CN114051677A - 用于车辆的雷达天线装置、车辆和用于制造雷达天线装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车辆(20)的雷达天线装置(1)，雷达天线装置具有复合窗玻璃(2)和至少一个设置用于发射和/或接收雷达射束(6)的雷达装置(13)。至少一个雷达装置(13)具有相应的天线单元(5)和相应的放大器单元(12)。放大器单元(12)设置用于为天线单元(5)提供电驱动信号(8)，和/或从天线单元(5)接收电回波信号(9)。本发明规定，天线单元(5)布置在车辆(20)的复合窗玻璃(2)中，放大器单元(12)布置在复合窗玻璃(2)的表面上，并且天线单元(5)和放大器单元(12)在空间上彼此分离，并且通过布置在复合窗玻璃中的连接元件(11)相互导电连接。

Description

用于车辆的雷达天线装置、车辆和用于制造雷达天线装置的 方法

本发明涉及一种用于车辆的雷达天线装置、一种车辆和一种用于制造雷达天线装置的方法。

使用不同的技术来检测机动车的周围环境。例如，这些技术包括通过照相机对周围环境进行光学检测、通过LIDAR系统进行检测，或通过雷达传感器进行检测。雷达传感器的优点在于，其与LIDAR或照相机系统不同地不受差的能见度的影响。即使在黑暗或雾中，通过雷达传感器也可以精确地检测周围环境。

然而，为了获得高分辨率需要的是，提供具有多个雷达单元的雷达天线装置。此外，为了达到所需的角度精度，需要为雷达天线装置提供一定的面积。雷达天线装置能够实现通过确定由相应的雷达天线单元接收的信号的相位来检测环境。在此产生两个主要的问题。第一问题是各个雷达天线单元的同步。因为通过相位测得信号的入射角的确定，所以需要以必要的精度确定信号接收的时间点。另一问题由各个雷达天线单元彼此间的布置产生。因此，需要确定各个雷达天线单元彼此间的准确的位置。机动车的挡风玻璃适合作为适用于雷达天线装置的表面，因为它提供了所需的表面并且能够实现各个雷达天线单元的刚性的布置。

例如，DE 10 246 607 B4公开了一种电致变色的雷达传感器。电致变色的雷达传感器包括电致变色的层布置。在此，在从观察的对象发出的电磁波的传输方向上设置雷达传感器装置。

FR 2 235 502 A1公开了一种用于检测或发射使用在无线电广播、电视广播中的或用于雷达的不同的电磁波的设备。其中规定了，将由导电材料构成的条带或粉末集成到施加或粘合到表面上的物质中。

US 5 682 168 A公开了一种隐藏式的车辆天线。在此规定，在车辆的车顶行李架上方的被包覆的覆盖件下方或车辆的前格栅后方提供一个或多个天线元件。

本发明所要解决的技术问题在于，实现在车辆(或称为交通工具)的窗玻璃中提供雷达天线单元。

根据本发明，提供了一种用于车辆的雷达天线装置。雷达天线装置具有复合窗玻璃和至少一个设置用于发射和/或接收雷达射束的雷达装置。至少一个雷达装置具有相应的天线单元和相应的放大器单元。放大器单元设置用于为天线单元提供电驱动信号，和/或从天线单元接收电回波信号。天线装置的天线单元布置在车辆的复合窗玻璃中。放大器单元布置在复合窗玻璃的表面上。天线单元和放大器单元在空间上彼此分离，并且通过布置在复合窗玻璃中的连接元件相互导电连接。

换言之，雷达天线装置具有复合窗玻璃，其中，复合窗玻璃例如可以是车辆的挡风玻璃。复合窗玻璃可以具有彼此固定的多个层。在此，雷达装置的天线单元布置在复合窗玻璃内。因此，天线单元例如布置在复合窗玻璃的两个层之间或集成在一个层中。雷达装置的放大器单元布置在复合窗玻璃的外侧。放大器单元和天线单元在空间上彼此分离，从而它们不接触。放大器单元设置用于提供应该由天线单元发送的电驱动信号。针对该目的，放大器单元天线单元通过连接元件相互导电连接。连接元件还设置用于，将由天线单元接收的电回波信号传输到放大器单元。

