CN114402223A - 雷达侧屏蔽件和雷达收发器组件 - Google Patents

雷达侧屏蔽件和雷达收发器组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于雷达收发器(130)的侧屏蔽件(310)，该侧屏蔽件(310)包括布置在侧屏蔽件的延伸平面上方的非均匀延迟结构，该非均匀延迟结构被配置为根据雷达信号的波长并且根据延伸平面上的位置，以可变量来延迟穿过侧屏蔽件(310)传播的雷达信号(220,320)，从而在穿过侧屏蔽件(310)传播之后使雷达信号(320)转向和/或扩散。

Description

雷达侧屏蔽件和雷达收发器组件
发明内容
本公开涉及雷达收发器，并且具体地涉及雷达收发器在车辆中的安装。
雷达收发器是被布置用于发射和接收雷达频带中的雷达信号的装置。雷达收发器通常用于车辆，以用于监测车辆周围环境。自动巡航控制(ACC)功能、紧急制动(EB)功能、高级驾驶员辅助系统(ADAS)和自主驾驶(AD)是其中雷达数据表示车辆控制可以基于其的重要信息来源的应用的一些示例。
车辆雷达收发器通常被布置成隐藏在车身零件后面，诸如前车辆保险杠或后车辆保险杠。通常由于美观原因而选择这种放置，但也需要保护雷达收发器免受机械冲击、水分和污垢的影响。
与将收发器隐藏在车身零件后面相关联的缺点是雷达传输必须穿透车身零件以便监测车辆周围环境。一些雷达能量通常从车身零件反射回车身零件后面的腔体中。这种经反射的雷达能量可以表现为虚假目标，并且因此引起错误的雷达目标检测。
已经对改进该情况进行一些工作；
CN 108016388公开了一种车辆保险杠，该车辆保险杠包括被配置为减少反射的分层结构。
DE 102010028185涉及适合与雷达收发器一起使用的车身零件。
车辆应用中与雷达系统有关的另一个问题是整体系统成本。期望降低整体车辆的成本，这意味着雷达系统及其在车辆上的安装的成本应保持在最低程度上。
本公开的目的是提供改进的雷达收发器组件和安装技术。该目的通过用于雷达收发器的侧屏蔽件实现。该侧屏蔽件包括布置在该侧屏蔽件上方的非均匀延迟结构，该非均匀延迟结构被配置为根据雷达信号的波长并且根据雷达信号穿过其传播的侧屏蔽件表面上的位置，以可变量来延迟穿过侧屏蔽件传播的雷达信号，从而在穿过侧屏蔽件传播之后使雷达信号转向和/或扩散。因此，穿过侧屏蔽件传播的任何经聚焦的雷达信号能量通过相位随机化来离焦。这减轻了在车身零件中反射引起的虚假检测的问题。
根据各方面，非均匀延迟结构具有沿侧屏蔽件的表面的法向量测量的可变厚度和/或沿法向量测量的非均匀介电常数。因此，侧屏蔽件可以通过例如模制成本有效地制造。
另外的优点由从属权利要求获得。
本文还公开了与上述优点相关联的雷达收发器、组装方法和车辆。
附图说明
现在参考附图更详细地描述本公开，附图中：
图1示出了车辆的示意性顶视图；
图2示出了通过车身零件的雷达反射；
图3示出了利用雷达侧屏蔽件的雷达反射；
图4示出了穿过不同介质的雷达传播。
图5至图10示出了示例雷达侧屏蔽件；
图11至图12示出了示例雷达收发器组件；并且
图13是示出制造方法的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地在下文中描述发明构思，在该附图中，示出了本发明构思的某些实施方案。然而，本发明构思可以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限制于本文阐述的实施方案；相反，这些实施方案以举例的方式提供，使得本公开将是周密且完整的，并且将完全传达本领域技术人员的发明构思的范围。在整个说明书中，类似的数字指代类似的元件。由虚线示出的任何步骤或特征应被视为任选的。
