung ist kleiner als λ_R/8. An jeder Rippe des Wellenleiterbauglieds 122 ist die Dichte der Erhebungen 122b in der Nähe des zentralen Abschnitts höher und wird in Richtung der entgegengesetzten Enden niedriger. Entsprechend diesem Beispiel können auf Basis dessen, wie dicht oder wenig dicht die sehr kleinen Zusatzelemente sind (d.h. Unterschieden in der Dichte) Variationen der durchschnittlichen Induktanz oder Kapazität entstehen. Bei einer solchen Implementierung beziehen sich „Maximalposition“ und „Minimalposition“ jeweils auf eine Region mit einer gewissen Ausdehnung, die eine Vielzahl sehr kleiner Zusatzelemente enthält.
Bei den in 13A und 13B gezeigten Beispielen sind die sehr kleinen Ausnehmungen 122d und die sehr kleinen Erhebungen 122b in Intervallen angeordnet, die lokal kürzer als λ_R/4 oder 1,15λo/4 sein können. Jedoch ist mit Bezug auf jede Wiederholungseinheit, die aus Erhebungen und Ausnehmungen besteht, die Wiederholungsperiode länger als λ_R/4 oder 1,15λο/4. Anders ausgedrückt, wird eine Modulation mit einer Periode, die länger als λ_R/4 oder 1,15λo/4 ist, über die Intervalle zwischen den sehr kleinen Ausnehmungen 122d und den sehr kleinen Erhebungen 122b gelegt.
13C ist eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung schematisch zeigt. In dieser Ausführungsform weist das Wellenleiterbauglied 122 Erhebungen zweier Typen mit unterschiedlichen Höhen auf. Die Erhebungen zweier Typen wechseln sich in gleichen Intervallen ab. Die Beabstandung zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der dritten leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 ist entlang derY-Richtung periodisch variiert. Anders ausgedrückt, ist die Induktanz und/oder die Kapazität des Wellenleiters entlang derY-Richtung periodisch variiert. Die Periode dieser Variation ist kürzer als 1/2 des Schlitzintervalls. In diesem Beispiel kommen drei Arten von Positionen mit wechselseitig variierender Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122a in der Weise vor, dass sie entlang derY-Richtung benachbart sind. Somit kann das Wellenleiterbauglied 122 so strukturiert sein, dass eine Vielzahl von Erhebungen mit unterschiedlichen Höhen darauf vorgesehen ist. Durch geeignete Einstellung der Höhen der Erhebungen entsprechend den gewünschten Eigenschaften wird es möglich, die Phase einer elektromagnetischen Welle, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet, und den Anregungszustand eines jeden Schlitzes 112 einzustellen. Ohne auf eine Vielzahl von Erhebungen mit unterschiedlichen Höhen begrenzt zu sein, können ähnliche Einstellungen auch vorgenommen werden, indem eine Vielzahl von Ausnehmungen mit unterschiedlichen Tiefen oder eine Vielzahl von breiten Abschnitten oder schmalen Abschnitten mit unterschiedlichen Breiten vorgesehen wird. Statt auf dem Wellenleiterbauglied 122 kann eine Vielzahl von Erhebungen oder eine Vielzahl von Ausnehmungen auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 vorgesehen sein. Zwischen den zwei äußersten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen 112 kann die Beabstandung zwischen der dritten leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122a oder die Breite der Wellenleiterfläche 122a in vier oder mehr Stufen variieren.
13D ist ein Diagramm, das eine Beispielkonstruktion zeigt, bei die Beabstandung (des Zwischenraums) zwischen der leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122a an mehr Positionen variieren gelassen wird als in dem Beispiel aus 13C, so dass der Zwischenraum über eine kürzere Distanz variiert ist. In diesem Beispiel existieren sechs Arten von Positionen mit wechselseitig variierender Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122a. Obwohl der Zwischenraum über eine Distanz variiert, die kürzer als λ_R/4 oder 1,15λο/4 ist, ist mit Bezug auf jede aus Erhebungen und Ausnehmungen bestehende Wiederholungseinheit die Wiederholungsperiode länger als λ_R/4 oder 1,15λο/4.
Entsprechend den in 13C und 13D gezeigten Beispielen kann der Wellenleiter, der zwischen dem leitenden Bauglied 120 und dem Wellenleiterbauglied 122 existiert, mindestens drei Arten Orte mit wechselseitig variierender Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122a aufweisen. Ebenso kann das Wellenleiterbauglied 122 mindestens drei Arten Orte mit wechselseitig variierender Breite der Wellenleiterfläche 122a aufweisen. Es ist nicht notwendig, dass von den mindestens drei Orten alle zwischen jeweils zwei entlang derY-Richtung benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen 112 vorgesehen sind; vielmehr genügt es, wenn die mindestens drei Orte zwischen den zwei äußersten Schlitzen vorgesehen sind. Bei diesen Implementierungen können die Beabstandung zwischen der leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122a oder die Breite der Wellenleiterfläche 122a entweder periodisch oder aperiodisch entlang der Wellenleiterfläche 122a variieren. Im Fall, dass sie periodisch variiert, kann ihre Periode gleich oder kleiner als λ_R/4 oder 1,15λο/4, wie oben beschrieben, oder größer als diese Werte sein.
14A ist ein Diagramm, das noch eine weitere Struktur für das Wellenleiterbauglied 122 zeigt. 14A ist eine Draufsicht von oben, die eine Beispielanordnung des ersten leitenden Bauglieds 110, des Wellenleiterbauglieds 122 und der Vielzahl von Stäben 124 zeigt. Statt die Distanz zwischen der leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 und der Wellenleiterfläche 122a variieren zu lassen, ist in diesem Beispiel die Breite der Wellenleiterfläche 122a variiert. Auch bei einer solchen Konstruktion ist die Kapazität in der Nähe der Mitte zwischen zwei benachbarten Schlitzen 112 entlang derY-Richtung (in der sich das Wellenleiterbauglied 122 erstreckt) erhöht, und somit werden ähnliche Wirkungen wie durch die z.B. in 9C gezeigte Konstruktion erzielt. Obwohl bei diesem Beispiel anstelle der oben genannten Erhebungen breite Abschnitte 122e eingesetzt werden, können auch schmale Abschnitte anstelle der oben genannten Ausnehmungen verwendet werden. Des Weiteren können als Zusatzelemente auch Strukturen verwendet werden, die gegenüber den Abschnitten ohne Zusatzelemente (d.h. neutralen Abschnitten) Veränderungen sowohl der Höhe als auch der Breite aufweisen. Außerdem können anstelle von Erhebungen, Ausnehmungen, breiten Abschnitten oder schmalen Abschnitten auch Abschnitte mit einer dielektrischen Konstante, die sich von der dielektrischen Konstante der Umgebung unterscheidet, als Zusatzelemente an geeigneten Positionen zwischen der leitenden Oberfläche 110a und der Wellenleiterfläche 122a vorgesehen sein.
14B ist ein Diagramm, das noch eine weitere Struktur für das Wellenleiterbauglied 122 zeigt. Diese Figur ist auf die gleiche Weise wie 14A gezeichnet. Während 14A ein Beispiel illustriert, bei dem die breiten Abschnitte 122e in gleichen Intervallen entlang der Y-Richtung angeordnet sind, in der sich das Wellenleiterbauglied 122 erstreckt, sind in diesem Beispiel die breiten Abschnitte 122e nicht in gleichen Intervallen angeordnet. Das Intervall zwischen dem ersten breiten Abschnitt 122e und dem zweiten breiten Abschnitt 122e, in 14B in derY-Richtung von oben gezählt, ist größer als das Intervall zwischen dem zweiten breiten Abschnitt 122e und dem dritten breiten Abschnitt 122e. Außerdem weist das Wellenleiterbauglied 122 auch schmale Abschnitte 122f auf. Auf den vierten breiten Abschnitt 122e folgen vier schmale Abschnitte 122f. Bei diesen ist das Intervall zwischen dem ersten schmalen Abschnitt 122f und dem zweiten schmalen Abschnitt 122f, in derY-Richtung von oben gezählt, kleiner als das Intervall zwischen dem zweiten schmalen Abschnitt 122f und dem dritten schmalen Abschnitt 122f.
Indem die Intervalle zwischen breiten Abschnitten oder schmalen Abschnitten (d.h. Abschnitten mit verschmälerter Breite) lokal variiert werden oder sowohl breite als auch schmale Abschnitte vorgesehen werden, können der Schlitz-Array-Antenne auf diese Weise erforderliche Eigenschaften verliehen werden.
Zusatzelemente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können als Elemente angesehen werden, die wie Konzentrierte-Parameter-Elemente lokal zu einer Verteilte-Konstante-Schaltung hinzugefügt sind, die eine bestimmte charakteristische Impedanz hat. Das Anordnen solcher Zusatzelemente an geeigneten Positionen ermöglicht flexible Einstellungen, die an die Anwendung oder den Zweck angepasst sind. Beispielsweise ist die Verstärkung maximierbar durch: Einstellen der Wellenlänge einer Signalwelle innerhalb des Wellenleiters auf eine gewünschte Länge und Anwenden einer Stehwellen-Reihenspeisung oder Wanderwellenspeisung, um eine Anregung mit gleicher Amplitude und gleicher Phase zu bewirken. Alternativ ist es möglich, eine Richtcharakteristik durch absichtliches Einführen einer gewünschten Phasendifferenz zwischen den Schlitzen einzustellen oder durch die Anwendung von Wanderwellenspeisung elektromagnetische Wellen mit einer gewünschten Intensität aus einer Vielzahl von Schlitzen abzustrahlen. Somit ist die Technik der vorliegenden Offenbarung für vielfältige Zwecke oder Anwendungen anwendbar.
Als Nächstes werden spezifischere Beispielkonstruktionen für Wellenleitervorrichtungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass unnötig ausführliche Beschreibungen weggelassen sein können. Beispielsweise sind ausführliche Beschreibungen technisch bekannter Sachverhalte oder redundante Beschreibungen von im Wesentlichen gleichen Ausbildungen möglicherweise weggelassen. Hierdurch soll eine übermäßig lange Beschreibung vermieden und dem Fachmann das Verständnis erleichtert werden. Die beigefügten Zeichnungen und die folgende Beschreibung, die von den Erfindern vorgelegt werden, um dem Fachmann ein ausreichendes Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen, sollen den Umfang der Ansprüche nicht einschränken. In der vorliegenden Spezifikation sind identische oder ähnliche Bestandteile mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
<Ausführungsform 1>
15A ist eine Draufsicht, die schematisch eine Teilkonstruktion einer Schlitzantennenvorrichtung 300 (nachfolgend auch einfach als „Antennenvorrichtung 300“ bezeichnet) gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. 15B ist eine perspektivische Ansicht, die spezifischer die Struktur eines ersten leitenden Bauglieds 110 der Antennenvorrichtung 300 und eines Wellenleiterbauglieds 122 darauf zeigt. In 15B ist eine Vielzahl leitender Stäbe 124 bis auf einige mit schwachfarbigen Linien gezeigt. 15C ist ein Diagramm, das eine Querschnittsstruktur der Antennenvorrichtung 300, an einem Querschnitt genommen, der durch die Mitten einer Vielzahl von Schlitzen 112 verläuft und zu der YZ-Ebene parallel ist, schematisch zeigt.
Die Antennenvorrichtung 300 der vorliegenden Ausführungsform hat eine Schlitzantennen-Arraystruktur, deren Strahlelemente eine Vielzahl von Schlitzen 112 sind. Das erste leitende Bauglied 110 weist die Vielzahl von Schlitzen 112 auf. Die Vielzahl von Schlitzen 112 ist arrayartig entlang der Y-Richtung angeordnet, in der sich das Wellenleiterbauglied 122 erstreckt. Die Vielzahl von Schlitzen 112 weist vier Schlitze 112A, 112B, 112C und 112D auf.
Das Wellenleiterbauglied 122 ist an den Positionen der Vielzahl von Schlitzen 112 in eine Vielzahl von Abschnitten („Rippen“) geteilt. Das Wellenleiterbauglied 122 weist in der vorliegenden Ausführungsform fünf Rippen 122Ch, 122A, 122B, 122C und 122D auf, die auf einer Geraden liegen. Aus einer Richtung senkrecht zu der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds 122 gesehen, ist jeder Schlitz 112 zwischen Enden von zwei benachbarten aus der Vielzahl von Rippen angeordnet. Spezifisch ist der Schlitz 112A zwischen der Rippe 122Ch und die Rippe 122A angeordnet. Der Schlitz 112B ist zwischen der Rippe 122A und der Rippe 122B angeordnet. Der Schlitz 112C ist zwischen der Rippe 122B und der Rippe 122C angeordnet. Der Schlitz 112D ist zwischen der Rippe 122C und der Rippe 122D angeordnet.
In der folgenden Beschreibung können die Schlitze 112A, 112B, 112C und 112D ohne Unterscheidung gemeinsam als „Schlitze 112“ wiedergegeben sein. Ebenso können die Rippen 122Ch, 122A, 122B, 122C und 122D ohne Unterscheidung gemeinsam als „Rippen 122“ wiedergegeben sein. Gleiches gilt für jeden anderen Bestandteil.
Benachbart zu dem äußersten Schlitz 112A aus der Vielzahl von Schlitzen 112 ist eine Drosselstruktur 150 vorgesehen. Die Drosselstruktur kann beispielsweise gebildet sein aus: einer zusätzlichen Übertragungsleitung mit einer Länge von ungefähr λ0/8; und einer Zeile aus mehreren Vertiefungen mit einer Tiefe von ungefähr λ0/4 oder einer Zeile aus mehreren leitenden Stäben 124 mit einer Höhe von ungefähr λ0/4, die an einem Ende der zusätzlichen Übertragungsleitung angeordnet sind. In der vorliegenden Ausführungsform weist die Drosselstruktur 150 die Rippe 122Ch und einen oder mehrere leitende Stäbe 124 auf, die entlang derY-Richtung nah an der Rippe 122Ch angeordnet sind. In diesem Fall entspricht die zusätzliche Übertragungsleitung dem Wellenleiter, dersich zwischen der Rippe 122Ch und der dritten leitenden Oberfläche 120a erstreckt. In der folgenden Beschreibung wird die Rippe, die in der Drosselstruktur 150 enthalten ist, als „Drosselrippe“ bezeichnet.
Die Drosselstruktur 150 verleiht eine Phasendifferenz von circa 180°(π) zwischen einer einfallenden Welle und einer reflektierten Welle, wodurch das Lecken elektromagnetischer Wellen an dem Ende des Wellenleiterbauglieds 122 eingeschränkt wird. Statt auf dem ersten leitenden Bauglied 110 kann eine solche Drosselstruktur 150 auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 vorgesehen sein.
Herkömmlicherweise wurde angenommen, dass die Länge der zusätzlichen Übertragungsleitung einer Drosselstruktur λr/4 sein sollte. λr ist hier die Wellenlänge einer Signalwelle auf der Übertragungsleitung. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass auch dann, wenn die Länge der zusätzlichen Übertragungsleitung der Drosselstruktur kürzer als λr/4 ist, ein Lecken elektromagnetischer Wellen noch unterdrückt werden kann und eine tatsächlich bessere Funktionalität als im Fall von λr/4 erzielt werden kann. Tatsächlich ist die Länge der zusätzlichen Übertragungsleitung bevorzugt λ0/4 oder weniger, d.h. kürzer als λr/4. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Länge der zusätzlichen Übertragungsleitung, d.h. die Länge der Drosselrippe 122Ch entlang derY-Richtung, beispielsweise gleich oder größer als λ0/16 und kleiner als λ0/4 eingestellt.
Die in der Drosselstruktur 150 enthaltenen leitenden Stäbe 124 können eine andere Form als die leitenden Stäbe 124 haben, die in dem künstlichen magnetischen Leiter enthalten sind, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 erstreckt. Die Drosselrippe 122Ch kann die gleiche Form wie der leitende Stab 124 haben.
In der vorliegenden Ausführungsform weist der künstliche magnetische Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 erstreckt, eine Zeile leitender Stäbe 124, die in der +X-Richtung zu dem Wellenleiterbauglied 122 benachbart liegen, und eine Zeile leitender Stäbe 124 auf, die in der -X-Richtung zu dem Wellenleiterbauglied 122 benachbart liegen. In jeder solchen Zeile leitender Stäbe 124 ist die Vielzahl leitender Stäbe 124 entlang der Y-Richtung angeordnet. Der künstliche magnetische Leiter auf einer Seite des Wellenleiterbauglieds 122 kann zwei oder mehr Zeilen leitender Stäbe 124 aufweisen. Wie noch beschrieben wird, ist in der vorliegenden Offenbarung auch eine einzelne Zeile leitender Stäbe 124 als künstlicher magnetischer Leiter anzusehen.
Das Wellenleiterbauglied 122 hat eine Vielzahl von Ausnehmungen 122d auf der Wellenleiterfläche. Jede der drei Rippen 122A, 122B und 122C hat zwei Ausnehmungen 122d, die jeweils zwischen dem zentralen Abschnitt der Rippe auf der Wellenleiterfläche und den entgegengesetzten Enden angeordnet sind. Die Ausnehmungen 122d stellen die relativen Phasendifferenzen zwischen den Signalwellen an den Positionen der Schlitze 112 in geeigneter Weise ein, wodurch gewünschte Abstrahleigenschaften oder Empfangseigenschaften realisiert werden.
Wie in 15C gezeigt, ist der Wellenleiter, der sich zwischen dem Wellenleiterbauglied 122 und dem zweiten leitenden Bauglied 120 erstreckt, entweder direkt oder über einen anderen Wellenleiter mit einem Sender oder einem Empfänger verbunden. Der andere Wellenleiter kann beispielsweise einen anderen Rippenwellenleiter, nicht gezeigt, einen Hohlwellenleiter oder eine Mikrostreifenleitung aufweisen. Der Sender oder Empfänger kann in einer anderen Schicht als der Schicht vorgesehen sein, in der der in 15C gezeigte Wellenleiter gebildet ist. In diesem Fall ist ein Wellenleiter einzusetzen, der zwischen solchen Schichten verbindet.
Der Sender ist eine Vorrichtung oder Schaltung, die dem Wellenleiter in der Antennenvorrichtung 300 Leistung zuführt und das Abstrahlen einer Signalwelle aus jedem Schlitz 112 bewirkt. Der Empfänger ist eine Vorrichtung oder Schaltung, die eine Signalwelle empfängt, welche auf den jeweiligen Schlitz 112 der Antennenvorrichtung 300 aufgetroffen ist und sich durch den Wellenleiter ausgebreitet hat. Der Sender und der Empfänger können jeweils beispielsweise als integrierte Millimeterwellenschaltung implementiert sein. Die Antennenvorrichtung 300 kann mit einer Vorrichtung verbunden sein, die als Sender wie auch als auch als Empfänger funktioniert.
Während des Sendens breitet sich eine Signalwelle, die aus dem Sender zugeführt ist, durch den Wellenleiter aus, der sich zwischen dem Wellenleiterbauglied 122 und dem zweiten leitenden Bauglied 120 erstreckt, und regt die Vielzahl von Schlitzen 112 an. Infolgedessen werden Signalwellen abgestrahlt. Umgekehrt breiten sich während des Empfangs Signalwellen, die auf die Vielzahl von Schlitzen 112 auftreffen, durch den Wellenleiter aus, der sich zwischen dem Wellenleiterbauglied 122 und dem zweiten leitenden Bauglied 120 erstreckt, und treffen an dem Empfänger ein. Infolgedessen werden Signalwellen empfangen.
Die Intervalle zwischen der Vielzahl von Schlitzen 112 sind beispielsweise ungefähr gleich der Wellenlänge einer Signalwelle eingestellt, die sich in dem Wellenleiter ausbreitet. In diesem Fall werden Signalwellen mit gleicher Phase aus den jeweiligen Schlitzen 112 abgestrahlt. Zu anderen Zwecken, z.B. zur Reduzierung von Seitenkeulen usw., können sich die Intervalle zwischen den Schlitzen 112 von der Wellenlänge einer Signalwelle in dem Wellenleiter unterscheiden.
15D ist eine perspektivische Ansicht, die zwei benachbarte Strahlelemente aus der Vielzahl von Strahlelementen in der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In 15D sind die Vielzahl leitender Stäbe 124 und das zweite leitende Bauglied 120 in der Darstellung weggelassen.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform hat ein Querschnitt eines jeden Schlitzes 112, der senkrecht zu seiner Mittelachse steht, eine H-Form. Die Mittelachse eines Schlitzes 112 ist als eine Achse definiert, die durch die Mitte des Schlitzes 112 verläuft und zu der mit Öffnung versehenen Ebene des Schlitzes 112 senkrecht steht. Mit „H-Form“ ist eine Form gemeint, die wie der Buchstabe „H“ zwei vertikale Abschnitte, die im Wesentlichen parallel zueinander sind, und einen lateralen Abschnitt aufweist, der zwischen den zentralen Abschnitten der zwei vertikalen Abschnitte verbindet. Die Verwendung eines H-förmigen Schlitzes 112 erlaubt gegenüber der in 7A gezeigten Form des Schlitzes 112 eine Reduzierung der Breite entlang einer Richtung senkrecht zu der E-Ebene . Es wird angemerkt, dass die E-Ebene eine Ebene ist, die elektrische Feldvektoren enthält, welche in dem zentralen Abschnitt eines Schlitzes 112 zu erzeugen sind. In den Beispielen aus 7A und 15A ist die E-Ebene zu derYZ-Ebene parallel.
Mit der obigen Konstruktion ist eine Schlitzantennenvorrichtung zu Sendezwecken oder zu Empfangszwecken realisiert, deren Strahlelemente die Vielzahl von Schlitzen 112 sind. Da eine WRG-Struktur wie in einem Vergleichsbeispiel genutzt wird, ist gegenüber einer Antenne, bei der Mikrostreifenleitungen genutzt werden, eine verlustarme Antenne auch in den Hochfrequenzregionen realisierbar. Des Weiteren stellt gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Vielzahl der Ausnehmungen 122d in der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds 122 den Anregungszustand eines jeden Schlitzes in geeigneter Weise ein.
<Ausführungsform 2>
Als Nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
16A ist eine Draufsicht, die eine Teilkonstruktion einer Schlitzantennenvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Ein Unterschied zwischen der vorliegenden Ausführungsform und der Ausführungsform 1 besteht darin, dass die Form der Öffnung eines jeden Schlitzes 112 eine I-Form ist. Mit „I-Form“ ist eine Form gemeint, die sich wie der Buchstabe „I“ wie eine Gerade erstreckt. Ansonsten ist die vorliegende Ausführungsform der Ausführungsform 1 ähnlich.
16B ist eine perspektivische Ansicht, die zwei Strahlelemente von vier Strahlelementen zeigt. In 16B ist die Vielzahl von leitenden Stäben 124 aus der Darstellung weggelassen. Auch wenn I-förmige Schlitze 112 als Strahlelemente verwendet werden, ist ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 eine effiziente Schlitzantenne realisierbar.
Die erste leitende Oberfläche 110b des ersten leitenden Bauglieds 110 kann eine Form haben, die mindestens ein Horn definiert, das mit mindestens einem Schlitz 112 kommuniziert. Durch das Vorsehen eines beziehungsweise mehrerer solcher Hörner wird der Grad der Impedanzanpassung erhöht, wodurch die Signalwellenreflexion unterdrückt werden kann.
17 ist eine perspektivische Ansicht, die zwei Strahlelemente gemäß einer Variante der Ausführungsform 2 zeigt. In 17 sind die Vielzahl leitender Stäbe 124 und das zweite leitende Bauglied 120 in der Darstellung weggelassen. Bei dieser Variante hat die erste leitende Oberfläche 110b des ersten leitenden Bauglieds 110 auf der Vorderseite eine Form, die eine Vielzahl von Hörnern 114 definiert, welche jeweils mit der Vielzahl von Schlitzen 112 kommunizieren. In diesem Beispiel ist die Vielzahl von Schlitzen 112jeweils durch die Vielzahl von Hörnern 114 zu dem äußeren Raum offen. Durch das Vorsehen solcher Hörner 114 kann die charakteristische Impedanz innerhalb jedes Schlitzes allmählich der charakteristischen Impedanz im freien Raum nähergebracht werden, wodurch ein verbesserter Abstrahlwirkungsgrad erzielt werden kann.
18A ist eine perspektivische Ansicht, die ein Strahlelement gemäß einer weiteren Variante der Ausführungsform 2 zeigt. Die Schlitzantennenvorrichtung aus diesem Beispiel weist ferner ein weiteres leitendes Bauglied 160 mit einer leitenden Oberfläche auf, die zu der leitenden Oberfläche 110b auf der Vorderseite des ersten leitenden Bauglieds 110 entgegengesetzt ist. Das weitere leitende Bauglied 160 hat in diesem Beispiel vier weitere Schlitze 111. 18B ist ein Diagramm, das das Strahlelement aus 18A zeigt, welches so illustriert ist, dass die Beabstandung zwischen dem ersten leitenden Bauglied 110 und dem weiteren leitenden Bauglied 160 übertrieben ist. Die Vielzahl leitender Stäbe 124, die sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122 erstrecken, und das zweite leitende Bauglied 120 mit einer leitenden Oberfläche, die zu der Wellenleiterfläche des Wellenleiterbauglieds 122 entgegengesetzt ist, sind in 18A und 18B in der Darstellung weggelassen.
In 17 sind die Schlitze 112 jeweils so gezeigt, dass sie mit den Hörnern 114 kommunizieren; in dem Beispiel aus 18A dagegen kommuniziert der Schlitz 112 mit einem Hohlraum 180. Der Hohlraum 180 ist ein flacher hohler Raum, der von der ersten leitenden Oberfläche 110b, einer Vielzahl leitender Stäbe 170 auf der Vorderseite des ersten leitenden Bauglieds 110 und von der leitenden Oberfläche auf der Rückseite des leitenden Bauglieds 160 umgeben ist. In diesem Beispiel ist der Schlitz 112 über den Hohlraum 180 zu dem äußeren Raum offen. In den Beispielen aus 18A und 18B existiert zwischen den führenden Enden der Vielzahl leitender Stäbe 170 und der leitenden Oberfläche auf der Rückseite des weiteren leitenden Bauglieds 160 ein Zwischenraum. Die Wurzeln der Vielzahl leitender Stäbe 170 sind mit der ersten leitenden Oberfläche 110b des ersten leitenden Bauglieds 110 verbunden. Es kann eine Konstruktion verwendet werden, bei der die Vielzahl leitender Stäbe 170 mit dem weiteren leitenden Bauglied 160 verbunden ist. In diesem Fall ist jedoch sichergestellt, dass zwischen den führenden Enden der Vielzahl leitender Stäbe 170 und der ersten leitenden Oberfläche 110b ein Zwischenraum existiert.
Das weitere leitende Bauglied 160 hat vier weitere Schlitze 111, so dass alle Schlitze 111 mit dem Hohlraum 180 kommunizieren. Eine Signalwelle, die aus dem Schlitz 112 in den Hohlraum 180 abgestrahlt wird, wird über die vier weiteren Schlitze 111 in Richtung der Vorderseite des weiteren leitenden Bauglieds 160 abgestrahlt. Es wird angemerkt, dass eine Struktur verwendet werden kann, bei der auf der Vorderseite des weiteren leitenden Bauglieds 160 Hörner angeordnet sind, wobei die weiteren Schlitze 111 sich an den Unterseiten der Hörner öffnen. In diesem Fall wird eine Signalwelle, die aus dem Schlitz 112 abgestrahlt wird, über den Hohlraum 180, die weiteren Schlitze 111 und die Hörner abgestrahlt.
Hörner wie die in 17 gezeigten können für die Schlitzantennenvorrichtung 300 mit H-förmigen Schlitzen 112 aus Ausführungsform 1 vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Konstruktion verwendet werden, wie in 19 und 20 gezeigt. 19 ist ein Diagramm, das ein erstes leitendes Bauglied 110 einer Schlitzantennenvorrichtung 300, in dem eine Vielzahl von Hörnern 114 jeweils um eine Vielzahl H-förmiger Schlitze 112 vorgesehen ist, von der Rückseite gesehen zeigt. In 19 sind die Hörner 114, die sich tatsächlich hinter der Ebene der Figur befinden, ebenfalls illustriert, um ein leichteres Verständnis ihrer jeweiligen Positionierung zu ermöglichen. 20 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 19. Auch in diesem Beispiel ermöglicht das Vorsehen der Hörner 114 die Unterdrückung einer Reflexion beim Passieren durch die Schlitze 112.
<Ausführungsform 3>
Als Nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Eine Antennenvorrichtung 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist mindestens drei gestapelte leitende Bauglieder auf. Der Sender oder Empfänger ist in einer Schicht angeordnet, die weiter als das zweite leitende Bauglied 120 in Richtung der Rückseite angeordnet ist.
21A ist eine Querschnittsansicht, die die Konstruktion der Antennenvorrichtung 300 der vorliegenden Ausführungsform schematisch zeigt. Zusätzlich zu einem ersten leitenden Bauglied 110 und einem zweiten leitenden Bauglied 120 weist die Antennenvorrichtung 300 ein drittes leitendes Bauglied 140 auf. Des Weiteren weist die Antennenvorrichtung300 zusätzlich zu einem ersten Wellenleiterbauglied 122U, das mit dem ersten leitenden Bauglied 110 verbunden ist, ein zweites Wellenleiterbauglied 122L auf. Das zweite Wellenleiterbauglied 122L ist zwischen dem zweiten leitenden Bauglied 120 und dem dritten leitenden Bauglied 140 angeordnet.
Das erste leitende Bauglied 110 ist in der Struktur grundsätzlich identisch mit dem ersten leitenden Bauglied 110 in Ausführungsform 1 oder Ausführungsform 2. Jedoch sind in der vorliegenden Ausführungsform zwei Drosselstrukturen 150U nahe den beiden Enden des Wellenleiterbauglieds 122U vorgesehen. Die Drosselstrukturen 150U beschränken eine Ausbreitung von Signalwellen, die in Zweigen von dem zentralen Abschnitt der Zeile aus vier Schlitzen 112 zugeführt werden, über die zwei Schlitze 112 hinaus an entgegengesetzten Enden.
Das erste Wellenleiterbauglied 122U hat eine Vielzahl von Ausnehmungen, die entlang derY-Richtung periodisch auf der Wellenleiterfläche 122La angeordnet sind. Diese Ausnehmungen verkürzen die Wellenlänge innerhalb des Wellenleiters, wodurch die Intervalle zwischen den Schlitzen 112 reduziert werden können.
Zusätzlich zu der dritten leitenden Oberfläche 120a auf der Vorderseite hat das zweite leitende Bauglied 120 eine vierte leitende Oberfläche 120b auf der Rückseite. Das zweite leitende Bauglied 120 hat einen Port 145 (Durchgangsloch), der sich von der dritten leitenden Oberfläche 120a zu der vierten leitenden Oberfläche 120b erstreckt. Der Port 145 ist zu dem zentralen Abschnitt der Wellenleiterfläche 122Ua des Wellenleiterbauglieds 122U entgegengesetzt. Anders ausgedrückt: Aus einer Richtung senkrecht zu der ersten leitenden Oberfläche 110b gesehen, ist der Port 145 in der Mitte der Zeile aus vier Schlitzen 112 angeordnet.
Das dritte leitende Bauglied 140 hat eine fünfte leitende Oberfläche 140a auf der Vorderseite, wobei die fünfte leitende Oberfläche 140a zu der vierten leitenden Oberfläche 120b entgegengesetzt ist. Auf der fünften leitenden Oberfläche 140a des dritten leitenden Bauglieds 140 ist das rippenförmige zweite Wellenleiterbauglied 122L vorgesehen.
Das zweite Wellenleiterbauglied 122L erstreckt sich in derY-Richtung entlang der vierten leitenden Oberfläche 120b. Das zweite Wellenleiterbauglied 122L hat eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche 122La, die zu der vierten leitenden Oberfläche 120b entgegengesetzt ist. Die Wellenleiterfläche 122La ist auch zu dem Port 145 entgegengesetzt. Aus einer Richtung senkrecht zu der Wellenleiterfläche 122La gesehen, erstreckt sich das zweite Wellenleiterbauglied 122L zu einer Position etwas jenseits des Ports 145.
Ein künstlicher magnetischer Leiter, nicht gezeigt, erstreckt sich auf beiden Seiten des zweiten Wellenleiterbauglieds 122L. Der künstliche magnetische Leiter kann durch eine Vielzahl leitender Stäbe realisiert sein, die mindestens entweder auf der vierten leitenden Oberfläche 120b oder auf der fünften leitenden Oberfläche 140a angeordnet sind. Die vierte leitende Oberfläche 120b, die Wellenleiterfläche 122La und der künstliche magnetische Leiter definieren einen zweiten Wellenleiter in einem Zwischenraum, der sich zwischen der vierten leitenden Oberfläche 120a und der Wellenleiterfläche 122La erstreckt. Über den Port 145 ist der zweite Wellenleiter mit einem ersten Wellenleiter verbunden, der sich zwischen der Wellenleiterfläche 122Ua des ersten Wellenleiterbauglieds 122U und der dritten leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 erstreckt. Der zweite Wellenleiter ist entweder direkt oder über einen weiteren Wellenleiter, nicht gezeigt, mit einem Sender oder Empfänger verbunden.
An einem Ende des zweiten Wellenleiterbauglieds 122L ist eine Drosselstruktur 150L angeordnet. In einer Ansicht, die durch Projizieren der Öffnung des Ports 145 auf die Wellenleiterfläche 122La entsteht, wird nun ein Abschnitt, der den Bereich von dem Rand zu einem Ende des Wellenleiterbauglieds 122L überspannt, als das Wellenleiterbauglied-Ende bezeichnet. Die Drosselstruktur 150L weist einen oder mehrere leitende Stäbe 124L auf, die auf der fünften leitenden Oberfläche 140a angeordnetsind, wobei zwischen dem Wellenleiterbauglied-Ende und dem einen Ende des Wellenleiterbauglieds 122L ein Zwischenraum existiert. Die Länge des Wellenleiterbauglied-Endes entlang derY-Richtung ist ungefähr gleich der Länge der Drosselrippe 122Ch entlang der Y-Richtung. Mit einer solchen Drosselstruktur 150L wird ein Lecken einer Signalwelle unterdrückt, die sich entlang des zweiten Wellenleiterbauglieds 122L ausbreitet.
In der vorliegenden Ausführungsform breitet sich eine Signalwelle, die während des Sendens aus dem Sender zugeführt ist, entlang der Wellenleiterfläche 122La des zweiten Wellenleiterbauglieds 122L aus und gelangt durch den Port 145, um sich in zwei Richtungen zu verzweigen. Die Signalwellen, die sich verzweigt haben, breiten sich entlang der Wellenleiterfläche 122Ua des ersten Wellenleiterbauglieds 122U aus und regen die vier Schlitze 112 an. Aus einer Richtung senkrecht zu der Wellenleiterfläche 122Ua gesehen, befinden sich die vier Schlitze 112 in Bezug auf den Port 145 an symmetrischen Positionen. Die Distanzen zwischen den Mitten dieser Schlitze 112 sind kürzer als die Wellenlänge einer Signalwelle im freien Raum. Daher werden die vier Schlitze 112 mit gleicher Phase angeregt. Auch mit einer solchen Konstruktion stellte die Vielzahl von auf der Wellenleiterfläche 122Ua angeordneten Ausnehmungen die Wirkung bereit, die Wellenlänge einer Signalwelle in dem Wellenleiter zu verkürzen, wodurch die vier Schlitze 112 mit gleicher Phase angeregt werden können. Von den vier Schlitzen 112 liegen die zwei Schlitze 112, die zu dem Port 145 benachbart sind, in gleichen Distanzen von dem Port 145 und werden daher mit gleicher Phase angeregt, ohne dass eine Vielzahl von Ausnehmungen auf der Wellenleiterfläche 122Ua vorgesehen sein muss. Zu anderen Zwecken, z.B. zur Reduzierung von Seitenkeulen usw., kann die Vielzahl von Schlitzen 112 mit unterschiedlichen Phasen angeregt sein.
Als Nächstes werden Varianten der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
21B ist eine Querschnittsansicht, die eine erste Variante der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Bei dieser Variante sind das zweite Wellenleiterbauglied 122L und die Vielzahl leitender Stäbe 124L statt auf der fünften leitenden Oberfläche 140a des dritten leitenden Bauglieds 140 auf der vierten leitenden Oberfläche 120b des zweiten leitenden Bauglieds 120 angeordnet. Daher ist die Drosselstruktur 150L auch auf der vierten leitenden Oberfläche 120b vorgesehen. Die Wellenleiterfläche 122La des zweiten Wellenleiterbauglieds 122L ist zu der fünften leitenden Oberfläche 140a entgegengesetzt. Das zweite Wellenleiterbauglied 122L erstreckt sich entlang der fünften leitenden Oberfläche 140a.
Eine Endfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds 122L ist mit der inneren Wandoberfläche des Ports 145 verbunden. Obwohl die Endfläche des zweiten Wellenleiterbauglieds 122L und die innere Wandoberfläche des Ports 145 nicht gestuft gezeigt sind, können sie alternativ gestuft sein. Ähnlich wie die Drosselstrukturen 150U auf dem ersten leitenden Bauglied 110 weist die Drosselstruktur 150L eine Drosselrippe 122Lch und einen oder mehrere leitende Stäbe 124L auf.
Bei dieser Variante definieren die fünfte leitende Oberfläche 140a, die Wellenleiterfläche 122La und der künstliche magnetische Leiter, der sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds 122L erstreckt, einen zweiten Wellenleiter in einem Zwischenraum, der sich zwischen der fünften leitenden Oberfläche 140a und der Wellenleiterfläche 122La erstreckt. Über den Port 145 ist der zweite Wellenleiter mit einem ersten Wellenleiter verbunden, der sich zwischen der Wellenleiterfläche 122Ua des Wellenleiterbauglieds 122U und der dritten leitenden Oberfläche 120a erstreckt. Der zweite Wellenleiter ist entweder direkt oder über einen weiteren Wellenleiter, nicht gezeigt, mit einem Sender oder Empfänger verbunden.
Bei den in 21A und 21B gezeigten Beispielen weisen die ersten Wellenleiterbauglieder 110 vier Schlitze 112 auf, die entlang der Y-Richtung angeordnet sind, in der sich das Wellenleiterbauglied 122U erstreckt. Ohne auf vier Schlitze 112 begrenzt zu sein, können auch fünf oder noch mehr Schlitze 112 vorhanden sein. Die Schlitze 112 brauchen außerdem nicht an symmetrischen Positionen mit Bezug auf den Port 145 zu liegen. Beispielsweise können drei Ports in der +Y-Richtung und zwei Ports in der -Y-Richtung des Ports 145 vorgesehen sein.
21C ist eine Querschnittsansicht, die eine weitere Variante der vorliegenden Ausführungsform zeigt. In diesem Beispiel ist der Port 145 in dem zweiten leitenden Bauglied 120 nahe einem Ende des Wellenleiterbauglieds 122U angeordnet. Daher breitet sich eine Signalwelle von einem Ende zu dem anderen Ende des Wellenleiterbauglieds 122U aus. Auf diese Weise kann die Speisung von einem Ende des Wellenleiterbauglieds 122U aus erfolgen. Neben dem Beispiel aus 21C können das zweite Wellenleiterbauglied 122L und der künstliche magnetische Leiter, der sich auf dessen beiden Seiten erstreckt, auf die in 21B gezeigte Weise auf dem zweiten leitenden Bauglied 120 angeordnet sein. Eine solche Konstruktion stellt ebenfalls ähnliche Eigenschaften bereit.
Obwohl in der obigen Ausführungsform jedes leitende Bauglied ein einzelnes Wellenleiterbauglied aufweist, kann es auch eine Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern aufweisen.
In den in 21A bis 21C illustrierten Ausführungsformen sind die Ausnehmungen auf der Wellenleiterfläche 122La in periodischer Anordnung gezeigt. Ihre Anordnung braucht jedoch nicht periodisch zu sein; und es brauchen auch keine Ausnehmungen zu sein. Unter den in 9A bis 9E gezeigten Ausnehmungen oder Erhebungen kann je nach Zweck ausgewählt werden. Die in 12 oder 13A bis 13C gezeigten Ausnehmungen oder Erhebungen können ebenfalls ausgewählt sein.
22 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Beispiel-Antennenvorrichtung 300 mit einer Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern 122 zeigt. Die Antennenvorrichtung 300 weist eine Vielzahl von rippenförmigen Wellenleiterbaugliedern 122 auf der zweiten leitenden Oberfläche 110a des ersten leitenden Bauglieds 110 auf. Das erste leitende Bauglied 110 hat eine Vielzahl von Schlitzen 112. Die Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern 122 weist jeweils eine Vielzahl von Rippen auf, die sich entlang eines gemeinsamen Wegs erstrecken. Aus einer Richtung senkrecht zu den Wellenleiterflächen der Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern 122 gesehen, ist jeder aus der Vielzahl von Schlitzen 112 zwischen zwei benachbarten aus der Vielzahl von Rippen angeordnet. Obwohl 22 ein Beispiel illustriert, bei dem die Schlitze 112 sich in einem eindimensionalen Array befinden, können sie auch ein zweidimensionales Array bilden. Der Vielzahl von Schlitzen 112 kann eine identische Signalwelle zugeführt werden, die auf einem Speiseweg, nicht gezeigt, verzweigt ist, oder es können unterschiedliche Signalwellen zugeführt werden.
In den Ausführungsformen 1 bis 3 ist in der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 eine Vielzahl von Ausnehmungen 122d erzeugt. Anstelle solcher Ausnehmungen 122d können schmale Abschnitte, die in der Breite kleiner als an jedweder benachbarten Stelle sind, oder Erhebungen oder breite Abschnitte vorgesehen sein. Solche Ausnehmungen oder Erhebungen können auf der dritten leitenden Oberfläche 120a des zweiten leitenden Bauglieds 120 vorgesehen sein, die zu der Wellenleiterfläche 122a entgegengesetzt ist. Durch geeignete Anordnung dieser Zusatzelemente können die Phasenunterschiede zwischen Signalwellen an den Positionen der Schlitze 112 entsprechend dem Zweck eingestellt sein.
(Weitere Varianten)
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 23 Beispiel-Querschnittsformen des Ports 145 oder der Schlitze 111, 112 spezifischer beschrieben. In der folgenden Beschreibung können der Port 145 und die Schlitze 11, 112 gemeinsam als „Durchgangslöcher“ bezeichnet sein. Jeder Port 145 oder Schlitz 111, 112 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung lässt die folgenden Abwandlungen zu.
In 23 zeigt (a) ein Beispiel für ein Durchgangsloch 1400a mit der Form einer Ellipse. Die große Halbachse La des Durchgangslochs 1400a, in der Figur durch Pfeilspitzen angezeigt, ist so gewählt, dass keine Resonanz höherer Ordnung auftritt und dass die Impedanz nicht zu klein ist. Spezifischer kann La so eingestellt sein, dass λo/4 < La < λo/2, wobei λo eine Wellenlänge im freien Raum ist, die der Mittelfrequenz in dem Betriebsfrequenzband entspricht.
In 23 zeigt (b) ein Beispiel für ein Durchgangsloch 1400b mit einer H-Form, die ein Paar vertikaler Abschnitte 113L und einen lateralen Abschnitt 113T aufweist, der das Paar vertikaler Abschnitte 113L miteinander verbindet. Der laterale Abschnitt 113T ist im Wesentlichen senkrecht zu dem Paar vertikaler Abschnitte 113L und verbindet zwischen im Wesentlichen zentralen Abschnitten des Paars vertikaler Abschnitte 113L. Form und Größe eines solchen H-förmigen Durchgangslochs 1400b sind ebenfalls so zu bestimmen, dass keine Resonanz höherer Ordnung auftritt und dass die Impedanz nicht zu klein ist. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g2 des lateralen Abschnitts 113T und der Mittellinie h2 der gesamten H-Form, die zu dem lateralen Abschnitt 113T senkrecht steht, und einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g2 und der Mittellinie k2 eines vertikalen Abschnitts 113L ist mit Lb bezeichnet. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g2 und der Mittellinie k2 und dem Ende des vertikalen Abschnitts 113L ist mit Wb bezeichnet. Die Summe aus Lb und Wb ist so gewählt, dass λo/4 < Lb + Wb < λο/2 erfüllt ist. Wenn die Distanz Wb relativ lang gewählt ist, kann die Distanz Lb relativ kurz sein. Infolgedessen kann die Breite der H-Form entlang der X-Richtung z.B. kleiner als λο/2 sein, wodurch das Intervall zwischen den lateralen Abschnitten 113T entlang der Längsrichtung kurz gestaltet sein kann.
In 23 zeigt (c) ein Beispiel für ein Durchgangsloch 1400c, das einen lateralen Abschnitt 113T und ein Paar vertikaler Abschnitte 113L aufweist, die sich von beiden Enden des lateralen Abschnitts 113T erstrecken. Die Richtungen, in denen das Paar vertikaler Abschnitte 113L sich von dem lateralen Abschnitt 113T erstreckt, sind im Wesentlichen senkrecht zu dem lateralen Abschnitt 113T und sind zueinander entgegengesetzt. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g3 des lateralen Abschnitts 113T und der Mittellinie h3 der gesamten Form, die zu dem lateralen Abschnitt 113T senkrecht steht, und einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g3 und der Mittellinie k3 eines vertikalen Abschnitts 113L ist mit Lc bezeichnet. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g3 und der Mittellinie k3 und dem Ende des vertikalen Abschnitts 113L ist mit Wc bezeichnet. Die Summe aus Lc und Wc ist so gewählt, dass λo/4 < Lc + Wc < λο/2 erfüllt ist. Wenn die Distanz Wc relativ lang gewählt ist, kann die Distanz Lc relativ kurz sein. Infolgedessen kann die Breite entlang der X-Richtung der gesamten Form in (c) aus 23 z.B. kleiner als λο/2 sein, wodurch das Intervall zwischen den lateralen Abschnitten 113T entlang der Längsrichtung kurz gestaltet sein kann.
In 23 zeigt (d) ein Beispiel für ein Durchgangsloch 1400d, das einen lateralen Abschnitt 113T und ein Paar vertikaler Abschnitte 113T aufweist, die sich von beiden Enden des lateralen Abschnitts 113T in einer identischen Richtung erstrecken, welche zu dem lateralen Abschnitt 113T senkrecht steht. Eine solche Form kann in der vorliegenden Spezifikation als „U-Form“ bezeichnet sein. Es wird angemerkt, dass die in (d) aus 23 gezeigte Form als Form der oberen Hälfte einer H-Form angesehen werden kann. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g4 des lateralen Abschnitts 113T und der Mittellinie h4 der gesamten Form, die zu dem lateralen Abschnitt 113T senkrecht steht, und einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g4 und der Mittellinie k4 eines vertikalen Abschnitts 113L ist mit Ld bezeichnet. Die Distanz zwischen einem Schnittpunkt zwischen der Mittellinie g4 und der Mittellinie k4 und dem Ende des vertikalen Abschnitts 113L ist mit Wd bezeichnet. Die Summe aus Ld und Wd ist so gewählt, dass λo/4 < Ld + Wd < λο/2 erfüllt ist. Wenn die Distanz Wd relativ lang gewählt ist, kann die Distanz Ld relativ kurz sein. Infolgedessen kann die Breite entlang der X-Richtung der U-Form z.B. kleiner als λο/2 sein, wodurch das Intervall zwischen den lateralen Abschnitten 113T entlang der Längsrichtung kurz gestaltet sein kann.
Als Nächstes werden weitere Varianten für Wellenleiterstrukturen einschließlich des leitenden Bauglieds 122, der leitenden Bauglieder 110 und 120 sowie der Vielzahl der leitenden Stäbe 124 beschrieben. Die folgenden Varianten gelten für die WRG-Struktur an jeder Stelle in jeder oben beschriebenen Ausführungsform.
24A ist eine Querschnittsansicht, die eine Beispielstruktur zeigt, bei der nur die Wellenleiterfläche 122a, die eine obere Fläche des Wellenleiterbauglieds 122 definiert, elektrisch leitend ist, während jeder andere Abschnitt des Wellenleiterbauglieds 122 außer der Wellenleiterfläche 122a nicht elektrisch leitend ist. Sowohl das leitende Bauglied 110 als auch das leitende Bauglied 120 sind gleichermaßen nur an der Oberfläche, auf der das Wellenleiterbauglied 122 vorgesehen ist (d.h. der leitenden Oberfläche 110a, 120a), jedoch in keinem anderen Abschnitt elektrisch leitend. Somit braucht von dem Wellenleiterbauglied 122, dem leitenden Bauglied 110 und dem leitenden Bauglied 120 nicht jedes elektrisch leitend zu sein.
24B ist ein Diagramm, das eine Variante zeigt, bei der das Wellenleiterbauglied 122 nicht auf dem leitenden Bauglied 120 gebildet ist. In diesem Beispiel ist das Wellenleiterbauglied 122 an einem Stützbauglied befestigt (z.B. der Innenwand des Gehäuses), welches das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied stützt. Zwischen dem Wellenleiterbauglied 122 und dem leitenden Bauglied 120 existiert ein Zwischenraum. Somit braucht das Wellenleiterbauglied 122 nicht mit dem leitenden Bauglied 120 verbunden zu sein.
24C ist ein Diagramm, das eine Beispielstruktur zeigt, bei der das leitende Bauglied 120, das Wellenleiterbauglied 122 und jeder von der Vielzahl von leitenden Stäben 124 aus einer dielektrischen Oberfläche gebildet sind, die mit einem elektrisch leitenden Material wie etwa einem Metall beschichtet ist. Das leitende Bauglied 120, das Wellenleiterbauglied 122 und die Vielzahl von leitenden Stäben 124 sind über den elektrischen Leiter miteinander verbunden. Dagegen ist das leitende Bauglied 110 aus einem elektrisch leitenden Material wie etwa einem Metall hergestellt.
24D und 24E sind Diagramme, die jeweils eine Beispielstruktur zeigen, in der dielektrische Schichten 110c und 120c jeweils auf den äußersten Oberflächen von leitenden Baugliedern 110 und 120, einem Wellenleiterbauglied 122 und leitenden Stäben 124 vorgesehen sind. 24D zeigt eine Beispielstruktur, bei der die Oberfläche leitender Metallbauglieder, die elektrische Leiter sind, mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist. 24E zeigt ein Beispiel, bei dem das leitende Bauglied 120 so strukturiert ist, dass die Oberfläche von Baugliedern, die aus einem Dielektrikum, z.B. Harz, gebildet sind, mit einem Leiter wie etwa einem Metall bedeckt ist, wobei diese Metallschicht ferner mit einer dielektrischen Schicht beschichtet ist. Die dielektrische Schicht, die die Metalloberfläche bedeckt, kann eine Beschichtung aus Harz oder dergleichen oder ein Oxidfilm einer Passivierungsbeschichtung oder dergleichen sein, die mit der Oxidation des Metalls erzeugt wird.
Die dielektrische Schicht auf der äußersten Oberfläche lässt eine Erhöhung von Verlusten in der elektromagnetischen Welle zu, die sich durch den WRG-Wellenleiter ausbreitet, vermagjedoch die leitenden Oberflächen 110a und 120a (die elektrisch leitend sind) vor Korrosion zu schützen. Sie verhindert auch Einflüsse einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung von so niedriger Frequenz, dass sie nicht zurAusbreitung auf bestimmten WRG-Wellenleitern fähig ist.
24F ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem die Höhe des Wellenleiterbauglieds 122 niedriger als die Höhe der leitenden Stäbe 124 ist und der Abschnitt der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110, die zu der Wellenleiterfläche 122a entgegengesetzt ist, in Richtung des Wellenleiterbauglieds 122 absteht. Auch eine solche Struktur funktioniert ähnlich wie die oben beschriebene Ausführungsform, solange die in 4 abgebildeten Abmessungsbereiche eingehalten sind.
24G ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem weiterhin in der Struktur aus 24F Abschnitte der leitenden Oberfläche 110a, die zu den leitenden Stäben 124 entgegengesetzt sind, in Richtung der leitenden Stäbe 124 abstehen. Auch eine solche Struktur funktioniert ähnlich wie die oben beschriebene Ausführungsform, solange die in 4 abgebildeten Abmessungsbereiche eingehalten sind. Anstelle einer Struktur, bei der die leitende Oberfläche 110a teilweise absteht, kann eine Struktur verwendet werden, bei der die leitende Oberfläche 110a teilweise vertieft ist.
25A ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem eine leitende Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 als gekrümmte Oberfläche geformt ist. 25B ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem auch eine leitende Oberfläche 120a des leitenden Bauglieds 120 als gekrümmte Oberfläche geformt ist. Wie durch diese Beispiele gezeigt, sind die leitenden Oberflächen 110a, 120a möglicherweise nicht als Ebenen geformt, sondern können auch als gekrümmte Oberflächen geformt sein. Ein leitendes Bauglied mit einer leitenden Oberfläche, die eine gekrümmte Oberfläche ist, gilt ebenfalls als leitendes Bauglied mit „Plattenform“.
In derWellenleitervorrichtung 100 mit der oben beschriebenen Konstruktion kann sich eine Signalwelle mit der Betriebsfrequenz nicht in dem Raum zwischen der Oberfläche 125 des künstlichen magnetischen Leiters und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 ausbreiten, sondern breitet sich in dem Raum zwischen der Wellenleiterfläche 122a des Wellenleiterbauglieds 122 und der leitenden Oberfläche 110a des leitenden Bauglieds 110 aus. Anders als bei einem Hohlwellenleiter braucht die Breite des Wellenleiterbauglieds 122 in einer solchen Wellenleiterstruktur nicht gleich oder größer zu sein als eine Hälfte der Wellenlänge der elektromagnetischen Welle, deren Ausbreitung erfolgen soll. Zudem brauchen das leitende Bauglied 110 und das leitende Bauglied 120 nicht durch eine Metallwand, die sich entlang der Dickenrichtung (d.h. parallel zu derYZ-Ebene) erstreckt, elektrisch miteinander verbunden zu sein.