通过本发明产生以下优点，即能够实现将雷达天线装置布置在复合窗玻璃中。

本发明还包括产生附加的优点的扩展方案。

本发明的扩展方案规定，复合窗玻璃具有至少两个玻璃层，天线单元布置在玻璃层之间。换言之，复合窗玻璃是具有至少两个玻璃层的多层布置。玻璃层相互贴靠地布置，其中，至少一个天线单元位于玻璃层之间。例如可以规定，至少两个玻璃层通过合成树脂相互连接，其中，天线单元被添加到布置在两个玻璃层之间的合成树脂中。

本发明的扩展方案规定，连接元件布置在复合窗玻璃中的孔中。换言之，复合窗玻璃具有延伸通过复合窗玻璃的至少一个层的孔。用于放大器单元与天线单元的电接触的连接元件布置在该孔中。例如可以规定，孔从复合窗玻璃的表面延伸到天线元件，并且填充有导电材料。

本发明的扩展方案规定，连接元件垂直于天线单元地布置。换言之，连接元件平行于天线单元的表面的法线地延伸。由此产生以下优点，即通过连接元件没有发射对通过天线单元提供的辐射产生影响的辐射。例如可以规定，天线单元具有布置在复合玻璃的平面内的杆状天线或贴片天线。连接元件可以垂直于该天线单元地布置。

本发明的扩展方案规定，复合窗玻璃具有至少一个薄膜层，其中，天线单元印刷(或者说印制)在薄膜层上。换言之，天线单元提供在复合窗玻璃的薄膜层上。可以通过印刷方法，通过将导电材料施加到薄膜层来提供天线单元的形状。由此产生以下优点，即可以通过常见的且简单的方法提供天线单元的复杂的结构。例如可以规定，薄膜层由聚合物构成，其中，通过喷墨印刷或丝网印刷方法施加天线单元。

本发明的扩展方案规定，玻璃层中的一个涂层有天线单元。换言之，天线单元直接施加在玻璃层上。由此产生以下优点，即不必提供附加的层。例如可以规定，天线元件通过溅射或蒸发方法施加到玻璃层上。为了提供天线单元的预定的结构，可以在涂层方法期间将掩膜放置在复合窗玻璃上，或者可以进行随后的蚀刻以去除施加的层。

本发明的扩展方案规定，复合窗玻璃具有至少一个光导体(或称为光导)，其中，至少一个光导体通过光耦合元件与放大器单元连接。换言之，复合窗玻璃包括设置用于光信号的光学引导的体积。光耦合元件位于放大器单元上，光耦合元件将引导通过光导体的光信号的光的至少一部分反射到放大器单元。通过该扩展方案产生以下优点，即不需要在复合窗玻璃外部附加地固定光导体。例如可以规定，沿复合窗玻璃的一个方向添加特定的与玻璃层的材料不同的材料。由于不同的折射率，光可以沿光导体被引导。为了可以将一部分被引导的光输送到放大器单元，可以在光导体上布置光耦合元件，该光耦合元件将一部分的光引导到放大器单元中。

本发明的扩展方案规定，玻璃层中的一个具有与放大器单元电接触的导体线路。换言之，玻璃层具有由导电材料制成的线路，这些线路与放大器单元导电连接，以便为其提供电流。通过扩展方案产生以下优点，即放大器单元可以通过复合玻璃接触。