图1示出了配备有车辆雷达系统110的车辆100。系统110包括控制单元120和至少一个雷达收发器130。
控制单元120和雷达收发器130可以被包括在单个物理单元中，或者它们可以分布在多于一个物理单元上。
根据一个示例，车辆雷达收发器130被布置用于以频率调制连续波(FMCW)信号(有时也称为雷达啁啾信号)的形式生成和传输雷达信号，并且接收经反射的雷达信号125，其中经传输的信号已被物体145反射。
本公开不限于FMCW雷达波形。相反，所公开的构思和技术可以应用于许多不同的雷达波形。具体地，本文公开的技术适用于正交频分复用(OFDM)雷达，并且适用于脉冲调制连续波(PMCW)雷达。OFDM雷达的一个示例是EP3323151A1中描述的步进OFDM雷达波形。
雷达收发器130与视场140相关联。在雷达收发器是前雷达的情况下，雷达的视轴方向141通常与视场的中心线重合，其中视轴方向141此处还与车辆100的前进方向F重合。在车辆雷达替代地被配置作为侧雷达或面向后的雷达的情况下，与车辆100的前进方向F相比，视轴方向可以一些其他角度指向。
雷达收发器130安装在车辆100的车身零件后面。该车身零件可以是例如前保险杠150或后保险杠160。布置在雷达收发器前面的车身零件中的反射可以产生增加的本底噪声和当然不希望的虚假检测。图1中指示了一种此类虚假检测170。雷达传感器和/或控制单元120不能容易地区分虚假检测170与真实目标145。可能存在使雷达信号处理复杂化的多个虚假目标170。
诸如保险杠150、160的车身零件中的反射可以产生不想要的雷达旁瓣。即使车辆雷达通常具有窄的仰角波束宽度，在车身零件中反射的效果也可能导致非零仰角(或方位角)处的旁瓣，诸如更指向地面。这些旁瓣可以有助于增加的杂波水平，这是不希望的。
图2示意性地示出了针对虚假检测的一种原因。在此，雷达收发器130布置在保险杠150后面，该保险杠将经传输的雷达能量220的一部分反射回保险杠150后面的腔体中。经反射的雷达能量入射在车辆100上的某反射表面210上，该反射表面返回入射反射。该返回可以至少部分地最终返回雷达收发器130处。因此，雷达收发器接收信号能量，该信号能量似乎已经反射了目标，但这实际上是虚假检测170。经反射的能量可以经由单个反射或经由多于一个车辆零件中的多个反射到达雷达收发器。
为了降低虚假雷达检测170的问题，本文提出在雷达收发器130附近布置侧屏蔽件。该侧屏蔽件被配置为使穿过屏蔽件传播的电磁波的相位分布随机化。
如果雷达信号已经通过车身零件(诸如保险杠)的形状聚焦到窄旁瓣(稍微类似于卫星天线效应)，则传输功率密度可以增加，例如，比车身零件平坦时高10dB。当该聚焦束撞击侧屏蔽件时，在该屏蔽件平坦的情况下，则相位波前将基本上平行于其到达时出现在侧屏蔽介质的远侧上，因此聚焦束将继续保持聚焦。然而，如果雷达信号220的相位波前通过穿过相位随机化侧屏蔽件传播来随机化，则在侧屏蔽件穿透之后，波束不再聚焦，并且能量密度(以每立体角的功率)减小。换句话说，通过使雷达信号的相位分布随机化，雷达信号被侧屏蔽件转向或扩散。这种当然发生在发射和接收方向上。此处使相位分布随机化是指跨雷达侧屏蔽件的二维外表面的相位波前已经变为随机化，例如，这去除已经通过车身零件如保险杠实现的任何聚焦效应。
图3示出了包括这种类型的相位随机化侧屏蔽件310的雷达收发器组件300的示例。雷达侧屏蔽件310通常相对于雷达收发器130的传输方向横向地布置，即，从收发器外壳的侧面延伸出来，如图3中示意性地示出的。雷达侧屏蔽件在延伸平面中延伸，诸如从雷达收发器横向地延伸出来。然而，侧屏蔽件表面可以是平面的或弯曲的。
