DE10041769A1 - 3D-Radarsensor - Google Patents

Abstract

Der 3-D-Radarsensor umfasst ein Radararray (RA), das mehrere Radarpixel (RPi) aufweist. Jedes Radarpixel beinhaltet ein Antennenelement (ARi) und mindestens zwei Gleichrichterdioden (GLD), die so am Ausgang des Antennenelements (ARi) angeschlossen sind, dass ein vom Antennenelement (ARi) ausgehendes Signal (UHF, IHF) parallel und symmetrisch in einen jeweiligen Diodenpfad einspeisbar ist. An jedem Diodenpfad ist eine Signalspannung (U1, U2) abgreifbar. Jeder Diodenpfad enthält einen Anschluss (Fmod) zur Einspeisung einer Modulationsspannung (Smod+, Smod-).

Description

Die Erfindung betrifft einen 3D-Radarsensor, ein Verfahren zur 3D-Radarmessung, ein Radararray sowie ein Radararray- Modul.

Seit vielen Jahren bekannt ist eine Distanz- und Geschwindig­ keitsmessung per Radar, Licht und Ultraschall. Die Funktion der drei berührungslos arbeitenden Sensorprinzipien ist ähn­ lich; die physikalischen Eigenschaften der zugrundeliegenden Wellen sind aber sehr unterschiedlich. Im Unterschied zu Ult­ raschall und Mikrowelle, deren gebräuchliche Wellenlängen ähnlich sind (typisch mm- bis cm-Bereich), ergibt sich durch die hohe Richtschärfe für eine laserbasierte Messung eine punktgenaue Messung; bei Radar und Ultraschall ist der Mess­ punkt in einigen Metern Entfernung bereits auf einige 10 cm aufgeweitet, es sei denn, es wird eine Antenne mit sehr gro­ ßer Apertur gewählt. Laserverfahren werden daher sehr oft zur punktgenauen Distanzmessung bevorzugt (beispielsweise für 3D- Laser-Scanner), wobei eine Kontur von 3D-Objekten räumlich abgetastet wird. Die 3D-Messung wird hierbei über mechani­ sches Scannen punktweise bzw. sequentiell erreicht.

Simultane 3D-Messungen mit Hilfe von Sensor-Arrays sind auf­ grund der damit verbundenen hohen Kosten bisher kaum einge­ setzt; der Aufbau von kompakten Radarsensoren als Arrays macht nur bei sehr hohen Frequenzen Sinn (z. B. < 50 GHz), weil dort die Möglichkeit zur Fokussierung (z. B. durch di­ elektrische Linsen) gegeben ist.

Üblicherweise basieren die Radar- und Lidarmessverfahren (Lidar = "Light Detection and Ranging") entweder auf einem Puls-Laufzeit-Verfahren (Zeitmessung) oder einem FMCW- ("Frequency Modulated Continuous Wave"-)Verfahren bzw. FSK- ("Frequency Shift Key"-)Verfahren (Phasen-/Frequenzmessung).

Speziellere Pulskompressionsverfahren wie z. B. Pseudo-Random- Codes werden ebenfalls eingesetzt, siehe dazu: J. Detlefsen: "Radartechnik", Springer-Verlag Berlin, 1989.

In der Praxis ergeben sich für beide Meßmethoden (Puls-Lauf­ zeit, FMCW) deutliche Unterschiede hinsichtlich der techni­ schen Umsetzung und der Funktionalität.

In der Regel werden in einem Radarempfänger oder Laserlicht­ empfänger eine Empfangs- und ein Sendesignal bei der Träger­ frequenz direkt kohärent miteinander gemischt. Die Forderung nach einer kohärenten Messung bedingt hohe Anforderungen an die Phasenstabilität der Signalquelle (z. B. des Radar­ oszillators), insbesondere bei Winkelmodulationen, wie sie z. B. beim FMCW-, PSK-("Phasenmodulations"-) oder FSK-Verfah­ ren eingesetzt werden. Weil Halbleitersignalquellen aufgrund der begrenzten Güte der Resonanzkreise oftmals unzureichende Phasenrauschenperformance geben, kommen oft teure Phasen­ regelkreise zum Einsatz.

Es sind auch nichtkohärente, d. h. nicht-trägerbezogene, Mo­ dulationsverfahren bekannt, z. B. das "AMCW-Verfahren". Beim AMCW-Verfahren wird das Trägersignal amplitudenmoduliert und es wird die Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangs­ signal nicht bei der Trägerfrequenz, sondern in der Modula­ tionsebene ausgewertet. Dabei wirkt sich je nach Anordnung das Phasenrauschen gering bzw. nicht mehr auf das Signal-zu- Rausch-Verhältnis aus.