本发明还包括具有雷达天线装置的车辆。所述车辆例如可以是轿车或货车。

本发明还包括一种制造用于车辆的雷达天线装置的方法。待制造的雷达天线装置具有复合窗玻璃和至少一个雷达装置，该雷达装置设置用于发射和/或接收雷达射束，其中，至少一个雷达装置具有相应的天线单元和相应的放大器单元。放大器单元设置用于，为天线单元提供电驱动信号和/或从天线单元接收电回波信号。在该方法中规定，天线单元和连接元件布置在复合窗玻璃中。放大器单元布置在复合窗玻璃的表面上。在该方法中，天线单元和放大器单元通过布置在复合窗玻璃中的连接元件相互导电连接。

换言之，雷达天线装置包括至少一个雷达装置，其中，在该方法期间，雷达装置的天线单元布置成，使得其位于复合窗玻璃中。这例如可以通过将天线单元布置在覆盖有第二玻璃层的第一玻璃层上来进行。由此，天线单元可以位于两个玻璃层之间，从而天线单元因此布置在复合窗玻璃内。为了使天线单元可以与放大器单元电连接而规定，在该方法期间将连接元件布置在复合窗玻璃中。这例如可以通过将孔钻到玻璃层中的一个中并且随后将连接元件布置在孔中来进行。在最后的步骤中，放大器单元可以布置在复合窗玻璃上，并且通过连接元件与天线单元连接。针对该目的，例如可以将放大器单元焊接到连接元件上。

本发明还包括根据本发明的车辆和根据本发明的方法的扩展方案，其具有如已经结合根据本发明的雷达天线装置的扩展方案描述的特征。由于该原因，在此不再描述根据本发明的车辆和根据本发明的方法的相应的扩展方案。

本发明还包括所描述的实施方式的特征的组合。

接下来描述本发明的实施例。在附图中：

图1示出了用于车辆的雷达天线装置；

图2示出了在复合窗玻璃中的雷达天线装置；并且

图3示出了在复合窗玻璃中的另外的雷达天线装置。

下面阐述的实施例是本发明的优选的实施方式。在实施例中，该实施方式的所描述的部件分别表示本发明的单独的、彼此独立地被考虑的特征，这些特征也彼此独立地扩展本发明，并且因此单独地或以与所示的组合不同地被视为本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式还可以通过本发明的已经描述的其他特征来补充。

在附图中，功能相同的元件分别设有相同的附图标记。

图1示出了用于车辆的雷达天线装置。雷达天线装置1可以包括复合窗玻璃2。例如，复合窗玻璃2可以具有第一玻璃层3和第二玻璃层4。可以设置用于发射和/或接收雷达射束6的天线单元5可以布置在第一玻璃层3和第二玻璃层4之间。天线单元5例如可以由金、银、铜、铝或其他的导电材料构成。天线单元5例如可以通过蒸发方法(Verdampfung)或溅射方法施加到第一玻璃层3上。天线单元5可以具有预定的几何形状并且例如设置为贴片天线或杆状天线。为了提供几何形状，天线单元5可以通过掩膜来施加。还可以规定，第一玻璃层3完全涂层有材料，并且通过蚀刻方法或溅射方法去除多余的区域以获得天线单元5。

第二玻璃层4可以通过合成树脂7布置在第一玻璃层3上。为了能够向天线单元5提供电驱动信号8，或者能够转发由天线单元5接收的电回波信号9可以规定，在第二玻璃层中提供孔10，孔通过钻孔器或激光制成。连接元件11可以布置在孔10中，该连接元件可以通过将导电材料引入孔10中而制成。天线单元5可以通过连接元件11与放大器单元12导电连接，并且一起形成雷达装置13。放大器单元12可以布置在第二玻璃层4的表面上。放大器单元12可以设置用于接收光驱动信号14，将光驱动信号转换成电驱动信号8，并且将其通过连接元件11输送到天线单元5。放大器单元12也可以设置用于通过连接单元11接收电回波信号9，并且将其转换成光回波信号15。

