DE102004054466A1

DE102004054466A1 - Radarsystem insbesondere zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung

Info

Publication number: DE102004054466A1
Application number: DE102004054466A
Authority: DE
Inventors: Klaus Voigtlaender; Matthias Karl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2006-06-08
Also published as: CN101057158A; US20080198065A1; EP1812809A1; WO2006051015A1; CN100570399C; US7688252B2

Abstract

Bei einem Radarsystem erfolgt eine harmonische Anregung einer Antenne in unterschiedlichen Frequenzbereichen. Die dadurch bedingte sich ändernde Antennencharakteristik wird dazu benutzt, verschiedene Raumwinkelbereiche um ein Objekt herum auszuwerten.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Radarsystem insbesondere zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung bei Kraftfahrzeugen, welches auf der Verwendung von Harmonischen einer Grundfrequenz basiert.

Aus der US 6,362,777 B1 ist ein Puls- Doppler- Radarsystem bekannt zur Abstands- oder Geschwindigkeitsmessung bei einem Kraftfahrzeug. Im Sendezug ist dort ein Vervielfacher bzw. Mischer vorgesehen, um der Sendeantenne ein Signal zuzuführen, welches der doppelten Frequenz eines Referenzoszillators entspricht. Die Frequenzverdopplung wird dort vorgenommen, um einen Referenzoszillator mit niedrigerer Frequenz und damit stabilerem Verhalten benutzten zu können.

Vorteile der Erfindung

Mit den Maßnahmen des Anspruchs 1, dass heißt die durch harmonische Anregung der gleichen Antenne in unterschiedlichen Frequenzbereichen sich ändernde Antennencharakteristik wird dazu benutzt verschiedene Raumwinkelbereiche um ein Objekt herum auszuwerten, lassen sich ohne Änderung der Hardware unterschiedliche Radarauswertungen realisieren.

Anstelle der Verwendung mehrere Radarsensoren für unterschiedliche Anwendungen, zum Beispiel Long Range Radar, Short Range Radar, Einparkhilfe, Stop and Go usw., lassen sich mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen unterschiedliche Anwendungen mit nur einem Radarsensor realisieren.

Die Frequenzerzeugung und Modulation lässt sich bei tieferen Frequenzen aufwandsarm und stabil realisieren. Es ist lediglich ein Frequenzvervielfacher notwendig, der sich mit aktiven oder passiven Schaltungen realisieren lässt. Die benötigten Verstärker und Mischer können entweder in der Frequenz umgeschaltet werden oder sind vorteilhafterweise breitbandig ohne Umschaltung ausgelegt. Beim Mischer können auch einfache und damit kostengünstige Subharmonik- Mischerkonzepte eingesetzt werden. Bei der Messung der Geschwindigkeit ergibt sich eine Vervielfachung des Dopplereffektes. Damit kann der Dynamikbereich vereinfacht oder erweitert werden.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich durch die harmonische Anregung der gleichen Antenne. Üblicherweise sind resonante Antennen eine halbe Wellenlänge lang. Diese lassen sich aber auch auf allen Harmonischen erregen. Dadurch verändert sich aber der Abstrahlwinkel mit höherer Ordnung (von senkrecht in Richtung Draht/Patch). Bei Kraftfahrzeug-Systemen zur Rundumsicht kann daher bei der niedrigeren Frequenz nach vorne geschaut werden, während bei der höheren Frequenz zusätzlich auch noch der Seitenraum abgedeckt wird. Bei optimiertem Design und Phasenlage kann jede gewünschte Richtung eingestellt werden. Die Antennenanordnung kann auch durch eine Vielzahl von Grundelementen (Dipol/Patch) in der Leistung und Antennencharakteristik geformt werden.

In den Unteransprüchen sind noch weitere vorteilhafte Ausgestaltungen aufgezeigt.

Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
1 ein Blockschaltbild für einen Mehrfachfrequenz- Radarsystem,
2 eine breitbandige Schichtantenne für den Einsatz in dem Radarsystem nach 1,
3 ein Schnitt durch die Antennenanordnung nach 2,
4 eine Ansicht der Antennenanordnung nach 2 mit abgenommenem Patch,
5 eine Antennencharakteristik bei Anregung mit der Grundwelle,
6 eine Antennencharakteristik bei Anregung mit der dritten Harmonischen,
7 bis 9 Ausgestaltungen breitbandiger bikonischer Antennen.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Für das Radarsystem nach der Erfindung wird vorteilhafterweise eine Anordnung gemäß 1 verwendet. Ein Referenzoszillator 1, der von einem Basisband- Modulator 2 moduliert wird, ist über einen schaltbaren Frequenzvervielfacher 3 mit nachfolgendem Verstärker 4 mit der Sendeantenne 5 verbunden. Das an mindestens einem Objekt reflektierte Radarempfangssignal gelangt von der Empfangsantenne 6 über einen rauscharmen Verstärker 7 (LNA = Low Noise Amplifier) zu einem Abwärtsmischer 8. Dieser setzt das Empfangsantennensignal mittels des Ausgangssignals des Frequenzvervielfachers 3 in ein niederfrequenztes Auswertesignal um, welches in der Einheit 9 insbesondere nach Analog – Digitalumsetzung weiterverarbeitet wird. Die Frequenzbereiche in denen das Radarsystem nach der Erfindung arbeitet sind zueinander harmonisch gewählt ähnlich den Zuweisungen im Amateurfunk mit den Bändern 3.5, 7,14,21 und 28 MHz und auch 144, 432 und 1296 MHz. Die Frequenzerzeugung und die Modulation erfolgen vorteilhaft bei tiefen Frequenzen (Grundwelle). Nur der Frequenzvervielfacher 3 und der Mischer 8 sowie die Verstärker müssen für Hochfrequenzsignale ausgelegt sein. Sie können entweder in der Frequenz umschaltbar ausgebildet sein, oder sind vorteilhafterweise breitbandig ohne Umschaltung ausgelegt. Beim Mischer 8 können auch aufwandsarme Subharmonik- Mischerkonzepte eingesetzt werden. Das Radarsystem kann entweder im Pulsbetrieb, CW (Continuous Wave), FMCW- (Freq. Modulated CW) Betrieb oder Mischformen arbeiten. Für den Pulsbetrieb ist im Sendezug ein gesteuerter Schalter notwendig und im Empfangszug ein ebensolcher Schalter, der gegenüber dem Schalter im Sendezug um die Laufzeit des Radarpulses für eine vorgegebene Entfernungszone verzögert betätigbar ist.
Als Sende- und/oder Empfangsantenne eignet sich eine breitbandige Schichtantenne mit einem Sende- und/oder Empfangsdipol, dem ein elektrisch gekoppeltes Patchelement in einem vorbestimmten Abstand zum Dipol vorgelagert ist. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer solchen Antennenanordnung, die in den Einzelheiten in der DE 103 53 686.3 beschrieben ist. Das Patch 10, ein rechteckiges Blechplättchen, befindet sich parallel zur Schichtung der Antennenanordnung 11 in einem Abstand vom ungefähr 0,1fachem der Grundwellenlänge bei 26 GHz der gesendeten Strahlung über dem flachen Dipol 12 auf der Schichtanordnung. Der Abstand ist nicht auf dieses Maß beschränkt, sondern kann variieren. Ein Bereich von 0.01 bis 0.2 der Wellenlänge ist gut geeignet. Das Patch 10 ist beispielsweise am nicht dargestellten Gerätegehäuse frei über dem Dipol 12 oder mittels einer Schaumschicht auf dem Dipol 12 befestigt (vergleiche 3 und 4). Der Dipol 12 besteht aus zwei separaten, symmetrischen, rechteckigen Metallflächen, die auf ein dielektrisches Substrat 13, wie beispielsweise eine Leiterplatte, eine Keramik oder ein Softboard- Material aufgebracht sind. Die Dipolhälften besitzen jeweils eine Länge von ca. einem Viertel der Grundwellenlänge. Die Wellenlänge wird dabei nicht in Luft, sondern effektiv durch das Dielektrikum belastet bewertet.
Jede einzelne Dipolhälfte wird mit einer Signalzuleitung 14 (offene Zweidrahtleitung "Hühnerleiter") gespeist. Die beiden Signalzuleitungen 14 sind parallel angeordnet und bilden so einen differenziellen Eingang. Sie verlaufen an der Oberfläche der Substratschicht 13 und sind beispielsweise gedruckt oder geätzt. Auf der Substratschicht 13 ist eine die Strahlung abschirmende, metallische Masseebene 15 aufgebracht, die lediglich im Bereich der Signalzuleitungen 14 und des Dipols 12 Aussparungen aufweist. Zusätzlich befindet sich eine durchgehende abschirmende metallische Masseebene 16 auf der nicht sichtbaren Rückseite der Antennenanordnung. Der Dipol 12 und das Patch 10 sind parallel zueinander