Auch in der optischen Messtechnik sind Konzepte für "nicht­ kohärente" Distanzmessungen, nämlich die sog. "Messung in der Modulationsebene" oder das "Prinzip der HF-Modulations-Inter­ ferometrie", bekannt. Eine Überblick über die optische 3D- Meßtechnik wird in der Publikation von R. Schwarte: "Ein Jahrzehnt 3D-Bilderfassung - Zielsetzungen, Fortschritte, Zu­ kunftsperspektiven", gegeben.

In R. Schwarte sowie aus DE 44 39 298 A1 wird ein Konzept ei­ ner optischen 3D-Kamera angegeben, bei dem intensitätsmodu­ liertes Licht ausgesendet wird, das modulierte Licht am Mess­ objekt reflektiert wird, in einem photonic mixing device ("PMD", siehe z. B. DE 197 04 496 A1) wieder empfangen und im PMD-Empfänger mit der Modulation korreliert wird.

Optische 3D-Sensoren, wie z. B. die PMD-Kamera, werden typi­ scherweise im Innenbereich eingesetzt. Im Außenbereich be­ sitzt Radar aufgrund der Robustheit gegenüber Umwelteinflüs­ sen wie z. B. Schmutz, Nebel etc., der Durchdringungsfähigkeit von Dielektrika sowie einer höheren Reichweite deutliche Vor­ teile. Bildgebende Radarsensoren, d. h. Arrays von Radarsenso­ ren, sind bisher nur aufwendig herstellbar. Es gibt erste An­ sätze zum Einsatz von Bildradare im Automobilbereich, siehe z. B. Dissertation von Robert Schneider, DaimlerChrysler For­ schung: "Modellierung der Wellenausbreitung für ein bildge­ bendes Kfz-Radar".

Ein Einsatzfeld mechanisch scannender Radare ist in J. Det­ lefsen: "Imaging Applications of Millimeterwave Sensors in Robotics and Road Traffic", IEEE Microwave Systems Conf, 1995, pp. 115-124, beschrieben.

In der Hochfrequenztechnik ferner bekannt sind passive Emp­ fängerarrays, bestehend aus in Matrix angeordneten Anten­ nenelementen, denen jeweils passive Schottky-Diodenmischer zugeordnet sind, sogenannte "Rectenna"-Elemente. Eine Recten­ na (aus "Rectifier + Antenna") besteht aus einer Antenne und einem gleichrichtenden Element (meist Schottky-Diode(n)). Rectenna-Arrays werden unter anderem bei Mikrowellenfrequen­ zen zur Energieübertragung verwendet, siehe z. B. die 35-GHz- Rectenna aus "Theoretical and Experimental Investigation of a Rectenna Element for Microwave Power Transmission".

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kostengünstige, kompakten und fertigbaren Aufbau für einen 3D-Radarsensor anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Radararray nach Anspruch 1, 3D- Radarsensoren nach den Ansprüchen 12 und 13 sowie ein Radar- Modul nach Anspruch 14 gelöst. Vorteihafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.

Das Radararray weist mehrere Radarpixel auf. Jedes Radarpixel beinhaltet mindestens ein Antennenelement und mindestens zwei Gleichrichterdioden die so am Ausgang des Antennenelements angeschlossen sind, dass ein vom Antennenelement ausgehendes Signal parallel und symmetrisch in einen jeweiligen Dioden­ pfad einspeisbar ist. An jedem Diodenpfad ist mindestens eine Signalspannung abgreifbar, z. B. mittels Elektroden über ei­ nem Widerstand. Zudem enthält jeder Diodenpfad eine Möglich­ keit, hier Anschluss genannt, zur Einspeisung einer, Modula­ tionsspannung. Der Anschluss muss selbstverständlich nicht besonders ausgeprägt sein.

Dieses Radararray weist den Vorteil auf, dass die Signalspan­ nungen der Diodenpfade so eingestellt werden können, dass sie oder korrelierte Messwerte, z. B. Summe oder Differenz, auf einfache Weise um Intensitätseffekte bereinigt sind. Dadurch kann z. B. eine Auswerteelektronik einfach und somit kosten­ günstig gehalten werden. Zudem ergibt sich die Möglichkeit eines platzsparenden und vergleichsweise einfach herstellba­ ren 3D-Radarsensors.

Unter Radar wird auch die Verwendung von Funkwellen oder Mik­ rowellen verstanden.

Es wird bevorzugt, wenn die Gleichrichterdioden Schottky- Dioden sind und/oder vor den Gleichrichterdioden eine HF- Impedanzanpassung vorhanden ist.

Es wird ebenfalls bevorzugt, wenn die Gleichrichterdioden mit Bias-Gleichspannungen beaufschlagbar sind.

Zur Detektion auch schwacher Signale wird es bevorzugt, wenn das eintreffende Radarsignal (bzw. Funk- oder Mikrowellen­ signal) mittels eines Hochfrequenzverstärkers verstärkt wird.

Zum hochfrequenzfesten Aufbau ist es günstig, wenn das Anten­ nenelement eine Patchantenne ist.