本文所讨论的侧屏蔽件310全部包括布置在侧屏蔽件的延伸平面上方的非均匀延迟结构。该非均匀延迟结构被配置为根据雷达信号的波长并且根据雷达信号穿过其传播的侧屏蔽件上的位置，以可变量来延迟穿过侧屏蔽件310传播的雷达信号220、320。这意味着结构从某种意义上来说是非均匀的，即离开侧屏蔽件310的信号分量的相位取决于信号分量与侧屏蔽件进行相互作用的空间上的位置。侧屏蔽件的效果是在如上所述的穿过侧屏蔽件310传播之后使雷达信号320的相位分布随机化。
根据一些方面，经随机化的相位分布是在一些角度范围内(诸如0至π或0至2π)的均匀相位分布。
侧屏蔽件可以被配置为具有非均匀延迟结构以以一些不同的方式生成相位随机化。例如，根据一些方面，非均匀延迟结构具有沿法向量V测量的到延伸平面的非均匀(可变)厚度。
一般来讲，真空中的传输雷达信号的波长(表示为λ0)在雷达信号穿过具有与真空电容率ε0不同的介电常数ε的材料传播时改变为
Figure BDA0003548750890000051
与同一雷达信号穿过真空传播相同的距离相比，这种效果引起在传播穿过材料时的雷达信号的相移。例如，如果具有真空中波长λ0的雷达信号穿过具有厚度x和介电常数ε的材料传播，则由于穿过材料传播引起的信号的相移为约
Figure BDA0003548750890000052
信号速度是波传播的速度。信号速度通常等于群速度(短“脉冲”的速度或波包的中间或“包络”的速度)。然而，在几个特殊情况下(例如，设计成放大脉冲的最前部分并且然后衰减脉冲的后部的介质)，群速度可以超过真空中的光速，而信号速度仍将小于或等于真空中的光速。
在传输介质中，信号速度vs是电容电感乘积的平方根的倒数，其中电感和电容通常表示为每单位长度；
Figure BDA0003548750890000053
其中εr是介质的相对电容率，μr是介质的相对渗透率，并且c是真空中的光速。在许多实用语境下使用所示的近似值，这是因为针对最常见的材料，μr≈1。
参考图4，考虑以法向入射角传播雷达信号的两个分量220A、220B。第一分量220A在具有第一介电常数εA的空气中传播第一距离x。第二分量220B也传播第一距离x，其中然后第二分量220B首先在具有第一介电常数εA的空气中传播第二距离y，并且然后传播第三距离H，该第三距离对应于在具有第二介电常数εB的介电材料中制成的突出部分410的高度H。突出部分410例如在塑料材料中制成。根据一些方面，第二介电常数εB介于2与3之间，例如为约2.6。
由于第一分量220A仅在空气中传播第一距离x，并且第二分量220B部分地在空气中并且部分地穿过突出部分410传播第一距离x，第一分量220A和第二分量220B将在已传播第一距离x之后具有相互不同的相应相对相位
Figure BDA0003548750890000054
两个分量220A、220B的这些相对相位
Figure BDA0003548750890000055
为：
Figure BDA0003548750890000061
Figure BDA0003548750890000062
为了在0至π的近似范围内相对于
Figure BDA0003548750890000063
随机化
Figure BDA0003548750890000064
高度H优选地在0mm至
Figure BDA0003548750890000065
的范围内选择。对于在大约77GHz操作的汽车雷达，其中空气中的波长λ0约为4mm，然后最大高度H评估为约3mm。
除法向角之外的其他入射角的光线当然将具有较大的相位差，这是因为穿过塑料长方体形突出元件的有效距离将更长。