Eine Schlitzantennenvorrichtung oder Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eignet sich zur Verwendung in einer Radarvorrichtung oder einem Radarsystem für den Einbau beispielsweise in bewegte Objekte wie etwa Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Roboter oder dergleichen. Ein Radarvorrichtung würde eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und eine integrierte Mikrowellenschaltung aufweisen, die mit der Schlitz-Array-Antenne verbunden ist. Ein Radarsystem würde die Radarvorrichtung und eine Signalverarbeitungsschaltung aufweisen, die mit der integrierten Mikrowellenschaltung der Radarvorrichtung verbunden ist. Eine Schlitzantennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist eine mehrschichtige WRG-Struktur auf, die eine Größenverringerung erlaubt und somit gegenüber einer Konstruktion, bei derein herkömmlicher Hohlwellenleiterverwendet wird, eine Reduzierung des Bereiches der Fläche zulässt, auf der Antennenelemente arrayartig angeordnet sind. Daher ist ein Radarsystem, das die Antennenvorrichtung enthält, leicht in einen engen Raum montierbar, etwa auf eine Fläche eines Rückspiegels in einem Fahrzeug, die zu seiner Spiegeloberfläche entgegengesetzt ist, oder in einem bewegten Objekt geringer Größe wie etwa einem UAV (einem unbemannten Luftfahrzeug, einer sogenannten Drohne). Es wird angemerkt, dass ein Radarsystem, ohne auf die Implementierung in einem Fahrzeug begrenzt zu sein, beispielsweise an der Straße oder einem Gebäude fixiert verwendet werden kann.
Eine Schlitzantennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann auch in einem Drahtlos-Kommunikationssystem verwendet werden. Ein solches Drahtlos-Kommunikationssystem würde eine Schlitzantennenvorrichtung gemäß einer der obigen Ausführungsformen und eine Kommunikationsschaltung (eine Sendeschaltung oder Empfangsschaltung) aufweisen. Details zu Anwendungsbeispielen für Drahtlos-Kommunikationssysteme werden noch beschrieben.
Eine Schlitzantennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann des Weiteren als Antenne in einem Innenpositionierungssystem (IPS) verwendet werden. Ein Innenpositionierungssystem ist fähig zum Identifizieren der Position eines bewegten Objekts wie etwa einer Person oder eines fahrerlosen Transportfahrzeugs (FTF), das sich in einem Gebäude befindet. Eine Antennenvorrichtung kann auch als Funkwellensender (Funkbake) für ein System verwendet werden, das Informationen einem Informations-Endgerät (z.B. einem Smartphone) zuführt, welches von einer Person mitgeführt wird, die ein Geschäft oder eine andere Einrichtung besucht hat. In einem solchen System kann eine Funkbake einmal alle paar Sekunden eine elektromagnetische Welle abstrahlen, die beispielsweise eine Kennung oder andere darauf aufgebrachte Informationen trägt. Wenn das Informations-Endgerät diese elektromagnetische Welle empfängt, sendet das Informations-Endgerät die empfangenen Informationen über Telekommunikationsverbindungen an einen entfernten Server-Computer. Auf Basis der Informationen, die aus dem Informations-Endgerät empfangen wurden, identifiziert der Server-Computer die Position dieses Informations-Endgerätes und führt Informationen, die dieser Position zugeordnetsind (z.B. Produktinformationen oder einen Gutschein) dem Informations-Endgerät zu.
In der vorliegenden Spezifikation wird der Ausdruck „künstlicher magnetischer Leiter“ zur Beschreibung der Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet, in Übereinstimmung mit der Darstellung in einer Arbeit eines der Erfinder, Kirino (Nicht-Patentdokument 1), sowie einer Arbeit von Kildal u.a., die etwa um dieselbe Zeit eine Untersuchung zu einem verwandten Gegenstand veröffentlichten. Jedoch wurde in einer Untersuchung durch die Erfinder festgestellt, dass für die Erfindung gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht unbedingt ein „künstlicher magnetischer Leiter“ nach der herkömmlichen Definition erforderlich ist. Das bedeutet: Bisher wird zwar angenommen, dass eine periodische Struktur eine Voraussetzung für einen künstlichen magnetischen Leiter sei, jedoch ist zurAusübung der Erfindung gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht unbedingt eine periodische Struktur erforderlich.
Der künstliche magnetische Leiter, der in der vorliegenden Offenbarung beschrieben ist, besteht aus Zeilen leitender Stäbe. Um die elektromagnetischen Wellen, die von der Wellenleiterfläche weg lecken, aufzuhalten, hielt man es daher bisher für entscheidend, dass mindestens zwei Zeilen leitender Stäbe auf einer Seite des Wellenleiterbauglieds bzw. der Wellenleiterbauglieder existieren, wobei sich diese Zeilen leitender Stäbe entlang des Wellenleiterbauglieds bzw. der Wellenleiterbauglieder (Rippe(n)) erstrecken. Der Grund hierfür ist, dass mindestens zwei Zeilen leitender Stäbe erforderlich sind, damit dieselben eine „Periode“ aufweisen. Nach einer Untersuchung durch die Erfinder kann jedoch auch dann, wenn zwischen zwei sich parallel zueinander erstreckenden Wellenleiterbaugliedern nur eine Zeile leitender Stäbe existiert, die Intensität eines Signals, das von einem Wellenleiterbauglied in das andere Wellenleiterbauglied übertritt, auf -10 dB oder weniger unterdrückt werden, was in vielen Anwendungen ein praktisch ausreichender Wert ist. Der Grund, weshalb ein solches ausreichendes Trennungsniveau mit einer nur unvollkommenen periodischen Struktur erreicht wird, ist bislang unklar. Jedoch wird angesichts dieser Tatsache in der vorliegenden Offenbarung die Vorstellung eines „künstlichen magnetischen Leiters“ der Zweckmäßigkeit halber dahingehend erweitert, dass der Ausdruck auch eine Struktur mit nur einer Zeile leitender Stäbe einschließt.
<Anwendungsbeispiel 1: Bordradarsystem>
Als Anwendungsbeispiel für die Nutzung der oben beschriebenen Schlitz-Array-Antenne wird als Nächstes ein Fall eines Bordradarsystems mit einer Schlitz-Array-Antenne beschrieben. Eine in einem Bordradarsystem verwendete Sendewelle kann eine Frequenz z.B. eines 76-Gigahertz-(GHz) -Bands haben, die eine Wellenlänge λo von circa 4 mm im freien Raum hat.
In Sicherheitstechnik für Automobile, z.B. in Kollisionsverhütungssystemen oder beim automatischen Fahren, kommt es insbesondere darauf an, ein oder mehr Fahrzeuge (Ziele) zu identifizieren, die dem Eigenfahrzeug vorausfahren. Als Verfahren zum Identifizieren von Fahrzeugen sind Techniken zum Schätzen der Richtungen eintreffender Wellen durch Verwendung eines Radarsystems in Entwicklung.
26 zeigt ein Eigenfahrzeug 500 und ein voraus befindliches Fahrzeug 502, das auf derselben Fahrspur wie das Eigenfahrzeug 500 fährt. Das Eigenfahrzeug 500 weist ein Bordradarsystem auf, das eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen enthält. Wenn das Bordradarsystem des Eigenfahrzeugs 500 ein Hochfrequenz-Sendesignal abstrahlt, erreicht das Sendesignal das voraus befindliche Fahrzeug 502 und wird von demselben reflektiert, so dass ein Teil des Signals zu dem Eigenfahrzeug 500 zurückkehrt. Das Bordradarsystem empfängt dieses Signal, um eine Position des voraus befindlichen Fahrzeugs 502, eine Distanz („Entfernung“) zu dem voraus befindlichen Fahrzeug502, eine Geschwindigkeit usw. zu berechnen.
27 zeigt das Bordradarsystem 510 des Eigenfahrzeugs 500. Das Bordradarsystem 510 ist innerhalb des Fahrzeugs vorgesehen. Spezifischer ist das Bordradarsystem 510 auf einer Fläche des Rückspiegels angeordnet, die zu dessen Spiegelfläche entgegengesetzt ist. Aus dem Fahrzeug heraus strahlt das Bordradarsystem 510 ein Hochfrequenz-Sendesignal in der Fahrtrichtung des Fahrzeugs 500 ab und empfängt ein beziehungsweise mehrere Signale, die aus der Fahrtrichtung eintreffen.
Das Bordradarsystem 510 aus diesem Anwendungsbeispiel weist eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf. Die Schlitz-Array-Antenne kann eine Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern aufweisen, die zueinander parallel sind. Sie sind so anzuordnen, dass die Vielzahl der Wellenleiterbauglieder sich jeweils in einer Richtung erstreckt, die mit der vertikalen Richtung zusammenfällt, und dass die Vielzahl der Wellenleiterbauglieder in einer Richtung angeordnet ist, die mit der horizontalen Richtung zusammenfällt. Infolgedessen können die laterale und die vertikale Abmessung der Vielzahl von Schlitzen, von vorne gesehen, weiter reduziert werden.
Beispielabmessungen für eine Antennenvorrichtung mit der obigen Array-Antenne können 60 mm (Breite) × 30 mm (Länge) × 10 mm (Tiefe) sein. Es sei darauf hingewiesen, dass dies für ein Millimeterwellenradarsystem des 76-GHz-Bands eine sehr geringe Größe ist.
Es wird angemerkt, dass viele herkömmliche Bordradarsysteme außen am Fahrzeug vorgesehen sind, z.B. ganz vorne an der Frontpartie. Der Grund hierfür ist, dass das Bordradarsystem relativ groß ist und somit nur schwer innerhalb des Fahrzeugs vorgesehen sein kann, wie in der vorliegenden Offenbarung. Das Bordradarsystem 510 aus diesem Anwendungsbeispiel kann innerhalb des Fahrzeugs installiert sein, wie oben beschrieben, ist aber stattdessen auch ganz vorne an die Frontpartie montierbar. Da der Platzbedarf des Bordradarsystems an der Frontpartie reduziert ist, wird die Anordnung anderer Teile erleichtert.
Das Anwendungsbeispiel ermöglicht ein schmales Intervall zwischen einer Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern (Rippen), die in der Sendeantenne verwendet werden, wodurch sich auch das Intervall zwischen einer Vielzahl von Schlitzen verschmälert, die entgegengesetzt zu einer Anzahl von benachbarten Wellenleiterbaugliedern vorzusehen sind. Dies reduziert die Einflüsse von Gitterkeulen. Beispielsweise treten keine Gitterkeulen in Vorwärtsrichtung auf, wenn das Intervall zwischen den Mitten von zwei lateral benachbarten Schlitzen kürzer als die Wellenlänge im freien Raum λο der Sendewelle (d.h. kleiner als circa 4 mm) ist. Daher werden die Einflüsse von Gitterkeulen reduziert. Es wird angemerkt, dass Gitterkeulen dann auftreten, wenn das Intervall, in dem die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, größer als eine Hälfte der Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle ist. Wenn das Intervall, in dem die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, kleiner als die Wellenlänge ist, treten keine Gitterkeulen in Vorwärtsrichtung auf. In dem Fall, dass keine Strahllenkung durchgeführt wird, um Phasendifferenzen zwischen den Funkwellen zu übermitteln, die aus den jeweiligen Antennenelementen abgestrahlt werden, welche eine Array-Antenne bilden, haben Gitterkeulen daher im Wesentlichen keinen Einfluss, solange das Intervall, in dem die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, kleiner als die Wellenlänge ist. Durch Einstellen des Array-Faktors der Sendeantenne kann die Direktivität der Sendeantenne eingestellt werden. Es kann ein Phasenschieber vorgesehen sein, damit die Phasen elektromagnetischer Wellen, die auf mehreren Wellenleiterbaugliedern übertragen werden, individuell anpassbar sind. ZurVermeidung der Einflüsse von Gitterkeulen ist es in diesem Fall vorzuziehen, dass das Intervall zwischen den Antennenelementen kleiner als die Wellenlänge im freien Raum λo der Sendewelle ist. Auch in diesem Fall treten Gitterkeulen auf, da der Phasenversatzbetrag erhöht ist. Wenn die Intervalle zwischen den Antennenelementen auf weniger als eine Hälfte der Wellenlänge λo der Sendewelle im freien Raum reduziert sind, treten jedoch ungeachtet des Phasenversatzbetrags keine Gitterkeulen auf. Durch Vorsehen eines Phasenschiebers kann die Direktivität der Sendeantenne in jede gewünschte Richtung geändert werden. Da die Konstruktion eines Phasenschiebers bekannt ist, wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
Eine Empfangsantenne gemäß dem Anwendungsbeispiel ist fähig zurVerringerung des Empfangs reflektierter Wellen, die Gitterkeulen zugeordnet sind, so dass die Genauigkeit der unten beschriebenen Verarbeitung verbessert werden kann. Im Folgenden wird ein Beispiel für einen Empfangsprozess beschrieben.
28A zeigt ein Verhältnis zwischen einer Array-Antenne AA des Bordradarsystems 510 und mehreren eintreffenden Wellen k (k: eine ganze Zahl von 1 bis K; das gleiche gilt nachfolgend durchgängig. K ist die Anzahl der Ziele, die in verschiedenen Azimuten vorhanden sind). Die Array-Antenne AA weist M Antennenelemente in einem linearen Array auf. Eine Antenne ist prinzipiell sowohl zum Senden als auch zum Empfang verwendbar, und daher kann die Array-Antenne AA sowohl für eine Sendeantenne als auch für eine Empfangsantenne verwendet werden. Im Folgenden wird ein Beispielverfahren für die Verarbeitung einer eintreffenden Welle beschrieben, die durch die Empfangsantenne empfangen wird.
Die Array-Antenne AA empfängt mehrere eintreffende Wellen, die gleichzeitig in verschiedenen Winkeln auftreffen. Einige von den mehreren eintreffenden Wellen können eintreffende Wellen sein, die aus der Sendeantenne desselben Bordradarsystems 510 abgestrahlt und durch ein beziehungsweise mehrere Ziele reflektiert wurden. Außerdem können einige der mehreren eintreffenden Wellen direkte oder indirekte eintreffende Wellen sein, die von anderen Fahrzeugen abgestrahlt wurden.
Der Einfallswinkel einer jeden eintreffenden Welle (d.h. ein Winkel, der die Richtung ihres Eintreffens repräsentiert) ist ein auf die breite Seite B der Array-Antenne AA bezogener Winkel. Der Einfallswinkel einer eintreffenden Welle repräsentiert einen Winkel mit Bezug auf eine Richtung, die zu der Richtung der Linie, entlang derer Antennenelemente arrayartig angeordnet sind, senkrecht steht.
Es werde nun eine k-te eintreffende Welle betrachtet. Wenn auf der Array-Antenne von K Zielen aus, die bei unterschiedlichen Azimuten vorhanden sind, K eintreffende Wellen auftreffen, bedeutet eine „k-te eintreffende Welle“ eine eintreffende Welle, die durch einen Einfallswinkel θ_k identifiziert ist.
28B zeigt die Array-Antenne AA, die die k-te eintreffende Welle empfängt. Die durch die Array-Antenne AA empfangenen Signale können durch Gleichung 1 als ein „Vektor“ mit M Elementen ausgedrückt werden. $S = {[s_{1} {,s}_{2}, \dots S_{M}]}^{T}$
In der obigen Gleichung ist s_m (wobei m eine ganze Zahl von 1 bis M ist; dies gilt auch im Folgenden) der Wert eines Signals, das durch ein m-tes Antennenelement empfangen wird. Das hochgestellte T bedeutet Transposition. S ist ein Spaltenvektor. Der Spaltenvektor S ist definiert durch ein Produkt einer Multiplikation aus einem durch die Konstruktion der Array-Antenne bestimmten Richtungsvektor (als Lenkvektor oder Modenvektor bezeichnet) und einem komplexen Vektor, der ein Signal von dem jeweiligen Ziel repräsentiert (auch als Wellenquelle oder Signalquelle bezeichnet). Wenn die Anzahl der Wellenquellen K ist, sind die Wellen von Signalen, die aus den jeweiligen K Wellenquellen an jedem einzelnen Antennenelement eintreffen, linear überlagert. In diesem Zustand kann sm durch Gleichung 2 ausgedrückt werden. $s_{m} = \sum_{k = 1}^{K} a_{k} exp {j (\frac{2 π}{λ} d_{m} sin θ_{k} + φ_{k})}$
In Gleichung 2 bezeichnen α_k , θ_k und φ_k die Amplitude, den Einfallswinkel bzw. die Anfangsphase der k-ten eintreffenden Welle. Außerdem bezeichnet λ die Wellenlänge einer eintreffenden Welle, und j ist eine imaginäre Einheit.
Wie aus Gleichung 2 ersichtlich, ist sm als komplexe Zahl ausgedrückt, die aus einem realen Teil (Re) und einem imaginären Teil (Im) besteht.
Wenn dies durch Berücksichtigung von Rauschen (Eigenrauschen oder Wärmerauschen) weiter verallgemeinert wird, lässt sich das Array-Empfangssignal X als Gleichung 3 ausdrücken. $X = S + N$
N ist ein Vektorausdruck für das Rauschen.
Die Signalverarbeitungsschaltung erzeugt mithilfe des Array-Empfangssignals X, ausgedrückt durch Gleichung3, eine räumliche Kovarianzmatrix Rxx (Gh 4) eintreffender Wellen und bestimmt des Weiteren Eigenwerte der räumlichen Kovarianzmatrix Rxx. $\begin{matrix} R_{x x} = X X^{H} \\ = [\begin{matrix} R x x_{11} & \dots & R x x_{1 M} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ R x x_{M 1} & \dots & R x x_{M M} \end{matrix}] \end{matrix}$
In der obigen Gleichung bedeutet das hochgestellte H konjugiert-komplexe Transposition (hermitesche Konjugierte).
Bei den Eigenwerten entspricht die Anzahl der Eigenwerte mit Werten, die gleich einem oder größer als ein vorbestimmter Wert sind, der auf Basis von Wärmerauschen definiert ist (Signalraumeigenwerte), der Anzahl eintreffender Wellen. Es werden dann Winkel berechnet, die die höchste Wahrscheinlichkeit hinsichtlich der Einfallsrichtungen reflektierter Wellen (d.h. die maximale Wahrscheinlichkeit) ergeben, wodurch die Anzahl der Ziele und die Winkel, in denen sich die jeweiligen Ziele befinden, identifizierbar sind. Dieser Prozess ist als eine Schätztechnik für die maximale Wahrscheinlichkeit bekannt.
Siehe als Nächstes 29. 29 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispiel-Grundkonstruktion einer Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die in 29 gezeigte Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 weist ein Radarsystem 510, das in einem Fahrzeug montiert ist, und eine mit dem Radarsystem 510 verbundene elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 auf. Das Radarsystem 510 weist eine Array-Antenne AA und eine Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 auf.
Die Array-Antenne AA weist eine Vielzahl von Antennenelementen auf, von denen jedes in Antwort auf eine oder mehrere eintreffende Wellen ein Empfangssignal ausgibt. Wie bereits erwähnt, ist die Array-Antenne AA zum Abstrahlen einer Millimeterwelle einer hohen Frequenz fähig.
In dem Radarsystem 510 muss die Array-Antenne AA am Fahrzeug angebracht sein, während zumindest einige der Funktionen der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 durch einen Computer 550 und eine Datenbank 552 implementiert sein können, die extern zu der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 (z.B. außerhalb des Eigenfahrzeugs) vorgesehen sind. In diesem Fall können die Abschnitte der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530, die sich im Fahrzeug befinden, dauerhaft oder gelegentlich mit dem Computer 550 und der Datenbank 552 verbunden sein, die zum Fahrzeug extern sind, so dass bidirektionale Übermittlungen von Signalen oder Daten möglich sind. Die Übermittlungen sind über eine Kommunikationsvorrichtung 540 des Fahrzeugs und ein üblicherweise verfügbares Kommunikationsnetz durchführbar.
Die Datenbank 552 kann ein Programm speichern, das verschiedene Signalverarbeitungsalgorithmen definiert. Der Inhalt der Daten und des Programms, die für den Betrieb des Radarsystems 510 benötigt werden, können über die Kommunikationsvorrichtung 540 extern aktualisiert werden. Somit sind zumindest einige der Funktionen des Radarsystems 510 durch eine Cloud-Computing-Technik extern zum Eigenfahrzeug realisierbar (was das Innere eines anderen Fahrzeugs einschließt). Für ein „Bord“-Radarsystem in der Bedeutung der vorliegenden Offenbarung ist es daher nicht erforderlich, dass alle Bestandteile innerhalb des (Eigen-) Fahrzeugs montiert sind. Jedoch beschreibt die vorliegende Anmeldung der Einfachheit halber eine Implementierung, bei der alle Bestandteile gemäß der vorliegenden Offenbarung in einem einzigen Fahrzeug (d.h. dem Eigenfahrzeug) montiert sind, sofern nicht anders angegeben.
Die Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 weist eine Signalverarbeitungsschaltung 560 auf. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 empfängt direkt oder indirekt Empfangssignale von derArray-AntennenvorrichtungAA und gibt die Empfangssignale oder ein beziehungsweise mehrere sekundäre Signal(e), die aus den Empfangssignalen generiert wurden, in eine Einfallswellen-Schätzeinheit AU ein. Ein Teil der Schaltung oder die gesamte Schaltung (nicht gezeigt), die aus den Empfangssignalen ein beziehungsweise mehrere sekundäre Signal(e) generiert, braucht nicht innerhalb der Signalverarbeitungsschaltung 560 vorgesehen zu sein. Ein Teil einer oder eine gesamte solche Schaltung (Vorverarbeitungsschaltung) kann zwischen der Array-Antenne AA und der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 vorgesehen sein.
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 ist dazu konfiguriert, durch Verwendung der Empfangssignale oder sekundären Signal(e) Berechnungen durchzuführen und ein Signal auszugeben, das die Anzahl der eintreffenden Wellen anzeigt. Gemäß der vorliegenden Verwendung kann als „Signal, das die Anzahl der eintreffenden Wellen anzeigt“, ein Signal bezeichnet werden, das die Anzahl voraus befindlicher Fahrzeuge vor dem Eigenfahrzeug anzeigt (die ein voraus befindliches Fahrzeug oder mehrere voraus befindliche Fahrzeuge sein können).
Die Signalverarbeitungsschaltung560 kann zum Durchführen vielfältiger Signalverarbeitung konfiguriert sein, die durch bekannte Radarsignal-Verarbeitungseinrichtungen ausführbar ist. Beispielsweise kann die Signalverarbeitungsschaltung 560 dazu konfiguriert sein, „Überauflösungs-Algorithmen“ auszuführen wie etwa das MUSIC-Verfahren, das ESPRIT-Verfahren oder das SAGE-Verfahren, oder andere Algorithmen zur Einfallsrichtungsschätzung mit relativ niedriger Auflösung.
Die in 29 gezeigte Einfallswellen-Schätzeinheit AU schätzt einen Winkel, der das Azimut einer jeden eintreffenden Welle repräsentiert, durch einen beliebigen Algorithmus zur Einfallsrichtungsschätzung, und gibt ein Signal aus, das das Schätzungsergebnis anzeigt. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 schätzt die Distanz zu jedem Ziel als Wellenquelle einer eintreffenden Welle, die relative Geschwindigkeit des Ziels und das Azimut des Ziels mit einem bekannten Algorithmus, der durch die Einfallswellen-Schätzeinheit AU ausgeführt wird, und gibt ein Signal aus, das das Schätzungsergebnis anzeigt.
In der vorliegenden Offenbarung ist der Ausdruck „Signalverarbeitungsschaltung“ nicht auf eine einzelne Schaltung beschränkt, sondern schließt jede Implementierung ein, bei der eine Kombination aus mehreren Schaltungen konzeptionell als ein einziges funktionelles Teil betrachtet wird. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 kann durch ein oder mehr Ein-Chip-Systeme (SoCs) realisiert sein. Beispielsweise kann ein Teil der oder die gesamte Signalverarbeitungsschaltung560 ein FPGA (feldprogrammierbaresArray) sein, das eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD) ist. In diesem Fall weist die Signalverarbeitungsschaltung 560 eine Vielzahl von Berechnungselementen (z.B. Universallogiken und Multiplizierer) und eine Vielzahl von Speicherelementen (z.B. Verweistabellen oder Speicherblöcke) auf. Alternativ kann die Signalverarbeitungsschaltung 560 ein Satz aus (einem) Universalprozessor(en) und (einer) Hauptspeichervorrichtung(en) sein. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 kann eine Schaltung sein, die einen beziehungsweise mehrere Prozessorkern(e) und eine beziehungsweise mehrere Speichervorrichtung(en) aufweist. Diese können als die Signalverarbeitungsschaltung 560 funktionieren.
Die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 ist dazu konfiguriert, Fahrassistenz für das Fahrzeug auf Basis verschiedener Signale bereitzustellen, die aus der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung530 ausgegeben werden. Die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 weist verschiedene elektronische Steuereinheiten dazu an, vorbestimmte Funktionen zu erfüllen, z.B. eine Funktion zur Alarmausgabe, um den Fahrer zu einem Bremsvorgang aufzufordern, wenn die Distanz zu einem voraus befindlichen Fahrzeug (Fahrzeugabstand) kürzer als ein vordefinierter Wert geworden ist; eine Funktion zur Steuerung der Bremsen und eine Funktion zur Beschleunigungssteuerung. Beispielsweise schickt im Fall eines Betriebsmodus, der eine adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung des Eigenfahrzeugs durchführt, die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 vorbestimmte Signale an verschiedene elektronische Steuereinheiten (nicht gezeigt) und Aktoren, um die Distanz des Eigenfahrzeugs zu einem voraus befindlichen Fahrzeug auf einem vordefinierten Wert zu halten oder die Fahrgeschwindigkeit des Eigenfahrzeugs auf einem vordefinierten Wert zu halten.
Im Fall des MUSIC-Verfahrens bestimmt die Signalverarbeitungsschaltung 560 Eigenwerte der räumlichen Kovarianzmatrix und gibt als Signal, das die Anzahl eintreffender Wellen anzeigt, ein Signal aus, das die Anzahl derjenigen Eigenwerte („Signalraum-Eigenwerte“) anzeigt, die größer als ein vorbestimmter Wert sind, der auf Basis von Wärmerauschen definiert ist (thermische Rauschleistung).
Siehe als Nächstes 30. 30 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Beispielkonstruktion für die Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt. Das Radarsystem 510 in der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 aus 30 weist eine Array-Antenne AA, die eine nur für den Empfang bestimmte Array-Antenne Rx (auch als Empfangsantenne bezeichnet) und eine nur zum Senden bestimmte Array-Antenne Tx (auch als Sendeantenne bezeichnet) aufweist; und eine Objektdetektionseinrichtung 570 auf.
Mindestens entweder die Sendeantenne Tx oder die Empfangsantenne Rx hat die oben genannte Wellenleiterstruktur. Die Sendeantenne Tx strahlt eine Sendewelle ab, die beispielsweise eine Millimeterwelle sein kann. Die Empfangsantenne Rx, die nur für den Empfang bestimmt ist, gibt ein Empfangssignal in Antwort auf eine oder mehrere eintreffende Wellen (z.B. eine Millimeterwelle(n)) aus.
Eine Sende-/Empfangsschaltung 580 schickt ein Sendesignal für eine Sendewelle an die Sendeantenne Tx und führt „Vorverarbeitung“ für Empfangssignale von Empfangswellen durch, die an der Empfangsantenne Rx empfangen werden. Ein Teil der oder die gesamte Vorverarbeitung kann durch die Signalverarbeitungsschaltung560 in der Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 erfolgen. Ein typisches Beispiel für eine durch die Sende-/Empfangsschaltung580 durchzuführende Vorverarbeitung kann es sein, aus einem Empfangssignal ein Schwebungssignal zu generieren und ein Empfangssignal mit analogem Format in ein Empfangssignal mit digitalem Format umzuwandeln.
Eine Vorrichtung, die eine Sendeantenne, eine Empfangsantenne, eine Sende-/Empfangsschaltung und eine Wellenleitervorrichtung aufweist, welche die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne sowie der Sende-/Empfangsschaltungzulässt, wird in der vorliegenden Spezifikation als „Radarvorrichtung“ bezeichnet. Außerdem wird eine Vorrichtung, die zusätzlich zu einer Radarvorrichtung eine Signalverarbeitungseinrichtung (einschließlich einer Signalverarbeitungsschaltung) aufweist, z.B. eine Objektdetektionseinrichtung, als „Radarsystem“ bezeichnet.
Es wird angemerkt, dass das Radarsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung, ohne auf die Implementierung beschränkt zu sein, bei der es in dem Eigenfahrzeug montiert ist, an der Straße oder einem Gebäude angebracht verwendet werden kann.
Als Nächstes wird ein Beispiel für eine spezifischere Konstruktion der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 beschrieben.
31 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für eine spezifischere Konstruktion der Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 zeigt. Die in 31 gezeigte Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 weist ein Radarsystem 510 und ein Bordkamerasystem 700 auf. Das Radarsystem 510 weist eine Array-Antenne AA, eine Sende-/Empfangsschaltung 580, die mit der Array-Antenne AA verbunden ist, und eine Signalverarbeitungsschaltung 560 auf.
Das Bordkamerasystem 700 weist eine Bordkamera 710, die in einem Fahrzeug montiert ist, und eine Bildverarbeitungsschaltung 720 auf, die ein durch die Bordkamera 710 erfasstes Bild oder Video verarbeitet.
Die Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung 600 aus diesem Anwendungsbeispiel weist eine Objektdetektionseinrichtung 570, die mit der Array-Antenne AA und der Bordkamera 710 verbunden ist, und eine elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 auf, die mit der Objektdetektionseinrichtung 570 verbunden ist. Zusätzlich zu der oben beschriebenen Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung 530 (einschließlich der Signalverarbeitungsschaltung 560) weist die Objektdetektionseinrichtung570 eine Sende-/Empfangsschaltung580 und eine Bildverarbeitungsschaltung 720 auf. Die Objektdetektionseinrichtung 570 detektiert ein Ziel auf der Straße oder in der Nähe der Straße mithilfe nicht nur der durch das Radarsystem 510 gewonnenen Informationen, sondern auch der durch die Bildverarbeitungsschaltung 720 gewonnenen Informationen. Beispielsweise kann die Bildverarbeitungsschaltung 720, während das Eigenfahrzeug auf einer von zwei oder mehr Fahrspuren derselben Richtung fährt, unterscheiden, auf welcher Fahrspur das Eigenfahrzeug fährt, und dieses Unterscheidungsergebnis der Signalverarbeitungsschaltung560 zuführen. Wenn Anzahl und Azimut(e) von voraus befindlichen Fahrzeugen mithilfe eines vorbestimmten Algorithmus zur Einfallsrichtungsschätzung (z.B. das MUSIC-Verfahren) erkannt werden sollen, kann die Signalverarbeitungsschaltung560 zuverlässigere Informationen zu einer räumlichen Verteilung voraus befindlicher Fahrzeuge liefern, indem auf die Informationen aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 zurückgegriffen wird.
Es wird angemerkt, dass das Bordkamerasystem 700 ein Beispiel für ein Mittel zum Identifizieren dessen ist, auf welcher Fahrspur das Eigenfahrzeug fährt. Die Fahrspurposition des Eigenfahrzeugs kann auch durch jedes andere Mittel identifiziert werden. Beispielsweise ist es durch Nutzung einer Ultrabreitband- (UWB-) Technik möglich, zu identifizieren, auf welcher von einer Vielzahl von Fahrspuren das Eigenfahrzeug fährt. Es ist allgemein bekannt, dass die Ultrabreitbandtechnik auf Positionsmessung und/oder Radar anwendbar ist. Die Verwendung der Ultrabreitbandtechnik erhöht die Entfernungsauflösung des Radars, so dass auch dann, wenn sich eine große Anzahl von Fahrzeugen voraus befindet, jedes einzelne Ziel deutlich auf Basis von Distanzunterschieden detektiert werden kann. Dies ermöglicht eine korrekte Identifikation der Distanz von einer Leitplanke am Straßenrand oder vom Mittelstreifen. Die Breite einer jeden Fahrspur ist anhand der Gesetze des jeweiligen Landes oder dergleichen vordefiniert. Durch Verwendung solcher Informationen wird es möglich, zu identifizieren, wo die Fahrspur liegt, in der das Eigenfahrzeug gerade fährt. Es wird angemerkt, dass die Ultrabreitbandtechnik ein Beispiel ist. Es kann auch eine Funkwelle auf Basis jeder anderen drahtlosen Technik verwendet werden. Zudem kann zusammen mit einem Radar LIDAR (Lichtdetektion und Abstandsmessung) verwendet werden. LIDAR wird manchmal als „Laserradar“ bezeichnet.
Die Array-Antenne AA kann eine generische Millimeterwellen-Array-Antenne zur bordeigenen Verwendungsein. Die Sendeantenne Tx in diesem Anwendungsbeispiel strahlt eine Millimeterwelle als Sendewelle vor dem Fahrzeug ab. Ein Abschnitt der Sendewelle wird von einem Ziel reflektiert, das typischerweise ein voraus befindliches Fahrzeug ist, so dass von dem Ziel als Wellenquelle eine reflektierte Welle ausgeht. Ein Teil der reflektierten Welle erreicht die Array-Antenne (Empfangsantenne) AA als eintreffende Welle. Jedes aus der Vielzahlvon Antennenelementen der Array-Antenne AA gibt in Antwort auf eine oder mehrere eintreffende Wellen ein Empfangssignal aus. Im Fall, dass die Anzahl der Ziele, die als Wellenquellen reflektierter Wellen funktionieren, K ist (wobei K eine ganze Zahl mit dem Wert 1 oder mehr ist), ist die Anzahl eintreffender Wellen K, jedoch ist diese Zahl K eintreffender Wellen nicht im Voraus bekannt.
In dem Beispiel aus 29 wird vorausgesetzt, dass das Radarsystem 510 als integrales Stück, einschließlich der Array-AntenneAA, am Rückspiegel vorgesehen ist. Jedoch sind Anzahl und Positionen von Array-Antennen AA nicht auf eine spezifische Anzahl oder spezifische Positionen beschränkt. Eine Array-Antenne AA kann an der hinteren Oberfläche des Fahrzeugs angeordnet sein, um Ziele detektieren zu können, die sich hinter dem Fahrzeug befinden. Außerdem kann eine Vielzahl von Array-Antennen AA an der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des Fahrzeugs angeordnet sein. Die Array-Antenne(n) AA können im Inneren des Fahrzeugs angeordnet sein. Auch in dem Fall, in dem eine Hornantenne, deren jeweilige Antennenelemente, wie oben erwähnt, Hörner aufweisen, als Array-Antenne(n) AA verwendet werden soll, können die Array-Antenne(n) mit solchen Antennenelementen sich im Inneren des Fahrzeugs befinden.
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 empfängt und verarbeitet die Empfangssignale, die durch die Empfangsantenne Rx empfangen wurden und einer Vorverarbeitung durch die Sende-/Empfangsschaltung580 unterzogen wurden. Dieser Prozess umfasstdas Eingeben der Empfangssignale in die Einfallswellen-Schätzeinheit AU oder alternativ das Generieren eines bzw. mehrerer sekundärer Signale aus den Empfangssignalen und das Eingeben des beziehungsweise dersekundären Signale in die Einfallswellen-Schätzeinheit AU.
In dem Beispiel aus 31 ist in der Objektdetektionseinrichtung 570 eine Auswahlschaltung 596 vorgesehen, die das aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 ausgegebene Signal und das aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 ausgegebene Signal empfängt. Die Auswahlschaltung 596 ermöglicht das Einspeisen des aus der Signalverarbeitungsschaltung560 ausgegebenen Signals oder des aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 ausgegebenen Signals, oder beider Signale, in die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520.
32 ist ein Blockdiagramm, das eine detailliertere Beispielkonstruktion des Radarsystems 510 gemäß diesem Anwendungsbeispiel zeigt.
Wie in 32 gezeigt, weist die Array-Antenne AA eine Sendeantenne Tx, die eine Millimeterwelle sendet, und Empfangsantennen Rx auf, die eintreffende, von Zielen reflektierte Wellen empfangen. Obwohl in der Figur nur eine Sendeantenne Tx dargestellt ist, können zwei oder mehr Arten von Sendeantennen mit unterschiedlichen Eigenschaften vorgesehen sein. Die Array-Antenne AA weist M Antennenelemente 11₁ , 11₂ , ..., 11_M auf (wobei M eine ganze Zahl gleich oder größer als 3 ist). In Antwort auf die eintreffenden Wellen gibt die Vielzahl von Antennenelementen 11₁ , 11₂ , ..., 11_M jeweils Empfangssignale s₁ , s₂ , ..., s_M aus (28B).
In derArray-Antenne AA sind die Antennenelemente 11₁ bis 11_M beispielsweise in einem linearen Array oder einem zweidimensionalen Array in festen Intervallen angeordnet. Jede eintreffende Welle trifft auf die Array-Antenne AA aus einer Richtung in einem Winkel θ mit Bezug auf die Normale der Ebene auf, in der die Antennenelemente 11₁ bis 11_M arrayartig angeordnet sind. Somit ist die Einfallsrichtung einer eintreffenden Welle durch diesen Winkel θ definiert.
Wenn eine eintreffende Welle von einem Ziel aus auf der Array-Antenne AA auftrifft, nähert sich dies einer ebenen Welle, die auf die Antennenelemente 11₁ bis 11_M aus Azimuten desselben Winkels θ auftrifft. Wenn K eintreffende Wellen auf derArray-Antenne AA von K Zielen mit unterschiedlichen Azimuten auftreffen, können die einzelnen eintreffenden Wellen bezüglich jeweils unterschiedlicher Winkel θ₁ bis θ_K identifiziert werden.
Wie in 32 gezeigt, weist die Objektdetektionseinrichtung 570 die Sende-/Empfangsschaltung 580 und die Signalverarbeitungsschaltung 560 auf.
Die Sende-/Empfangsschaltung 580 weist eine Dreieckswellen-Generierungsschaltung581, einen VCO (spannungsgesteuerten Oszillator) 582, einen Verteiler 583, Mischer 584, Filter 585, einen Schalter 586, einen A/D-Wandler 587 und eine Steuerung 588 auf. Obwohl das Radarsystem in diesem Anwendungsbeispiel dazu konfiguriert ist, Senden und Empfang von Millimeterwellen im FMCW-Verfahren durchzuführen, ist das Radarsystem der vorliegenden Offenbarung nicht auf dieses Verfahren beschränkt. Die Sende-/Empfangsschaltung 580 ist dazu konfiguriert, auf Basis eines Empfangssignals von der Array-Antenne AA und eines Sendesignals von der Sendeantenne Tx ein Schwebungssignal zu generieren.
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 weist einen Distanzdetektionsabschnitt 533, einen Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt534 und einen Azimut-Detektionsabschnitt 536 auf. Die Signalverarbeitungsschaltung 560 ist dazu konfiguriert, ein Signal aus dem A/D-Wandler587 in der Sende-/Empfangsschaltung580 zu verarbeiten und Signale auszugeben, die jeweils die detektierte Distanz zum Ziel, die relative Geschwindigkeit des Ziels und das Azimut des Ziels anzeigen.
Zunächst werden Konstruktion und Funktionsweise der Sende-/Empfangsschaltung 580 im Detail beschrieben.
Die Dreieckswellen-Generierungsschaltung 581 generiert ein Dreieckswellensignal und führt es dem VCO 582 zu. DerVCO 582 gibt ein Sendesignal mit einer Frequenz aus, die auf Basis des Dreieckswellensignals moduliert ist. 33 ist ein Diagramm, das die Veränderung der Frequenz eines Sendesignals zeigt, das auf Basis des Signals moduliert ist, welches durch eine Dreieckswellen-Generierungsschaltung581 generiert ist. Diese Wellenform hat eine Modulationsbreite Δfund eine Mittelfrequenz von f0. Das Sendesignal mit einer so modulierten Frequenz wird dem Verteiler 583 zugeführt. Der Verteiler583 erlaubt eine Verteilung des aus dem VCO 582 gewonnenen Sendesignals zwischen den Mischern 584 und der Sendeantenne Tx. Somit strahlt die Sendeantenne eine Millimeterwelle mit einer Frequenz ab, die in Dreieckswellen moduliert ist, wie in 33 gezeigt.
Zusätzlich zu dem Sendesignal zeigt 33 auch ein Beispiel für ein Empfangssignal aus einer eintreffenden Welle, die von einem einzelnen voraus befindlichen Fahrzeug reflektiert ist. Das Empfangssignal ist gegenüber dem Sendesignal verzögert. Diese Verzögerung steht in Proportion zu der Distanz zwischen dem Eigenfahrzeug und dem voraus befindlichen Fahrzeug. Zudem erhöht oder verringert sich die Frequenz des Empfangssignals aufgrund des Dopplereffekts entsprechend der relativen Geschwindigkeit des voraus befindlichen Fahrzeugs.
Wenn das Empfangssignal und das Sendesignal gemischt werden, wird auf Basis ihres Frequenzunterschieds ein Schwebungssignal generiert. Die Frequenz dieses Schwebungssignals (Schwebungsfrequenz) differiert zwischen einer Periode, in der das Sendesignal sich in der Frequenz erhöht (Anstieg) und einer Periode, in der das Sendesignal sich in der Frequenz verringert (Abfall). Sobald eine Schwebungsfrequenz für jede Periode auf Basis solcher Schwebungsfrequenzen bestimmt ist, werden die Distanz zum Ziel und die relative Geschwindigkeit des Ziels berechnet.
34 zeigt eine Schwebungsfrequenz fu in einer „Anstiegs“-Periode und eine Schwebungsfrequenz fd in einer „Abfall“-Periode. In dem Graphen aus 34 stellt die horizontale Achse die Frequenz und die vertikale Achse die Signalintensität dar. Dieser Graph wird gewonnen, indem das Schwebungssignal einer Zeit-Frequenz-Umwandlung unterzogen wird. Sobald auf Basis einer bekannten Gleichung die Schwebungsfrequenzen fu und fd gewonnen sind, werden die Distanz zum Ziel und die relative Geschwindigkeit des Ziels berechnet. In diesem Anwendungsbeispiel mit der unten beschriebenen Konstruktion und Funktionsweise werden Schwebungsfrequenzen gewonnen, die dem jeweiligen Antennenelement der Array-Antenne AA entsprechen, was die Schätzung der Positionsinformationen eines Ziels ermöglicht.
In dem in 32 gezeigten Beispiel werden Empfangssignale aus Kanälen Ch₁ bis Ch_M , die den jeweiligen Antennenelementen 11₁ bis 11_M entsprechen, jeweils durch einen Verstärker verstärkt und in die entsprechenden Mischer584 eingegeben. Jeder Mischer 584 mischt das Sendesignal in das verstärkte Empfangssignal. Durch dieses Mischen wird ein Schwebungssignal generiert, das dem Frequenzunterschied zwischen dem Empfangssignal und dem Sendesignal entspricht. Das generierte Schwebungssignal wird in das entsprechende Filter 585 gespeist. Die Filter 585 wenden Bandbreitensteuerung auf die Schwebungssignale auf den Kanälen Ch₁ bis Ch_M an und führen dem Schalter 586 bandbreitengesteuerte Schwebungssignale zu.
Der Schalter 586 führt ein Schalten in Antwort auf ein aus der Steuerung 588 eingegebenes Abtastsignal durch. Die Steuerung 588 kann beispielsweise durch einen Mikrocomputer gebildet sein. Auf Basis eines Computerprogramms, das in einem Speicher wie etwa einem ROM gespeichert ist, steuert die Steuerung 588 die gesamte Sende-/Empfangsschaltung 580. Die Steuerung 588 braucht nicht innerhalb der Sende-/Empfangsschaltung 580 vorgesehen zu sein, sondern kann innerhalb der Signalverarbeitungsschaltung 560 vorgesehen sein. Mit anderen Worten, die Sende-/Empfangsschaltung 580 kann entsprechend einem Steuersignal aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 arbeiten. Alternativ können einige oder alle Funktionen der Steuerung 588 durch eine zentrale Verarbeitungseinheit realisiert sein, die die gesamte Sende-/Empfangsschaltung580 und Signalverarbeitungsschaltung560 steuert.
Nachdem die Schwebungssignale auf den Kanälen Ch₁ bis Ch_M durch die jeweiligen Filter 585 passiert sind, werden sie über den Schalter 586 nacheinander dem A/D-Wandler 587 zugeführt. In Synchronisation mit dem Abtastsignal wandelt der A/D-Wandler587 die Schwebungssignale auf den Kanälen Ch₁ bis Ch_M , die aus dem Schalter 586 eingegeben werden, in digitale Signale um.
Im Folgenden werden Konstruktion und Funktionsweise der Signalverarbeitungsschaltung 560 im Detail beschrieben. In diesem Anwendungsbeispiel werden die Distanz zum Ziel und die relative Geschwindigkeit des Ziels im FMCW-Verfahren geschätzt. Ohne auf das unten beschriebene FMCW-Verfahren beschränkt zu sein, kann das Radarsystem auch durch Verwendung anderer Verfahren implementiert sein, z.B. in 2-Frequenz-CW- und Spreizspektrum-Verfahren.
In dem in 32 gezeigten Beispiel weist die Signalverarbeitungsschaltung 560 auf: einen Speicher 531, einen Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532, einen Distanzdetektionsabschnitt 533, einen Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534, einen DBF- (Digitale-Strahlformung-) Verarbeitungsabschnitt 535, einen Azimut-Detektionsabschnitt 536, einen Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537, einen Matrixgenerierungsabschnitt 538, einen Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 und eine Einfallswellen-Schätzeinheit AU. Wie bereits erwähnt, kann ein Teil der oder die gesamte Signalverarbeitungsschaltung560 durch FPGA oder durch einen Satz aus (einem) Universalprozessor(en) und (einer) Hauptspeichervorrichtung(en) implementiert sein. Der Speicher 531, der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532, der DBF-Verarbeitungsabschnitt 535, der Distanzdetektionsabschnitt 533, der Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534, der Azimut-Detektionsabschnitt 536, der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 und die Einfallswellen-Schätzeinheit AU können einzelne Teile, die in eigenständigen Hardware-Teilen implementiert sind, oder Funktionsblöcke einer einzigen Signalverarbeitungsschaltungsein.
35 zeigt eine Beispielimplementierung, bei der die Signalverarbeitungsschaltung 560 in Hardware einschließlich eines Prozessors PR und einer Speichervorrichtung MD implementiert ist. Auch bei der Signalverarbeitungsschaltung 560 mit dieser Konstruktion kann ein in der Speichervorrichtung MD gespeichertes Computerprogramm die Funktionen des Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitts 532, des DBF-Verarbeitungsabschnitts 535, des Distanzdetektionsabschnitts 533, des Geschwindigkeitsdetektionsabschnitts 534, des Azimut-Detektionsabschnitts 536, des Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitts 537, des Matrixgenerierungsabschnitts 538 und der Einfallswellen-Schätzeinheit AU erfüllen, die in 32 gezeigt sind.
Die Signalverarbeitungsschaltung 560 in diesem Anwendungsbeispiel ist konfiguriert zum Schätzen der Positionsinformationen eines voraus befindlichen Fahrzeugs mithilfe eines jeden Schwebungssignals, das in ein digitales Signal umgewandelt ist, als sekundäres Signal des Empfangssignals sowie zum Ausgeben eines Signals, das das Schätzungsergebnis anzeigt. Im Folgenden werden Konstruktion und Funktionsweise der Signalverarbeitungsschaltung 560 in diesem Anwendungsbeispiel im Detail beschrieben.
Für jeden der Kanäle Ch₁ bis Ch_M speichert der Speicher 531 in der Signalverarbeitungsschaltung 560 ein digitales Signal, das aus dem A/D-Wandler 587 ausgegeben wird. Der Speicher 531 kann durch ein generisches Speichermedium wie etwa einen Halbleiterspeicher oder eine Festplatte und/oder eine optische Platte gebildet sein.
Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 wendet Fourier-Transformation auf die jeweiligen Schwebungssignale für die Kanäle Ch₁ bis Ch_M an (in dem unteren Graphen aus 33 gezeigt), die in dem Speicher 531 gespeichert sind. In der vorliegenden Spezifikation wird die Amplitude eines Komplexe-Zahl-Datums nach der Fourier-Transformation als „Signalintensität“ bezeichnet. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 wandelt die Komplexe-Zahl-Daten eines Empfangssignals aus einem von der Vielzahl von Antennenelementen oder eine Summe der Komplexe-Zahl-Daten aller Empfangssignale aus der Vielzahl von Antennenelementen in ein Frequenzspektrum um. In dem so entstandenen Spektrum können Schwebungsfrequenzen detektiert werden, die jeweiligen Spitzenwerten entsprechen, welche Vorhandensein und Distanz von Zielen (voraus befindlichen Fahrzeugen) anzeigen. Das Errechnen einer Summe der Komplexe-Zahl-Daten der Empfangssignale aus allen Antennenelementen ermöglicht das Ausmitteln der Rauschanteile, wodurch das S/N-Verhältnis verbessert wird.
Im Fall, dass nur ein Ziel, d.h. ein voraus befindliches Fahrzeug, vorhanden ist, wie in 34 gezeigt, erzeugt die Fourier-Transformation ein Spektrum mit nur einem Spitzenwert in einer Periode mit steigender Frequenz (der „Anstiegs“-Periode) und nur einem Spitzenwert in einer Periode mit sich verringernder Frequenz (der „Abfall“-Periode). Die Schwebungsfrequenz des Spitzenwertes in der „Anstiegs“-Periode ist mit „fu“ bezeichnet, während die Schwebungsfrequenz des Spitzenwertes in der „Abfall“-Periode mit „fd“ bezeichnet ist.
Aus den Signalintensitäten von Schwebungsfrequenzen detektiert der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 jede Signalintensität, die einen vordefinierten Wert (Schwellenwert) überschreitet, wodurch das Vorhandensein eines Ziels bestimmt wird. Beim Detektieren einer Signalintensitätsspitze gibt der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 die Schwebungsfrequenzen (fu, fd) der Spitzenwerte als die Frequenzen des Objekts von Interesse an den Distanzdetektionsabschnitt 533 und den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 aus. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 gibt Informationen, welche die Frequenzmodulationsbreite Δf anzeigen, an den Distanzdetektionsabschnitt 533 aus und gibt Informationen, welche die Mittelfrequenz f0 anzeigen, an den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 aus.
Im Fall, dass Signalintensitätsspitzen entsprechend mehreren Zielen detektiert werden, findet der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 Verbindungen zwischen den Anstiegs-Spitzenwerten und den Abfall-Spitzenwerten auf Basis vordefinierter Bedingungen. Spitzen, die als zu Signalen von demselben Ziel gehörig bestimmt werden, erhalten dieselbe Nummer und werden somit in den Distanzdetektionsabschnitt 533 und den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 gespeist.
Wenn es mehrere Ziele gibt, erscheinen nach der Fourier-Transformation so viele Spitzen, wie es Ziele gibt, in den Anstiegsteilen und den Abfallteilen des Schwebungssignals. In Proportion zu der Distanz zwischen dem Radar und einem Ziel wird das Empfangssignal weiter verzögert, und das Empfangssignal in 33 verschiebt sich weiter nach rechts. Daher erhält ein Schwebungssignal mit der Erhöhung der Distanz zwischen dem Ziel und dem Radar eine höhere Frequenz.
Auf Basis der aus dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 eingegebenen Schwebungsfrequenzen fu und fd berechnet der Distanzdetektionsabschnitt 533 durch die untenstehende Gleichung eine Distanz R und führt sie dem Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 zu. $R = {c \cdot T / (2 \cdot Δ f)} \cdot {(fu + fd) / 2}$
Außerdem berechnet der Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 durch die untenstehende Gleichung auf Basis der aus dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 eingegebenen Schwebungsfrequenzen fu und fd eine relative Geschwindigkeit V und führt sie dem Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 zu. $V = {c / (2 \cdot f0)} \cdot {(fu - fd) / 2}$
In der Gleichung, die die Distanz R und die relative Geschwindigkeit V berechnet, ist c die Lichtgeschwindigkeit, und T ist die Modulationsperiode.
Es wird angemerkt, dass die an der Untergrenze liegende Auflösung der Distanz R als C/(2Δf) ausgedrückt ist. Mit einer Erhöhung von Δf erhöht sich daher die Auflösung der Distanz R. Im Fall, dass sich die Frequenz f0 im 76-GHz-Band befindet, liegt bei einer Einstellung von Δf in der Größenordnung von 660 Megahertz (MHz) die Auflösung der Distanz R beispielsweise in der Größenordnung von 0,23 Metern (m). Wenn zwei voraus befindliche Fahrzeuge nebeneinander fahren, kann es mit dem FMCW-Verfahren daher schwer zu identifizieren sein, ob ein Fahrzeug oder zwei Fahrzeuge vorhanden sind. In einem solchen Fall könnte das Betreiben eines Algorithmus zur Einfallsrichtungsschätzung mit extrem hoher Winkelauflösung möglich sein, um zwischen den Azimuten der zwei voraus befindlichen Fahrzeuge zu separieren und die Detektion zu ermöglichen. Durch Nutzung von Phasendifferenzen zwischen Signalen aus den Antennenelementen 11₁ , 112, ..., 1M erlaubt der DBF-Verarbeitungsabschnitt 535 die Durchführung einer Fourier-Transformation der eintreffenden, den jeweiligen Antennenelementen entsprechenden komplexen Daten, die mit Bezug auf die Zeitachse Fourier-transformiert wurden, mit Bezug auf die Richtung, in der die Antennenelemente arrayartig angeordnet sind. Der DBF-Verarbeitungsabschnitt 535 berechnet dann räumliche Komplexe-Zahl-Daten, die die Spektrumsintensität für jeden Winkelkanal, wie durch die Winkelauflösung bestimmt, anzeigen, und gibt sie für die jeweiligen Schwebungsfrequenzen an den Azimut-Detektionsabschnitt 536 aus.
Der Azimut-Detektionsabschnitt 536 ist zu dem Zweck vorgesehen, das Azimut eines voraus befindlichen Fahrzeugs zu schätzen. Aus den Werten von räumlichen Komplexe-Zahl-Daten, die für die jeweiligen Schwebungsfrequenzen berechnet wurden, wählt der Azimut-Detektionsabschnitt 536 einen Winkel , der den größten Wert annimmt, und gibt ihn an den Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 als das Azimut aus, bei dem ein Objekt von Interesse existiert.