Es wird auch bevorzugt, wenn der Speisepunkt des Antennenele­ mentes mittels eines Tiefpassfilters auf Masse gelegt ist.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn auf der dem Speisepunkt abgewandten Seite ein mit der jeweiligen Gleichrichterdiode verbundener weiterer Tiefpassfilter und ein HF-Kurzschluss vorhanden sind.

Es wird bevorzugt, wenn der Anschluss (zur Einspeisung der Modulationsspannung bandpassfilterbar ist.

Auch ist es günstig, wenn die jeweiligen Modulationsspannun­ gen in mindestens zwei Diodenpfaden zueinander gegentakt­ förmig sind.

Vorteilhaft ist es, wenn das Radararray als Radar-Modul aus­ geführt ist, weil sich so eine kostengünstige und hochfre­ quenzfeste Bauweise ergibt.

Erfindungsgemäß ist auch ein 3D-Radarsensor nach einem Fre­ quenzmodulations-Verfahren, insbesondere einem FSK-, FSCW- oder FMCW-Verfahren, der mindestens eine Sendeeinheit um­ fasst, die einen Radarsender beinhaltet, welcher eingangssei­ tig mit einem Modulationsgenerator und ausgangsseitig mit ei­ ner Sendeantenne verbunden ist.

Der Modulationsgenerator kann ein frequenzmoduliertes Signal an den Radarsender, z. B. einen VCO, weiterleiten. Durch das frequenzmodulierte Signal wird wiederum eine Amplitudenmodu­ lation des vom Radarsender an die Sendeantenne AS abgegebenen Signals gesteuert.

Weiterhin ist das oben beschriebene Radararray als Empfangs­ antenne vorhanden. Mittels eines Verteilernetzwerks werden von Radararray ausgegebene Signale, z. B. Ausgangssignale der Radarpixel RPi, bzw. in das Radararray eingespeiste Signale, z. B. ein Modulationssignal, weitergeleitet. Ebenfalls vor­ handen ist eine Einheit zur Durchführung einer Spektral­ analyse, insbesondere einer schnellen Fourier-Transformation, so dass eine Korrelation zwischen einem vom Radararray ausge­ gebenen Signal und einem vom Modulationsgenerator aus­ gegebenen Modulationssignal so herstellbar ist, dass das vom Radararray ausgegebene Signal mittels einer Spektralanalyse in ein Echosignal überführbar ist.

Das vom Radararray ausgegebene Signal ist im Ergebnis ein aus den Messsignalen der i einzelnen Radarpixel zusammengesetztes 3D-Signal, z. B. in Matrixform.

Arbeitet der 3D-Radarsensor nach einem Puls-Laufzeit-Verfah­ ren, so weist er mindestens eine Sendeeinheit mit einem ein­ gangsseitig mit einem Modulationsgenerator und ausgangsseitig mit einer Sendeantenne verbundenen Radarsender auf. Zudem sind vorhanden ein Radararray als Empfangsantenne ein Vertei­ lernetzwerk und mindestens ein Verzögerungsglied zwischen dem Verteilernetzwerk und dem Eingang des Oszillators. Dabei wird eine Korrelation zwischen einem vom Radararray ausgegebenen Signal ZFMESS und einem vom Modulationsgenerator ausgegebenen Modulationssignal so herstellgestellt, dass das vom Ra­ dararray ausgegebene Signal mittels eines sequentiellen Sam­ plings in ein dreidimensionales Echosignal überführbar ist.

Auch erfindungsgemäß ist ein Radar-Modul, das mindestens eine Hochfrequenz- und mindestens eine Niederfrequenz-Funktions­ lage aufweist. Die Niederfrequenz-Funktionslage steht mit der mindestens einen Hochfrequenz-Funktionslage in Wirkverbin­ dung, z. B. über Durchkontaktierungen oder über Wellenleiter, z. B. Mikrostreifen-Wellenleiter oder Schlitzleiter. Auch um­ fasst das Radar-Modul mindestens ein Radararray mit mindestens einem Antennenelement, insbesondere einer Patchantenne, welches mit der mindestens einen Hochfrequenz-Funktionslage in Wirkverbindung steht.

Dabei sind vorteilhafterweise zur Realisierung einer einfa­ chen und höchstfrequenztauglichen Bauweise das mindestens ei­ ne Antennenelement und/oder eine Gleichrichterdiode in Flip- Chip-Bauweise, insbesondere Finepitch-Flip-Chip-Bauweise, aufgebracht.

Besonders günstig ist es, wenn das mindestens eine Anten­ nenelement mittels einer Mikrostreifenleitung oder einer Schlitzleitung mit der mindestens einen Hochfrequenz- Funktionslage in Wirkverbindung steht.

Es wird auch bevorzugt, wenn eine oder mehrere der Niederfre­ quenz-Funktionslagen das Verteilernetzwerk enthalten.