angeordnet und die beiden Signalzuleitungen 14 verlaufen senkrecht dazu. Damit liegen die Feldvektoren des elektrischen Feldes des Dipols 12, des Patch 10 und der Zuleitungen 14 parallel zueinander und zeigen in die gleiche Richtung. Die separaten Hälfen des Dipols sind gemäß 3 an ihren Innenkanten an die Signalzuleitungen 14 ankontaktiert. In den Schichten unter der Masseebene 9 befinden sich gestrichelt dargestellte metallische Kammerstreifen 17, die bis zur rückseitigen Masseebene 16 reichen. Diese Kammerstreifen 17 verbinden leitend die beiden außenseitigen Masseebenen 18 und umranden den Dipol 12 bis auf eine Durchlassöffnung für die Signalzuleitungen 14. Diese Masseabschirmung unterdrückt weitgehendst die seitliche Abstrahlung. Die umrandenden Kammerstreifen 17 haben zum Dipol 12 einen Abstand von einem Viertel der Wellenlänge der gesendeten Strahlung. In das Substrat 13 abgestrahlte Strahlung wird an den Kammerstreifen 17 reflektiert und phasenrichtig zurückgeführt.
Die resonante Länge des Patches 10 ist von links nach rechts. Im Gegensatz zu üblichen Patchantennen ist das Patch hier länger als breit. Die resonante Länge beträgt auf der Grundwelle eine halbe Wellenlänge. Bei Anregung auf Harmonischen dieser Grundwelle, ca. 26 GHz, verändert sich der Abstrahlwinkel mit höherer Ordnung. Die resonante Länge des Dipols und/oder des Patchelements sind dann größer als die Hälfte der Betriebswellenlänge. Bei Kraftfahrzeugsystemen mit Rundumsicht kann daher bei Anregung in einem niedrigen Frequenzbereich nach vorne geschaut werden, dass heißt es sind Abstandsmessungen zu Objekten in Richtung senkrecht zur Antennenerregerfläche möglich, während bei höheren Harmonischen der Grundfrequenz zusätzlich auch noch seitliche Raumwinkelbereiche ausgewertet werden. Dies ist insbesondere für Einparkhilfen oder bei der Fahrbahnrandabstandsbestimmung vorteilhaft. Bei optimiertem Design und Phasenlage kann jede gewünschte Richtung eingestellt werden.
Die Antennenanordnung kann durch eine Vielzahl von Grundelementen (Dipol/Patch) in der Leistung der Antennencharakteristik geformt werden. Es können auch Antennencharakteristiken unterschiedlicher zueinander harmonischer Frequenzbereiche zu einem gemeinsamen Auswerteprofil verknüpft werden. Hierbei wird beispielsweise das Auswerteprofil bei Erregung auf der Grundfrequenz gespeichert, um dann mit einem aktuellen Auswerteprofil auf einer höheren harmonischen Frequenz korreliert zu werden. Es können für die harmonische Anregung der Antenne weitere Harmonische hinzugenommen werden, wie zum Beispiel N = 1,2,3 oder N = 1,3,5 oder N = 1,2,4,8 und so weiter oder nicht auf der Grundwelle sondern nur auf Oberwellen basieren, wie zum Beispiel N = 2,3 oder N = 3,5.
Um den jeweiligen gewünschten Vervielfachungsgrad N einzustellen, wird der Frequenzvervielfacher 3 und gegebenenfalls der Abwärtsmischer 8 entsprechend von der Einheit 9 gesteuert. Die Antennencharakteristik der zuvor vorgestellten Antenne bezüglich der Grundwelle, dass heißt bei ca. 26 GHz zeigt 5. Bei der Grundwelle strahlt der Patch senkrecht zur Patchfläche nach vorne (z-Richtung). Der Gewinn im Vergleich zum Kugelstrahler beträgt in z- Richtung 8.18dBi. Es erscheinen keine seitlichen Nebenkeulen. Bei einer höheren geraden harmonischen Anregung ist diese Richtung von einer Nullstelle belegt und die Strahlung ist um einen von der harmonischen Zahl N bestimmten Winkel versetzt. 6 zeigt die Antennencharakteristik bei der Anregung der dritten Harmonischen bei ca. 78 GHz. Es erscheinen vier Hauptkeulen, die um einen festen Winkel symmetrisch zur z-Richtung versetzt sind und kleinere Nebenkeulen.
Durch bikonische Ausbildung des Dipols und/oder Patchelements lässt sich die Bandbreite der Antenne vergrößern, was insbesondere bei Anregungen mit höheren Harmonischen vorteilhaft ist, da sich das Modulationssignal ebenfalls vervielfacht. Ausführungsbeispiele dieser Art zeigen die 7 bis 9. Bei 7 sind sowohl Patch 10 wie auch Dipol 12 bikonisch ausgebildet. Bei 8 ist der Dipol 12 bikonisch und das Patch rechteckig. Bei 9 ist das Patch 10 bikonisch und der Dipol 12 rechteckig.
Die zuvor beschriebenen Patchanordnungen dienten nur als Beispiele, viele andere Formen wie Einzelpatch, gekoppelte Patches. Hohlleiterstrahler, gedruckte Drähte oder Flächen, usw. sind ebenfalls möglich. Asymmetrische Anregungen sind auch möglich.