Es wird angemerkt, dass das Verfahren zum Schätzen des Winkels θ, der die Einfallsrichtung einer eintreffenden Welle anzeigt, nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist. Es können verschiedene Algorithmen zur Einfallsrichtungsschätzung eingesetzt werden, die bereits erwähnt wurden.
Der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 berechnet absolute Werte der Differenzen zwischen den jeweiligen, im aktuellen Zyklus berechneten Werten der Distanz, der relativen Geschwindigkeit und des Azimuts des Objektes von Interesse und den 1 Zyklus zuvor berechneten jeweiligen Werten der Distanz, der relativen Geschwindigkeit und des Azimuts des Objektes von Interesse, die aus dem Speicher 531 ausgelesen werden. Wenn der absolute Wert einer jeden Differenz kleiner als ein Wert ist, der für den jeweiligen Wert definiert ist, bestimmt dann der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537, dass das Ziel, das 1 Zyklus zuvor detektiert wurde, und das in dem aktuellen Zyklus detektierte Ziel ein identisches Ziel sind. In diesem Fall erhöht der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 die Zählung der Zielverbindungsprozesse, die aus dem Speicher 531 gelesen werden, um eins.
Wenn der absolute Wert einer Differenz größer als vorbestimmt ist, bestimmt der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537, dass ein neues Objekt von Interesse detektiert wurde. Der Zielverbindungs-Verarbeitungsabschnitt 537 speichert die jeweiligen, im aktuellen Zyklus berechneten Werte der Distanz, der relativen Geschwindigkeit und des Azimuts des Objekts von Interesse und auch die Zählung der Zielverbindungsprozesse für dieses Objekt von Interesse in dem Speicher 531.
In der Signalverarbeitungsschaltung 560 können die Distanz zu dem Objekt von Interesse und seine relative Geschwindigkeit durch Verwendung eines Spektrums detektiert werden, das durch eine Frequenzanalyse von Schwebungssignalen gewonnen ist, die auf Basis von empfangenen reflektierten Wellen generierte Signale sind.
Der Matrixgenerierungsabschnitt 538 generiert eine räumliche Kovarianzmatrix durch Verwendung der jeweiligen Schwebungssignale für die Kanäle Ch₁ bis Ch_M (unterer Graph in 33), die in dem Speicher 531 gespeichert sind. In der räumlichen Kovarianzmatrix aus Gleichung 4 ist jede Komponente der Wert eines Schwebungssignals, der in Form von realen und imaginären Teilen ausgedrückt Ferner bestimmt der Matrixgenerierungsabschnitt 538 Eigenwerte der räumlichen Kovarianzmatrix Rxx und gibt die so entstehenden Eigenwertinformationen in die Einfallswellen-SchätzeinheitAU ein.
Wenn eine Vielzahl von Signalintensitätsspitzen, die mehreren Objekten von Interesse entsprechen, detektiert wurden, nummeriert der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 die Spitzenwerte jeweils in dem Anstiegsteil und in dem Abfallteil, angefangen bei denjenigen mit kleineren Frequenzen, und gibt sie an den Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 aus. In den Anstiegs- und Abfallteilen entsprechen Spitzen mit identischer Nummer demselben Objekt von Interesse. Die Identifikationsnummern sind als die Nummern anzusehen, die den Objekten von Interesse zugewiesen sind. Zur einfacheren Illustration ist eine Bezugslinie von dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 zu dem Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 in 32 der Einfachheit halber weggelassen.
Wenn das Objekt von Interesse eine voraus befindliche Struktur ist, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 die Identifikationsnummer dieses Objektes von Interesse als ein Ziel anzeigend aus. Beim Empfang von Bestimmungsergebnissen zu mehreren Objekten von Interesse in der Weise, dass es alles voraus befindliche Strukturen sind, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 die Identifikationsnummer eines Objekts von Interesse, das sich auf der Fahrspur des Eigenfahrzeugs befindet, als die Objektpositionsinformationen aus, die anzeigen, wo sich ein Ziel befindet. Beim Empfang von Bestimmungsergebnissen zu mehreren Objekten von Interesse in der Weise, dass es alles voraus befindliche Strukturen sind und dass sich auf der Fahrspur des Eigenfahrzeugs zwei oder mehr Objekte von Interesse befinden, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 außerdem die Identifikationsnummer eines Objekts von Interesse, das der höchsten aus dem Verbindungs-Verarbeitungsspeicher 531 gelesenen Zählung der Ziele zugeordnet ist, als die Objektpositionsinformationen aus, die anzeigen, wo sich ein Ziel befindet.
Wiederum mit Bezug auf 31 wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das Bordradarsystem 510 in die in 31 gezeigte Beispielkonstruktion eingebaut ist. Die Bildverarbeitungsschaltung 720 erfasst Informationen eines Objekts aus dem Video und detektiert aus den Objektinformationen Zielpositionsinformationen. Beispielsweise ist die Bildverarbeitungsschaltung 720 dazu ausgebildet, durch Detektieren des Tiefenwertes eines Objekts in einem erfassten Video Distanzinformationen eines Objekts zu schätzen oder aus charakteristischen Beträgen in dem Video Größeninformationen und dergleichen zu einem Objekt zu detektieren und so Positionsinformationen des Objekts zu detektieren.
Die Auswahlschaltung 596 führt Positionsinformationen, die aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 oder der Bildverarbeitungsschaltung 720 empfangen werden, selektiv der elektronischen Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 zu. Beispielsweise vergleicht die Auswahlschaltung 596 eine erste Distanz, d.h. die Distanz von dem Eigenfahrzeug zu einem detektierten Objekt, wie in den Objektpositionsinformationen aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 enthalten, mit einer zweiten Distanz, d.h. der Distanz von dem Eigenfahrzeug zu dem detektierten Objekt, wie in den Objektpositionsinformationen aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 enthalten, und bestimmt, welche näher am Eigenfahrzeug ist. Beispielsweise kann die Auswahlschaltung 596 auf Basis des Bestimmungsergebnisses die Objektpositionsinformationen auswählen, die eine nähere Distanz zum Eigenfahrzeug anzeigen, und dieselben an die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 ausgeben. Wenn das Bestimmungsergebnis anzeigt, dass die erste Distanz und die zweite Distanz denselben Wert haben, kann die Auswahlschaltung 596 entweder eine davon oder beide an die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 ausgeben.
Wenn aus dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 Informationen eingegeben werden, die anzeigen, dass kein potenzielles Ziel vorhanden ist, gibt der Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539 (32) als Objektpositionsinformationen null aus, was anzeigt, dass kein Ziel vorhanden ist. Die Auswahlschaltung 596 wählt dann, auf Basis der Objektpositionsinformationen aus dem Zielausgabe-Verarbeitungsabschnitt 539, durch Vergleich mit einem vordefinierten Schwellenwert, entweder die Objektpositionsinformationen aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 oder die Objektpositionsinformationen aus der Bildverarbeitungsschaltung 720 zur Verwendung.
Auf Basis vordefinierter Bedingungen führt die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 nach Empfang der Positionsinformationen eines voraus befindlichen Objekts aus der Objektdetektionseinrichtung 570 eine Steuerung durch, um den Betrieb für den Fahrer des Eigenfahrzeugs sicherer oder einfacher zu machen, entsprechend der durch die Objektpositionsinformationen angezeigten Distanz und Größe, der Geschwindigkeit des Eigenfahrzeugs, Straßenbedingungen wie etwa Regen, Schneefall oder klarem Wetter oder anderen Bedingungen. Wenn die Objektpositionsinformationen anzeigen, dass kein Objekt detektiert wurde, kann die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 beispielsweise ein Steuersignal an eine Beschleunigungssteuerschaltung 526 schicken, um die Drehzahl bis zu einer vordefinierten Geschwindigkeit zu erhöhen, so dass die Beschleunigungssteuerschaltung 526 dazu gesteuert wird, eine Operation durchzuführen, die zu einem Herunterdrücken des Gaspedals äquivalent ist.
Im Fall, dass die Objektpositionsinformationen anzeigen, dass ein Objekt detektiert wurde, steuert die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520, wenn festgestellt wird, dass es sich in einer vorbestimmten Distanz zu dem Eigenfahrzeug befindet, die Bremsen über eine Bremssteuerschaltung 524 durch eine Brake-by-Wire-Konstruktion oder dergleichen. Anders ausgedrückt, führt sie eine Operation der Geschwindigkeitsverringerung durch, um einen konstanten Fahrzeugabstand einzuhalten. Beim Empfang der Objektpositionsinformationen schickt die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520 ein Steuersignal an eine Alarmsteuerschaltung 522, um das Aufleuchten einer Lampe zu steuern oder Audio über einen im Fahrzeug vorgesehenen Lautsprecher zu steuern, so dass dem Fahrer die Annäherung eines voraus befindlichen Objekts mitgeteilt wird. Beim Empfang von Objektpositionsinformationen einschließlich einer räumlichen Verteilung von voraus befindlichen Fahrzeugen kann die elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung 520, wenn die Fahrgeschwindigkeit innerhalb eines vordefinierten Bereiches liegt, automatisch eine Betätigung des Lenkrads nach links oder rechts erleichtern oder den Hydraulikdruck auf der Lenkradseite dazu steuern, eine Richtungsänderung der Räder zu erzwingen, wodurch Assistenz bei der Kollisionsverhütung mit Bezug auf das voraus befindliche Objekt bereitgestellt wird.
Die Objektdetektionseinrichtung 570 kann so eingerichtet sein, dass kontinuierliche Nachverfolgung gewählt wird und Objektpositionsinformationen aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 mit Priorität ausgegeben werden, wenn eine Objektpositionsinformation, die im vorherigen Detektionszyklus durch die Auswahlschaltung 596 für einige Zeit kontinuierlich detektiert wurde, die jedoch im aktuellen Detektionszyklus nicht detektiert wird, einer Objektpositionsinformation aus einem kameradetektierten Video zugeordnet wird, die ein voraus befindliches Objekt anzeigt.
Eine spezifische Beispielkonstruktion und Beispielfunktionsweise, mit denen die Auswahlschaltung 596 eine Auswahl zwischen den Ausgaben aus der Signalverarbeitungsschaltung 560 und der Bildverarbeitungsschaltung 720 vornehmen kann, sind in der Spezifikation des US-Patents Nr. 8446312 , der Spezifikation des US-Patents Nr. 8730096 und der Spezifikation des US-Patents Nr. 8730099 offenbart. Die gesamte Offenbarung derselben wird hier durch Verweis aufgenommen.
(Erste Variante)
In dem Radarsystem zur bordeigenen Verwendung aus dem obigen Anwendungsbeispiel beträgt die (Sweep-) Bedingung für eine einzelne Instanz von FMCW-Frequenzmodulation (frequenzmodulierte kontinuierliche Welle), d.h. eine Zeitspanne, die für eine solche Modulation erforderlich ist (Sweep-Zeit), z.B. 1 Millisekunde, obwohl die Sweep-Zeit auf circa 100 Mikrosekunden verkürzt sein könnte.
Jedoch müssen zur Realisierung einer solchen schnellen Sweep-Bedingung nicht nur diejenigen Bestandteile schnell arbeiten können, die an der Abstrahlung einer Sendewelle beteiligt sind, sondern auch diejenigen Bestandteile, die am Empfang unter dieser Sweep-Bedingung beteiligt sind. Beispielsweise wird ein A/D-Wandler 587 (32) benötigt, der unter dieser Sweep-Bedingung schnell arbeitet. Die Abtastfrequenz des A/D-Wandlers 587 kann beispielsweise 10 MHz betragen. Die Abtastfrequenz kann auch schneller als 10 MHz sein.
Bei der vorliegenden Variante wird eine relative Geschwindigkeit mit Bezug auf ein Ziel berechnet, ohne eine Frequenzkomponente auf Dopplerverschiebungs-Basis zu nutzen. Bei dieser Variante ist die Sweep-Zeit Tm = 100 Mikrosekunden, was sehr kurz ist. Die niedrigste Frequenz eines detektierbaren Schwebungssignals, die 1/Tm beträgt, ist in diesem Fall gleich 10 kHz. Dies würde einer Dopplerverschiebung einer reflektierten Welle von einem Ziel mit einer relativen Geschwindigkeit von circa 20 m/Sekunde entsprechen. Anders ausgedrückt: Solange man eine Dopplerverschiebung zu Grunde legt, wäre es unmöglich, relative Geschwindigkeiten zu detektieren, die gleich diesem Wert oder kleiner sind. Somit wird bevorzugt ein Berechnungsverfahren verwendet, das sich von einem Berechnungsverfahren auf Dopplerverschiebungs-Basis unterscheidet.
Als Beispiel illustriert diese Variante einen Prozess, der ein Signal (Aufwärts-Schwebungssignal) nutzt, das eine Differenz zwischen einer Sendewelle und einer Empfangswelle repräsentiert und in einem Aufwärts- (Anstiegs-) Abschnitt gewonnen ist, in dem die Sendewelle sich in der Frequenz erhöht. Eine einzelne Sweep-Zeit von FMCW beträgt 100 Mikrosekunden, und ihre Wellenform ist eine Sägezahnform, die nur aus einem Aufwärtsteil besteht. Bei dieser Variante hat die durch die Signalwelle, die durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung581 erzeugt wird, Sägezahnform. Die Sweep-Breite beträgt in der Frequenz 500 MHz. Da keine Dopplerverschiebungen zugeordneten Spitzen zu nutzen sind, generiert der Prozess nicht ein Aufwärts-Schwebungssignal und ein Abwärts-Schwebungssignal, um die Spitzen aus beiden zu nutzen, sondern er beruht nur auf einem dieser Signale. Obwohl hier eine Nutzung eines Aufwärts-Schwebungssignals illustriert ist, kann ein ähnlicher Prozess auch durch Verwendung eines Abwärts-Schwebungssignals durchgeführt werden.
Der A/D-Wandler 587 (32) tastet jedes Aufwärts-Schwebungssignal mit einer Abtastfrequenz von 10 MHz ab und gibt mehrere hundert digitale Daten aus (nachfolgend als „Abtastdaten“ bezeichnet). Die Generierung der Abtastdaten erfolgt auf Basis von Aufwärts-Schwebungssignalen beispielsweise nach einem Zeitpunkt, an dem eine Empfangswelle erfasst wird, und bis zu einem Zeitpunkt, an dem eine Sendewelle die Übertragung beendet. Es wird angemerkt, dass der Prozess beendet sein kann, sobald eine bestimmte Anzahl von Abtastdaten gewonnen ist.
Bei dieser Variante werden 128 Aufwärts-Schwebungssignale in Serie gesendet/empfangen, für die jeweils mehrere hundert Abtastdaten gewonnen werden. Die Anzahl der Aufwärts-Schwebungssignale ist nicht auf 128 beschränkt. Sie kann 256 oder 8 betragen. Je nach Zweckbestimmung kann eine beliebige Anzahl ausgewählt werden.
Die so entstehenden Abtastdaten werden in dem Speicher 531 gespeichert. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 wendet eine zweidimensionale schnelle Fourier-Transformation (FFT) auf die Abtastdaten an. Insbesondere wird zuerst für jedes der Abtastdaten, die durch einen einzelnen Sweep gewonnen wurden, ein erster FFT-Prozess (Frequenzanalyseprozess) durchgeführt, um ein Leistungsspektrum zu generieren. Als Nächstes führt der Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 einen zweiten FFT-Prozess für die Verarbeitungsergebnisse durch, die aus allen Sweeps gesammelt wurden.
Wenn die reflektierten Wellen von demselben Ziel stammen, haben Spitzenkomponenten in dem zu detektierenden Leistungsspektrum in jeder Sweep-Periode die gleiche Frequenz. Dagegen unterscheiden sich bei unterschiedlichen Zielen die Spitzenkomponenten in der Frequenz. Durch den ersten FFT-Prozess können mehrere Ziele separiert werden, die sich in unterschiedlichen Distanzen befinden.
Im Fall, dass eine relative Geschwindigkeit mit Bezug auf ein Ziel ungleich null ist, verändert sich die Phase des Aufwärts-Schwebungssignals von Sweep zu Sweep etwas. Mit anderen Worten, durch den zweiten FFT-Prozess wird ein Leistungsspektrum, dessen Elemente die Daten von Frequenzkomponenten sind, welche solchen Phasenveränderungen zugeordnet sind, für die jeweiligen Ergebnisse des ersten FFT-Prozesses gewonnen.
Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 extrahiert Spitzenwerte in dem obigen zweiten Leistungsspektrum und schicktsie an den Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534.
Der Geschwindigkeitsdetektionsabschnitt 534 bestimmt aus den Phasenveränderungen eine relative Geschwindigkeit. Beispielsweise sei angenommen, dass eine Reihe gewonnener Aufwärts-Schwebungssignale durch jede Phase θ [RXd] Phasenveränderungen durchläuft. Angenommen, dass die Sendewelle eine durchschnittliche Wellenlänge λ hat, bedeutet dies, dass jedes Mal, wenn ein Aufwärts-Schwebungssignal gewonnen wird, eine Veränderung der Distanz von λ/(4π/θ) besteht. Da diese Veränderung über ein Intervall der Aufwärts-Schwebungssignalübertragung Tm (=100 Mikrosekunden) aufgetreten ist, wird die relative Geschwindigkeit mit {λ/(4/π/θ)}/Tm bestimmt.
Durch die obigen Prozesse können eine relative Geschwindigkeit mit Bezug auf ein Ziel und eine Distanz vom Ziel gewonnen werden.
(Zweite Variante)
Das Radarsystem 510 ist fähig zum Detektieren eines Ziels mithilfe von (einer) kontinuierlichen Welle(n) CW mit einer oder mehreren Frequenzen. Dieses Verfahren ist besonders sinnvoll in einem Umfeld, wo eine Vielzahl reflektierter Wellen von unbewegten Objekten in der Umgebung auf dem Radarsystem 510 auftrifft, z.B. wenn das Fahrzeug in einem Tunnel ist.
Das Radarsystem 510 hat ein Antennen-Array zu Empfangszwecken, das fünf Kanäle unabhängiger Empfangselemente aufweist. Bei einem solchen Radarsystem ist die Einfallsazimut-Schätzung für einfallende reflektierte Wellen nur dann möglich, wenn vier oder weniger reflektierte Wellen vorhanden sind, die gleichzeitig einfallen. Bei einem Radar des FMCW-Typs kann die Anzahl reflektierter Wellen, die gleichzeitig einer Einfallsazimut-Schätzung unterzogen werden, reduziert werden, indem ausschließlich reflektierte Wellen aus einer spezifischen Distanz ausgewählt werden. In einer Umgebung, wo eine große Anzahl unbewegter Objekte im umliegenden Gebiet existiert, z.B. in einem Tunnel, ist es jedoch so, als gäbe es ein Kontinuum von Objekten zum Reflektieren von Funkwellen; daher ist möglicherweise auch dann, wenn man die reflektierten Wellen auf Basis der Distanz eingrenzt, die Anzahl der reflektierten Wellen immer noch nicht gleich oder kleiner als vier. Jedoch hat jedes solche unbewegte Objekt in der Umgebung mit Bezug auf das Eigenfahrzeug identische relative Geschwindigkeit, und die relative Geschwindigkeit ist größer als diejenige, die jedem anderen Fahrzeug zugeordnet ist, das vorausfährt. Auf dieser Basis können solche unbewegten Objekte auf Basis der Größen der Dopplerverschiebungen von jedem anderen Fahrzeug unterschieden werden.
Daher führt das Radarsystem 510 folgenden Prozess durch: Abstrahlen kontinuierlicher Wellen CW mehrerer Frequenzen und, unter Außerachtlassung von Dopplerverschiebungsspitzen, die unbewegten Objekten entsprechen, in den Empfangssignalen, Detektieren einer Distanz mithilfe einer beziehungsweise mehrerer Dopplerverschiebungsspitzen mit kleinerem Verschiebungsbetrag. Anders als beim FMCW-Verfahren ist beim CW-Verfahren ein Frequenzunterschied zwischen einer Sendewelle und einer Empfangswelle nur auf eine Dopplerverschiebung zurückführbar. Anders ausgedrückt, ist jede Spitzenfrequenz, die in einem Schwebungssignal auftritt, nur auf eine Dopplerverschiebung zurückführbar.
Auch in der Beschreibung dieser Variante wird eine im CW-Verfahren zu verwendende kontinuierliche Welle als „kontinuierliche Welle CW“ bezeichnet. Wie oben beschrieben, hat eine kontinuierliche Welle CW eine konstante Frequenz; d.h. sie ist unmoduliert.
Es sei angenommen, dass das Radarsystem 510 eine kontinuierliche Welle CW einer Frequenz fp abgestrahlt hat und eine reflektierte Welle einer Frequenz fq detektiert hat, die von einem Ziel reflektiert wurde. Die Differenz zwischen der Sendefrequenz fp und der Empfangsfrequenz fq wird als Dopplerfrequenz bezeichnet, die sich auf fp-fq=2-Vr-fp/c nähert. Dabei ist Vr eine relative Geschwindigkeit zwischen dem Radarsystem und dem Ziel, und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Die Sendefrequenz fp, die Dopplerfrequenz (fp-fq) und die Lichtgeschwindigkeit c sind bekannt. Daher kann aus dieser Gleichung die relative Geschwindigkeit Vr=(fp-fq).c/2fp bestimmt werden. Die Distanz zum Ziel wird durch Nutzung von Phaseninformationen berechnet, wie noch beschrieben wird.
Zum Detektieren einer Distanz zu einem Ziel durch Verwendung kontinuierlicher Wellen CW wird ein 2-Frequenzen-CW-Verfahren verwendet. In dem 2-Frequenzen-CW-Verfahren werden kontinuierliche Wellen CW zweier Frequenzen, die etwas auseinander liegen, jeweils für eine bestimmte Periode abgestrahlt und ihre jeweiligen reflektierten Wellen erfasst. Beispielsweise würde im Fall der Verwendung von Frequenzen im 76-GHz-Band die Differenz zwischen den zwei Frequenzen mehrere hundert kHz betragen. Wie noch beschrieben wird, ist es vorzuziehen, die Differenz zwischen den zwei Frequenzen unter Berücksichtigung der Minimaldistanz zu bestimmen, bei welcher der verwendete Radar zum Detektieren eines Ziels fähig ist.
Angenommen, dass das Radarsystem 510 kontinuierliche Wellen CW der Frequenzen fp1 und fp2 (fp1<fp2) sequentiell abgestrahlt hat und dass die beiden kontinuierlichen Wellen CW von einem einzigen Ziel reflektiert wurden, so dass reflektierte Wellen der Frequenzen fq1 und fq2 durch das Radarsystem 510 empfangen werden.
Auf Basis der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp1 und der reflektierten Welle (Frequenz fq1) derselben wird eine erste Dopplerfrequenz gewonnen. Auf Basis der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp2 und der reflektierten Welle (Frequenz fq2) derselben wird eine zweite Dopplerfrequenz gewonnen. Die beiden Dopplerfrequenzen haben im Wesentlichen den gleichen Wert. Aufgrund der Differenz zwischen den Frequenzen fp1 und fp2 unterscheiden sich jedoch die komplexen Signale der jeweiligen Empfangswellen in der Phase. Durch Nutzung dieser Phaseninformationen kann eine Distanz (Entfernung) zum Ziel berechnet werden.
Spezifisch ist das Radarsystem 510 fähig zur Bestimmung der Distanz R als R=c·Δφ/4π(fp2-fp1). Hier bezeichnet Δφ die Phasendifferenz zwischen zwei Schwebungssignalen, d.h. Schwebungssignal 1, das als Differenz zwischen der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp1 und der reflektierten Welle (Frequenz fq1) derselben gewonnen ist, und Schwebungssignal 2, das als Differenz zwischen der kontinuierlichen Welle CW der Frequenz fp2 und der reflektierten Welle (Frequenz fq2) derselben gewonnen ist. Das Verfahren zum Identifizieren der Frequenz fb1 des Schwebungssignals 1 und der Frequenz fb2 des Schwebungssignals 2 ist identisch mit demjenigen im oben genannten Fall eines Schwebungssignals aus einer kontinuierlichen Welle CW einer einzigen Frequenz.
Es wird angemerkt, dass eine relative Geschwindigkeit Vr gemäß dem 2-Frequenzen-CW-Verfahren folgendermaßen bestimmt wird. $Vr = fb1 \cdot c / 2 \cdot fp1 oder Vr = fb2 \cdot c / 2 \cdot fp2$
Außerdem ist die Entfernung, innerhalb derer eine Distanz zu einem Ziel eindeutig identifiziert werden kann, auf die Entfernung begrenzt, die durch Rmax<c/2(fp2-fp1) definiert ist. Der Grund hierfür ist, dass aus einer reflektierten Welle von einem weiter entfernten Ziel resultierende Schwebungssignale ein Δφ erzeugen würden, das größer als 2π ist, so dass sie nicht von Schwebungssignalen unterscheidbar wären, die Zielen an näheren Positionen zugeordnet sind. Daher ist es vorzuziehen, die Differenz zwischen den Frequenzen der zwei kontinuierlichen Wellen CW so einzustellen, dass Rmax größer als die minimale detektierbare Distanz des Radars wird. Im Fall eines Radars, dessen minimale detektierbare Distanz 100 m beträgt, kann fp2-fp1 z.B. als 1,0 MHz vorgesehen sein. In diesem Fall ist Rmax = 150 m, so dass ein Signal von jedem Ziel aus einer Position jenseits von Rmax nicht detektiert wird. Im Fall der Einrichtung eines Radars, der zur Detektion bis zu 250 m fähig ist, kann fp2-fp1 z.B. als 500 kHz vorgesehen sein. In diesem Fall ist Rmax = 300 m, so dass ein Signal von jedem Ziel aus einer Position jenseits von Rmax ebenfalls nicht detektiert wird. Im Fall, dass der Radar sowohl einen Betriebsmodus hat, in dem die minimale detektierbare Distanz 100 m und der horizontal Sichtwinkel 120 Grad beträgt, als auch einen Betriebsmodus hat, in dem die minimale detektierbare Distanz 250 m und der horizontale Sichtwinkel 5 Grad beträgt, ist es vorzuziehen, für den Betrieb in dem jeweiligen Betriebsmodus den Wert von fp2-fp1 zwischen 1,0 MHz und 500 kHz umzuschalten.
Es ist ein Detektionsansatz bekannt, bei dem durch Senden kontinuierlicher Wellen CW bei N unterschiedlichen Frequenzen (wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 3 ist) und durch Nutzung von Phaseninformationen der jeweiligen reflektierten Wellen eine Distanz zu jedem Ziel detektiert wird. Gemäß diesem Detektionsansatz kann die Distanz für bis zu N-1 Ziele korrekt erkannt werden. Als Verarbeitung, die dies ermöglicht, wird beispielsweise eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwendet. Bei gegebenem N = 64 oder 128 wird eine FFT für Abtastdaten eines Schwebungssignals als Differenz zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal für jede Frequenz durchgeführt, wodurch ein Frequenzspektrum (relative Geschwindigkeit) gewonnen wird. Danach wird bei der Frequenz der CW-Welle eine weitere FFT für Spitzen derselben Frequenz durchgeführt, um so Distanzinformationen abzuleiten.
Im Folgenden wird dies spezifischer beschrieben.
Zur einfacheren Erläuterung wird zunächst ein Fall beschrieben, in dem Signale mit drei Frequenzen f1, f2 und f3 gesendet werden, während sie im Zeitverlauf geschaltet werden. Es wird angenommen, dass f1>f2>f3 und f1-f2=f2-f3=Δf. Für die Signalwelle für jede Frequenz wird eine Übertragungszeit von Δt angenommen. 36 zeigt ein Verhältnis zwischen drei Frequenzen f1, f2 und f3.
Über die Sendeantenne Tx überträgt die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 (32) kontinuierliche Wellen CW der Frequenzen f1, f2 und f3, die jeweils für die Zeit Δt andauern. Die Empfangsantennen Rx empfangen reflektierte Wellen, die sich aus der Reflexion der jeweiligen kontinuierlichen Wellen CW von einem oder mehreren Zielen ergeben.
Jeder Mischer584 mischt eine Sendewelle und eine Empfangswelle, um ein Schwebungssignal zu generieren. Der A/D-Wandler 587 wandelt das Schwebungssignal, das ein analoges Signal ist, beispielsweise in mehrere hundert digitale Daten (Abtastdaten) um.
Mithilfe der Abtastdaten führt der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 FFT-Berechnung durch. Durch die FFT-Berechnung werden Frequenzspektrumsinformationen von Empfangssignalen für die jeweiligen Sendefrequenzen f1, f2 und f3 gewonnen.
Danach separiert der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 Spitzenwerte aus den Frequenzspektrumsinformationen der Empfangssignale. Die Frequenz eines jeden Spitzenwertes, der vorbestimmt oder größer ist, steht in Proportion zu einer relativen Geschwindigkeit mit Bezug auf ein Ziel. Das Separieren von einem beziehungsweise mehreren Spitzenwerten aus den Frequenzspektrumsinformationen von Empfangssignalen ist gleichbedeutend mit dem Separieren eines oder mehrerer Ziele mit unterschiedlichen relativen Geschwindigkeiten.
Als Nächstes misst der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 mit Bezug auf jede der Sendefrequenzen f1 bis f3 Spektrumsinformationen von Spitzenwerten derselben relativen Geschwindigkeit oder relativer Geschwindigkeiten innerhalb eines vordefinierten Bereiches.
Es werde nun ein Szenario betrachtet, in dem zwei Ziele A und B existieren, die ungefähr dieselbe relative Geschwindigkeit haben, sich jedoch in jeweils unterschiedlichen Distanzen befinden. Ein Sendesignal der Frequenz f1 wird von beiden Zielen A und B reflektiert, so dass Empfangssignale gewonnen werden. Die reflektierten Wellen von den Zielen A und B ergeben im Wesentlichen dieselbe Schwebungssignalfrequenz. Daher werden die Leistungsspektren bei den Dopplerfrequenzen der Empfangssignale, entsprechend ihren relativen Geschwindigkeiten, als synthetisches Spektrum F1 gewonnen, zu dem die Leistungsspektren von zwei Zielen A und B verschmolzen wurden.
Ebenso werden für jede der Frequenzen f2 und f3 die Leistungsspektren bei den Dopplerfrequenzen der Empfangssignale entsprechend ihren relativen Geschwindigkeiten als synthetisches Spektrum F1 gewonnen, zu dem die Leistungsspektren von zwei Zielen A und B verschmolzen wurden.
37 zeigt ein Verhältnis zwischen den synthetischen Spektren F1 bis F3 auf einer komplexen Ebene. In den Richtungen derzwei Vektoren, die jedes der synthetischen Spektren F1 bis F3 bilden, entspricht der rechte Vektor dem Leistungsspektrum einer reflektierten Welle von Ziel A; d.h. in 37 die Vektoren f1A, f2A und f3A. Dagegen entspricht in den Richtungen der zwei Vektoren, die jedes der synthetischen Spektren F1 bis F3 bilden, der linke Vektor dem Leistungsspektrum einer reflektierten Welle von Ziel B; d.h. in 37 die Vektoren f1B, f2B und f3B.
Bei einer konstanten Differenz Δf zwischen den Sendefrequenzen steht die Phasendifferenz zwischen den Empfangssignalen, die den jeweiligen Sendesignalen der Frequenzen f1 und f2 entsprechen, in Proportion zu der Distanz zu einem Ziel. Daher haben die Phasendifferenz zwischen den Vektoren f1A und f2A und die Phasendifferenz zwischen den Vektoren f2A und f3A denselben Wert θA, wobei diese Phasendifferenz θA zu der Distanz zu Ziel A in Proportion steht. Ebenso haben die Phasendifferenz zwischen den Vektoren f1B und f2B und die Phasendifferenz zwischen den Vektoren f2B und f3B denselben Wert θB, wobei diese Phasendifferenz θB zu der Distanz zu Ziel B in Proportion steht.
Durch Verwendung eines bekannten Verfahrens können die jeweiligen Distanzen zu den Zielen A und B aus den synthetischen Spektren F1 bis F3 und der Differenz Δf zwischen den Sendefrequenzen bestimmt werden. Diese Technik ist beispielsweise im US-Patent Nr. 6703967 offenbart. Die gesamte Offenbarung dieser Veröffentlichung wird hierdurch Verweis aufgenommen.
Eine ähnliche Verarbeitung ist auch anwendbar, wenn die übertragenen Signale vier oder mehr Frequenzen haben.
Es wird angemerkt, dass vor dem Übertragen kontinuierlicher Wellen CW bei N unterschiedlichen Frequenzen ein Prozess der Bestimmung der Distanz zu jedem Ziel und der relativen Geschwindigkeit desselben im 2-Frequenzen-CW-Verfahren durchgeführt werden kann. Von diesem Prozess kann dann unter vorbestimmten Bedingungen zu einem Prozess der Übertragung kontinuierlicher Wellen CW bei N unterschiedlichen Frequenzen umgeschaltet werden. Beispielsweise kann eine FFT-Berechnung durch Verwendung der jeweiligen Schwebungssignale bei den zwei Frequenzen erfolgen, und wenn das Leistungsspektrum einer jeden Sendefrequenz im Zeitverlauf einer Veränderung von 30% oder mehr unterliegt, kann der Prozess umgeschaltet werden. Die Amplitude einer reflektierten Welle von jedem Ziel unterliegt im Zeitverlauf einer großen Veränderung durch Mehrwegeinflüsse und dergleichen. Wenn eine Veränderung von einer vorbestimmten Größenordnung oder mehr existiert, kann in Betracht gezogen werden, dass möglicherweise mehrere Ziele vorhanden sind.
Außerdem ist bekannt, dass das CW-Verfahren ein Ziel nicht detektieren kann, wenn die relative Geschwindigkeit zwischen dem Radarsystem und dem Ziel null beträgt, d.h. wenn die Dopplerfrequenz null beträgt. Wenn jedoch beispielsweise mit den folgenden Verfahren ein Pseudo-Dopplersignal bestimmt wird, ist es möglich, durch Verwendung dieser Frequenz ein Ziel zu detektieren.
(Verfahren 1) Es wird ein Mischer hinzugefügt, der eine bestimmte Frequenzverschiebung in der Ausgabe einer empfangenden Antenne bewirkt. Durch Verwendung eines Sendesignals und eines Empfangssignals mit einer verschobenen Frequenz kann ein Pseudo-Dopplersignal gewonnen werden.
(Verfahren 2) Zwischen dem Ausgang einer empfangenden Antenne und einem Mischer wird zum kontinuierlichen Einführen von Phasenveränderungen im Zeitverlauf ein variabler Phasenschieber eingefügt, so dass zu dem Empfangssignal eine Pseudo-Phasendifferenz hinzugefügt wird. Durch Verwendung eines Sendesignals und eines Empfangssignals mit einer hinzugefügten Phasendifferenz kann ein Pseudo-Dopplersignal gewonnen werden.
Ein Beispiel für eine spezifische Konstruktion und Funktionsweise zum Einführen eines variablen Phasenschiebers zum Generieren eines Pseudo-Dopplersignals gemäß Verfahren 2 ist in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2004-257848 offenbart. Die gesamte Offenbarung dieser Veröffentlichung wird hier durch Verweis aufgenommen.
Wenn Ziele ohne oder mit sehr geringer relativer Geschwindigkeit detektiert werden müssen, können die oben genannten Prozesse der Generierung eines Pseudo-Dopplersignals verwendet werden, oder es kann zu einem Zieldetektionsprozess im FMCW-Verfahren umgeschaltet werden.
Als Nächstes wird mit Bezug auf 38 eine Verarbeitungsprozedur beschrieben, die durch die Objektdetektionseinrichtung 570 des Bordradarsystems 510 durchzuführen ist.
Das untenstehende Beispiel illustriert einen Fall, in dem kontinuierliche Wellen CW bei zwei unterschiedlichen Frequenzen fp1 und fp2 (fp1<fp2) übertragen werden und die Phaseninformationen einer jeden reflektierten Welle genutzt werden, um jeweils eine Distanz mit Bezug auf ein Ziel zu detektieren.
38 ist ein Ablaufdiagramm, das die Prozedur eines Bestimmungsprozesses für die relative Geschwindigkeit und Distanz gemäß dieser Variante zeigt.
Bei Schritt S41 generiert die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581 zwei kontinuierliche Wellen CW mit Frequenzen, die etwas auseinander liegen, d.h. den Frequenzen fp1 und fp2.
Bei Schritt S42 führen die Sendeantenne Tx und die Empfangsantennen Rx ein Senden / einen Empfang der generierten Serie kontinuierlicher Wellen CW durch. Es wird angemerkt, dass der Prozess aus Schritt S41 und der Prozess aus Schritt S42 durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung581 und die Sendeantenne Tx/ die Empfangsantenne Rx jeweils parallel durchführbar sind, anstelle einer Durchführung von Schritt S42 erst nach Beendigung von Schritt S41.
Bei Schritt S43 generiert jeder Mischer 584 durch Nutzung einer jeden Sendewelle und einer jeden Empfangswelle ein Differenzsignal, wodurch zwei Differenzsignale gewonnen werden. Jede Empfangswelle schließt eine von einem unbewegten Objekt ausgehende Empfangswelle und eine von einem Ziel ausgehende Empfangswelle ein. Daher wird als Nächstes ein Prozess der Identifikation von Frequenzen zur Nutzung als Schwebungssignale durchgeführt. Es wird angemerkt, dass der Prozess aus Schritt S41, der Prozess aus Schritt S42 und der Prozess aus Schritt S43 durch die Dreieckswellen-/CW-Wellen-Generierungsschaltung 581, die Sendeantenne Tx / Empfangsantenne Rx und die Mischer 584 parallel durchführbar sind, anstelle einer Durchführung von Schritt S42 erst nach Beendigung von Schritt S41 oder von Schritt S43 erst nach Beendigung von Schritt S42.
Bei Schritt S44 identifiziert die Objektdetektionseinrichtung 570 für jedes der zwei Differenzsignale bestimmte Spitzenfrequenzen als Frequenzen fb1 und fb2 von Schwebungssignalen in der Weise, dass diese Frequenzen gleich oder kleiner als eine Frequenz sind, die als Schwellenwert vordefiniert ist, dabei aber Amplitudenwerte haben, die gleich oder größer als ein vorbestimmter Amplitudenwert sind, und dass die Differenz zwischen den zwei Frequenzen gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
Bei Schritt S45 detektiert der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 auf Basis von einer der zwei identifizierten Schwebungssignalfrequenzen eine relative Geschwindigkeit. Der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 berechnet die relative Geschwindigkeit beispielsweise gemäß Vr=fb1·c/2·fp1. Es wird angemerkt, dass eine relative Geschwindigkeit durch Nutzung einer jeden der zwei Schwebungssignalfrequenzen berechnet werden kann, was dem Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 eine Verifikation dessen erlaubt, ob sie übereinstimmen oder nicht, wodurch die Genauigkeit der Berechnung der relativen Geschwindigkeit erhöht wird.
Bei Schritt S46 bestimmt der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 eine Phasendifferenz Δφ zwischen zwei Schwebungssignalen 1 und 2 und bestimmt eine Distanz R=c·Δφ/4π(fp2-fp1) zu dem Ziel.
Durch die obigen Prozesse kann die relative Geschwindigkeit und Distanz zu einem Ziel detektiert werden.
Es wird angemerkt, dass kontinuierliche Wellen CW bei N unterschiedlichen Frequenzen übertragen werden können (wobei N = 3 oder mehr ist) und dass durch Nutzung von Phaseninformationen der jeweiligen reflektierten Welle Distanzen zu mehreren Zielen mit derselben relativen Geschwindigkeit, jedoch an unterschiedlichen Positionen detektiert werden können.
Zusätzlich zu dem Radarsystem 510 kann das oben beschriebene Fahrzeug 500 ferner ein weiteres Radarsystem aufweisen. Beispielsweise kann das Fahrzeug 500 ferner ein Radarsystem mit einem Detektionsbereich in Richtung der Rückseite oder der Seiten der Fahrzeugkarosserie aufweisen. Im Fall des Einbaus eines Radarsystems mit einem Detektionsbereich in Richtung der Fahrzeugkarosserierückseite kann das Radarsystem die Rückseite überwachen, und wenn die Gefahr besteht, dass ein anderes Fahrzeug hinten auffährt, eine Reaktion durchführen, indem beispielsweise ein Alarm ausgelöst wird. Im Fall des Einbaus eines Radarsystems mit einem Detektionsbereich in Richtung der Seiten der Fahrzeugkarosserie kann das Radarsystem eine benachbarte Fahrspur überwachen, wenn das Eigenfahrzeug die Fahrspur wechselt usw., und gegebenenfalls eine Reaktion durchführen, indem ein Alarm ausgelöst wird oder dergleichen.
Die Anwendungen des oben beschriebenen Radarsystems 510 sind nicht ausschließlich auf die bordeigene Verwendung beschränkt. Vielmehr kann das Radarsystem 510 als Sensoren für verschiedene Zwecke verwendet werden. Beispielsweise kann es als Radar zur Überwachung der Umgebung eines Hauses oder jedes anderen Gebäudes verwendet werden. Alternativ ist es verwendbar als Sensor zum Detektieren der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Person an einer bestimmten Position in einem Innenraum, oder zum Detektieren dessen, ob eine solche Person sich bewegt usw., ohne Nutzung optischer Bilder.
(Zusätzliche Details der Verarbeitung)
Weitere Ausführungsformen werden in Verbindung mit den 2-Frequenz-CW- oder FMCW-Techniken für die oben beschriebenen Array-Antennen beschrieben. Wie bereits beschrieben, wendet der Empfangsintensitäts-Berechnungsabschnitt 532 in dem Beispiel aus 32 eine Fourier-Transformation auf die jeweiligen Schwebungssignale für die Kanäle Ch₁ bis Ch_M an (unterer Graph aus 33), die in dem Speicher 531 gespeichert sind. Diese Schwebungssignale sind komplexe Signale, damit die Phase des Signals identifiziert wird, das für die Berechnung von Interesse ist. Dies erlaubt eine korrekte Identifikation der Richtung einer eintreffenden Welle. In diesem Fall erhöht sich jedoch die Rechenlast für eine Fourier-Transformation, so dass es einer größeren Schaltung bedarf.
Zur Lösung dieses Problems kann ein skalares Signal als Schwebungssignal generiert werden. Für jedes von einer Vielzahl von Schwebungssignalen, die generiert wurden, können zwei komplexe Fourier-Transformationen in Bezug auf die Raumachsenrichtung, die dem Antennen- Array entspricht, und auf die Zeitachsenrichtung, die dem Verstreichen der Zeit entspricht, durchgeführt werden, um so Ergebnisse der Frequenzanalyse zu gewinnen. Infolgedessen kann mit geringem Rechenaufwand letztlich eine Strahlformung in der Weise erreicht werden, dass Richtungen des Eintreffens reflektierter Wellen identifizierbarsind, wodurch Frequenzanalyseergebnisse für diejeweiligen Strahlen gewonnen werden können. Als auf die vorliegende Offenbarung bezogenes Patentdokument wird die gesamte Offenbarung der Spezifikation des US-Patents Nr. 6339395 hier durch Verweis aufgenommen.
(Optischer Sensor, z.B. Kamera, und Millimeterwellenradar)
Als Nächstes werden ein Vergleich zwischen der oben beschriebenen Array-Antenne und herkömmlichen Antennen sowie ein Anwendungsbeispiel beschrieben, bei dem sowohl die vorliegende Array-Antenne als auch ein optischer Sensor (z.B. eine Kamera) genutzt werden. Es wird angemerkt, dass LIDAR oder dergleichen als der optische Sensor einsetzbar ist.
Ein Millimeterwellenradar ist fähig zum direkten Detektieren einer Distanz (Entfernung) zu einem Ziel und einer relativen Geschwindigkeit desselben. Eine weitere Eigenschaft besteht darin, dass seine Detektionsleistung sich nachts (einschließlich der Dämmerung) oder bei schlechtem Wetter, z.B. Regen, Nebel oder Schneefall, nicht besonders verringert. Andererseits wird davon ausgegangen, dass eine zweidimensionale Erfassung eines Ziels mit einem Millimeterwellenradar nicht so einfach ist wie mit einer Kamera. Dagegen ist eine zweidimensionale Erfassung eines Ziels und Erkennung seiner Form mit einer Kamera relativ einfach. Jedoch kann eine Kamera ein Ziel möglicherweise nicht bei Nacht oder schlechtem Wetter abbilden, was ein erhebliches Problem darstellt. Dieses Problem ist besonders dann bedeutsam, wenn sich an dem Abschnitt, durch den die Belichtung sichergestellt werden soll, Wassertröpfchen angelagert haben oder die Sicht durch Nebel eingeschränkt ist. Dieses Problem besteht in ähnlicher Weise für LIDAR oder dergleichen, was ebenfalls das Gebiet optischer Sensoren betrifft.
In Reaktion auf eine steigende Nachfrage nach sichererem Fahrzeugbetrieb werden seit einigen Jahren Fahrerassistenzsysteme zur Verhinderung von Kollisionen oder dergleichen entwickelt. Ein Fahrerassistenzsystem erfasst ein Bild in Fahrtrichtung mit einem Sensor wie etwa einer Kamera oder einem Millimeterwellenradar, und wenn ein Hindernis erkannt wird, bei dem vorhergesagt wird, dass es die Fahrt des Fahrzeugs hemmt, werden Bremsen oder dergleichen automatisch betätigt, um Kollisionen oder dergleichen zu verhindern. Von einer solchen Funktion der Kollisionsvermeidung wird normales Funktionieren auch bei Nacht oder schlechtem Wetter erwartet.
Daher gewinnen Fahrerassistenzsysteme mit einer sogenannten zusammengeführten Konstruktion an Verbreitung, bei denen zusätzlich zu einem herkömmlichen optischen Sensor wie etwa einer Kamera ein Millimeterwellenradar als Sensor angebracht ist, wodurch ein Erkennungsprozess realisiert wird, der beides ausnutzt. Ein solches Fahrerassistenzsystem wird noch erläutert.
Andererseits werden an die Funktionen des Millimeterwellenradars selbst immer höhere Erwartungen gestellt. Ein Millimeterwellenradar zur bordeigenen Verwendung nutzt hauptsächlich elektromagnetische Wellen des 76-GHz-Bands. Die Antennenleistung seiner Antenne ist gemäß den jeweiligen Landesgesetzen oder dergleichen unter ein bestimmtes Niveau eingeschränkt. Beispielsweise ist sie in Japan auf 0,01 W oder weniger begrenzt. Gemäß solchen Einschränkungen wird von einem Millimeterwellenradarzur bordeigenen Verwendung die erforderliche Leistung erwartet, dass beispielsweise sein Detektionsbereich 200 m oder mehr beträgt; die Antennengröße 60 mm MAL 60 mm oder weniger beträgt; ihr horizontaler Erfassungswinkel 90 Grad oder mehr beträgt; ihre Entfernungsauflösung 20 cm oder weniger beträgt; dass sie zu Nahbereichsdetektion innerhalb von 10 m fähig ist und so weiter. Bei herkömmlichen Millimeterwellenradars wurden Mikrostreifenleitungen als Wellenleiter und Patch-Antennen als Antennen verwendet (im Folgenden werden beide als „Patch-Antennen“ bezeichnet). Jedoch war mit einer Patch-Antenne die oben genannte Leistungsfähigkeit bisher schwer zu erzielen.
Mit einer Schlitz-Array-Antenne, auf welche die Technik der vorliegenden Offenbarung angewandt ist, haben die Erfinder die oben genannte Leistungsfähigkeit erzielt. Infolgedessen wurde ein Millimeterwellenradar realisiert, der kleiner, effizienter und leistungsfähiger als herkömmliche Patch-Antennen und dergleichen ist. Daneben wurde durch Kombinieren dieses Millimeterwellenradars und eines optischen Sensors wie etwa einer Kamera eine klein bemessene, hocheffiziente und hochleistungsfähige zusammengeführte Einrichtung realisiert, die es zuvor nicht gab. Dies wird unten ausführlich beschrieben.
39 ist ein Diagramm zu einer zusammengeführten Einrichtung in einem Fahrzeug 500, wobei die zusammengeführte Einrichtung ein Bordkamerasystem 700 und ein Radarsystem 510 (nachfolgend als der Millimeterwellenradar 510 bezeichnet) mit einer Schlitz-Array-Antenne aufweist, auf welche die Technik der vorliegenden Offenbarung angewandt ist. Mit Bezug auf diese Figur werden unten verschiedene Ausführungsformen beschrieben.
(Einbau des Millimeterwellenradars im Fahrzeugraum)
Eine herkömmlicher Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis ist hinter und einwärts von einem Grill 512 platziert, der sich an der Frontpartie eines Fahrzeugs befindet. Eine elektromagnetische Welle, die aus einer Antenne abgestrahlt wird, gelangt durch die Öffnungen in dem Grill 512 und wird vor dem Fahrzeug 500 abgestrahlt. In der Region, durch welche die elektromagnetische Welle passiert, existiert in diesem Fall keine dielektrische Schicht, z.B. Glas, welche die Energie der elektromagnetischen Welle vermindert oder reflektiert. Infolgedessen reicht eine elektromagnetische Welle, die von dem Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis abgestrahlt wird, über einen langen Bereich, z.B. zu einem Ziel, das 150 m oder weiter entfernt ist. Durch Empfangen der davon reflektierten elektromagnetischen Welle mit der Antenne ist der Millimeterwellenradar 510' fähig, ein Ziel zu detektieren. Da die Antenne hinter und einwärts von dem Grill 512 des Fahrzeugs platziert ist, kann der Radar in diesem Fall jedoch beschädigt werden, wenn das Fahrzeug mit einem Hindernis kollidiert. Zudem kann er bei Regen usw. mit Schlamm oder dergleichen verschmutzt werden, und der an der Antenne anhaftende Schmutz kann Abstrahlung und Empfang elektromagnetischer Wellen hemmen.
Ähnlich wie auf herkömmliche Weise kann der Millimeterwellenradar510, der eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält, hinter dem Grill 512 platziert sein, der an der Frontpartie des Fahrzeugs (nicht gezeigt) angeordnet ist. Dies erlaubt eine Ausnutzung der von der Antenne abzustrahlenden elektromagnetischen Welle zu 100%, wodurch eine Ferndetektion über das übliche Niveau hinaus ermöglicht wird, z.B. die Detektion eines Ziels, das sich in einer Distanz von 250 m oder mehr befindet.
Außerdem kann der Millimeterwellenradar 510 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auch im Fahrzeugraum, d.h. im Inneren des Fahrzeugs, platziert sein. In diesem Fall ist der Millimeterwellenradar 510 einwärts von der Windschutzscheibe 511 des Fahrzeugs platziert, um in einen Raum zwischen der Windschutzscheibe 511 und einer Fläche des Rückspiegels (nicht gezeigt) zu passen, die zu dessen Spiegeloberfläche entgegengesetzt ist. Der herkömmliche Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis kann dagegen hauptsächlich aus folgenden zwei Gründen nicht im Inneren des Fahrzeugraums platziert werden. Ein erster Grund ist seine große Größe, die eine Unterbringung in dem Raum zwischen der Windschutzscheibe 511 und dem Rückspiegel verhindert. Ein zweiter Grund besteht darin, dass eine nach vorn abgestrahlte elektromagnetische Welle von der Windschutzscheibe 511 reflektiert wird und sich aufgrund dielektrischer Verluste abschwächt, so dass sie die gewünschte Distanz nicht mehr überwinden kann. Daher können bei Platzierung eines herkömmlichen Millimeterwellenradars auf Patch-Antennen-Basis im Fahrzeugraum beispielsweise nur Ziele erfasst werden, die sich 100 m oder weniger voraus befinden. Dagegen vermag ein Millimeterwellenradar gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein Ziel in einer Distanz von 200 m oder mehr trotz Reflexion oder Verminderung an der Windschutzscheibe 511 zu detektieren. Diese Leistungsfähigkeit ist äquivalent zu oder sogar größer als in dem Fall, in dem ein herkömmlicher Millimeterwellenradar auf Patch-Antennen-Basis außerhalb des Fahrzeugraums platziert ist.
(Zusammengeführte Konstruktion auf Basis von Millimeterwellenradar und Kamera usw., die im Fahrzeugraum platziertsind)
Gegenwärtig wird in vielen Fahrerassistenzsystemen eine optische Bildgebungsvorrichtung wie etwa eine CCD-Kamera als der Hauptsensor verwendet. Üblicherweise ist eine Kamera oder dergleichen im Fahrzeugraum, einwärts von der Windschutzscheibe 511 platziert, um ungünstigen Einflüssen der Außenumgebung usw. Rechnung zu tragen. Zur Minimierung der optischen Wirkung von Regentropfen und dergleichen wird dabei die Kamera oder dergleichen in einer Region platziert, die von den Scheibenwischern (nicht gezeigt) überstrichen wird, jedoch einwärts von der Windschutzscheibe 511 liegt.
Wegen des Bedarfs an erhöhter Leistungsfähigkeit eines Fahrzeugs, z.B. im Hinblick auf eine Bremsautomatik, besteht seit einigen Jahren der Wunsch nach einer Bremsautomatik oder dergleichen, deren Funktionieren unabhängig von der Außenumgebunggewährleistet ist. Wenn der einzige Sensor in dem Fahrerassistenzsystem eine optische Vorrichtung wie etwa eine Kamera ist, besteht in diesem Fall das Problem, dass ein zuverlässiges Funktionieren bei Nacht oder schlechtem Wetter nicht gewährleistet ist. Hierdurch entstand Bedarf an einem Fahrerassistenzsystem, das nicht nur einen optischen Sensor (wie etwa eine Kamera), sondern auch einen Millimeterwellenradar enthält, wobei diese für eine gemeinsame Verarbeitung verwendet werden, so dass ein zuverlässiger Betrieb auch bei Nacht oder schlechtem Wetter erreicht wird.
Wie bereits beschrieben, ist ein Millimeterwellenradar, der die vorliegende Schlitz-Array-Antenne enthält, aufgrund der Größenverringerung und beträchtlichen Erhöhung des Wirkungsgrades der abgestrahlten elektromagnetischen Welle gegenüber einer herkömmlichen Patch-Antenne, im Fahrzeugraum platzierbar. Durch Nutzung dieser Eigenschaften erlaubt der Millimeterwellenradar 510, der nicht nur einen optischen Sensor (Bordkamerasystem) 700 wie etwa eine Kamera, sondern auch eine Schlitz-Array-Antenne gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält, wie in 39 gezeigt, eine Platzierung von beidem einwärts von der Windschutzscheibe 511 des Fahrzeugs 500. Hierdurch sind folgende neuartige Wirkungen entstanden.