Es ist auch günstig, wenn die Sendeantenne als mindestens ei­ ne Patchantenne ausgeführt ist.

Es ist zur Verwendung in einem SMD-Standardverfahren vorteil­ haft, wenn das Radar-Modul welches mittels einer Ball-Grid- Array-Methode anschließbar ist. Dazu kann es z. B. entspre­ chende Kontaktpads aufweisen.

Günstig ist auch ein Radar-Modul, welches als 3D-Radarsensor verwendbar ist.

In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Methode zur 3D-Radarerkennung schematisch näher ausgeführt.

Fig. 1 zeigt die Aufbautopologie eines typischen FMCW- Radarmoduls nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 zeigt die Aufbautopologie eines typischen Puls- Radarmoduls nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 zeigt den einen Aufbau eines optischen PMD- Kameramoduls nach dem Stand der Technik,

Fig. 4 zeigt einen 3D-Radarsensor,

Fig. 5 zeigt ein Radarpixel,

Fig. 6 zeigt eine 3D-Radarkamera.

In Fig. 1 ist als Schaltskizze eine FMCW-Radaranordnung an­ gegeben, bestehend aus einem frequenzverstimmbarem Oszillator ("Voltage Controlled Oscillator") VCO, einer mit dem VCO ver­ bundenen Sendeantenne AS, einer Empfangsantenne AR, einem der Empfangsantenne AR nachgeschalteten Mischer MIX, einem am Mi­ scher MIX angeschlossenen ZF-Filter FI, einem dem ZF-Filter FI nachgeschalteten Fourierprozessor FFT und einem Leistungs­ teiler LT.

Beim FMCW-Verfahren wird von der Sendeantenne AS ein linear frequenzmoduliertes Radarsignal TXS ausgesendet. Dazu wird der Oszillator VCO mit einer rampenförmigen Steuerspannung R beaufschlagt. Die laufzeitbedingte Zeitverschiebung des am Messobjekt MO reflektierten Radarsignals RXS führt zu einer Phasen- bzw. Frequenzverschiebung zwischen Sendesignal TXS und Empfangssignal RXS. Im Mischer MIX werden beide Signale RXS, TXS korreliert (z. B. multipliziert und integriert), wo­ bei sich ein sinusförmiges Messsignal ZFMESS1 mit einer Fre­ quenz typischerweise im kHz-Bereich ergibt. Diese Frequenz ist proportional zum Objektabstand D. Durch den Fourierpro­ zessor FFT wird mittels einer Fouriertransformation das Mess­ signal ZFMESS1 in ein Echoprofil umgerechnet.

Fig. 2 zeigt als Schaltskizze ein Pulsradar angegeben, be­ stehend aus einem festfrequenten Lokaloszillator LO, einem Pulsgenerator PG, zwei Pulserzeugern PE, einem Empfangsmi­ scher MIX, einer Sendeantenne AS, einer Empfangsantenne AR, sowie einem Verzögerungsglied DEL.

Bei dem Pulslaufzeitverfahren wird ein kurzer Radarpuls TXS zum Messobjekt MO ausgesendet. Der gesendete Radarpuls TXS wird mittels des Pulserzeugers PE aus dem LO-Signal erzeugt. Der vom Messobjekt MO reflektierte Puls RXS wird nach einer Laufzeit T wieder empfangen. Die Laufzeit T des Radarpulses ist direkt proportional dem Abstand D zum Messobjekt MO. Im Mischer MIX werden Sendesignal TXS und Empfangssignal RXS miteinander korreliert. Durch Ergänzung des Mischers MIX mit einem zweiten Pulserzeuger PE kann ein Samplingmixer gebildet werden. Stimmen ein vom Verzögerungselement DEL eingebrachte Verzögerungszeit τ und die Laufzeit T überein, so entsteht ein Korrelationsmaximum. Bei rampenförmiger Verstimmung der Verzögerungszeit τ wird das Echoprofil abgetastet; dies wird auch als "sequentielles Sampling" bezeichnet und ist aus der schnellen Impulsmesstechnik bekannt.

In Fig. 3 ist eine Schaltanordnung nach R. Schwarte be­ schrieben, die aus einem optischen Sender OS, einem optischen Empfänger PMD ("Photoelectric Mixing Decive"), einem Modula­ tor MOD, einem Verzögerungselement DEL und einem oder zwei Linsen L besteht. Die Phasen-/Zeitverschiebung des sendersei­ tig Modulationssignals mit dem per Laufzeit T zeitverzögerten empfangenen intensitätsmodulierten Licht ist ein Maß für die Entfernung. Die Kohärenz der Lichtquelle spielt bei den die­ sem Verfahren nur eine untergeordnete Rolle, so dass z. B. auch preiswerte LEDs als Signalquellen in Betracht kommen.