Claims

Radarsystem insbesondere zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung bei Kraftfahrzeugen, welches auf der Verwendung von Harmonischen einer Grundfrequenz basiert, wobei die durch harmonische Anregung der gleichen Antenne in unterschiedlichen Frequenzbereichen sich ändernde Antennencharakteristik dazu benutzt wird verschiedene Raumwinkelbereiche um ein Objekt herum auszuwerten.
Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anregung der Antenne in einem niedrigen Frequenzbereich Abstandsmessungen zu Objekten in Richtung senkrecht zur Antennenerregerfläche durchgeführt werden.
Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anregung der Antenne in einem höheren Frequenzbereich Objekte in Seitenbereichen detektiert werden.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne aus einer Mehrzahl von Antennenerregern besteht, die bezüglich ihrer abgestrahlten Leistung und Phase auf eine gewünschte Raumwinkelauswertung abgestimmt sind.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in unterschiedlichen zueinander harmonischen Frequenzbereichen ausgewertete Raumwinkelbereiche zu einem gemeinsamen Auswerteprofil verknüpft werden.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne einen Sende- und/oder einen Empfangsdipol (12) besitzt, dem ein elektrisch gekoppeltes Patchelement (10) in einem vorbestimmten Abstand zum Dipol vorgelagert ist.
Radarsystem nach Anspruch G, dadurch gekennzeichnet, dass der Dipol (12) auf einem dielektrischen Träger (13) aufgebracht ist, der von einer Abschirmschicht (15, 16,18) umgeben ist.
Radarsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des resonanten Dipols (12) und/oder des Patchelements (10) größer als die Hälfte der Betriebswellenlänge gewählt ist.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Dipol (12) und Patchelement (10) so zueinander angeordnet sind, dass die Vektoren des elektrischen Feldes in Dipol (12) und Patch (10) parallel liegen und die gleiche Richtung aufweisen.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dipol (12) zweigeteilt ausgebildet ist und seine Speiseleitung (14) aus einer offenen Zweidrahtleitung besteht, die insbesondere ebenfalls auf den dielektrischen Träger (13) aufgebracht ist.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dipol (12) und/oder das Patchelement (10) bikonisch ausgebildet ist/sind.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur harmonischen Anregung der Antenne ein schaltbarer Frequenzvervielfacher (3) im Sendezug vorgesehen ist.
Radarsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Empfangszug ein Abwärtsmischer vorgesehen ist, der das Empfangsantennensignal mit dem Ausgangssignal des schaltbaren Frequenzvervielfachers (3) in ein niederfrequentes Auswertesignal umsetzt.