富士通研究所、高速で周波数変調可能な車載レーダー向けミリ波CMOS回路を開発

株式会社富士通研究所は、将来の自動運転実現のための高精度な監視技術向けに、76~81ギガヘルツ(以下、GHz)の広帯域に渡り高速で周波数を変調できるCMOSミリ波信号源回路を開発した。これにより、車載レーダーシステムにおいて自転車と歩行者など速度の異なるターゲットの誤検知を防ぐ方式に対応し、相対速度で時速200kmの検知を可能にする。

また、併せて開発された、位相1度以内の精度でミリ波ビームを計測・制御できる4チャンネルCMOS送信回路と組み合わせることで、周囲を高精度にスキャンすることが可能になるため、高速走行と周辺監視の両方に対応した車載レーダーの実現が期待できるという。

近年、自動車には、ドライバーが安全に運転できるよう、先進運転支援システム(Advanced Driver Assistance Systems、以下 ADAS)が装備され始めている。ADASは自動ブレーキや衝突防止システム、車線維持支援に欠かすことのできないシステムであり、将来の自動運転を支える基盤として期待されている。

ミリ波レーダーはADASの目の役割を担う技術の1つとして期待されており、夜間、霧や降雨、逆光など悪環境時のカメラの弱点をカバーすることができる。従来のように、77GHz帯の狭い周波数を用いて車の前後方を監視するだけでなく、近年は、より広い79GHz帯を利用した周辺監視レーダーにも注目が集まっている。

ミリ波レーダーでは、ミリ波信号の周波数の速度を周期的に変調させるFMCW方式(Frequency Modulated Continuous Wave)が主流だったが、同方式では歩行者と自転車など速度の異なるターゲットが近接すると、片方を見落としてしまう問題があった。このような誤検知を無くすために、近年、ミリ波信号の周波数について、変調速度を高めることで距離分解能や対象物の速度の検知範囲を広げることができるFCM方式(Fast-Chirp Modulation)が注目されている。

ミリ波信号の周波数を制御する信号源回路は、ミリ波信号のパルスを常時読み込んでカウントし、カウント数に応じた電圧を周波数制御部に印加し周波数を変調する。車載レーダーに用いる回路は環境温度が150度になっても正常動作することを要求されるが、従来のCMOS信号源回路では、温度上昇に伴って内部信号が遅延しカウント数を誤るため変調速度を速くすることができず、検知できる相対速度は時速50km程度が限界だった。

今回開発された技術では、これまでに蓄積してきたミリ波CMOSの設計技術を駆使して、信号源回路の中でカウント動作に大きく影響を及ぼすブロックを特定。このブロックに温度変化による遅延を補正する機能を搭載し、高温下においても正確に動作する時間補完型パルスカウンターを新たに開発した。これにより、150度の高温環境においてもパルスを読み込むタイミングを整えることができるという。同回路では、ミリ波信号を80GHzにおいて1μsあたり2GHzとなる速度で周波数変調することができ、レーダーとして要求される最大検知相対速度(時速200km)を達成できるという。

また、今回、変調されたミリ波信号の位相を1度以内の精度で計測・制御してミリ波信号のビームを任意の方向へ照射できる4チャンネル送信回路が併せて開発された。これにより、例えば10m圏内を5cm間隔といったようにレーダーの周辺を電子的に細かくスキャンする周辺監視も可能になりるという。

開発技術により、速度の異なるターゲットを見落とすことなく、また、時速100kmで対向した場合(相対速度時速200km)においても相手の距離と速度を検知できる。これにより、市街地における周辺監視とともに、高速道路など高速走行時の前後方監視を可能にするレーダーの実現が期待できる。

富士通研究所は今後、車載レーダーの多機能化を実現するための高機能な演算を行うプロセッサなどを集積した、ミリ波CMOSレーダーチップの開発など、さらなる高機能化を進め、2020年以降の実用化を目指すという。

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富士通研究所(FUJITSU LABORATORIES)

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