In Fig. 4 wird ein 3D-Radarkamera-Anordnung unter Verwendung eines Puls-Laufzeit-Verfahrens skizziert.

Die 3D-Radarkamera weist einen Radarsender OSZ, einen Modula­ tionsgenerator MG, ein Radararray RA, ein Sendeantenne AS und eine Linse L auf. Der Radarsender OSZ, beim FMCW-Verfahren könnte dies z. B. ein frequenzverstimmbarer Oszillator VCO sein, sendet ein intensitätsmoduliertes Radarsignal TXS aus, das am Messobjekt MO reflektiert wird und über eine fokussie­ rende Linse L auf das Radararray RA, das sich im Linsenfokus befindet, gelangt. Das Radararray RA besteht aus i (i ≧ 2) einzelnen Radarempfängern, vorzugsweise speziellen Radarpixels RPi, mit den Koordinaten (x, y)_i. Je nach Einfallrichtung der reflektierten Welle RXS werden die Radarpixel PRi unter­ schiedlich angeleuchtet. Die Richtungsinformation steckt so­ mit in der lateralen Amplitudenbelegung der Empfängermatrix. Die Empfängermatrix korreliert das einfallende Signal mit dem Modulationssignal Smod. Je nach Modulationsart kann dies auf unterschiedliche Weise geschehen:

• a) Im Falle von Puls- oder PN-Modulation wird analog zu Fig. 2 mittels eines Verzögerungsglieds DEL ein sequentielles Sampling durchgeführt und damit das Echoprofil bestimmt.
• b) Im Falle einer Frequenzmodulation, z. B. einer FMCW-, FSCW- oder FSK-Modulation ö. ä. entfällt das Verzögerungsglied DEL, und es wird eine Spektralanalyse, vorzugsweise eine schnelle Fouriertransformation ("FFT"), über das Messsignal ZFMESS = {ZFMESSi}_i berechnet, woraus sich sodann das Echo­ profil ergibt.

Die Empfängermatrix enthält ein Verteilernetzwerk MUX, über das die Modulationsspannung mod zugeführt und die ZF- Messignale ZFMESSi der i einzelnen Radarempfänger PRi zur Signalverarbeitungseinheit DSV weitergeführt werden. Die Sig­ nalverarbeitungseinheit DSV steuert auch das Multiplexer- /Verteilernetzwerk MUX bzw. das Verzögerungsglied DEL.

Es ist zweckmäßig, aber nicht zwingend, dass jeder Radaremp­ fänger, z. B. das Radarpixel RPi, zwei Spannungswerte U1(x, y) und U2(x, y) liefert. Die Differenz U1 - U2(x, y) ist abhängig von der Entfernung D, die Summe U1 + U2(x, y) ist abhängig von der Intensität I der einfallenden Radarwelle. Als Ergebnis der Signalverarbeitung werden sodann zwei Wertematrizen R(x, y) und I(x, y) ausgegeben.

Das Radarpixel PRi ist vorzugsweise so aufgebaut, dass es mit gegentaktförmigen Modulationsspannung Smod+ bzw. Smod- speis­ bar ist, die mit einem an einer Empfangsantenne ARi eingehenden Radarsignal mischbar sind, und daraus jeweils Ausgangs­ signale ZFMESSi in Form zweier Ausgangsspannungen U1 und U2 ausgeben, welche direkt auf die Entfernung D zum Messobjekt MO und die Signalintensität rückschließen lassen.

In Fig. 5 ist ein Schaltbild für ein symmetrisches Radarpi­ xel RPi angegeben, bestehend aus einer Empfangsantenne ARi, z. B. einem Patchelement, zwei Gleichrichterdioden GLD und di­ verser passiver Beschaltung.

Eine intensitätsmodulierte Radarwelle RXS fällt auf die Emp­ fangsantenne ARi ein und erzeugt dort einen hochfrequenten Strom IHF (bzw. eine hochfrequente Spannung UHF), der in zwei parallele und symmetrisch ausgebildete Diodenpfade einge­ speist wird. Es sind aber auch Ausführungen mit zusätzlichen Diodenpfade möglich. Die HF-Spannung UHF wird in den Gleich­ richterdioden GLD, die vorzugsweise Schottkydioden sind, gleichgerichtet. So können zwei Signalspannungen U1 und U2 abgegriffen werden, die die hier jeweils an einem DC- Lastwiderstand RL pro Diodenpfad abfallen.