放大器单元12可以通过光耦合元件16与光导体17(或称为光导)连接。光耦合元件16可以设置用于，能够将来自光导体17的光驱动器信号14耦合到放大器单元12中，或将来自放大器单元12的光回波信号15耦合到光导体17中。光导体17例如可以由玻璃纤维构成，并且布置在第二玻璃层4上。光耦合元件16可以例如是光栅耦合器、对接耦合器或绝热耦合器。金属导体线路18可以布置在第二玻璃层4中，以便为放大器单元12提供电流或从放大器单元12导出热量。

图2示出了复合窗玻璃中的雷达天线装置。雷达天线装置1包括多个雷达装置13，其具有相应的天线单元5和相应的放大器单元12，它们彼此间隔开地布置并且通过相应的连接元件11相互连接。可以规定，天线单元5通过印刷方法施加在薄膜上。薄膜19可以粘贴到第一玻璃层3上。第二玻璃层4可以布置在薄膜19本身上。相应的放大器单元12可以布置在第二玻璃层4的表面上。

图3示出了复合窗玻璃中的雷达天线装置。例如，天线单元5可以设置为杆状天线。连接单元11可以将天线单元5与相应的放大器单元12导电连接，其中，连接单元11可以垂直于复合窗玻璃2地布置。由此避免连接单元11的辐射的电磁场的一部分影响天线单元5的电磁场。放大器单元12可以通过光导体17光学连接。天线装置1例如可以布置在车辆20中，其中，车辆20可以例如是轿车或货车。复合窗玻璃2可以例如是车辆20的前玻璃或后玻璃。

新式的雷达天线装置1使用光子集成的放大器单元12(所谓的雷达芯片)，以便展成大的雷达阵列。放大器单元12可以布置在挡风玻璃后面。在此，放大器单元12和天线单元5是分开的，从而仅天线单元5集成在前玻璃中。在此，放大器单元12和相应的天线单元5之间的高频连接(连接元件11)由填充有导电材料的孔(机械地或通过激光)制造。

通过将天线单元5直接集成到复合窗玻璃2中，可以制造高度精确布置的天线阵列，其允许超过一米的空间延伸并且因此能够实现0.1°及以下的角度可分离性。

在此例如可以通过以下方法集成天线单元5：

一个实施方式可以设置天线单元5在由复合窗玻璃2的玻璃层3、4构成的多层布置(夹层结构)中的预制造和安装。随后，复合窗玻璃2的各个玻璃层3、4可以聚集在一起，由此，天线单元5同时固定在其位置中。为此，可以预制造天线单元5，并且将其安装到复合窗玻璃2中、玻璃层3、4之间。

另一实施方式可以设置第一玻璃层3的玻璃侧面的金属蒸镀，和随后的材料去除以获得具有预定的天线几何形状的天线单元5(通过激光、溅射、蚀刻等)。金属导体线路18可以集成到复合窗玻璃2中，用于与放大器单元12进行电接触。备选地，在放大器单元12所在的位置中，也可以蚀刻掉最上方的玻璃层4，从而放大器单元12通过倒装芯片与结构化的金属化表面连接。导体线路18还可以用于冷却放大器单元12。

一个实施方案规定，将天线单元5印刷在薄膜上并且集成到复合窗玻璃2中。各个放大器单元12在此通过光纤同步。光纤也用于待发送的(Tx)和接收的(Rx)雷达信号在光频上的信号传输。作为各个光纤线路的备选方案，在上述的实施方案中，波导也可以直接引入玻璃(PLC)中。波导将转换成光频范围的Tx和Rx雷达信号传导至各个放大器单元12。放大器单元12与波导的光学接触可以通过光栅耦合器、对接耦合器或绝热耦合器发生。由此，在前玻璃上可能存在一个光耦合点，其分配雷达芯片的所有信号。