(1) Das Fahrerassistenzsystem ist leichter an dem Fahrzeug 500 anzubringen. Bei dem herkömmlichen Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis war bisher zur Aufnahme des Radars ein Raum hinter dem Grill 512 an der Frontpartie erforderlich. Da dieser Raum einige Stellen aufweisen kann, die sich auf die strukturelle Gestaltung des Fahrzeugs auswirken, konnte es bei einer Größenänderung der Radarvorrichtung notwendig sein, die strukturelle Gestaltung zu überdenken. Diese Schwierigkeit wird durch Platzierung des Millimeterwellenradars im Fahrzeugraum vermieden.
(2) Ohne Einflüsse durch Regen, Nacht oder andere äußere Umgebungsfaktoren auf das Fahrzeug kann ein zuverlässigeres Funktionieren erreicht werden. Durch Platzierung des Millimeterwellenradars (Bordkamerasystems) 510 und des Bordkamerasystems 700 an im Wesentlichen derselben Position im Fahrzeugraum, wie in 40 gezeigt, können dieselben insbesondere ein identisches Sichtfeld und eine identische Sichtlinie erreichen, was den „Abgleichprozess“, der noch beschrieben wird, erleichtert, d.h. einen Prozess, mit dem festgestellt werden soll, dass jeweilige Zielinformationen, die durch dieselben erfasst werden, von einem identischen Objekt stammen. Wenn der Millimeterwellenradar 510' dagegen hinter dem Grill 512 platziert wäre, der sich an der Frontpartie außerhalb des Fahrzeugraums befindet, würde seine Radarsichtlinie L von einer Radarsichtlinie M des Falls abweichen, in dem derselbe im Fahrzeugraum platziert ist, woraus sich gegenüber dem durch das Bordkamerasystem 700 zu erfassenden Bild ein großer Versatz ergäbe.
(3) Die Zuverlässigkeit der Millimeterwellen-Radarvorrichtung wird verbessert. Da, wie oben beschrieben, der herkömmliche Millimeterwellenradar 510' auf Patch-Antennen-Basis hinter dem Grill 512 platziert ist, der sich an der Frontpartie befindet, setzt er leicht Schmutz an und kann schon bei einem kleinen Kollisionsunfall oder dergleichen beschädigt werden. Aus diesen Gründen sind Reinigung und Funktionalitätsprüfungen dauernd erforderlich. Wenn sich die Position oder Richtung der Anbringung des Millimeterwellenradars durch einen Unfall oder dergleichen verschiebt, ist zudem, wie unten beschrieben wird, eine Wiederherstellung der Ausrichtung bezüglich der Kamera notwendig. Die Wahrscheinlichkeit solcher Erscheinungen wird durch Platzierung des Millimeterwellenradars im Fahrzeugraum reduziert, so dass die oben genannten Schwierigkeiten vermieden werden.