Der Speisepunkt S beider Gleichrichterdioden GLD ist DC-mäßig per Tiefpassfilter TPG auf Masse gelegt. Ohne Modulations­ spannung Smod+, Smod- und unter der Voraussetzung vollständi­ ger Schaltungssymmetrie sind U1 und U2 identisch. Die Summe U1 + U2 ist ein Mass für die Intensität der einfallenden Wel­ le. Die äußeren Diodenanschlüsse sind mittels zweier Tief­ passfilter TPD und aufgrund des HF-Kurzschlusses CHF für die Hochfrequenzsignale undurchlässig. Von außen zugeführt wird über ein geeignetes (Bandpass-)Filter eine gegentaktförmige Modulationsspannung Smod+ bzw. Smod-. Durch die Modulations­ spannungen mod- und mod+ werden die Arbeitspunkte der beiden Gleichrichterdioden GLD gegensätzlich auf der Diodenkennlinie hin- und hergeschoben. Dadurch verändert sich das Gleichge­ wicht zwischen U1 und U2. Es ergibt sich, dass als Differenz­ spannung U1 - U2 ein multiplikativer niederfrequenter Term, d. h. die Korrelation aus RXS und Smod gebildet wird. Aus diesem Korrelationsterm lässt sich im Falle einer Puls- oder PN- Modulation mittels sequentiellen Samplings (rampenförmiges Verstimmen des Verzögerungsglieds DEL) bzw. im Falle einer FM-Modulation per Spektralanalyse, z. B. FFT, bzw. Phasenaus­ wertung das Echoprofil bzw. die Entfernung zum Messobjekt MO bestimmen.

Zwecks Erhöhung des Gleichrichterwirkungsgrades ist eine vor den Gleichrichterdioden GLD zusätzlich eingefügte HF- Impedanzanpassung vorteilhaft.

Es können bevorzugt die Gleichrichterdioden GLD mit zusätzli­ chen Bias-Gleichspannungen beaufschlagt sein. Der Bias kann zwecks Ausgleichs von Unsymmetrien auch unsymmetrisch sein.

Es kann auch ein HF-Verstärker am Speisepunkt S der Empfangs­ antenne vor die Gleichrichterdioden GLD geschaltet sein, wo­ durch sich günstigerweise eine Verbesserung des Signal-zu- Rausch-Verhältnisses ergibt.

Die sich bei der Gleichrichtung der einfallenden Mikrowelle entstehende Diodenspannung verändert sich bei geringer ein­ fallender Mikrowellenleistung (HF-Spannung < Diodenknickspan­ nung), d. h. bei Messobjekt-Entfernung D, quadratisch mit der einfallenden Mikrowellenleistung, d. h. bei hoher Messentfer­ nung ergeben sich entsprechend kleine Signalspannungen. Zur Erhöhung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses kann den Gleich­ richterdioden GLD des Radarpixels RPi günstigerweise ein zu­ sätzliches HF-Signal höherer Amplitude beaufschlagt werden. Dadurch werden die Gleichrichterdioden GLD besser gepumpt; diese Option setzt eine Modifikation des Pixelnetzwerks nach Fig. 5 voraus. Bei einem solchen "aktiven Radarpixel" wird entweder ein Anteil des Sendesignals OSZ/TXS oder aber ein davon unabhängiges Lokaloszillatorsignal aufgekoppelt. Das Lokaloszillatorsignal hat vorzugsweise nicht dieselbe Fre­ quenz wie das Sendesignal/OSZ-Signal, sondern ist um einen Zwischenfrequenzoffset (z. B. 100 MHz) verschoben. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass sich eine effizientere Umsetzung des Empfangssignals RXS und ein besseres Signal-zu-Rausch- Verhältnis ergibt.

Vorteilhafterweise kann noch ein kostengünstiger ZF- Verstärker (100 MHz) eingefügt werden. Als zusätzlicher Schritt werden anschließend die zwei 100-MHz-Signale U1 und U2 demoduliert.

Ein Problem bei der Realisierung eines aktiven Radarpixels RPi ist die gleichmäßige parallele Zuführung eines ausrei­ chend starken HF-Signals an eine Vielzahl von Radarpixeln RPi. Dies kann entweder durch ein HF-taugliches Verteiler­ netzwerk geschehen, oder aber durch Einkopplung per parasitä­ rer Substratwellen, oder aber jedes Pixel hätte einen eigenen Festfrequenzoszillator LO. Bei der letzten Option kann eine Beeinflussung der Festfrequenzoszillatoren LO der aktiven Ra­ darpixel PRi vermieden werden, wenn die Radarpixel PRi se­ quentiell im Zeitmultiplex betrieben werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Pump-LO auf exakt oder nahe an der subharmonischen Frequenz der Sendefrequenz zu betreiben ("subharmonischer Mischer"). Dies hat den Vorteil, dass ein entsprechendes Verteilernetzwerk MUX weniger kritisch und preiswerter realisierbar ist.

Fig. 6 zeigt eine Aufbautopologie eines Radarkamera-Moduls:
Vorteilhaft ist eine Realisierung der Radarkamera in Hybrid­ technik, z. B. mit Bestückung der Halbleiterchips und der An­ tennenpatches in Flip-Chip-Bauweise, da hierdurch eine preis­ werte und flexible Realisierung möglich ist. Als Bauweise be­ vorzugt wird eine Mehrlagenstruktur, z. B. als geschichtete Nieder- und Hochfrequenz-Strukturlagen, z. B. unter Anwendung von LTCC "low-temperature cofired ceramic". Insbesondere bei sehr hoher Betriebsfrequenz ist auch eine Bauweise als voll­ integriertes Halbleitermodul denkbar, das aber derzeit teurer ist als ein Hybridaufbau.