尽可能安全地感知周围环境对于自动驾驶是至关重要的。在此，借助雷达、LIDAR和照相机检测周围环境。环境的整体的360°-3D检测是特别重要的，从而检测所有静态和动态的对象。LIDAR尤其在冗余的、稳定的环境检测中起关键作用，因为该传感器类型可以在环境检测中对距离进行精确测量，并且也可以用于分类。然而，这些传感器是成本高的且在其结构中是复杂的。尤其360°-3D环境检测是有问题的，因为要么需要许多较小的单传感器来确保这一点(这些单传感器通常与许多单独的光源和检测器元件一起工作)，要么安装大的传感器。然而，较小的传感器类型在其空间尺寸中仍然还在10×10×10cm³范围内，并且迄今为止还不允许有任何不可见的安装位置。

此外，由每个传感器单独收集的数据必须单独被处理和/或合并。在此，准确的时间戳对于实时处理来说是重要的，这使得数据检测和分类更加复杂。

在被动安全系统的领域中，以及针对在四级和五级中的自动驾驶，交通参与者的可区分性不仅对于保护乘客，而且对于保护交通参与者是特别重要的。为此，安全的环境感知是至关重要的。为了确保这一点，必须在所有三个空间维度上以尽可能高的分辨率感知周围环境。现代的照相机和LIDAR系统能够确保环境感知，但在其质量中受到影响，或者在能见度低的情况下(如雾、雪或在黑暗中)完全失效。相反，雷达传感器不受这些限制，但必须以具有大量不同的传感器的阵列布置来布置，以实现具有高的分辨率的3D成像。此外，它们必须在其发送和接收时间方面同步，这在技术方面是非常有挑战性的。因此若各个雷达传感器是尽可能小的、简单的、灵活的、容错的、坚固的且便宜的，则是有利的。针对该目的，必须在雷达传感器本身中安装尽可能少的电子设备，并且必须在中央控制单元内分散地进行数字的数据处理。

批量生产的常规的雷达系统在10°到4°的方位角中具有角度可分离性。仰角中的角度可分离性通常甚至是更小的，从而成像方法不能用于雷达数据。当前的LiDAR系统的角度可分离性在0.1°范围内，这利用当前的雷达系统无法实现。

当前的安装在汽车中的雷达传感器通常具有10×10厘米的尺寸。因此实现的最大角分辨率是大约2°，并且仅允许2D环境感知。针对车辆，当前的雷达传感器在小的孔径的情况下具有太大的空间尺寸，从小的孔径得到太小的分辨能力。该分辨能力对于自动驾驶来说不允许足够的环境感知。多个传感器的安装需要它们的时间同步，时间同步在技术上是有挑战性的且成本高的。纳米雷达具有在5×5厘米范围内的尺寸，并且可以通过其紧凑的结构方式更容易地集成到车辆中。纳米雷达具有相同的缺点。此外，纳米雷达的射程目前被局限于大约45m，这尤其对于城市内的场景是太小的。通过合成孔径雷达(英语“SyntheticAperture Radar”,SAR)方法，分辨能力可以提高到厘米范围。SAR方法只能垂直于行驶方向。利用该方法不能够实现沿行驶方向或反方向的预测。此外，在测量后所需的数据处理是计算密集的。

多个电子部件在传感器内的安装增加了它们的空间尺寸和成本，从而不能够实现多个传感器的使用。此外，传感器的时间同步在技术上是有挑战性的。如果通过分布天线并且随后在中央控制单元内进行分散的数字数据处理来实现孔径，那么然而发送和接收信号的电传输是有问题的，因为损耗将达到几个分贝。

此外需要使用多个单独的传感器。传感器的大的空间尺寸不允许在车辆上的隐藏的安装，从而传感器保持可见。通过多个单独的传感器的使用需要相对高水平的努力来同步各个传感器。数据合并此外是耗费的且容易出错的，因为没有进行中央数据检测，而是每个单独的传感器都会检测并且转发数据本身。由此导致高的成本。