具有非均匀厚度的侧屏蔽件310的一个示例是包括载体结构315的侧屏蔽件，该载体结构在某个方向上渐缩，例如，作为图5A中所示的从厚度zmm渐缩到厚度H+zmm的楔形侧屏蔽件。然后，离开侧屏蔽件的雷达信号分量具有根据其随着厚度在侧屏蔽件上变化而穿透侧屏蔽件的位置的相位。在最厚端处穿透侧屏蔽件的雷达信号分量穿过约H+zmm的材料厚度传播，而穿过最薄端传播的雷达信号分量仅经历约zmm的侧屏蔽件厚度。楔形侧屏蔽件还将信号320弯曲到左侧，即，由于通过侧屏蔽件的衍射效果，离开的雷达信号320不平行于传入信号220。这是楔形件的有益效果，如果已知该侧屏蔽件存在，则能量偏离反射表面。
图5B示出了锥形雷达侧屏蔽件的示例，该锥形雷达侧屏蔽件还包括不平坦表面520，以进一步使穿过侧屏蔽件传播的雷达信号的相位随机化。
具有非均匀延迟结构的侧屏蔽件的另一示例是包括载体结构315和多个突出部分的侧屏蔽件。图6至图8和图12中示意性地示出了不同类型的突出部分610、710、810、1210的示例。每个突出部分被配置为根据雷达信号的波长以相应量来延迟穿过侧屏蔽件310传播的雷达信号220、320。由于可变延迟量，雷达信号将包括在穿过侧屏蔽件传播之后具有不同相位的分量。换句话说，使侧屏蔽件图案化而不是使用典型的平坦表面具有对相位波前随机化的效果，该相位波前传播超过侧屏蔽件。该相位随机化扩散雷达信号。
例如，向侧屏蔽件310的内表面和/或外表面添加锥体或其他突出部将使出现在外表面上的信号的相位随机化，从而加宽并降低任何旁瓣的强度。
参考图6至图8中所示的示例，多个突出部分610、710、810被配置为在穿过侧屏蔽件310传播之后使雷达信号320的相位分布随机化。这可以例如通过将突出部分配置为具有不同形状和/或具有包括不同介电常数的材料来实现。例如，突出部分中的至少一者可以形成为金字塔形突出部分610，在图6中举例说明。该金字塔形突出部分610将根据雷达信号穿过侧屏蔽件传播的位置使雷达信号经受不同传播延迟。突出部分也可以形成为其他形状，诸如图7中举例说明的长方体形突出部710。
图8示出了载体结构315的两侧上的金字塔形突出部分810。每个侧上的金字塔形突出部分810的高度为H/2，使得金字塔形突出部分810的总高度为H。
这适用于所有类型的突出部分，根据一些方面，突出部分610、710、810可以布置在侧屏蔽件的一侧或两侧上，即，它们可以布置在侧屏蔽件的第一面上和/或在侧屏蔽件的与第一面相背对的第二面上。
突出部分也可以形成为多边形突出部分。可以使用不同形状的共混物来生成期望的相位随机化效果。
根据一些方面，如图6至图8所示，突出部分610、710、810由载体结构315支承。然而，如图6至图8中的载体结构315的虚线所示，这是可选的。如果突出部分610、710、810形成自支承的凝聚性材料件，则载体结构不是必需的。
如果使用载体结构315，则这样的载体结构可以具有与突出部分610、710、810的介电常数相同或不同的介电常数。载体结构315也可以具有任何合适的形状，例如锥形，如图5A所示。
根据一些方面，可使用不同类型的突出部分610、710、810的组合。
根据一些方面，突出部分610、710、810与从载体结构315在突出部分的延伸方向上测量的在0至Hmm的范围中的高度相关联。高度H可以根据在真空中的雷达传输波长λ0和材料在突出部分中的介电常数ε来确定。例如，0至Hmm的高度范围可以被确定为
Figure BDA0003548750890000071
这给出0弧度至π弧度的相位分布。高度范围也可以扩大到包括0至H’mm的范围中的高度，其中