Das Radarkamera-Modul weist einen Mehrlagenaufbau auf. Auf der Oberseite befindet sich eine HF-Strukturlage mit Anten­ nenpatches, auf den inneren Strukturlagen befinden sich Ver­ teilernetzwerke und ggf. integrierte passive Beschaltungen R, L, C. Die inneren Lagen erfüllen vorzugsweise niederfrequen­ te Funktionen, z. B. können hier spannungsversorgende Leitun­ gen und/oder das Verteilernetzwerk MUX verlegt werden.

Eine Vereinigung von NF- und HF-Funktionen hat den Vorteil, dass das Modul als komplette Einheit hergestellt werden kann. Auf der HF-Lage, die vergleichsweise genau strukturiert sein muss, vorteilhafterweise in Finepitch-Flip-Chip-Technik, be­ finden sich die Antennenpatches (aufgebracht als Metallisie­ rungen), und es werden in Flip-Chip-Bauweise Schottkydioden, z. B. Doppel-Dioden.

Des weiteren befinden sich auf der HF-Lage weitere Zuleitun­ gen und/oder Filterstrukturen z. B. der Tiefpassfilter TPG, TGD oder z. B. HF-Kapazitäten. Derartige Strukturen sind vorzugs­ weise in Mikrostrip und oder Koplanartechnik realisiert. Die Patches werden aus Gründen des Wirkungsgrades am besten als Mikrostrip-Patch realisiert, wobei aber auch Schlitzstruktu­ ren denkbar sind. Das Radarkamera-Modul wird zweckmäßig zent­ risch im Fokusabstand unterhalb einer dielektrischen Linse L angeordnet, die für eine gut fokussierte Messung auch in gro­ ßer Entfernung sorgen soll. Radararray RA und Linse L können rechteckig oder rund sein.

Vorteilhaft ist die Verwendung einer Radarfrequenz im mm- Wellenbereich 30 GHz bis 300 GHz, da die Patches, Linsen bzw. das ganze Array aufgrund der geringeren Wellenlänge dann sehr klein sind, d. h. eine sehr kompakte, preiswerte Anordnung re­ alisiert wird. Beispielsweise beträgt bei 120 GHz die Dimen­ sion eines einzelnen Patchelements (Kantenlänge circa (λ/2) √) nur ca. 1 mm.

Weiterhin kann das Modul auf der einen Seite Kontakte, sog. "Balls", aufweisen, mit denen das Radarkamera-Modul auf eine Basis-Leiterplatte, z. B. eine SMD-Platine, aufkontak­ tierbar ist. Das Modul wird also vorzugsweise "Ball Grid Ar­ ray" ausgeführt und ist somit wie ein Standard-SMD-Bauelement weiterzuverarbeiten.

In den BGA/LTCC-Modul werden bevorzugt nur die HF-nahen Funk­ tionen untergebracht; auf dem Basisträger alle weiteren kom­ plexeren Systemfunktionen. Eine solche Anordnung besitzt den Vorteil, dass ein System, in dem ein solches LTCC/BGA-Modul enthalten ist, unter Standardbedingungen gefertigt werden kann, mit Ausnahme des Kernmoduls. Dadurch wird der Ferti­ gungsprozess deutlich vereinfacht.

Die 3D-Radarkameramodule sind insbesondere geeignet für Ap­ plikationen im Automobilbereich (sog. "Radarerfassung rund ums Auto") oder im Industriebereich (sog. "Robuste 3D- Objekterkennung")

Claims (20)

1. Radararray (RA), aufweisend mehrere Radarpixel (RPi), jeweils beinhaltend
ein Antennenelement (ARi),
mindestens zwei Gleichrichterdioden (GLD), die so am Aus­ gang des Antennenelements (ARi) angeschlossen sind, dass ein vom Antennenelement (ARi) ausgehendes Signal (UHF, IHF) parallel und symmetrisch in einen jeweiligen Diodenpfad einspeisbar ist, wobei
an jedem Diodenpfad eine Signalspannung (U1, U2) abgreifbar ist,
jeder Diodenpfad einen Anschluss (Fmod) zur Einspeisung einer Modulationsspannung (Smod+, Smod-) enthält.

2. Radararray (RA) nach Anspruch 1, bei dem die Gleichrichterdioden (GLD) Schottky-Dioden sind.

3. Radararray (RA) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem vor den Gleichrichterdioden (GLD) eine HF- Impedanzanpassung vorhanden ist.