相反，根据本发明的天线装置与现有技术相比具有许多优点。总的来说，它比已知的解决方案更廉价。雷达装置在复合窗玻璃中的布置允许高的制造精度，因为复合窗玻璃与板材相比是相对刚性的。能够实现将天线装置简单地集成到车辆中。在使用可用于大规模生产的并且得到充分发展的成熟技术的情况下进行制造。能够实现简单的结构。可以减少单传感器的数量，由此可以简化校准。隐藏的安装是可能的。该装置的大的面积允许针对雷达非常高的<＝0.1°的角度可分离性。

总之，该示例示出了通过本发明如何能够在车辆的窗玻璃中提供雷达天线单元。

附图标记列表

1雷达天线装置

2复合窗玻璃

3第一层玻璃

4第二层玻璃

5天线单元

6雷达射束

7合成树脂

8电驱动信号

9电回波信号

10孔

11连接单元

12放大器单元

13雷达装置

14光驱动信号

15光回波信号

16耦合元件

17光导体

18导体线路

19薄膜

20车辆

Claims (10)

1.一种用于车辆(20)的雷达天线装置(1)，所述雷达天线装置具有：

-复合窗玻璃(2)，

-至少一个雷达装置(13)，其设置用于发射和/或接收雷达射束(6)，其中，

-至少一个雷达装置(13)具有相应的天线单元(5)和相应的放大器单元(12)，

-所述放大器单元(12)设置用于为天线单元(5)提供电驱动信号(8)，和/或从天线单元(5)接收电回波信号(9)，

其特征在于，

-所述天线单元(5)布置在复合窗玻璃(2)中，

-所述放大器单元(12)布置在复合窗玻璃(2)的表面上，

-所述天线单元(5)和所述放大器单元(12)在空间上彼此分离，并且通过布置在复合窗玻璃中的连接元件(11)相互导电连接。

2.根据权利要求1所述的雷达天线装置(1)，其特征在于，所述复合窗玻璃(2)具有至少两个玻璃层(3)、(4)，其中，所述天线单元(5)布置在玻璃层(3)、(4)之间。

3.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线装置(1)，其特征在于，所述连接元件(11)布置在复合窗玻璃(2)中的孔中。

4.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线装置(1)，其特征在于，所述连接元件(11)垂直于所述天线单元(5)地布置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线装置(1)，其特征在于，所述复合窗玻璃(2)具有至少一个薄膜层(19)，其中，所述天线单元(5)被印刷到所述薄膜层(19)上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线装置(1)，其特征在于，所述玻璃层(3)、(4)中的至少一个被涂层有天线单元(5)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线装置(1)，其特征在于，所述复合窗玻璃(2)具有至少一个光导体(17)，其中，至少一个光导体(17)通过光耦合元件(16)与放大器单元(12)连接。

8.根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线装置(1)，其特征在于，所述玻璃层(3)、(4)中的至少一个具有金属导体线路(18)，所述金属导体线路与放大器单元(12)电接触。

9.一种车辆(20)，具有根据前述权利要求中任一项所述的雷达天线装置(1)。

10.一种用于制造用于车辆(20)的雷达天线装置(1)的方法，所述雷达天线装置(1)具有：

-复合窗玻璃(2)，

-至少一个雷达装置(13)，设置用于发射和/或接收雷达射束(6)，其中，

-至少一个雷达装置(13)具有相应的天线单元(5)和相应的放大器单元(12)，

-所述放大器单元(12)设置用于为天线单元(5)提供电驱动信号(8)，和/或从天线单元(5)接收电回波信号(9)，

其特征在于，

-所述天线单元(5)被布置在复合窗玻璃(2)中，

-所述连接元件(11)被布置在复合窗玻璃(2)中，

-所述放大器单元(12)被布置在复合窗玻璃(2)的表面上，并且

-所述天线单元(5)和所述放大器单元(12)通过布置在复合窗玻璃(2)中的连接元件(11)相互导电连接。

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