Figure BDA0003548750890000081
这给出0弧度至2π弧度的相位分布。也可以在其间的某个位置选择高度范围以便生成相位随机化。
本文公开的侧屏蔽件中的至少一些侧屏蔽件可以通过在塑料材料中一体地形成突出部分和载体结构来实现成本有效地制造。即，雷达侧屏蔽件310可以通过模制塑料材料形成在单件中，这是一个优点。
塑料材料可以由宽泛范围的可延展的任何合成或半合成有机化合物组成，并且因此可以模制成固体物体。塑性是所有材料的一般性质，该材料可不可逆地变形而不断裂，但在可模制聚合物的类别中，这发生达到这样的程度，即其实际名称源自这种特定能力。塑料通常是高分子量的有机聚合物，并且通常含有其他物质。它们通常是合成的，最常见的是衍生自石油化学品。
可替代地，或作为将侧屏蔽件模制在单件中的补充，突出部分610、710、810可以通过以下项中的任何一者附接到载体部分315：粘合层、搭扣配合机构、过盈配合机构和/或通过超声焊接。
热塑性烯烃(TPO)或其他塑料是用于制造雷达侧屏蔽件的优选材料。雷达吸波塑料是可用的，然而，特性可以不同，其更昂贵，并且对于模制和焊接可以是更复杂的。
穿过侧屏蔽件传播的雷达信号的相位随机化也可以通过向载体结构315添加材料块来获得，其中与载体结构材料的介电常数相比，添加的材料具有不同的介电常数。
图9示出了一个此类示例雷达侧屏蔽件，其中非均匀延迟结构沿法向量V具有非均匀介电常数。这意味着穿过侧屏蔽件传播的电磁信号分量经历的介电常数在侧屏蔽件310上方的不同位置处不同。嵌入部分910与和载体结构315的介电常数不同的介电常数ε相关联。嵌入部分910优选地形成为具有不同形状以导致上文所述的相位随机化。还可能添加已形成于具有不同介电常数的不同材料中的嵌入部分。根据一些方面，非均匀延迟结构沿法向量V具有非均匀介电常数，但具有均匀厚度。当然，可以想到，根据图9的非均匀延迟结构也具有非均匀厚度。
图10A和图10B示意性地示出了雷达侧屏蔽件310的侧视图和顶视图，其中不规则或分段线性沟槽1010已在侧屏蔽件表面上形成。该沟槽还具有使相位分布随机化的效果。
侧屏蔽件310也可以形成为具有不规则或锯齿形表面，如图10C中所示的侧视图中举例说明。图10C示出了在内表面和外表面上具有锯齿形图案的雷达侧屏蔽件310的侧视图。这具有更恒定的材料厚度以用于模制的优点。侧屏蔽件310的顶部表面和底部表面都呈不规则形状，以便维持更恒定的材料厚度，以便于模制。
图11示意性地示出了雷达收发器组件1100，其中锯齿形沟槽已被形成为雷达侧屏蔽件310的(通常平坦的)表面，这在此处与雷达收发器130一起示出。
向整个侧屏蔽件添加突出部分可能不是必需的。因此，根据一些方面，一个或多个突出部分1210被包括在载体结构315的表面的一部分内，如图12中举例说明，其示出了根据上文讨论的包括雷达收发器130和侧屏蔽件310的示例雷达收发器组件1200。
图13是示出方法的流程图。具体地，示出了用于制造用于雷达收发器130的侧屏蔽件310的方法。该方法包括：配置S1用于模制塑料元件的模具，其中该模具被配置为形成布置成从侧屏蔽件的载体结构315突出的一个或多个突出部分和/或侧屏蔽件的表面中的不规则沟槽；以及通过经由模具形成塑料材料制造S2侧屏蔽件310。
本公开不限于以上示例，还可在所附权利要求书的范围内自由变化。例如，根据一些方面，雷达收发器130可以完全或部分地由雷达侧屏蔽件310包围，或者定位在距雷达侧屏蔽件310的偏移距离处。

Claims (15)