4. Radararray (RA) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Gleichrichterdioden (GLD) mit Bias-Gleichspannungen beaufschlagbar sind.

5. Radararray (RA) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das eintreffende Radarsignal (RXS) mittels eines Hochfre­ quenzverstärkers verstärkt wird.

6. Radararray (RA) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Antennenelement (ARi) eine Patchantenne ist.

7. Radararray (RA) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem ein Speisepunkt (S) des Antennenelements (ARi) mittels ei­ nes Tiefpassfilters (TPG) auf Masse gelegt ist.

8. Radararray (RA) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem auf der dem Antennenelement (ARi) abgewandten Seite ein mit der jeweiligen Gleichrichterdiode (GLD) verbundener weiterer Tiefpassfilter (TPD) und ein Hf-Kurzschluss (CHF) vorhanden sind.

9. Radararray (RA) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Anschluss (Fmod) zur Einspeisung der Modulationsspan­ nung (Smod+, Smod-) bandpassfilterbar ist.

10. Radararray (RA) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die jeweiligen Modulationsspannungen (Smod+, Smod-) in mindestens zwei Diodenpfaden zueinander gegentaktförmig sind.

11. Radararray (RA) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wel­ ches als Radar-Modul (MRA) ausgeführt ist.

12. 3D-Radarsensor nach einem Frequenzmodulations-Verfahren, aufweisend
mindestens eine Sendeeinheit (S) mit einem eingangssei­ tig mit einem Modulationsgenerator (MG) und ausgangssei­ tig mit einer Sendeantenne (AS) verbundenen Radarsender (OSZ),
wobei vom Modulationsgenerator (MG) ein frequenzmodu­ liertes Signal an den Radarsender (OSZ) weiterleitbar ist, mittels dessen der Radarsender (OSZ) amplitudenmo­ dulierbar ist,
einem Radararray (RA),
einem Verteilernetzwerks (MUX)
einer Einheit zur Durchführung einer Spektralanalyse, insbesondere einer schnellen Fourier-Transformation,
wobei
eine Korrelation zwischen einem vom Radararray (RA) ausge­ gebenen Signal (ZFMESS) und einem vom Modulationsgenerator (MG) ausgegebenen Modulationssignal (Smod) so herstellbar ist, dass das vom Radararray (RA) ausgegebene Signal (ZFMESS) mittels einer Spektralanalyse in ein Echosignal überführbar ist.

13. 3D-Radarsensor nach einem Puls-Laufzeit-Verfahren, auf­ weisend
mindestens eine Sendeeinheit (S) mit einem eingangssei­ tig mit einem Modulationsgenerator (MG) und ausgangssei­ tig mit einer Sendeantenne (AS) verbundenen Radarsender (OSZ),
einem Radararray (RA),
einem Verteilernetzwerk (MUX),
ein Verzögerungsglied (DEL) zwischen dem Verteilernetz­ werk (MUX) und dem Eingang des Oszillators (OSZ),
wobei
eine Korrelation zwischen einem vom Radararray (RA) ausge­ gebenen Signal (ZFMESS) und einem vom Modulationsgenerator (MG) ausgegebenen Modulationssignal so herstellbar ist, dass das vom Radararray (RA) ausgegebene Signal (ZFMESS) mittels eines sequentiellen Samplings in ein Echosignal ü­ berführbar ist.

14. Radar-Modul (MR), aufweisend
mindestens eine Hochfrequenz-Funktionslage (HFL),
mindestens eine Niederfrequenz-Funktionslage (NFL), wel­ che mit der mindestens einen Hochfrequenz-Funktionslage (HFL) in Wirkverbindung steht,
mindestens ein Radararray (RA) mit mindestens einem An­ tennenelement (ARi), insbesondere einer Patchantenne, welches mit der mindestens einen Hochfrequenz- Funktionslage (HFL) in Wirkverbindung steht.

15. Radar-Modul (MR) nach Anspruch 14, bei dem das mindestens eine Antennenelement (ARi) und/oder eine Gleichrichterdiode (GLD) in Flip-Chip-Bauweise, insbeson­ dere Finepitch-Flip-Chip-Bauweise, aufgebracht ist.

16. Radar-Modul (MR) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, bei dem das mindestens eine Antennenelement (ARi) mittels einer Mikrostreifenleitung oder einer Schlitzleitung mit der mindestens einen Hochfrequenz-Funktionslage (HFL) in Wirkverbindung steht.

17. Radar-Modul (MR) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem mindestens eine Niederfrequenz-Funktionslage (NFL) das Verteilernetzwerk (MUX) enthält.

18. Radar-Modul (MR) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wel­ ches als Sendeantenne (AS) mindestens eine Patchantenne enthält.

19. Radar-Modul (MR) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wel­ ches mittels einer Ball-Grid-Array-Methode anschließbar ist.

20. Radar-Modul (MR) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wel­ ches als 3D-Radarsensor verwendet wird.