In einem Fahrerassistenzsystem einer solchen zusammengeführten Konstruktion können der optische Sensor, z.B. eine Kamera, und der Millimeterwellenradar 510, der die vorliegende Schlitz-Array-Antenne enthält, eine integrierte Konstruktion haben, d.h. in Bezug zueinander an fester Position sein. In diesem Fall sollte eine bestimmte relative Positionierung zwischen der optischen Achse des optischen Sensors wie etwa einer Kamera und der Direktivität der Antenne des Millimeterwellenradars gewahrt bleiben, wie noch beschrieben wird. Wenn dieses Fahrerassistenzsystem mit einer integrierten Konstruktion im Fahrzeugraum des Fahrzeugs 500 fixiert ist, sollte die optische Achse der Kamera usw. so eingestellt sein, dass sie dem Fahrzeug voraus in einer bestimmten Richtung ausgerichtet ist. Siehe hierzu die Spezifikation der US-Patentanmeldung mit derVeröffentlichungsnr. 2015/0264230 , die Spezifikation der US-Patentanmeldung mit derVeröffentlichungsnr. 2016/0264065 , die US-Patentanmeldung Nr. 15/248141 , die US-Patentanmeldung Nr. 15/248149 und die US-Patentanmeldung Nr. 15/248156 , die durch Verweis hier aufgenommen werden. Verwandte Techniken bezüglich der Kamera sind in der Spezifikation des US-Patents Nr. 7355524 und der Spezifikation des US-Patents Nr. 7420159 beschrieben, deren gesamte Offenbarung hier jeweils durch Verweis aufgenommen wird.
Zur Platzierung eines optischen Sensors wie etwa einer Kamera und eines Millimeterwellenradars im Fahrzeugraum siehe beispielsweise die Spezifikation des US-Patents Nr. 8604968 , die Spezifikation des US-Patents Nr. 8614640 und die Spezifikation des US-Patents Nr. 7978122 , deren gesamte Offenbarung hier jeweils durch Verweis aufgenommen wird. Jedoch waren zum Anmeldezeitpunkt dieser Patente nur herkömmliche Antennen mit Patch-Antennen die bekannten Millimeterwellenradare, und somit war eine Observation nicht über ausreichende Distanzen möglich. Beispielsweise wird die mit einem herkömmlichen Millimeterwellenradar observierbare Distanz mit höchstens 100 m bis 150 m beziffert. Wenn ein Millimeterwellenradar einwärts von der Windschutzscheibe platziert ist, wird außerdem durch die Größe des Radars das Sichtfeld des Fahrers in unpraktischer Weise versperrt, was eine sichere Fahrt verhindert. Dagegen ist ein Millimeterwellenradar, der ein Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält, wegen seiner geringen Größe und merklichen Erhöhung des Wirkungsgrades der abgestrahlten elektromagnetischen Welle gegenüber demjenigen einer herkömmlichen Patch-Antenne, im Fahrzeugraum platzierbar. Dies ermöglicht eine Fernobservation über 200 m, wobei das Sichtfeld des Fahrers nicht versperrt wird.
(Einstellung derAnbringungsposition zwischen Millimeterwellenradar und Kamera usw.)
Bei der Verarbeitung mit einer zusammengeführten Konstruktion (die im Folgenden als „zusammengeführter Prozess“ bezeichnet werden kann) ist es erwünscht, dass ein mit einer Kamera oder dergleichen gewonnenes Bild und die mit dem Millimeterwellenradar gewonnenen Radarinformationen auf dasselbe Koordinatensystem abgebildet werden, da ihre Abweichung hinsichtlich Position und Zielgröße eine gemeinsame Verarbeitung zwischen beiden behindert.
Hierzu gehört eine Einstellung unter folgenden drei Gesichtspunkten.
(1) Die optische Achse der Kamera oder dergleichen und die Antennendirektivität des Millimeterwellenradars müssen ein bestimmtes festes Verhältnis haben.
Es ist erforderlich, dass die optische Achse der Kamera oder dergleichen und die Antennendirektivität des Millimeterwellenradars abgeglichen sind. Alternativ kann ein Millimeterwellenradar zwei oder mehr Sendeantennen und zwei oder mehr Empfangsantennen aufweisen, wobei die Direktivitäten dieser Antennen gezielt unterschiedlich gestaltet sind. Es muss daher gewährleistet sein, dass mindestens ein bestimmtes, bekanntes Verhältnis zwischen der optischen Achse der Kamera oder dergleichen und den Direktivitäten dieser Antennen besteht.
Im Fall, dass die Kamera oder dergleichen und der Millimeterwellenradar die oben genannte integrierte Konstruktion haben, d.h. in fester Position zueinander stehen, bleibt die relative Positionierung zwischen der Kamera oder dergleichen und dem Millimeterwellenradar fest. Daher sind die oben genannten Anforderungen in Bezug auf eine solche integrierte Konstruktion erfüllt. Dagegen ist bei einer herkömmlichen Patch-Antenne oder dergleichen, bei welcher der Millimeterwellenradar hinter dem Grill 512 des Fahrzeugs 500 platziert ist, die relative Positionierung zwischen ihnen normalerweise gemäß (2) unten einzustellen.
(2) In einem Anfangszustand (z.B. bei Lieferung) nach Anbringung an dem Fahrzeug besteht zwischen einem mit der Kamera oder dergleichen erfassten Bild und Radarinformationen des Millimeterwellenradars ein bestimmtes festes Verhältnis.
Die Anbringungspositionen des optischen Sensors wie etwa einer Kamera und des Millimeterwellenradars 510 oder 510' an dem Fahrzeug 500 werden zuletzt auf folgende Weise bestimmt. An einer vorbestimmten Position 800 dem Fahrzeug 500 voraus wird ein als Referenz verwendbares Diagramm oder ein Ziel, das der Observation durch den Radar unterliegt, korrekt positioniert (im Folgenden als „Referenzdiagramm“ bzw. „Referenzziel“ und zusammen als „Vergleichspunkt“ bezeichnet). Dies wird mit einem optischen Sensor wie etwa einer Kamera oder mit dem Millimeterwellenradar 510 observiert. Die Observationsinformationen bezüglich des observierten Vergleichspunktes werden mit zuvor gespeicherten Forminformationen oder dergleichen des Vergleichspunktes verglichen, und die aktuellen Versatzinformationen werden quantifiziert. Auf Basis dieser Versatzinformationen werden durch mindestens eins der folgenden Mittel die Anbringungspositionen eines optischen Sensors wie etwa einer Kamera und des Millimeterwellenradars 510 oder 510' eingestellt oder korrigiert. Es kann auch jedes andere Mittel eingesetzt werden, das ähnliche Ergebnisse zu liefern vermag.