1.一种用于雷达收发器(130)的侧屏蔽件(310)，所述侧屏蔽件(310)包括布置在所述侧屏蔽件上方的非均匀延迟结构，所述非均匀延迟结构被配置为根据雷达信号的波长并且根据所述雷达信号(220,320)穿过其传播的侧屏蔽件表面上的位置，以可变量来延迟穿过所述侧屏蔽件(310)传播的所述雷达信号(220,320)，从而在穿过所述侧屏蔽件(310)传播之后使所述雷达信号(320)转向和/或扩散。
2.根据权利要求1所述的侧屏蔽件(310)，其中所述非均匀延迟结构具有沿所述侧屏蔽件的表面的法向量(V)测量的可变厚度和/或沿所述法向量(V)测量的非均匀介电常数。
3.根据权利要求1或2所述的侧屏蔽件(310)，其中经随机化的相位分布是均匀相位分布。
4.根据任一前述权利要求所述的侧屏蔽件(310)，所述侧屏蔽件(310)包括载体结构(315)和多个突出部分(610,710,810,1210)，其中每个突出部分被配置为根据所述雷达信号的波长以相应且可变量延迟穿过所述侧屏蔽件(310)传播的雷达信号(220,320)，从而在穿过所述侧屏蔽件(310)传播之后使所述雷达信号(320)的相位分布随机化。
5.根据权利要求4所述的侧屏蔽件(310)，其中所述突出部分和所述载体结构一体地形成在塑料材料中。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的侧屏蔽件(310)，其中所述突出部分(610,710,810,1210)通过以下项中的任何一者附接到所述载体部分(315)：粘合层、搭扣配合机构、过盈配合机构和/或通过超声焊接。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的侧屏蔽件(310)，其中突出部分(610,710,810,1210)与从所述载体结构(315)在所述突出部分的延伸方向上测量的在0至Hmm的范围中的高度相关联，其中所述高度H根据在真空中的雷达传输波长λ0和材料在所述突出部分(610,710,810)中的介电常数ε来确定。
8.根据权利要求7所述的侧屏蔽件(310)，其中所述高度H被确定为
Figure FDA0003548750880000021
9.根据权利要求6或7所述的侧屏蔽件(310)，其中所述高度H处于2mm-4mm的范围中，并且优选地为约3mm。
10.根据任一前述权利要求所述的侧屏蔽件(310)，其中所述突出部分中的至少一个突出部分是金字塔形突出部分(610,810,1210)、长方体形突出部分(710)、不规则或分段线性沟槽或多边形突出部分。
11.根据任一前述权利要求所述的侧屏蔽件(310)，包括一个或多个嵌入部分(910)，其中所述嵌入部分(910)与和所述侧屏蔽件(310)的载体结构(315)的介电常数εc不同的介电常数ε相关联。
12.根据任一前述权利要求所述的侧屏蔽件(310)，其中所述一个或多个突出部分(1210)被包括在所述载体结构(315)的表面的一部分内。
13.一种雷达收发器组件(1100,1200)，包括雷达收发器(130)以及根据任一前述权利要求所述的侧屏蔽件(310)。
14.一种车辆(100)，包括根据权利要求13所述的雷达收发器组件(1100,1200)。
15.一种用于制造用于雷达收发器(130)的侧屏蔽件(310)的方法，所述方法包括：
配置(S1)用于模制塑料元件的模具，
其中所述模具被配置为形成布置成从所述侧屏蔽件的载体结构(315)突出的一个或多个突出部分(610,710,810,1210)和/或
所述侧屏蔽件(310)的表面中的不规则沟槽；以及
通过经由所述模具形成塑料材料制造(S2)所述侧屏蔽件(310)。
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