(i) Einstellen der Anbringungspositionen der Kamera und des Millimeterwellenradars in der Weise, dass der Vergleichspunkt an einen Mittelpunkt zwischen der Kamera und dem Millimeterwellenradar gelangt. Diese Einstellung kann mit einem Hilfsmittel oder Werkzeug usw. erfolgen, das separat vorgesehen ist.
(ii) Bestimmung eines Versatzbetrags der Kamera und der Achse/Direktivität des Millimeterwellenradars relativ zu dem Vergleichspunkt und Korrigieren dieser Versatzbeträge der Direktivität durch Bildverarbeitung des Kamerabildes und Radarverarbeitung.

Zu beachten ist, dass in dem Fall, in dem der optische Sensor wie etwa eine Kamera und der Millimeterwellenradar 510, der eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält, eine integrierte Konstruktion haben, d.h. in fester Position zueinander stehen, bei einer Einstellung eines Versatzes der Kamera oder des Radars mit Bezug auf den Vergleichspunkt der Versatzbetrag auch dem anderen bekannt wird, so dass sich eine Überprüfung des Versatzes des anderen mit Bezug auf den Vergleichspunkt erübrigt.
Spezifisch kann bezüglich des Bordkamerasystems 700 ein Referenzdiagramm an einer vorbestimmten Position 750 platziert sein, und ein durch die Kamera aufgenommenes Bild wird mit Vorausinformationen verglichen, die anzeigen, wo in dem Sichtfeld der Kamera das Referenzdiagrammbild sich befinden soll, wodurch ein Versatzbetrag detektiert wird. Auf dieser Basis wird die Kamera durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) eingestellt. Als Nächstes wird der Versatzbetrag, der für die Kamera festgestellt wurde, in einen Versatzbetrag des Millimeterwellenradars übersetzt. Danach wird eine Einstellung des Versatzbetrags in Bezug auf die Radarinformationen durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) vorgenommen.
Alternativ kann dies auf Basis des Millimeterwellenradars 510 erfolgen. In Bezug auf den Millimeterwellenradar 510 kann ein Referenzziel an einer vorbestimmten Position 800 platziert sein, und die Radarinformationen desselben werden mit Vorausinformationen verglichen, die anzeigen, wo in dem Sichtfeld des Millimeterwellenradars 510 das Referenzziel angeordnet sein soll, so dass ein Versatzbetrag detektiert wird. Auf dieser Basis wird der Millimeterwellenradar 510 durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) eingestellt. Als Nächstes wird der Versatzbetrag, der für den Millimeterwellenradar festgestellt wurde, in einen Versatzbetrag der Kamera übersetzt. Danach wird eine Versatzbetragseinstellung in Bezug auf die durch die Kamera gewonnenen Bildinformationen durch mindestens eins der obigen Mittel (i) und (ii) vorgenommen.
(3) Auch nach einem Anfangszustand des Fahrzeugs wird ein bestimmtes Verhältnis zwischen einem mit der Kamera oder dergleichen erfassten Bild und Radarinformationen des Millimeterwellenradars beibehalten.
Üblicherweise wird angenommen, dass ein mit der Kamera oder dergleichen erfasstes Bild und Radarinformationen des Millimeterwellenradars im Anfangszustand fixiert sind und kaum schwanken, es sei denn bei einem Unfall des Fahrzeugs oder dergleichen. Wenn jedoch tatsächlich ein Versatz zwischen denselben auftritt, ist eine Einstellung mit den folgenden Mitteln möglich.
Die Kamera ist beispielsweise so angebracht, dass Abschnitte 513 und 514 (charakteristische Punkte), die für das Eigenfahrzeug charakteristisch sind, in ihr Sichtfeld passen. Die Positionen, an denen diese charakteristischen Punkte durch die Kamera tatsächlich abgebildet werden, werden mit den Information der Positionen verglichen, die diese charakteristischen Punkte einnehmen sollten, wenn die Kamera korrekt an ihrem Ort angebracht ist, und (ein) Versatzbetrag/-beträge werden dazwischen detektiert. Auf Basis dieses/dieser detektierten Versatzbetrags/-beträge kann die Position jedes danach aufgenommenen Bildes korrigiert werden, wodurch ein Versatz der physikalischen Anbringungsposition der Kamera ausgeglichen werden kann. Wenn diese Korrektur die von dem Fahrzeug erforderte Leistungsfähigkeit ausreichend ausbildet, erübrigt sich möglicherweise die Einstellung gemäß dem obigen Punkt (2). Durch regelmäßige Durchführung dieser Einstellung während des Startens oder Betriebs des Fahrzeugs 500 ist ein Ausgleich des Versatzbetrags auch bei erneutem Auftreten eines Versatzes der Kamera oder dergleichen möglich, was zur Fahrtsicherheit beiträgt.
Jedoch ergibt dieses Mittel nach allgemeiner Auffassung eine geringere Einstellgenauigkeit als bei dem oben genannten Mittel (2). Beim Vornehmen einer Einstellung auf Basis eines Bildes, das durch Abbilden eines Vergleichspunktes mit der Kamera gewonnen ist, kann das Azimut des Vergleichspunktes mit hoher Präzision bestimmt werden, so dass eine hohe Einstellungsgenauigkeit leicht erreichbar ist. Da dieses Mittel für die Einstellungjedoch einen Teil der Fahrzeugkarosserie anstelle eines Vergleichspunktes nutzt, ist die Genauigkeit der Azimutbestimmung relativ schwierig zu erhöhen. Die entstehende Einstellgenauigkeit ist also etwas geringer. Als Korrekturmittel kann dies aber wirksam sein, wenn die Anbringungsposition der Kamera oder dergleichen aus Gründen wie etwa einem Unfall oder einer großen äußeren Kraft, die auf die Kamera oder dergleichen im Fahrzeugraum wirkt, usw. erheblich verändert ist.
(Abbildung des durch Millimeterwellenradar und Kamera oder dergleichen detektierten Ziels: Abgleichprozess)
In einem zusammengeführten Prozess muss für ein gegebenes Ziel festgestellt werden, dass ein mit einer Kamera oder dergleichen erfasstes Bild desselben und mit dem Millimeterwellenradar erfasste Radarinformationen sich auf „dasselbe Ziel“ beziehen. Es sei beispielsweise angenommen, dass zwei Hindernisse (erste und zweite Hindernisse), z.B. zwei Fahrräder, dem Fahrzeug 500 voraus aufgetreten sind. Diese zwei Hindernisse werden als Kamerabilder erfasst und als Radarinformationen des Millimeterwellenradars detektiert. Zu diesem Zeitpunkt müssen das Kamerabild und die Radarinformationen mit Bezug auf das erste Hindernis so aufeinander abgebildet sein, dass sie beide auf dasselbe Ziel gerichtet sind. Ebenso müssen das Kamerabild und die Radarinformationen mit Bezug auf das zweite Hindernis so aufeinander abgebildet sein, dass sie beide auf dasselbe Ziel gerichtet sind. Wenn das Kamerabild des ersten Hindernisses und die Radarinformationen des zweiten Hindernisses fälschlicherweise als auf ein identisches Objekt bezogen erkannt werden, kann es zu einem schwerwiegenden Unfall kommen. Ein solcher Prozess der Bestimmung dessen, ob ein Ziel auf dem Kamerabild und ein Ziel auf dem Radarbild dasselbe Ziel betreffen, kann in der vorliegenden Spezifikation nachfolgend als „Abgleichprozess“ bezeichnet sein.
Dieser Abgleichprozess kann durch verschiedene Detektionsvorrichtungen (oder Verfahren) implementiert sein, die unten beschrieben sind. Nachfolgend werden diese spezifisch beschrieben. Es wird angemerkt, dass jede der folgenden Detektionsvorrichtungen in dem Fahrzeug zu installieren ist und mindestens einen Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt, einen Bilddetektionsabschnitt (z.B. eine Kamera), der in einer Richtung ausgerichtet ist, welche die Richtung der Detektion durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt überlagert, und einen Abgleichsabschnitt aufweist. Dabei weist der Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt eine Schlitz-Array-Antenne gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf und erfasst mindestens Radarinformationen in seinem eigenen Sichtfeld. Der Bilderfassungsabschnitt erfasst mindestens Bildinformationen in seinem eigenen Sichtfeld. Der Abgleichsabschnitt weist eine Verarbeitungsschaltung auf, die ein Detektionsergebnis des Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitts mit einem Detektionsergebnis des Bilddetektionsabschnitts abgleicht, um zu bestimmen, ob durch die zwei Detektionsabschnitte dasselbe Ziel detektiert wird oder nicht. Für die Bildung des Bilddetektionsabschnitts können dabei eines, zwei oder mehr von einer optischen Kamera, LIDAR, einem Infrarotradar und einem Ultraschallradar gewählt sein. Die folgenden Detektionsvorrichtungen unterscheiden sich voneinander hinsichtlich des Detektionsprozesses an ihrem jeweiligen Abgleichsabschnitt.
Bei einer ersten Detektionsvorrichtung führt der Abgleichsabschnitt zwei Abgleiche wie folgt durch. Zu einem ersten Abgleich gehören für ein Ziel von Interesse, das durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert wurde, das Gewinnen von Distanzinformationen und Lateralpositionsinformationen desselben und auch das Finden eines Ziels, das sich am nächsten an dem Ziel von Interesse befindet, aus einem Ziel oder zwei oder mehr Zielen, die durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert wurden, und das Detektieren von (einer) Kombination(en) daraus. Zu einem zweiten Abgleich gehören für ein Ziel von Interesse, das durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert wurde, das Gewinnen von Distanzinformationen und Lateralpositionsinformationen desselben und auch das Finden eines Ziels, das sich am nächsten an dem Ziel von Interesse befindet, aus einem Ziel oder zwei oder mehr Zielen, die durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiertsind, und Detektieren von (einer) Kombination(en) daraus. Außerdem bestimmt dieser Abgleichsabschnitt, ob es eine übereinstimmende Kombination zwischen der bzw. den Kombination(en) solcher Ziele, wie durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert, und der bzw. den Kombination(en) solcher Ziele, wie durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert, gibt. Wenn es eine übereinstimmende Kombination gibt, wird sodann bestimmt, dass durch die zwei Detektionsabschnitte dasselbe Objekt detektiert wird. Auf diese Weise wird ein Abgleich zwischen den jeweiligen Zielen erreicht, die durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt und den Bilddetektionsabschnitt detektiert wurden.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 7358889 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird. In dieser Veröffentlichung ist der Bilddetektionsabschnitt durch eine sogenannte Stereokamera illustriert, die zwei Kameras aufweist. Jedoch ist diese Technik nicht darauf begrenzt. Im Fall, dass der Bilddetektionsabschnitt eine einzige Kamera aufweist, können detektierte Ziele gegebenenfalls einem Bilderkennungsprozess oder dergleichen unterzogen werden, um Distanzinformationen und Lateralpositionsinformationen der Ziele zu gewinnen. In ähnlicher Weise kann ein Laser-Sensor wie etwa ein Laser-Scanner als der Bilddetektionsabschnitt verwendet werden.
Bei einer zweiten Detektionsvorrichtung gleicht der Abgleichsabschnitt mit jeder vorbestimmten Zeitperiode ein Detektionsergebnis des Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitts und ein Detektionsergebnis des Bilddetektionsabschnitts ab. Wenn der Abgleichsabschnitt bestimmt, dass durch die zwei Detektionsabschnitte in dem vorherigen Abgleichsergebnis dasselbe Ziel detektiert wurde, führt er einen Abgleich mithilfe dieses vorherigen Abgleichsergebnisses durch. Spezifisch gleicht der Abgleichsabschnitt ein Ziel, das aktuell durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert wird, und ein Ziel, das aktuell durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert wird, mit dem Ziel ab, das in dem vorherigen Abgleichsergebnis als durch die zwei Detektionsabschnitte detektiert bestimmt wurde. Sodann bestimmt der Abgleichsabschnitt auf Basis des Abgleichsergebnisses für das Ziel, das aktuell durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert wird, und des Abgleichsergebnisses für das Ziel, das aktuell durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert wird, ob durch die zwei Detektionsabschnitte dasselbe Ziel detektiert wird oder nicht. Statt eines direkten Abgleichs der Ergebnisse der Detektion durch die zwei Detektionsabschnitte führt diese Detektionsvorrichtung somit einen chronologischen Abgleich zwischen den zwei Detektionsergebnissen und einem vorherigen Abgleichsergebnis durch. Daher wird die Genauigkeit der Detektion gegenüber dem Fall verbessert, in dem nur ein momentaner Abgleich erfolgt, so dass ein stabiler Abgleich realisiert wird. Insbesondere ist durch die Nutzung vergangener Abgleichsergebnisse ein Abgleich auch dann noch möglich, wenn die Genauigkeit des Detektionsabschnitts momentan nachlässt. Zudem ist diese Detektionsvorrichtung durch Nutzung des vorherigen Abgleichsergebnisses zur leichten Durchführung eines Abgleichs zwischen den zwei Detektionsabschnitten fähig.
Bei dem aktuellen Abgleich, der das vorherige Abgleichsergebnis nutzt, schließt der Abgleichsabschnitt dieser Detektionsvorrichtung, wenn er bestimmt, dass durch die zwei Detektionsabschnitte dasselbe Objekt detektiert wird, dieses bestimmte Objekt bei der Durchführung des Abgleichs zwischen aktuell durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektierten Objekten und aktuell durch den Bilddetektionsabschnitt detektierten Objekten aus. Sodann bestimmt dieser Abgleichsabschnitt, ob ein identisches Objekt existiert, das aktuell durch die zwei Detektionsabschnitte detektiert wird. Somit nimmt die Detektionsvorrichtung unter Berücksichtigung des Ergebnisses des chronologischen Abgleichs auch einen momentanen Abgleich auf Basis von zwei Detektionsergebnissen vor, die von Moment zu Moment gewonnen werden. Infolgedessen ist die Detektionsvorrichtung fähig zur sicheren Durchführung eines Abgleichs für jedes Objekt, das während der aktuellen Detektion detektiert wird.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 7417580 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird. In dieser Veröffentlichung ist der Bilddetektionsabschnitt durch eine sogenannte Stereokamera illustriert, die zwei Kameras aufweist. Jedoch ist diese Technik nicht darauf begrenzt. In dem Fall, in dem der Bilddetektionsabschnitt eine einzige Kamera aufweist, können detektierte Ziele gegebenenfalls einem Bilderkennungsprozess oder dergleichen unterzogen werden, um Distanzinformationen und Lateralpositionsinformationen der Ziele zu gewinnen. In ähnlicher Weise kann ein Laser-Sensor wie etwa ein Laser-Scanner als der Bilddetektionsabschnitt verwendet werden.
In einer dritten Detektionsvorrichtung führen die zwei Detektionsabschnitte und der Abgleichsabschnitt eine Detektion von Zielen und Abgleiche dazwischen in vorbestimmten Zeitintervallen durch, und die Ergebnisse einer solchen Detektion sowie die Ergebnisse eines solchen Abgleichs werden chronologisch in einem Speicherungsmedium, z.B. Speicher, abgelegt. Auf Basis einer Veränderungsrate der Größe eines Ziels auf dem Bild, wie durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert, und einer Distanz von dem Eigenfahrzeug zu einem Ziel und ihrer Veränderungsrate (relativen Geschwindigkeit in Bezug auf das Eigenfahrzeug), wie durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert, bestimmt dann der Abgleichsabschnitt, ob das durch den Bilddetektionsabschnitt detektierte Ziel und das durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektierte Ziel ein identisches Objekt sind.
Wenn auf Basis der Position des Ziels auf dem Bild, wie durch den Bilddetektionsabschnitt detektiert, und der Distanz von dem Eigenfahrzeug zu dem Ziel und/oder ihrerVeränderungsrate, wie durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektiert, bestimmt wird, dass diese Ziele ein identisches Objekt sind, sagt der Abgleichsabschnitt eine Möglichkeit der Kollision mit dem Fahrzeug voraus.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 6903677 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Wie oben beschrieben, werden in einem zusammengeführten Prozess eines Millimeterwellenradars und einer Bildgebungsvorrichtung wie etwa einer Kamera ein Bild, das mit der Kamera oder dergleichen gewonnen ist, und Radarinformationen, die mit dem Millimeterwellenradar gewonnen sind, gegeneinander abgeglichen. Ein Millimeterwellenradar, der die oben genannte Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält, kann so konstruiert sein, dass er geringe Größe und hohe Leistungsfähigkeit hat. Daher können für den gesamten zusammengeführten Prozess einschließlich des oben genannten Abgleichprozesses hohe Leistungsfähigkeit und Größenverringerung usw. erreicht werden. Dies verbessert die Genauigkeit der Zielerkennung und ermöglicht eine sicherere Fahrtsteuerung für das Fahrzeug.
(Weitere zusammengeführte Prozesse)
In einem zusammengeführten Prozess sind unterschiedliche Funktionen auf Basis eines Abgleichprozesses zwischen einem Bild, das mit einer Kamera oder dergleichen gewonnen ist, und Radarinformationen realisiert, die mit dem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt gewonnen sind. Beispiele für Verarbeitungseinrichtungen, die repräsentative Funktionen eines zusammengeführten Prozesses realisieren, werden unten beschrieben.
Jede der folgenden Verarbeitungseinrichtungen ist in einem Fahrzeug zu installieren und weist mindestens auf: einen Millimeterwellenradar-Detektionsabschnittzum Senden oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen in einer vorbestimmten Richtung; einen Bilderfassungsabschnitt wie etwa eine monokulare Kamera mit einem Sichtfeld, welches das Sichtfeld des Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitts überlagert; und einen Verarbeitungsabschnitt, der Informationen daraus gewinnt, um Zieldetektion und dergleichen durchzuführen. Der Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt erfasst Radarinformationen in seinem eigenen Sichtfeld. Der Bilderfassungsabschnitt erfasst Bildinformationen in seinem eigenen Sichtfeld. Ein ausgewähltes oder zwei oder mehr ausgewählte von einer optischen Kamera, LIDAR, einem Infrarotradar und einem Ultraschallradar können als der Bilderfassungsabschnitt verwendet werden. Der Verarbeitungsabschnitt kann durch eine Verarbeitungsschaltung implementiert sein, die mit dem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt und dem Bilderfassungsabschnitt verbunden ist. Die folgenden Verarbeitungseinrichtungen unterscheiden sich voneinander mit Bezug auf den Inhalt der Verarbeitung durch diesen Verarbeitungsabschnitt.
Bei einer ersten Verarbeitungseinrichtung extrahiert der Verarbeitungsabschnitt aus einem Bild, das durch den Bilderfassungsabschnitt erfasst ist, ein Ziel, das als dasselbe Ziel wie das durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt detektierte erkannt wird. Anders ausgedrückt, wird ein Abgleichprozess entsprechend der oben genannten Detektionsvorrichtung durchgeführt. Sodann erfasst sie Informationen eines rechten Randes und eines linken Randes des extrahierten Zielbildes und leitet Ortsnäherungslinien ab, die Geraden oder vorbestimmte gekrümmte Linien zum Annähern an Orte des erfassten rechten Randes und des linken Randes sind, die für beide Ränder erfasst werden. Der Rand, der eine größere Anzahl von Rändern hat, die auf der Ortsnäherungslinie liegen, wird als ein echter Rand des Ziels ausgewählt. Die laterale Position des Ziels wird auf Basis der Position des Randes abgeleitet, der als echter Rand ausgewählt wurde. Dies erlaubt eine weitere Verbesserung der Detektionsgenauigkeit für eine laterale Position des Ziels.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 8610620 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer zweiten Verarbeitungseinrichtung verändert der Verarbeitungsabschnitt bei der Bestimmung des Vorhandenseins eines Ziels eine Bestimmungsschwelle zur Verwendung bei der Überprüfung hinsichtlich eines Zielvorhandenseins in Radarinformationen auf der Basis von Bildinformationen. Wenn ein Zielbild, das ein Hindernis für die Fahrt des Fahrzeugs sein kann, mit einer Kamera oder dergleichen bestätigt wurde, oder wenn das Vorhandensein eines Ziels geschätzt wurde usw., ist somit beispielsweise die Bestimmungsschwelle für die Zieldetektion durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnittso optimierbar, dass korrektere Zielinformationen gewonnen werden können. Wenn die Möglichkeit des Vorhandenseins eines Hindernisses groß ist, wird die Bestimmungsschwelle so verändert, dass diese Verarbeitungseinrichtung mit Sicherheit aktiviert wird. Ist die Möglichkeit des Vorhandenseins eines Hindernisses dagegen gering, wird die Bestimmungsschwelle so verändert, dass eine unerwünschte Aktivierung dieser Verarbeitungseinrichtung verhindert wird. Dies erlaubt eine geeignete Aktivierung des Systems.
Außerdem kann in diesem Fall auf Basis von Radarinformationen der Verarbeitungsabschnitt eine Detektionsregion für die Bildinformationen angeben und eine Möglichkeit des Vorhandenseins eines Hindernisses auf Basis von Bildinformationen innerhalb dieser Region schätzen. Hieraus ergibt sich ein effizienterer Detektionsprozess.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 7570198 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer dritten Verarbeitungseinrichtung führt der Verarbeitungsabschnitt ein kombiniertes Anzeigen durch, bei dem Bilder, die aus einer Vielzahl unterschiedlicher Bildgebungsvorrichtungen und einem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt gewonnen sind, und ein Bildsignal auf Basis von Radarinformationen auf mindestens einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden. In diesem Anzeigeprozess werden Horizontal- und Vertikal-Synchronisationssignale zwischen der Vielzahl von Bildgebungsvorrichtungen und dem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt synchronisiert, und unter den Bildsignalen aus diesen Vorrichtungen kann selektiv zu einem gewünschten Bildsignal innerhalb einer Horizontal-Abtastungsperiode oder einer Vertikal-Abtastungsperiode umgeschaltet werden. Dies erlaubt, auf Basis der Horizontal- und Vertikal-Synchronisationssignale, ein Anzeigen von Bildern einer Vielzahl von ausgewählten Bildsignalen nebeneinander; und aus derAnzeigevorrichtung wird ein Steuersignal zum Einstellen eines Steuerbetriebes in der gewünschten Bildgebungsvorrichtung und dem Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt geschickt.
Wenn eine Vielzahl unterschiedlicher Anzeigevorrichtungen jeweilige Bilder oder dergleichen anzeigen, ist ein Vergleich der jeweiligen Bilder miteinander schwierig. Wenn Anzeigevorrichtungen separat von der dritten Verarbeitungseinrichtung selbst vorgesehen sind, besteht zudem nur geringe Funktionsfähigkeit der Vorrichtung. Mit der dritten Verarbeitungseinrichtung würden solche Nachteile behoben.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 6628299 und der Spezifikation des US-Patents Nr. 7161561 beschrieben, deren gesamte Offenbarung hier jeweils durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer vierten Verarbeitungseinrichtung weist der Verarbeitungsabschnitt mit Bezug auf ein Ziel, das sich einem Fahrzeug voraus befindet, einen Bilderfassungsabschnitt und einen Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt dazu an, ein Bild und Radarinformationen zu erfassen, die dieses Ziel enthalten. Aus solchen Bildinformationen bestimmt der Verarbeitungsabschnitt eine Region, in der das Ziel enthalten ist. Außerdem extrahiert der Verarbeitungsabschnitt Radarinformationen innerhalb dieser Region und detektiert eine Distanz von dem Fahrzeug zu dem Ziel und eine relative Geschwindigkeit zwischen dem Fahrzeug und dem Ziel. Auf Basis solcher Informationen bestimmt der Verarbeitungsabschnitt eine Möglichkeit, dass eine Kollision zwischen Ziel und Fahrzeug erfolgt. Dies ermöglicht eine frühzeitige Detektion einer möglichen Kollision mit einem Ziel.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 8068134 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer fünften Verarbeitungseinrichtung erkennt der Verarbeitungsabschnitt auf Basis von Radarinformationen oder durch einen zusammengeführten Prozess, der auf Radarinformationen und Bildinformationen basiert, ein Ziel oder zwei oder mehr Ziele, die sich dem Fahrzeug voraus befinden. Das „Ziel“ schließt jedes bewegte Objekt ein wie etwa andere Fahrzeuge oder Fußgänger, durch weiße Linien auf der Straße angezeigte Fahrspuren, Seitenstreifen und alle unbewegten Objekte (einschließlich Straßengräben, Hindernissen usw.), Ampeln, Fußgängerüberwege und dergleichen, die möglicherweise vorhanden sind. Der Verarbeitungsabschnitt kann eine GPS- Antenne (globales Positionierungssystem) einschließen. Durch Verwendung einer GPS-Antenne kann die Position des Eigenfahrzeugs detektiert werden, und auf Basis dieser Position kann eine Speicherungsvorrichtung (als Karteninformations-Datenbankvorrichtung bezeichnet), die Straßenkarteninformationen speichert, durchsucht werden, um eine aktuelle Position auf der Karte zu ermitteln. Diese aktuelle Position auf der Karte kann mit einem Ziel oder zwei oder mehr Zielen verglichen werden, die auf Basis von Radarinformationen oder dergleichen erkannt wurden, wodurch die Fahrtumgebung erkannt werden kann. Auf dieser Basis kann der Verarbeitungsabschnitt jedes Ziel extrahieren, das einer Einschätzung gemäß die Fahrt des Fahrzeugs behindert, sicherere Fahrtinformationen finden und diese gegebenenfalls auf einer Anzeigevorrichtung anzeigen, um den Fahrer zu informieren.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 6191704 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Die fünfte Verarbeitungseinrichtung kann weiterhin eine Datenkommunikationsvorrichtung (mit Kommunikationsschaltungen) aufweisen, die mit einer Karteninformations-Datenbankvorrichtung kommuniziert, welche zum Fahrzeug extern ist. Die Datenkommunikationsvorrichtung kann auf die Karteninformations-Datenbankvorrichtung mit einer Periode von z.B. einmal pro Woche oder einmal pro Monat zugreifen, um die neuesten Karteninformationen davon herunterzuladen. Dies erlaubt eine Durchführung der oben genannten Verarbeitung mit den neuesten Karteninformationen.
Außerdem kann die fünfte Verarbeitungseinrichtung zwischen den neuesten Karteninformationen, die während der oben genannten Fahrt des Fahrzeugs erfasst wurden, und Informationen, die auf Basis von Radarinformationen usw. über ein Ziel oder zwei oder mehr Ziele erkannt wurden, vergleichen, um Zielinformationen (im Folgenden als „Kartenaktualisierungsinformationen“ bezeichnet) zu extrahieren, die nicht in den Karteninformationen enthalten sind. Sodann können diese Kartenaktualisierungsinformationen über die Datenkommunikationsvorrichtung an die Karteninformations-Datenbankvorrichtung gesendet werden. Die Karteninformations-Datenbankvorrichtung kann diese Kartenaktualisierungsinformationen in Verknüpfung mit den Karteninformationen speichern, die in der Datenbank sind, und die aktuellen Karteninformationen nötigenfalls selbst aktualisieren. Bei der Durchführung der Aktualisierung können jeweilige einzelne Kartenaktualisierungsinformationen, die aus einer Vielzahl von Fahrzeugen gewonnen sind, miteinander verglichen werden, um die Sicherheit derAktualisierung zu überprüfen.
Es wird angemerkt, dass diese Kartenaktualisierungsinformationen möglicherweise detailliertere Informationen enthalten als die Karteninformationen, die durch jede aktuell verfügbare Karteninformations-Datenbankvorrichtung geführt werden. Beispielsweise sind aus üblicherweise verfügbaren Karteninformationen möglicherweise schematische Formen von Straßen bekannt, sie enthalten jedoch typischerweise nicht Informationen wie etwa die Breite des Seitenstreifens, die Breite des möglicherweise vorhandenen Straßengrabens, neu aufgetretene Erhebungen oder Senken, Gebäudeformen und so weiter. Sie enthalten auch nicht die Höhen der Fahrbahn und des Bürgersteigs, eine mögliche Verbindung einer geneigten Fläche mit dem Bürgersteig usw. Auf Basis von separat eingestellten Bedingungen kann die Karteninformations-Datenbankvorrichtungsolche detaillierten Informationen (im Folgenden als „Kartenaktualisierungs-Detailinformationen“ bezeichnet) in Verknüpfung mit den Karteninformationen speichern. Solche Kartenaktualisierungs-Detailinformationen liefern einem Fahrzeug (einschließlich des Eigenfahrzeugs) Informationen, die detaillierter sind als die ursprünglichen Karteninformationen, wodurch sie nicht nur zur Sicherstellung einer sicheren Fahrt, sondern auch für andere Zwecke verfügbar werden. Wie hier verwendet, kann ein „Fahrzeug (einschließlich des Eigenfahrzeugs)“ z.B. ein Kraftfahrzeug, ein Motorrad, ein Fahrrad oder jedes autonome Fahrzeug sein, das in Zukunft erhältlich wird, z.B. ein elektrischer Rollstuhl. Die Kartenaktualisierungs-Detailinformationen sind für die Fahrt eines jeden solchen Fahrzeugs verwendbar.
(Erkennung über neuronales Netz)
Jede der ersten bis fünften Verarbeitungseinrichtungen kann weiterhin eine komplexe Erkennungseinrichtung aufweisen. Die komplexe Erkennungseinrichtung kann extern zu dem Fahrzeug vorgesehen sein. In diesem Fall kann das Fahrzeug eine Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationsvorrichtung aufweisen, die mit der komplexen Erkennungseinrichtung kommuniziert. Die komplexe Erkennungseinrichtung kann aus einem neuronalen Netz gebildet sein, das sogenanntes tiefes Lernen und dergleichen einschließen kann. Dieses neuronale Netz kann beispielsweise ein neuronales Konvolutionsnetz aufweisen (im Folgenden als „CNN“ bezeichnet). Ein CNN, ein neuronales Netz, das sich bei der Bilderkennung als erfolgreich erwiesen hat, ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein oder mehr Sätze aus zwei Schichten besitzt, und zwar eine Konvolutionsschicht und eine Pooling-Schicht.
Es existieren mindestens folgende drei Arten von Informationen, die jeweils in eine Konvolutionsschicht in der Verarbeitungseinrichtung eingegeben werden können:

(1) Informationen, die auf Radarinformationen basieren, welche durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt erfasst sind;
(2) Informationen, die auf spezifischen Bildinformationen basieren, welche auf Basis von Radarinformationen durch den Bilderfassungsabschnitt erfasst sind; oder
(3) zusammengeführte Informationen, die auf Radarinformationen und Bildinformationen, die durch den Bilderfassungsabschnitt erfasst sind, basieren, oder Informationen, die auf Basis solcher zusammengeführten Informationen gewonnen sind.

Auf Basis von Informationen jeder der oben genannten Arten oder Informationen auf Basis einer Kombination daraus werden Produkt-Summen-Operationen durchgeführt, die einer Konvolutionsschicht entsprechen. Die Ergebnisse werden in die nachfolgende Pooling-Schicht eingegeben, wo Daten gemäß einer vorbestimmten Regel ausgewählt werden. Im Fall eines Maximal-Poolings, bei dem ein Maximalwert unter Pixelwerten gewählt wird, kann die Regel beispielsweise vorschreiben, dass ein Maximalwert für jede Teilungsregion in der Konvolutionsschicht gewählt wird, wobei dieser Maximalwert als der Wert der entsprechenden Position in der Pooling-Schicht angesehen wird.
Eine komplexe Erkennungseinrichtung, die aus einem CNN gebildet ist, kann einen einzelnen Satz aus einer Konvolutionsschicht und einer Pooling-Schicht oder eine Vielzahl solcher Sätze aufweisen, die in Serie kaskadiert sind. Dies ermöglicht eine korrekte Erkennung eines Ziels, das in den Radarinformationen und den Bildinformationen enthalten ist, die um ein Fahrzeug vorhanden sein können.
Verwandte Techniken sind beschrieben im US-Patent Nr. 8861842 , in der Spezifikation des US-Patents Nr. 9286524 und der Spezifikation der US-Patentanmeldung mit derVeröffentlichungsnr. 2016/0140424, deren gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Bei einer sechsten Verarbeitungseinrichtung führt der Verarbeitungsabschnitt Verarbeitung bezüglich der Frontscheinwerfersteuerung eines Fahrzeugs durch. Wenn ein Fahrzeug nachts unterwegs ist, kann der Fahrer überprüfen, ob sich dem Eigenfahrzeug voraus ein anderes Fahrzeug oder ein Fußgänger befindet, und (einen) Lichtstrahl(en) aus dem/den Frontscheinwerfer(n) des Eigenfahrzeugs steuern, um zu verhindern, dass der Fahrer des anderen Fahrzeugs oder der Fußgänger durch den/die Frontscheinwerfer des Eigenfahrzeugs geblendet wird. Diese sechste Verarbeitungseinrichtung steuert automatisch den/die Frontscheinwerfer des Eigenfahrzeugs mithilfe von Radarinformationen oder einer Kombination aus Radarinformationen und einem Bild, das von einer Kamera oder dergleichen aufgenommen ist.
Auf Basis von Radarinformationen, oder durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen, detektiert der Verarbeitungsabschnitt ein Ziel, das einem dem Fahrzeug voraus befindlichen Fahrzeug oder Fußgänger entspricht. In diesem Fall kann ein einem Fahrzeug voraus befindliches Fahrzeug ein voranfahrendes Fahrzeug, ein Fahrzeug oder ein Motorrad auf der Gegenfahrbahn und so weiter einschließen. Beim Detektieren eines solchen Ziels gibt der Verarbeitungsabschnitt einen Befehl aus, den/die Strahl(en) des Frontscheinwerfers beziehungsweise der Frontscheinwerfer abzublenden. Beim Empfang dieses Befehls kann der Steuerabschnitt (die Steuerschaltung), der sich intern im Fahrzeug befindet, den/die Frontscheinwerfer dazu steuern, den/die daraus ausgesandten Strahl(en) abzublenden.
Verwandte Techniken sind beschrieben in der Spezifikation des US-Patents Nr. 6403942 , der Spezifikation des US-Patents Nr. 6611610 , der Spezifikation des US-Patents Nr. 8543277 , der Spezifikation des US-Patents Nr. 8593521 und der Spezifikation des US-Patents Nr. 8636393 , deren gesamte Offenbarung hier jeweils durch Verweis aufgenommen wird.
Gemäß der oben beschriebenen Verarbeitung durch den Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt und dem oben beschriebenen zusammengeführten Prozess des Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitts und einer Bildgebungsvorrichtung wie etwa einer Kamera kann der Millimeterwellenradar mit geringer Größe und hoher Leistungsfähigkeit konstruiert sein, so dass hohe Leistungsfähigkeit und Größenverringerung usw. für die Radarverarbeitung oder den gesamten zusammengeführten Prozess erreicht werden können. Dies verbessert die Genauigkeit der Zielerkennung und ermöglicht eine sicherere Fahrtsteuerung für das Fahrzeug.
<Anwendungsbeispiel 2: Verschiedene Überwachungssysteme (Naturelemente, Gebäude, Straßen, Bewachung, Sicherheit)>
Ein Millimeterwellenradar (Radarsystem), der eine Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält, hat auch einen breiten Anwendungsbereich auf den Gebieten der Überwachung, was Naturelemente, das Wetter, Gebäude, Sicherheit, Pflege und dergleichen einschließen kann. Bei einem Überwachungssystem in diesem Zusammenhang kann eine Überwachungseinrichtung, die den Millimeterwellenradar aufweist, z.B. an einer festen Position installiert sein, um (einen) Überwachungsgegenstand/-gegenstände ständig zu überwachen. Die Detektionsauflösung an dem Millimeterwellenradar ist im Hinblick auf den/die Überwachungsgegenstand/-gegenstände eingestellt und auf einen optimalen Wert gesetzt.
Ein Millimeterwellenradar, der eine Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält, ist fähig zur Detektion mit einer elektromagnetischen Welle mit einer Hochfrequenz von z.B. mehr als 100 GHz. Hinsichtlich des Modulationsbands in den Schemata, die bei der Radarerkennung verwendet werden, z.B. dem FMCW-Verfahren, erzielt der Millimeterwellenradar aktuell ein breites Band von mehr als 4 GHz, wodurch das oben genannte Ultrabreitband (UWB) unterstützt wird. Es wird angemerkt, dass das Modulationsband mit der Entfernungsauflösung zusammenhängt. Bei einer herkömmlichen Patch-Antenne betrug das Modulationsband bis zu circa 600 MHz, was eine Entfernungsauflösung von 25 cm ergab. Dagegen hat ein Millimeterwellenradar, welcher der vorliegenden Array-Antenne zugeordnet ist, eine Entfernungsauflösung von 3,75 cm, was auf eine Leistungsfähigkeit hinweist, die mit der Entfernungsauflösung eines herkömmlichen LIDAR konkurrieren kann. Während ein optischer Sensor wie etwa LIDAR zum Detektieren eines Ziels bei Nacht oder schlechtem Wetter nicht fähig ist, wie oben erwähnt, ist ein Millimeterwellenradar immer zur Detektion fähig, gleichgültig ob bei Tag oder Nacht und ungeachtet des Wetters. Infolgedessen ist ein der vorliegenden Array-Antenne zugeordneter Millimeterwellenradar für vielfältige Anwendungen verfügbar, die mit einem Millimeterwellenradar, der eine herkömmliche Patch-Antenne enthält, nicht möglich waren.
41 ist ein Diagramm, das eine Beispielkonstruktion für ein Überwachungssystem 1500 auf Basis von Millimeterwellenradar zeigt. Das Überwachungssystem 1500 auf Basis von Millimeterwellenradar weist mindestens einen Sensorabschnitt 1010 und einen Hauptabschnitt 1100 auf. Der Sensorabschnitt 1010 weist mindestens eine Antenne 1011, die auf den Überwachungsgegenstand 1015 gerichtet ist, einen Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt 1012, der auf Basis einer gesendeten oder empfangenen elektromagnetischen Welle ein Ziel detektiert, und einen Kommunikationsabschnitt (Kommunikationsschaltung) 1013 auf, der detektierte Radarinformationen sendet. Der Hauptabschnitt 1100 weist mindestens auf: einen Kommunikationsabschnitt (Kommunikationsschaltung) 1103, der Radarinformationen empfängt, einen Verarbeitungsabschnitt (Verarbeitungsschaltung) 1101, der vorbestimmte Verarbeitung auf Basis der empfangenen Radarinformationen durchführt, und einen Datenspeicherungsabschnitt (Speicherungsmedium) 1102, in dem ältere Radarinformationen und andere Informationen gespeichert sind, die für die vorbestimmte Verarbeitung usw. benötigt werden. Zwischen dem Sensorabschnitt 1010 und dem Hauptabschnitt 1100 existieren Telekommunikationsverbindungen 1300, über die Senden und Empfang von Informationen und Befehlen zwischen denselben stattfinden. Wie hier verwendet, können die Telekommunikationsverbindungen beispielsweise ein Allzweck-Kommunikationsnetz wie etwa das Internet, ein Mobilkommunikationsnetz, dedizierte Telekommunikationsverbindungen und so weiter einschließen. Es wird angemerkt, dass das vorliegende Überwachungssystem 1500 so angeordnet sein kann, dass der Sensorabschnitt 1010 und der Hauptabschnitt 1100 statt über Telekommunikationsverbindungen direkt verbunden sind. Zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar kann der Sensorabschnitt 1010 auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen. Dies erlaubt eine Zielerkennung durch einen zusammengeführten Prozess, der auf Radarinformationen und Bildinformationen aus der Kamera oder dergleichen basiert, wodurch eine komplexere Detektion des Überwachungsgegenstandes 1015 oder dergleichen ermöglicht wird.
Nachfolgend werden Beispiele für Überwachungssysteme, die diese Anwendungen verkörpern, spezifisch beschrieben.
(Naturelement-Überwachungssystem)
Ein erstes Überwachungssystem ist ein System, das Naturelemente überwacht (im Folgenden als „Naturelement-Überwachungssystem“ bezeichnet). Mit Bezug auf 41 wird dieses Naturelement-Überwachungssystem beschrieben. Überwachungsgegenstände 1015 des Naturelement-Überwachungssystems 1500 können beispielsweise ein Fluss, die Meeresoberfläche, ein Berg, ein Vulkan, die Bodenoberfläche oder dergleichen sein. Wenn der Überwachungsgegenstand 1015 beispielsweise ein Fluss ist, überwacht der an einer fixen Position befestigte Sensorabschnitt 1010 ständig die Wasseroberfläche des Flusses 1015. Diese Wasseroberflächeninformationen werden ständig an einen Verarbeitungsabschnitt 1101 in dem Hauptabschnitt 1100 gesendet. Erreicht oder überschreitet die Wasseroberfläche dann eine bestimmte Höhe, benachrichtigt der Verarbeitungsabschnitt 1101 ein getrenntes System 1200, das separat von dem Überwachungssystem existiert (z.B. ein Wetterbeobachtungs-Überwachungssystem), über die Telekommunikationsverbindungen 1300. Alternativ kann der Verarbeitungsabschnitt 1101 Informationen an ein System (nicht gezeigt) schicken, das die Schleuse verwaltet, wodurch das System auf Anweisung eine an dem Fluss 1015 vorgesehene Schleuse usw. (nicht gezeigt) automatisch schließt.
Das Naturelement-Überwachungssystem 1500 ist fähig zum Überwachen einerVielzahl von Sensorabschnitten 1010, 1020, usw. mit dem einzelnen Hauptabschnitt 1100. Wenn die Vielzahl von Sensorabschnitten über einen bestimmten Bereich verteilt sind, können die Pegelstände von Flüssen in diesem Bereich gleichzeitig erfasst werden. Dies erlaubt eine Einschätzung dessen, wie der Niederschlag in diesem Bereich die Pegelstände der Flüsse beeinflussen kann, mit möglicherweise katastrophalen Folgen wie etwa Überschwemmungen. Informationen hierzu können über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an das getrennte System 1200 (z.B. ein Wetterbeobachtungs-Überwachungssystem) übermittelt werden. So ist das getrennte System 1200 (z.B. ein Wetterbeobachtungs-Überwachungssystem) fähig, die übermittelten Informationen zur Wetterbeobachtung oder Katastrophenvorhersage in einem weiteren Bereich zu nutzen.
Das Naturelement-Überwachungssystem 1500 ist in ähnlicher Weise auch auf jedes andere Naturelement als einen Fluss anwendbar. Beispielsweise ist bei einem Überwachungssystem, das Tsunamis oder Sturmfluten überwacht, der Meeresspiegel der Überwachungsgegenstand. Es ist auch möglich, in Antwort auf einen Anstieg des Meeresspiegels automatisch eine Seedeichschleuse zu öffnen oder zu schließen. Alternativ kann der Überwachungsgegenstand eines Überwachungssystems, das Erdrutsche infolge von Niederschlag, Erdbeben oder dergleichen überwacht, die Bodenoberfläche einer Berggegend usw. sein.
(Verkehrsüberwachungssystem)
Ein zweites Überwachungssystem ist ein System, das den Verkehr überwacht (im Folgenden als „Verkehrsüberwachungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Verkehrsüberwachungssystems kann beispielsweise ein Bahnübergang, eine spezifische Bahnlinie, eine Flughafen-Start- und Landebahn, eine Straßenkreuzung, eine spezifische Straße, ein Parkplatz usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand beispielsweise ein Bahnübergang ist, ist der Sensorabschnitt 1010 an einer Position platziert, wo das Innere des Bahnübergangs überwacht werden kann. In diesem Fall kann der Sensorabschnitt 1010 zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen, der eine Detektion eines Ziels (Überwachungsgegenstandes) aus mehr Perspektiven durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen zulässt. Die mit dem Sensorabschnitt 1010 gewonnenen Zielinformationen werden über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an den Hauptabschnitt 1100 geschickt. Der Hauptabschnitt 1100 sammelt andere Informationen (z.B. Fahrplaninformationen), die bei einem komplexeren Erkennungsprozess oder komplexerer Steuerung notwendig sein können, und gibt auf dessen Basis notwendige Steueranweisungen oder dergleichen aus. Wie hier verwendet, kann eine notwendige Steueranweisung beispielsweise eine Anweisung sein, einen Zug anzuhalten, wenn bei geschlossenem Bahnübergang eine Person, ein Fahrzeug usw. in dem Bahnübergang aufgefunden wird.
Wenn der Überwachungsgegenstand eine Start- und Landebahn auf einem Flughafen ist, kann beispielsweise eine Vielzahl von Sensorabschnitten 1010, 1020 usw. entlang der Start- und Landebahn platziert sein, um die Start- und Landebahn auf eine vorbestimmte Auflösung einzustellen, z.B. eine Auflösung, die das Detektieren eines Fremdkörpers mit einer Größe von 5 cm mal 5 cm auf der Start- und Landebahn zulässt. Das Überwachungssystem 1500 überwacht die Start- und Landebahn ständig, gleichgültig, ob bei Tag oder Nacht, und ungeachtet des Wetters. Ermöglicht wird diese Funktion gerade durch die Fähigkeit des Millimeterwellenradars gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, UWB zu unterstützen. Da die vorliegende Millimeterwellenradarvorrichtung mit geringer Größe, hoher Auflösung und niedrigen Kosten ausgebildet sein kann, stellt sie zudem eine realistische Lösung dafür dar, die gesamte Start- und Landebahnoberfläche von einem Ende zum anderen abzudecken. In diesem Fall hält der Hauptabschnitt 1100 die Vielzahl von Sensorabschnitten 1010, 1020 usw. unter integrierterVerwaltung. Wenn ein Fremdkörper auf der Start- und Landebahn gefunden wird, sendet der Hauptabschnitt 1100 Informationen bezüglich Position und Größe des Fremdkörpers an ein Flugsicherungssystem (nicht gezeigt). Beim Empfang derselben verbietet das Flugsicherungssystem vorübergehend das Starten und Landen auf dieser Bahn. In der Zwischenzeit sendet der Hauptabschnitt 1100 Informationen bezüglich Position und Größe des Fremdkörpers an ein separat vorgesehenes Fahrzeug, das beispielsweise automatisch die Oberfläche der Start- und Landebahn reinigt usw. Beim Empfang hiervon kann das Reinigungsfahrzeug sich autonom an die Position bewegen, an der sich der Fremdkörper befindet, und den Fremdkörper automatisch beseitigen. Sobald die Beseitigung des Fremdkörpers beendet ist, sendet das Reinigungsfahrzeug Informationen über die Beendigung an den Hauptabschnitt 1100. Der Hauptabschnitt 1100 bestätigt dann wiederum, dass der Sensorabschnitt 1010 oder dergleichen, der den Fremdkörper detektiert hat, nun meldet, dass „kein Fremdkörper vorhanden ist“ und dass es nun sicher ist, und benachrichtigt das Flugsicherungssystem darüber. Beim Empfang hiervon kann das Flugsicherungssystem die Unterbindung von Starten und Landen auf der Start- und Landebahn aufheben.
Im Fall, dass der Überwachungsgegenstand ein Parkplatz ist, kann es außerdem beispielsweise möglich sein, automatisch zu erkennen, welche Position auf dem Parkplatz aktuell frei ist. Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 6943726 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
(Sicherheitsüberwachungssystem)
Ein drittes Überwachungssystem ist ein System, das einen Eindringling auf einem privaten Grundstück oder in einem Haus überwacht (im Folgenden als „Sicherheitsüberwachungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Sicherheitsüberwachungssystems kann beispielsweise eine spezifische Region innerhalb eines privaten Grundstücks oder eines Hauses usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand ein privates Grundstück ist, kann/können der/die Sensorabschnitt(e) 1010 beispielsweise an einer Position oder zwei oder mehr Positionen platziert sein, an denen der/die Sensorabschnitt(e) 1010 dasselbe überwachen können. In diesem Fall können der beziehungsweise die Sensorabschnitt(e) zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar 1010 auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen, der eine Detektion eines Ziels (Überwachungsgegenstandes) aus mehr Perspektiven durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen zulässt. Die mit dem beziehungsweise den Sensorabschnitt(en) 1010 gewonnenen Zielinformationen werden über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an den Hauptabschnitt 1100 geschickt. Der Hauptabschnitt 1100 sammelt andere Informationen (z.B. Referenzdaten oder dergleichen, die zur korrekten Erkennung dessen notwendig sind, ob der Eindringling eine Person oder ein Tier wie etwa ein Hund oder eine Vogel ist), die bei einem komplexeren Erkennungsprozess oder komplexerer Steuerung notwendig sein können, und gibt auf Basis dessen notwendige Steueranweisungen oder dergleichen aus. Wie hier verwendet, kann eine notwendige Steueranweisung beispielsweise eine Anweisung sein, einen Alarm auszulösen oder Beleuchtung zu aktivieren, die auf dem Gelände installiert ist, und auch eine Anweisung, über Mobil-Telekommunikationsverbindungen oder dergleichen einen für das Gelände Verantwortlichen direkt zu verständigen usw. Der Verarbeitungsabschnitt 1101 in dem Hauptabschnitt 1100 kann eine Erkennung des detektierten Ziels durch eine intern enthaltene, komplexe Erkennungseinrichtung zulassen (die tiefes Lernen oder eine ähnliche Technik verwendet). Alternativ kann eine solche komplexe Erkennungseinrichtung extern vorgesehen sein, wobei die komplexe Erkennungseinrichtung dann über die Telekommunikationsverbindungen 1300 angeschlossen sein kann.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 7425983 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
Eine weitere Ausführungsform eines solchen Sicherheitsüberwachungssystems kann ein Personenüberwachungssystem sein, das an einem Gate auf einem Flughafen, einer Sperre am Bahnhof, einem Eingang eines Gebäudes oder dergleichen zu installieren ist. Der Überwachungsgegenstand eines solchen Personenüberwachungssystems kann beispielsweise ein Gate auf einem Flughafen, eine Sperre am Bahnhof, ein Eingang eines Gebäudes oder dergleichen sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand ein Gate auf einem Flughafen ist, kann/können der/die Sensorabschnitt(e) 1010 beispielsweise in einer Anlage zur Überprüfung persönlicher Gegenstände an dem Gate installiert sein. In diesem Fall kann es folgende zwei Überprüfungsverfahren geben. In einem ersten Verfahren sendet der Millimeterwellenradar eine elektromagnetische Welle und empfängt die von einem Passagier (der der Überwachungsgegenstand ist) reflektierte elektromagnetische Welle, wodurch persönliche Gegenstände oder dergleichen des Passagiers überprüft werden. In einem zweiten Verfahren wird durch die Antenne eine vom Körper des Passagiers abgestrahlte schwache Millimeterwelle empfangen, wodurch eine Überprüfung auf etwaige Fremdkörper erfolgt, die der Passagier möglicherweise versteckt. In letzterem Verfahren hat der Millimeterwellenradar bevorzugt die Funktion, die empfangene Millimeterwelle abzutasten. Diese Abtastfunktion ist durch Verwendung digitaler Strahlformung oder durch einen mechanischen Abtastvorgang implementierbar. Es wird angemerkt, dass die Verarbeitung durch den Hauptabschnitt 1100 einen Kommunikationsprozess und einen Erkennungsprozess ähnlich denen in den oben beschriebenen Beispielen nutzen kann.
(Gebäudeuntersuchungssystem (zerstörungsfreie Untersuchung))
Ein viertes Überwachungssystem ist ein System, das das Betonmaterial einer Straße, einer Eisenbahnüberführung, eines Gebäudes usw. oder das Innere einer Straße oder des Bodens usw. überwacht oder überprüft (im Folgenden als „Gebäudeuntersuchungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Gebäudeuntersuchungssystems kann beispielsweise das Innere des Betonmaterials einer Überführung oder eines Gebäudes usw. oder das Innere einer Straße oder des Bodens usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand das Innere eines Betongebäudes ist, ist der Sensorabschnitt 1010 beispielsweise so strukturiert, dass die Antenne 1011 Abtastbewegungen entlang der Oberfläche eines Betongebäudes durchführen kann. Wie hier verwendet, können „Abtastbewegungen“ manuell implementiert sein, oder es kann separat eine ortsfeste Schiene für die Abtastbewegung vorgesehen sein, auf der die Bewegung durch Verwendung der Antriebskraft aus einem Elektromotor oder dergleichen bewirkt werden kann. In dem Fall, dass der Überwachungsgegenstand eine Straße oder der Boden ist, kann die Antenne 1011 mit der Fläche nach unten an einem Fahrzeug oder dergleichen installiert sein, und das Fahrzeug kann mit einer konstanten Geschwindigkeit fahren gelassen werden, wodurch eine „Abtastbewegung“ erzeugt wird. Die durch den Sensorabschnitt 1010 zu verwendende elektromagnetische Welle kann eine Millimeterwelle z.B. in der sogenannten Terahertz-Region sein, die 100 GHz überschreitet. Wie bereits beschrieben, ist auch bei einer elektromagnetischen Welle von mehr als z.B. 100 GHz eine Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dazu anpassbar, geringere Verluste aufzuweisen, als dies bei herkömmlichen Patch-Antennen oder dergleichen der Fall ist. Eine elektromagnetische Welle einer höheren Frequenz vermag tiefer in den überprüften Gegenstand, wie etwa Beton, einzudringen, wodurch eine korrektere zerstörungsfreie Untersuchung realisiert wird. Es wird angemerkt, dass die Verarbeitung durch den Hauptabschnitt 1100 auch einen Kommunikationsprozess und einen Erkennungsprozess ähnlich denen in den oben beschriebenen anderen Überwachungssystemen nutzen kann.
Eine verwandte Technik ist in der Spezifikation des US-Patents Nr. 6661367 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung hier durch Verweis aufgenommen wird.
(Personenüberwachungssystem)
Ein fünftes Überwachungssystem ist ein System, das eine Pflege erhaltende Person bewacht (im Folgenden als „Personenbewachungssystem“ bezeichnet). Überwachungsgegenstand dieses Personenbewachungssystems kann beispielsweise eine Pflege erhaltende Person oder ein Patient in einem Krankenhaus usw. sein.
Wenn der Überwachungsgegenstand eine Pflege erhaltende Person in einem Zimmer einer Pflegeeinrichtung ist, ist/sind der/die Sensorabschnitt(e) 1010 beispielsweise an einer Position oder zwei oder mehr Positionen in dem Zimmer platziert, an denen der/die Sensorabschnitt(e) 1010 zum Überwachen des gesamten Innenraums des Zimmers fähig ist/sind. In diesem Fall kann der Sensorabschnitt 1010 zusätzlich zu dem Millimeterwellenradar auch einen optischen Sensor wie etwa eine Kamera aufweisen. In diesem Fall kann der Überwachungsgegenstand durch einen zusammengeführten Prozess auf Basis von Radarinformationen und Bildinformationen aus mehr Perspektiven überwacht werden. Wenn der Überwachungsgegenstand eine Person ist, kann andererseits eine Überwachung mit einer Kamera oder dergleichen aus Datenschutzsicht unangebracht sein. Daher muss die Auswahl der Sensoren unter Berücksichtigung dieses Aspektes erfolgen. Es wird angemerkt, dass eine Zieldetektion durch den Millimeterwellenradar es erlaubt, eine Person, die der Überwachungsgegenstand ist, nicht durch ihr Bild, sondern durch ein Signal zu erfassen (das gewissermaßen ein Schatten der Person ist). Daher kann der Millimeterwellenradar als aus Datenschutzsicht vorteilhafter Sensor angesehen werden.
Informationen über die Pflege erhaltende Person, die durch den/die Sensorabschnitt(e) 1010 gewonnen wurden, werden über die Telekommunikationsverbindungen 1300 an den Hauptabschnitt 1100 geschickt. Der Hauptabschnitt 1100 sammelt andere Informationen (z.B. Referenzdaten oder dergleichen, die zum korrekten Erkennen von Zielinformationen der Pflege erhaltenden Person benötigt werden), die in einem komplexeren Erkennungsprozess oder komplexerer Steuerung möglicherweise benötigt werden, und gibt auf dieser Basis notwendige Steueranweisungen oder dergleichen aus. Wie hier verwendet, kann eine notwendige Steueranweisung beispielsweise eine Anweisung sein, auf Basis des Detektionsergebnisses einen Verantwortlichen direkt zu verständigen usw. Der Verarbeitungsabschnitt 1101 in dem Hauptabschnitt 1100 kann eine Erkennung des detektierten Ziels durch eine intern enthaltene, komplexe Erkennungseinrichtung zulassen (die tiefes Lernen oder eine ähnliche Technik verwendet). Alternativ kann eine solche komplexe Erkennungseinrichtung extern vorgesehen sein, wobei die komplexe Erkennungseinrichtung dann über die Telekommunikationsverbindungen 1300 angeschlossen sein kann.
Im Fall, dass der Überwachungsgegenstand des Millimeterwellenradars eine Person ist, können mindestens die folgenden zwei Funktionen hinzugefügt sein.
Eine erste Funktion ist eine Funktion der Überwachung der Herzfrequenz und/oder der Atemfrequenz. Bei einem Millimeterwellenradar ist eine elektromagnetische Welle fähig zum Hindurchsehen durch die Kleidung, um die Position und die Bewegungen der Hautoberfläche des Körpers einer Person zu detektieren. Zuerst detektiert der Verarbeitungsabschnitt 1101 eine Person, die der Überwachungsgegenstand ist, und eine äußere Form derselben. Als Nächstes kann im Fall der Detektion einer Herzfrequenz beispielsweise eine Position auf der Körperoberfläche identifiziert werden, an der die Herzschlagbewegungen leicht detektierbarsind, und die Bewegungen dort können chronologisch detektiert werden. Dies erlaubt beispielsweise das Detektieren einer Herzfrequenz pro Minute. Das gleiche gilt beim Detektieren einer Atemfrequenz. Durch Verwendung dieser Funktion kann der Gesundheitszustand einer Pflege erhaltenden Person ständig überprüft werden, was eine höherwertige Bewachung einer Pflege erhaltenden Person ermöglicht.
Eine zweite Funktion ist eine Funktion der Sturzdetektion. Eine Pflege erhaltende Person wie etwa eine ältere Person kann aufgrund einer Schwächung der Beine und Füße von Zeit zu Zeit stürzen. Wenn eine Person stürzt, gelangt die Geschwindigkeit oder Beschleunigung einer spezifischen Stelle des Körpers der Person, z.B. des Kopfes, auf ein bestimmtes Niveau oder darüber. Wenn der Überwachungsgegenstand des Millimeterwellenradars eine Person ist, kann die relative Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Ziels von Interesse ständig detektiert werden. Daher kann beispielsweise durch Identifizieren des Kopfes als des Überwachungsgegenstandes und chronologisches Detektieren seiner relativen Geschwindigkeit oder Beschleunigung ein Sturz erkannt werden, wenn eine Geschwindigkeit mit einem bestimmten Wert oder darüber detektiert wird. Beim Erkennen eines Sturzes kann der Verarbeitungsabschnitt 1101 eine Anweisung oder dergleichen ausgeben, die beispielsweise relevanter Pflegeassistenz entspricht.
Es wird angemerkt, dass der/die Sensorabschnitt(e) 1010 in dem oben beschriebenen Überwachungssystem oder dergleichen an (einer) festen Position(en) befestigt sind. Jedoch können der beziehungsweise die Sensorabschnitt(e) 1010 auch an einem bewegten Objekt installiert sein, z.B. einem Roboter, einem Fahrzeug, einem fliegenden Objekt wie etwa einer Drohne. Wie hier verwendet, kann das Fahrzeug oder dergleichen nicht nur ein Kraftfahrzeug einschließen, sondern beispielsweise auch ein kleineres bewegtes Objekt wie etwa einen elektrischen Rollstuhl. In diesem Fall kann dieses bewegte Objekt eine interne GPS-Einheit aufweisen, mit der seine aktuelle Position jederzeit bestätigt werden kann. Zusätzlich kann dieses bewegte Objekt auch die Funktion haben, die Genauigkeit seiner eigenen aktuellen Position durch Verwendung von Karteninformationen und den Kartenaktualisierungsinformationen, die mit Bezug auf die oben genannte fünfte Verarbeitungseinrichtung beschrieben wurden, weiter zu verbessern.
Außerdem kann bei jeder Vorrichtung oder jedem System, das den oben beschriebenen ersten bis dritten Detektionsvorrichtungen, ersten bis sechsten Verarbeitungseinrichtungen, ersten bis fünften Überwachungssystemen usw. ähnlich ist, die gleiche Konstruktion verwendet werden, um eine Array-Antenne oder einen Millimeterwellenradar gemäß einerAusführungsform der vorliegenden Offenbarung zu nutzen.
<Anwendungsbeispiel3: Kommunikationssystem>
(Erstes Beispiel für ein Kommunikationssystem)
Die Wellenleitervorrichtung und Antennenvorrichtung (Array-Antenne) gemäß der vorliegenden Offenbarung kann für den Sender und/oder Empfänger verwendet werden, mit dem ein Kommunikationssystem (Telekommunikationssystem) konstruiert ist. Die Wellenleitervorrichtung und Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung sind aus schichtartig angeordneten leitenden Baugliedern gebildet und sind deshalb fähig, die Größe des Senders und/oder Empfängers kleiner zu halten als bei Verwendung eines Hohlwellenleiters. Zudem ist ein Dielektrikum nicht notwendig, und somit kann der dielektrische Verlust von elektromagnetischen Wellen kleiner gehalten werden als bei Verwendung einer Mikrostreifenleitung. Daher kann ein Kommunikationssystem konstruiert werden, das einen kleinen und hocheffizienten Sender und/oder Empfänger enthält.
Ein solches Kommunikationssystem kann ein Kommunikationssystem analoger Art sein, das ein analoges Signal sendet oder empfängt, welches direkt moduliert wird. Jedoch kann zur Konstruktion eines flexibleren und leistungsfähigeren Kommunikationssystems ein digitales Kommunikationssystem verwendet werden.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 42 ein digitales Kommunikationssystem 800A beschrieben, bei dem eine Wellenleitervorrichtung und eine Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
42 ist ein Blockdiagramm, das eine Konstruktion für das digitale Kommunikationssystem 800A zeigt. Das Kommunikationssystem 800A weist einen Sender 810A und einen Empfänger 820A auf. Der Sender 810A weist einen Analog-Digital- (A/D-) Wandler 812, einen Codierer 813, einen Modulator 814 und eine Sendeantenne 815 auf. Der Empfänger 820A weist eine Empfangsantenne 825, einen Demodulator 824, einen Decodierer 823 und einen Digital-Analog-(D/A-) Wandler 822 auf. Mindestens entweder die Sendeantenne 815 oder die Empfangsantenne 825 können mithilfe einer Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung implementiert sein. In diesem Anwendungsbeispiel werden die Schaltkreise, die den Modulator 814, den Codierer 813, den A/D-Wandler 812 und so weiter aufweisen, welche mit der Sendeantenne 815 verbunden sind, als die Sendeschaltung bezeichnet. Die Schaltkreise, die den Demodulator 824, den Decodierer 823, den D/A-Wandler 822 und so weiter aufweisen, welche mit der Empfangsantenne 825 verbunden sind, werden als die Empfangsschaltung bezeichnet. Die Sendeschaltung und die Empfangsschaltung können zusammen als die Kommunikationsschaltung bezeichnet werden.
Mit dem Analog-Digital- (A/D-) Wandler 812 wandelt der Sender 810A ein analoges Signal, das aus der Signalquelle 811 empfangen wird, in ein digitales Signal um. Als Nächstes wird das digitale Signal durch den Codierer 813 codiert. Wie hier verwendet, bedeutet „Codieren“ ein Verändern des zu sendenden digitalen Signals in ein Format, das für die Kommunikation geeignet ist. Beispiele für eine solche Codierung sind unter anderem CDM (Code-Multiplexen) und dergleichen. Außerdem ist auch jede Wandlung zum Bewirken von TDM (Zeitmultiplexen) oder FDM (Frequenz-Multiplexen) oder OFDM (orthogonalem Frequenz-Multiplexen) ein Beispiel für die Codierung. Das codierte Signal wird durch den Modulator 814 in ein Hochfrequenzsignal gewandelt, um aus der Sendeantenne 815 gesendet zu werden.
Auf dem Gebiet der Kommunikation kann eine Welle, die ein auf eine Trägerwelle zu überlagerndes Signal repräsentiert, als eine „Signalwelle“ bezeichnet werden; jedoch hat der Ausdruck „Signalwelle“, wie er in der vorliegenden Spezifikation verwendet wird, nicht diese Definition. Eine „Signalwelle“ gemäß der vorliegenden Spezifikation bedeutet im breiten Sinne jede elektromagnetische Welle, die sich in einem Wellenleiter ausbreiten soll, oder jede elektromagnetische Welle zum Senden/Empfang über ein Antennenelement.
Der Empfänger 820A stellt das Hochfrequenzsignal, das durch die Empfangsantenne 825 empfangen wurde, an dem Demodulator 824 zu einem Niederfrequenzsignal und an dem Decodierer 823 zu einem digitalen Signal wieder her. Das decodierte digitale Signal wird durch den Digital-Analog- (D/A-) Wandler 822 zu einem analogen Signal wiederhergestellt und wird an eine Datensenke (einen Datenempfänger) 821 geschickt. Durch die oben genannten Prozesse wird eine Sequenz aus Sende- und Empfangsprozessen beendet.
Wenn die kommunizierende Einheit ein digitales Gerät wie etwa ein Computer ist, sind die Analog-Digital-Wandlung des Sendesignals und Digital-Analog-Wandlung des Empfangssignals in den oben genannten Prozessen nicht nötig. Somit können der Analog-Digital-Wandler 812 und der Digital-Analog-Wandler 822 in 42 weggelassen werden. Ein System mit einer solchen Konstruktion ist ebenfalls im digitalen Kommunikationssystem eingeschlossen.
In einem digitalen Kommunikationssystem können zur Sicherstellung der Signalintensität oder zur Erweiterung der Kanalkapazität verschiedene Verfahren verwendet werden. Viele dieser Verfahren sind auch in einem Kommunikationssystem wirksam, das Funkwellen des Millimeterwellenbands oder des Terahertz-Bands nutzt.
Funkwellen im Millimeterwellenband oder im Terahertz-Band haben höhere Geradlinigkeit als Funkwellen niedrigerer Frequenzen und unterliegen geringerer Beugung, d.h. geringerem Umlenken auf die Schattenseite eines Hindernisses. Daher ist es nicht ungewöhnlich, dass ein Empfänger eine aus einem Sender gesendete Funkwelle nicht direkt empfängt. Auch in solchen Situationen können reflektierte Wellen oft empfangen werden, jedoch ist eine reflektierte Welle eines Funkwellensignals häufig von schlechterer Qualität als die direkte Welle, was einen stabilen Empfang schwieriger macht. Außerdem kann eine Vielzahl reflektierter Wellen auf unterschiedlichen Wegen eintreffen. In diesem Fall könnten die Empfangswellen mit unterschiedlichen Weglängen sich in der Phase voneinander unterscheiden und so Mehrwegeschwund verursachen.
Als eine Technik zur Verbesserung solcher Situationen kann eine sogenannte Antennendiversitätstechnik verwendet werden. Bei dieser Technik weist mindestens entweder der Sender oder der Empfänger eine Vielzahl von Antennen auf. Wenn die Vielzahl von Antennen voneinander um Distanzen getrennt sind, die sich mindestens um circa die Wellenlänge unterscheiden, sind die so entstehenden Zustände der Empfangswellen unterschiedlich. Dementsprechend wird selektiv die Antenne verwendet, die von allen zum Senden/Empfang mit der höchsten Qualität fähig ist, was die Zuverlässigkeit der Kommunikation verbessert. Alternativ können Signale, die aus mehr als einer Antenne gewonnen sind, zur Verbesserung der Signalqualität verschmolzen werden.
Bei dem in 42 gezeigten Kommunikationssystem 800A kann beispielsweise der Empfänger 820A eine Vielzahl von Empfangsantennen 825 aufweisen. In diesem Fall existiert zwischen der Vielzahl von Empfangsantennen 825 und dem Demodulator 824 eine Umschalteinrichtung. Durch die Umschalteinrichtung verbindet der Empfänger 820A die Antenne, die von der Vielzahl von Empfangsantennen 825 das Signal mit der höchsten Qualität bereitstellt, mit dem Demodulator 824. In diesem Fall kann der Sender 810A auch eine Vielzahl von Sendeantennen 815 aufweisen.
(Zweites Beispiel für ein Kommunikationssystem)
43 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Kommunikationssystem 800B zeigt, welches einen Sender 810B aufweist, der zum Variieren des Strahlungsmusters von Funkwellen fähig ist. In diesem Anwendungsbeispiel ist der Empfänger identisch mit dem in 42 gezeigten Empfänger 820A; deshalb ist der Empfänger in der Illustration in 43 weggelassen. Zusätzlich zu der Konstruktion des Senders 810A weist der Sender 810B auch ein Antennen-Array 815b auf, das eine Vielzahl von Antennenelementen 8151 aufweist. Das Antennen-Array 815b kann eine Array-Antenne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sein. Der Sender 810B weist ferner eine Vielzahl von Phasenschiebern (PS) 816 auf, die jeweils zwischen dem Modulator 814 und der Vielzahl von Antennenelementen 8151 verbunden sind. In dem Sender 810B wird ein Ausgang des Modulators 814 an die Vielzahl von Phasenschiebern 816 geschickt, wo Phasendifferenzen eingebracht werden und die so entstehenden Signale zu der Vielzahl von Antennenelementen 8151 geführt werden. Im Fall, dass die Vielzahl von Antennenelementen 8151 in gleichen Intervallen angeordnet sind, ist eine Hauptkeule 817 des Antennen-Arrays 815b, wenn ein Hochfrequenzsignal, dessen Phase in Bezug auf ein benachbartes Antennenelement um einen bestimmten Betrag abweicht, in jedes Antennenelement 8151 gespeist wird, in einem Azimut ausgerichtet, das von vorne aus geneigt ist, wobei diese Neigung mit der Phasendifferenz übereinstimmt. Dieses Verfahren kann als Strahlformung bezeichnet werden.
Das Azimut der Hauptkeule 817 kann verändert werden, indem zugelassen wird, dass die jeweiligen Phasenschieber 816 variierende Phasendifferenzen einbringen. Dieses Verfahren kann als Strahllenkung bezeichnet werden. Durch Finden von Phasendifferenzen, die für den besten Sende-/Empfangszustand förderlich sind, kann die Zuverlässigkeit der Kommunikation erhöht werden. Obwohl das vorliegende Beispiel einen Fall illustriert, in dem die Phasendifferenz, die durch die Phasenschieber 816 einzubringen ist, zwischen jeweils benachbarten Antennenelementen 8151 konstant ist, ist dies nicht einschränkend. Zudem können Phasendifferenzen in der Weise eingebracht werden, dass die Funkwelle in einem Azimut abgestrahlt wird, welches ermöglicht, dass nicht nur die direkte Welle, sondern auch reflektierte Wellen den Empfänger erreichen.
Ein Verfahren mit der Bezeichnung Nullsteuerung kann in dem Sender 810B ebenfalls verwendet werden. Dies ist ein Verfahren, bei dem Phasendifferenzen dazu eingestellt werden, einen Zustand zu erzeugen, in dem die Funkwelle in keiner spezifischen Richtung abgestrahlt wird. Mit Durchführung von Nullsteuerung wird es möglich, ein Abstrahlen von Funkwellen in Richtung jedes anderen Empfängers, an den die Funkwelle nicht gesendet werden soll, einzuschränken. Hierdurch können Interferenzen vermieden werden. Obwohl für die digitale Kommunikation unter Nutzung von Millimeterwellen oder Terahertz-Wellen ein sehr breites Frequenzband zur Verfügung steht, ist es dennoch vorzuziehen, die Bandbreite möglichst effizient zu nutzen. Durch Verwendung von Nullsteuerung können mehrere Instanzen eines Sendens/Empfangs innerhalb desselben Bands durchgeführt werden, wodurch der Nutzungsgrad der Bandbreite erhöht werden kann. Ein Verfahren, das den Nutzungsgrad der Bandbreite durch Verwendung von Techniken wie etwa Strahlformung, Strahllenkung und Nullsteuerung erhöht, kann manchmal als SDMA (Mehrfachzugriff mit räumlicher Teilung) bezeichnet werden.
(Drittes Beispiel für ein Kommunikationssystem)
Zur Erhöhung der Kanalkapazität in einem spezifischen Frequenzband kann ein Verfahren mit der Bezeichnung MIMO (Mehrfach-Eingang und Mehrfach-Ausgang) verwendet werden. Gemäß MIMO wird eine Vielzahl von Sendeantennen und eine Vielzahl von Empfangsantennen verwendet. Aus jeder von der Vielzahl von Sendeantennen wird eine Funkwelle abgestrahlt. In einem Beispiel können jeweils unterschiedliche Signale auf die abzustrahlenden Funkwellen überlagert sein. Jede von der Vielzahl von Empfangsantennen empfängt sämtliche aus der gesendeten Vielzahl von Funkwellen. Da jedoch unterschiedliche Empfangsantennen Funkwellen empfangen, die auf unterschiedlichen Wegen eintreffen, treten unter den Phasen der empfangenen Funkwellen Differenzen auf. Durch Nutzung dieser Differenzen ist es möglich, auf der Empfängerseite die Vielzahl von Signalen, die in der Vielzahl von Funkwellen enthalten waren, zu separieren.
Die Wellenleitervorrichtung und Antennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung kann auch in einem Kommunikationssystem verwendet werden, das MIMO nutzt. Nachfolgend wird ein Beispiel für ein solches Kommunikationssystem beschrieben.
44 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Kommunikationssystem 800C zeigt, welches eine MIMO-Funktion implementiert. In dem Kommunikationssystem 800C weist ein Sender 830 einen Codierer 832, einen TX-MIMO-Prozessor 833 sowie zwei Sendeantennen 8351 und 8352 auf. Ein Empfänger 840 weist zwei Empfangsantennen 8451 und 8452, einen RX-MIMO-Prozessor 843 sowie einen Decodierer 842 auf. Es wird angemerkt, dass die Anzahl der Sendeantennen und die Anzahl der Empfangsantennen jeweils größer als zwei sein kann. Hier wird zur einfacheren Erläuterung ein Beispiel illustriert, bei dem es von jeder Sorte zwei Antennen gibt. Allgemein erhöht sich die Kanalkapazität eines MIMO-Kommunikationssystems proportional zu der Anzahl der Sendeantennen oder der Empfangsantennen; je nachdem, welche geringer ist.
Nach dem Empfang eines Signals aus der Datensignalquelle 831 codiert der Sender 830 das Signal an dem Codierer 832 in der Weise, dass das Signal zum Senden bereit ist. Das codierte Signal wird durch den TX-MIMO-Prozessor 833 zwischen den zwei Sendeantennen 8351 und 8352 verteilt.
In einem Verarbeitungsverfahren gemäß einem Beispiel des MIMO-Verfahrens teilt der TX-MIMO-Prozessor 833 eine Sequenz codierter Signale in zwei, d.h. so viele, wie es Sendeantennen 8352 gibt, und schickt sie parallel an die Sendeantennen 8351 und 8352. Die Sendeantennen 8351 und 8352 strahlen jeweils Funkwellen ab, die Informationen der geteilten Signalsequenzen enthalten. Wenn N Sendeantennen vorhanden sind, wird die Signalsequenz in N geteilt. Die abgestrahlten Funkwellen werden durch die zwei Empfangsantennen 8451 und 8452 gleichzeitig empfangen. Anders ausgedrückt: In den Funkwellen, die durch jede der Empfangsantennen 8451 und 8452 empfangen werden, sind die zwei Signale, die zur Zeit des Sendens geteilt wurden, gemischt enthalten. Die Separierung zwischen diesen gemischten Signalen wird durch den RX-MIMO-Prozessor 843 erreicht.
Die zwei gemischten Signale können separiert werden, indem beispielsweise die Phasendifferenzen zwischen den Funkwellen beachtet werden. Eine Phasendifferenz zwischen zwei Funkwellen bei einem Empfang der aus der Sendeantenne 8351 eingetroffenen Funkwellen durch die Empfangsantennen 8451 und 8452 unterscheidet sich von einer Phasendifferenz zwischen zwei Funkwellen bei einem Empfang der aus der Sendeantenne 8352 eingetroffenen Funkwellen durch die Empfangsantennen 8451 und 8452. Das bedeutet: Die Phasendifferenz zwischen Empfangsantennen differiert abhängig von dem Sende-/Empfangsweg. Sofern das räumliche Verhältnis zwischen einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne nicht verändert wird, bleibt zudem die Phasendifferenz dazwischen unverändert. Auf Basis einer Korrelation zwischen Empfangssignalen, die durch die zwei Empfangsantennen empfangen werden, verschoben um eine Phasendifferenz, die durch den Sende-/Empfangsweg bestimmt ist, ist es daher möglich, jedes Signal zu extrahieren, das auf diesem Sende-/Empfangsweg empfangen wird. Der RX-MIMO-Prozessor 843 kann die zwei Signalsequenzen aus dem Empfangssignal z.B. durch dieses Verfahren separieren, wodurch die Signalsequenz vor der Teilung wiederhergestellt wird. Die wiederhergestellte Signalsequenz ist noch codiert und wird daher an den Decodierer 842 geschickt, um dort zu dem ursprünglichen Signal wiederhergestellt zu werden. Das wiederhergestellte Signal wird an die Datensenke 841 geschickt.
Obwohl das MIMO-Kommunikationssystem 800C in diesem Beispiel ein digitales Signal sendet oder empfängt, kann auch ein MIMO-Kommunikationssystem realisiert werden, das ein analoges Signal sendet oder empfängt. In diesem Fall sind zusätzlich zu der Konstruktion aus 44 ein Analog-Digital-Wandler und ein Digital-Analog-Wandler vorgesehen, wie sie mit Bezug auf 42 beschrieben wurden. Es wird angemerkt, dass die Informationen, die zum Unterscheiden zwischen Signalen aus unterschiedlichen Sendeantennen verwendbar sind, nicht auf Phasendifferenzinformationen begrenzt sind. Allgemein ausgedrückt, kann für eine andere Kombination aus Sendeantenne und Empfangsantenne die empfangene Funkwelle nicht nur bezüglich der Phase, sondern auch bezüglich Streuung, Schwund und anderer Bedingungen differieren. Diese werden gemeinsam als CSI (Kanalzustandsinformationen) bezeichnet. CSI sind in einem System, das MIMO nutzt, zur Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Sende-/Empfangswegen nutzbar.
Es wird angemerkt, dass es keine wesentliche Bedingung ist, dass die Vielzahl von Sendeantennen Sendewellen abstrahlt, die jeweils unabhängige Signale enthalten. Solange ein Separieren auf der Seite der Empfangsantenne möglich ist, kann jede Sendeantenne eine Funkwelle abstrahlen, die eine Vielzahl von Signalen enthält. Zudem kann auf der Seite der Sendeantenne Strahlformung durchgeführt werden, während eine Sendewelle, die ein einzelnes Signal enthält, als eine synthetische Welle der Funkwellen aus den jeweiligen Sendeantennen an der Empfangsantenne geformt werden kann. Auch in diesem Fall ist jede Sendeantenne zum Abstrahlen einer Funkwelle angepasst, die eine Vielzahl von Signalen enthält.
Wie im ersten und zweiten Beispiel können auch in diesem dritten Beispiel verschiedene Verfahren wie etwa CDM, FDM, TDM und OFDM als Verfahren zur Signalcodierung verwendet werden.
In einem Kommunikationssystem kann eine Leiterplatte, die eine integrierte Schaltung implementiert (als Signalverarbeitungsschaltung oder Kommunikationsschaltung bezeichnet), zum Verarbeiten von Signalen als eine Schicht auf die Wellenleitervorrichtung und Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gestapelt sein. Da die Wellenleitervorrichtung und Antennenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung so strukturiert ist, dass plattenartige leitende Bauglieder darin schichtartig angeordnet sind, ist es einfach, außerdem eine Leiterplatte auf dieselben zu stapeln. Durch Verwendung einer solchen Anordnung können ein Sender und ein Empfänger mit kleinerem Volumen als in dem Fall realisiert werden, in dem ein Hohlwellenleiter oder dergleichen eingesetzt wird.
Im ersten bis dritten Beispiel des Kommunikationssystems, wie oben beschrieben, ist jedes Element eines Senders oder eines Empfängers, z.B. ein Analog-Digital-Wandler, ein Digital-Analog-Wandler, ein Codierer, ein Decodierer, ein Modulator, ein Demodulator, ein TX-MIMO-Prozessor oder ein RX-MIMO-Prozessor in 42,43 und 44 als ein unabhängiges Element illustriert; jedoch brauchen sie nicht getrennt zu sein. Beispielsweise können diese Elemente alle durch einen einzigen integrierten Schaltkreis implementiert sein. Alternativ können einige dieser Elemente kombiniert sein, um durch einen einzigen integrierten Schaltkreis implementiert zu sein. Beide Fälle gelten als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, solange die Funktionen, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben wurden, dadurch realisiert werden.
Wie oben beschrieben, schließt die vorliegende Offenbarung Schlitzantennenvorrichtungen, Radare, Radarsysteme und Kommunikationssysteme ein, wie in den folgenden Punkten aufgeführt.
(Punkt 1)
Eine Schlitzantennenvorrichtung, umfassend:

ein erstes elektrisch leitendes Bauglied mit einer ersten elektrisch leitenden Oberfläche auf einer Vorderseite und einer zweiten elektrisch leitenden Oberfläche auf einer Rückseite und mit mindestens einem Schlitz, der sich von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt;
ein zweites elektrisch leitendes Bauglied auf der Rückseite des ersten elektrisch leitenden Bauglieds, wobei das zweite elektrisch leitende Bauglied eine dritte elektrisch leitende Oberfläche auf der Vorderseite hat, wobei die dritte elektrisch leitende Oberfläche zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist;
ein rippenförmiges Wellenleiterbauglied auf derzweiten elektrisch leitenden Oberfläche des ersten elektrisch leitenden Bauglieds, wobei das Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und sich entlang der dritten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt; und
einen künstlichen magnetischen Leiter auf mindestens entweder der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche oder der dritten elektrisch leitenden Oberfläche, wobei der künstliche magnetische Leiter sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei
die dritte elektrisch leitende Oberfläche, die Wellenleiterfläche und der künstliche magnetische Leiter einen Wellenleiter in einem Zwischenraum definieren, der sich zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt;
das Wellenleiterbauglied eine erste Rippe und eine zweite Rippe aufweist;
ein Ende der ersten Rippe und ein Ende der zweiten Rippe zueinander entgegengesetzt sind;
aus einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, der mindestens eine Schlitz zwischen dem einen Ende der ersten Rippe und dem einen Ende der zweiten Rippe angeordnet ist;
der mindestens eine Schlitz durch die erste elektrisch leitende Oberfläche zu einem äußeren Raum offen ist und
mindestens entweder eine Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder eine Breite der Wellenleiterfläche entlang einer Richtung variiert ist, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt.

(Punkt 2)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach Punkt 1, wobei mindestens entweder das zweite elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied aufweist: mindestens eine Ausnehmung, die dazu dient, die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; oder mindestens eine Erhebung, die dazu dient, die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern.
(Punkt 3)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach Punkt 1 oder 2, wobei das Wellenleiterbauglied aufweist: mindestens einen breiten Abschnitt, der dazu dient, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; oder mindestens einen schmalen Abschnitt, der dazu dient, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern.
(Punkt 4)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 3, wobei
mindestens entweder das zweite elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Ausnehmungen hat, die dazu dienen, die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern;
die Vielzahl von Ausnehmungen eine erste Ausnehmung, eine zweite Ausnehmung und eine dritte Ausnehmung aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und
eine Distanz zwischen Mitten der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung sich von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Ausnehmung und der dritten Ausnehmung unterscheidet.
(Punkt 5)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 3, wobei mindestens entweder das zweite elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Erhebungen hat, die dazu dienen, die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern;
die Vielzahl von Erhebungen eine erste Erhebung, eine zweite Erhebung und eine dritte Erhebung aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und
eine Distanz zwischen Mitten der ersten Erhebung und der zweiten Erhebung sich von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Erhebung und der dritten Erhebung unterscheidet.
(Punkt 6)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 3, wobei
das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von breiten Abschnitten aufweist, die dazu dienen, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern;
die Vielzahl von breiten Abschnitten einen ersten breiten Abschnitt, einen zweiten breiten Abschnitt und einen dritten breiten Abschnitt aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und
eine Distanz zwischen Mitten des ersten breiten Abschnitts und des zweiten breiten Abschnitts sich von einer Distanz zwischen Mitten des zweiten breiten Abschnitts und des dritten breiten Abschnitts unterscheidet.
(Punkt 7)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 3, wobei
das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von schmalen Abschnitten aufweist, die dazu dienen, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern;
die Vielzahl von schmalen Abschnitten einen ersten schmalen Abschnitt, einen zweiten schmalen Abschnitt und einen dritten schmalen Abschnitt aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und
eine Distanz zwischen Mitten des ersten schmalen Abschnitts und des zweiten schmalen Abschnitts sich von einer Distanz zwischen Mitten des zweiten schmalen Abschnitts und des dritten schmalen Abschnitts unterscheidet.
(Punkt 8)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 3, wobei
der Wellenleiter, der sich zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, eine Vielzahl von Positionen aufweist, an denen die Kapazität des Wellenleiters ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum aufweist;
die Vielzahl von Positionen eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und
eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position sich von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position unterscheidet.
(Punkt 9)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 3, wobei
der Wellenleiter, der sich zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, eine Vielzahl von Positionen aufweist, an denen die Induktanz des Wellenleiters ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum aufweist;
die Vielzahl von Positionen eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und
eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position sich von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position unterscheidet.
(Punkt 10)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 9, wobei
das erste elektrisch leitende Bauglied eine Vielzahl von Schlitzen einschließlich des mindestens einen Schlitzes hat, wobei die Vielzahl von Schlitzen entlang der Richtung angeordnet ist, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt;
das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Rippen einschließlich der ersten Rippe und der zweiten Rippe aufweist; und
aus einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, jeder von der Vielzahl von Schlitzen zwischen den entgegengesetzten Enden von zwei benachbarten aus der Vielzahl von Rippen angeordnet ist; und
jeder von derVielzahl von Schlitzen durch die erste elektrisch leitende Oberfläche zu dem äußeren Raum offen ist.
(Punkt 11)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach Punkt 10, wobei mindestens entweder die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, mit einer Periode variiert ist, die gleich oder größer als 1/2 einer Distanz zwischen Mitten von zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen ist.
(Punkt 12)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach Punkt 10, wobei
die Schlitzantennenvorrichtung mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer zentralen Wellenlänge λo im freien Raum verwendet wird;
die Breite der Wellenleiterfläche kleiner als λo ist und
mindestens entweder die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, mit einer Periode variiert ist, die länger als 1,15λo/4 ist.
(Punkt 13)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach Punkt 10, wobei
die Schlitzantennenvorrichtung mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer zentralen Wellenlänge λo im freien Raum verwendet wird;
die Breite der Wellenleiterfläche kleiner als λo ist;
mindestens entweder das zweite elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Zusatzelementen aufweist, die mindestens entweder die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle verändern; und
mindestens entweder die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, mit einer Periode variiert ist, die länger als λ_R/4 ist,
wobei λ_R eine Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle mit der Wellenlänge λo bei der Ausbreitung in einem Wellenleiter ohne die Vielzahl von Zusatzelementen ist, wobei der Wellenleiter sich zwischen dem elektrisch leitenden Bauglied und dem Wellenleiterbauglied erstreckt.
(Punkt 14)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach Punkt 10, wobei mindestens entweder die Kapazität oder die Induktanz des Wellenleiters, der sich zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, mit einer Periode variiert ist, die gleich oder größer als 1/2 einer Distanz zwischen Mitten von zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen ist.
(Punkt 15)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 14, wobei
die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche entlang der Richtung variiert ist, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt; und
der Wellenleiter, der sich zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, mindestens drei Positionen aufweist, die sich in der Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche unterscheiden.
(Punkt 16)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 15, wobei
die Breite der Wellenleiterfläche entlang der Richtung variiert ist, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt; und
die Wellenleiterfläche mindestens drei Positionen aufweist, die sich in der Breite unterscheiden.
(Punkt 17)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 16, wobei
die erste Rippe und die zweite Rippe Endflächen haben, die zueinander entgegengesetzt sind; und
die Endflächen der ersten Rippe und der zweiten Rippe mit einer inneren Wandoberfläche des mindestens einen Schlitzes kontinuierlich sind, ohne gestuft zu sein.
(Punkt 18)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 17, wobei die erste elektrisch leitende Oberfläche des ersten elektrisch leitenden Bauglieds eine Form hat, die mindestens ein Horn definiert, das mit dem mindestens einen Schlitz kommuniziert.
(Punkt 19)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 18, wobei
der künstliche magnetische Leiter eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben auf der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche aufweist und
jeder von der Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben ein führendes Ende, das zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und eine Wurzel, die mit der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche verbunden ist, aufweist.
(Punkt 20)
Die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 19, die eine Vielzahl von rippenförmigen Wellenleiterbaugliedern einschließlich des Wellenleiterbauglieds umfasst, wobei die Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern auf der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche ist;
das erste elektrisch leitende Bauglied eine Vielzahl von Schlitzen einschließlich des mindestens einen Schlitzes aufweist, wobei die Vielzahl von Schlitzen entlang einer Richtung angeordnet ist, welche die Richtung schneidet, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt;
jedes von der Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern eine Vielzahl von Rippen aufweist, so dass Enden von zwei benachbarten aus der Vielzahl von Rippen zueinander entgegengesetzt sind;
aus einer Richtung senkrecht zu Wellenleiterflächen der Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern gesehen, jeder von der Vielzahl von Schlitzen zwischen den Enden von zwei benachbarten aus der Vielzahl von Rippen angeordnet ist; und
jeder von der Vielzahl von Schlitzen durch die erste elektrisch leitende Oberfläche zu dem äußeren Raum offen ist.
(Punkt 21)
Eine Radarvorrichtung, umfassend:

die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 20 und
eine integrierte Mikrowellenschaltung, die mit der Schlitzantennenvorrichtung verbunden ist.

(Punkt 22)
Ein Radarsystem, umfassend:

die Radarvorrichtung gemäß Punkt 21 und
eine Signalverarbeitungsschaltung, die mit der integrierten Mikrowellenschaltung der Radarvorrichtung verbunden ist.

(Punkt 23)
Ein Drahtlos-Kommunikationssystem, umfassend:

die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Punkte 1 bis 20 und
eine Kommunikationsschaltung, die mit der Schlitzantennenvorrichtung verbunden ist.

GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Eine Schlitzantennenvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist auf jedem technischen Gebiet verwendbar, auf dem eine Antenne verwendet wird. Beispielsweise sind sie für verschiedene Anwendungen verfügbar, bei denen Senden/Empfang von elektromagnetischen Wellen des Gigahertz-Bands oder des Terahertz-Bands durchgeführt werden. Insbesondere können sie in Bordradarsystemen, Überwachungssystemen verschiedener Art, Innenpositionierungssystemen, Drahtlos-Kommunikationssystemen usw. verwendet werden, wo eine Größenverringerung erwünscht ist.
Bezugszeichenliste

100: Wellenleitervorrichtung
110: erstes leitendes Bauglied
110a: zweite leitende Oberfläche
110b: erste leitende Oberfläche
111, 112: Schlitz
114: Seitenwand des Horns
120: zweites leitendes Bauglied
120a: dritte leitende Oberfläche
120b: vierte leitende Oberfläche
122: Wellenleiterbauglied
122a: Wellenleiterfläche
124: leitender Stab
124a: führendes Ende des leitenden Stabes
124b: Wurzel des leitenden Stabes
125: Oberfläche eines künstlichen magnetischen Leiters
130: Hohlwellenleiter
132: Innenraum des Hohlwellenleiters
140: drittes leitendes Bauglied
140a: fünfte leitende Oberfläche
145: Port
150: Drosselstruktur
160: weiteres leitendes Bauglied
170: leitender Stab
180: Hohlraum
200: Schlitz-Array-Antenne
300: Schlitzantennenvorrichtung
500: Eigenfahrzeug
502: voraus befindliches Fahrzeug
510: Bordradarsystem
520: elektronische Fahrassistenz-Steuereinrichtung
530: Radarsignal-Verarbeitungseinrichtung
540: Kommunikationsvorrichtung
550: Computer
552: Datenbank
560: Signalverarbeitungsschaltung
570: Objektdetektionseinrichtung
580: Sende-/Empfangsschaltung
596: Auswahlschaltung
600: Fahrzeug-Fahrsteuereinrichtung
700: Bordkamerasystem
710: Kamera
720: Bildverarbeitungsschaltung
800A, 800B, 800C: Kommunikationssystem
810A, 810B, 830: Sender
820A, 840: Empfänger
813, 832: Codierer
823, 842: Decodierer
814: Modulator
824: Demodulator
1010, 1020: Sensorabschnitt
1011, 1021: Antenne
1012, 1022: Millimeterwellenradar-Detektionsabschnitt
1013, 1023: Kommunikationsabschnitt
1015, 1025: Gegenstand der Überwachung
1100: Hauptabschnitt
1101: Verarbeitungsabschnitt
1102: Datenspeicherungsabschnitt
1103: Kommunikationsabschnitt
1200: anderes System
1300: Telekommunikationsleitungen
1500: Überwachungssystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8779995 [0004]
US 8803638 [0004]
EP 1331688 [0004]
US 8446312 [0272]
US 8730096 [0272]
US 8730099 [0272]
US 6703967 [0307]
US 6339395 [0329]
US 2015/0264230 [0343]
US 2016/0264065 [0343]
US 15248141 [0343]
US 15248149 [0343]
US 15248156 [0343]
US 7355524 [0343]
US 7420159 [0343]
US 8604968 [0344]
US 8614640 [0344]
US 7978122 [0344]
US 7358889 [0362]
US 7417580 [0365]
US 6903677 [0368]
US 8610620 [0373]
US 7570198 [0376]
US 6628299 [0379]
US 7161561 [0379]
US 8068134 [0381]
US 6191704 [0383]
US 8861842 [0391]
US 9286524 [0391]
US 6403942 [0394]
US 6611610 [0394]
US 8543277 [0394]
US 8593521 [0394]
US 8636393 [0394]
US 6943726 [0406]
US 7425983 [0409]
US 6661367 [0414]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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, Nr. 2, Februar 2012, S. 840-853 [0004]
Kildal et al., „Local Metamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates“, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 8, 2009, S. 84-87 [0004]

Claims

Schlitzantennenvorrichtung, umfassend: ein erstes elektrisch leitendes Bauglied mit einer ersten elektrisch leitenden Oberfläche auf einer Vorderseite und einer zweiten elektrisch leitenden Oberfläche auf einer Rückseite und mit mindestens einem Schlitz, dersich von der ersten elektrisch leitenden Oberfläche zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche hindurch erstreckt; ein zweites elektrisch leitendes Bauglied auf der Rückseite des ersten elektrisch leitenden Bauglieds, wobei das zweite elektrisch leitende Bauglied eine dritte elektrisch leitende Oberfläche auf der Vorderseite hat, wobei die dritte elektrisch leitende Oberfläche zu der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist; ein rippenförmiges Wellenleiterbauglied auf der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche des ersten elektrisch leitenden Bauglieds, wobei das Wellenleiterbauglied eine elektrisch leitende Wellenleiterfläche hat, die zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und sich entlang der dritten elektrisch leitenden Oberfläche erstreckt; und einen künstlichen magnetischen Leiter auf mindestens entweder der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche oder der dritten elektrisch leitenden Oberfläche, wobei der künstliche magnetische Leiter sich auf beiden Seiten des Wellenleiterbauglieds erstreckt, wobei die dritte elektrisch leitende Oberfläche, die Wellenleiterfläche und der künstliche magnetische Leiter einen Wellenleiter in einem Zwischenraum definieren, der sich zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt; das Wellenleiterbauglied eine erste Rippe und eine zweite Rippe aufweist; ein Ende der ersten Rippe und ein Ende der zweiten Rippe zueinander entgegengesetzt sind; aus einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, der mindestens eine Schlitz zwischen dem einen Ende der ersten Rippe und dem einen Ende der zweiten Rippe angeordnet ist; der mindestens eine Schlitz durch die erste elektrisch leitende Oberfläche zu einem äußeren Raum offen ist und mindestens entweder eine Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder eine Breite der Wellenleiterfläche entlang einer Richtung variiert ist, in dersich das Wellenleiterbauglied erstreckt.
Schlitzantennenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens entweder das zweite elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied aufweist: mindestens eine Ausnehmung, die dazu dient, die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; oder mindestens eine Erhebung, die dazu dient, die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern.
Schlitzantennenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Wellenleiterbauglied aufweist: mindestens einen breiten Abschnitt, der dazu dient, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; oder mindestens einen schmalen Abschnitt, der dazu dient, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens entweder das zweite elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Ausnehmungen hat, die dazu dienen, die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; die Vielzahl von Ausnehmungen eine erste Ausnehmung, eine zweite Ausnehmung und eine dritte Ausnehmung aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung sich von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Ausnehmung und der dritten Ausnehmung unterscheidet.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens entweder das zweite elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Erhebungen hat, die dazu dienen, die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; die Vielzahl von Erhebungen eine erste Erhebung, eine zweite Erhebung und eine dritte Erhebung aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Erhebung und der zweiten Erhebung sich von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Erhebung und der dritten Erhebung unterscheidet.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von breiten Abschnitten aufweist, die dazu dienen, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verbreitern; die Vielzahl von breiten Abschnitten einen ersten breiten Abschnitt, einen zweiten breiten Abschnitt und einen dritten breiten Abschnitt aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten des ersten breiten Abschnitts und des zweiten breiten Abschnitts sich von einer Distanz zwischen Mitten des zweiten breiten Abschnitts und des dritten breiten Abschnitts unterscheidet.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von schmalen Abschnitten aufweist, die dazu dienen, die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle zu verschmälern; die Vielzahl von schmalen Abschnitten einen ersten schmalen Abschnitt, einen zweiten schmalen Abschnitt und einen dritten schmalen Abschnitt aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten des ersten schmalen Abschnitts und des zweiten schmalen Abschnitts sich von einer Distanz zwischen Mitten des zweiten schmalen Abschnitts und des dritten schmalen Abschnitts unterscheidet.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wellenleiter, der sich zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, eine Vielzahl von Positionen aufweist, an denen die Kapazität des Wellenleiters ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum aufweist; die Vielzahl von Positionen eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position sich von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position unterscheidet.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wellenleiter, der sich zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, eine Vielzahl von Positionen aufweist, an denen die Induktanz des Wellenleiters ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum aufweist; die Vielzahl von Positionen eine erste Position, eine zweite Position und eine dritte Position aufweist, die zueinander benachbart sind und entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, aufeinanderfolgen; und eine Distanz zwischen Mitten der ersten Position und der zweiten Position sich von einer Distanz zwischen Mitten der zweiten Position und der dritten Position unterscheidet.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste elektrisch leitende Bauglied eine Vielzahl von Schlitzen einschließlich des mindestens einen Schlitzes hat, wobei die Vielzahl von Schlitzen entlang der Richtung angeordnet ist, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt; das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Rippen einschließlich der ersten Rippe und der zweiten Rippe aufweist; und aus einer zu der Wellenleiterfläche senkrechten Richtung gesehen, jeder von der Vielzahl von Schlitzen zwischen den entgegengesetzten Enden von zwei benachbarten aus der Vielzahl von Rippen angeordnet ist; und jeder von der Vielzahl von Schlitzen durch die erste elektrisch leitende Oberfläche zu dem äußeren Raum offen ist.
Schlitzantennenvorrichtung nach Anspruch 10, wobei mindestens entweder die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, mit einer Periode variiert ist, die gleich oder größer als 1/2 einer Distanz zwischen Mitten von zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen ist.
Schlitzantennenvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Schlitzantennenvorrichtung mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer zentralen Wellenlänge λo im freien Raum verwendet wird; die Breite der Wellenleiterfläche kleiner als λo ist und mindestens entweder die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, mit einer Periode variiert ist, die länger als 1,15λo/4 ist.
Schlitzantennenvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Schlitzantennenvorrichtung mindestens entweder zum Senden oder zum Empfang einer elektromagnetischen Welle eines Bandes mit einer zentralen Wellenlänge λo im freien Raum verwendet wird; die Breite der Wellenleiterfläche kleiner als λo ist; mindestens entweder das zweite elektrisch leitende Bauglied oder das Wellenleiterbauglied eine Vielzahl von Zusatzelementen aufweist, die mindestens entweder die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche relativ zu jedweder benachbarten Stelle verändern; und mindestens entweder die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche oder die Breite der Wellenleiterfläche entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, mit einer Periode variiert ist, die länger als λ_R/4 ist, wobei λ_R eine Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle mit der Wellenlänge λo bei der Ausbreitung in einem Wellenleiter ohne die Vielzahl von Zusatzelementen ist, wobei der Wellenleiter sich zwischen dem elektrisch leitenden Bauglied und dem Wellenleiterbauglied erstreckt.
Schlitzantennenvorrichtung nach Anspruch 10, wobei mindestens entweder die Kapazität oder die Induktanz des Wellenleiters, dersich zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, entlang der Richtung, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt, mit einer Periode variiert ist, die gleich oder größer als 1/2 einer Distanz zwischen Mitten von zwei benachbarten Schlitzen aus der Vielzahl von Schlitzen ist.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche entlang der Richtung variiert ist, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt; und der Wellenleiter, der sich zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche erstreckt, mindestens drei Positionen aufweist, die sich in der Beabstandung zwischen der dritten elektrisch leitenden Oberfläche und der Wellenleiterfläche unterscheiden.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Breite der Wellenleiterfläche entlang der Richtung variiert ist, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt; und die Wellenleiterfläche mindestens drei Positionen aufweist, die sich in der Breite unterscheiden.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die erste Rippe und die zweite Rippe Endflächen haben, die zueinander entgegengesetzt sind; und die Endflächen der ersten Rippe und der zweiten Rippe mit einer inneren Wandoberfläche des mindestens einen Schlitzes kontinuierlich sind, ohne gestuft zu sein.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die erste elektrisch leitende Oberfläche des ersten elektrisch leitenden Bauglieds eine Form hat, die mindestens ein Horn definiert, das mit dem mindestens einen Schlitz kommuniziert.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei der künstliche magnetische Leiter eine Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben auf der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche aufweist und jeder von der Vielzahl von elektrisch leitenden Stäben ein führendes Ende, das zu der dritten elektrisch leitenden Oberfläche entgegengesetzt ist, und eine Wurzel, die mit der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche verbunden ist, aufweist.
Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, die eine Vielzahl von rippenförmigen Wellenleiterbaugliedern einschließlich des Wellenleiterbauglieds umfasst, wobei die Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern auf der zweiten elektrisch leitenden Oberfläche ist; das erste elektrisch leitende Bauglied eine Vielzahl von Schlitzen einschließlich des mindestens einen Schlitzes aufweist, wobei die Vielzahl von Schlitzen entlang einer Richtung angeordnet ist, welche die Richtung schneidet, in der sich das Wellenleiterbauglied erstreckt; jedes von der Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern eine Vielzahl von Rippen aufweist, so dass Enden von zwei benachbarten aus der Vielzahl von Rippen zueinander entgegengesetzt sind; aus einer Richtung senkrecht zu Wellenleiterflächen der Vielzahl von Wellenleiterbaugliedern gesehen, jeder von derVielzahl von Schlitzen zwischen den Enden von zwei benachbarten aus derVielzahl von Rippen angeordnet ist; und jeder von der Vielzahl von Schlitzen durch die erste elektrisch leitende Oberfläche zu dem äußeren Raum offen ist.
Radarvorrichtung, umfassend: die Schlitzantennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 und eine integrierte Mikrowellenschaltung, die mit der Schlitzantennenvorrichtung verbunden ist.