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Seit
einigen Jahren sind im Bereich der Fahrerassistenzfunktionen mit
vorausschauenden Erfassungssystemen Radarsensoren primär im Frequenzbereich
76 bis 77 GHz im Einsatz. Diese werden bislang noch im Oberklassesegment
zur Realisierung der Assistenzfunktion „adaptiver Tempomat (ACC = Adaptive
Cruise Control)" im
Geschwindigkeitsbereich 30 bis 180 km/h verwendet.
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Die
bisherigen am Markt verfügbaren
Radarsensoren zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
„Reichweite
bis ca. 120 ... 150 m,
- – horizontale Erfassung im
Bereich ±4° ±10°,
- – Winkelgenauigkeit
ca. 0,5°.
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Eine
Einschränkung
heutiger Sensoren besteht darin, dass die Bautiefe vergleichsweise
groß ist
bzw. die Forderung der Fahrzeughersteller nach wesentlich flacheren
Sensoren nur unzureichend erfüllt
werden kann.
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Die
Begrenzung der horizontalen Erfassungsbreite, die aus den gewählten Antennenkonzepten
resultiert, ist ebenfalls nachteilig, da z.B. Einscherer erst sehr
spät erkannt
werden oder relevante Objekte in engen Kurven häufiger aus dem „Blickfeld" verschwinden. Hier
ist insbesondere für
ein automatisches Staufolgeverfahren eine Erweiterung des Sichtfeldes
im nahen bis mittleren Entfernungsbereich zwingend erforderlich.
Hier wird zur Zeit z.B. daran gedacht, Zusatzsensoren wie Video
oder, für
den Ultranahbereich bis ca. 3 m, Ultraschall-Sensoren zu verwenden.
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Eine
weitere wesentliche Einschränkung
ist darin zu sehen, dass die bislang eingesetzten Radarsensoren
zwar Objekte in ihrer Winkelablage im oben genannten horizontalen
Erfassungsbereich sehr präzise
bestimmen können
(Winkelgenauigkeit), aber dies ist im allgemeinen nur dann zuverlässig möglich, wenn
nur ein Objekt in einem bestimmten Abstand und mit einer bestimmten
Relativgeschwindigkeit zu erfassen ist. Befinden sich zwei oder
mehr Objekte im selben Abstand und haben diese unter Umständen auch
die gleiche Geschwindigkeit, so können die heutigen Radarsensoren
nur dann einzelne Objekte voneinander trennen, wenn die Radarkeule
bzw. die Halbwertsbreite der Radarkeule schmaler ist als der Winkelabstand
der zu trennenden Objekte. Für
eine bestimmte Halbwertsbreite eines Antennenstrahls ist bei gegebener
Frequenz bzw. Wellenlänge
jedoch eine bestimmte Größe der Antennenapertur
erforderlich. Bei kreisrunder Antennenapertur mit dem Durchmesser
D und einer konstanten Belegung gilt näherungsweise folgender Zusammenhang
für die
Halbwertsbreite υ in
Grad:
mit der Wellenlänge λ (λ = 3,9 mm
bei 77 GHz). Soll beispielsweise eine Winkeltrennung von mindestens 2° erreichbar
sein, so wäre
nach obiger Formel bereits ein Aperturdurehmesser D ≥ 115 mm zu
wählen. Dieses
ist für
einen ACC-Sensor nicht akzeptabel, da die maximal zulässige Baugröße auf deutlich
kleinere Abmaße
begrenzt ist. Andererseits ist ein derartiges Trennvermögen von
ca. 2° und
gegebenenfalls noch darunter erforderlich, um eine eindeutige Fahrspur-Zuordnung
bei größeren Objektentfernungen durchführen zu
können.
Der Aperturdurchmesser D eines beispielhaften Sensors beträgt z.B.
75 (60) mm. Hieraus ergibt sich die minimal mögliche Halbwertsbreite bei
einer einzelnen Radarkeule zu 3,1° (3,8°). Die reale
Halbwertsbreite ist deutlich größer, da
eine konstante Aperturbelegung nicht erfolgt, sondern die Belegung
zum Rand hin abnimmt. Bei zum Rand hin abnehmenden Aperturbelegungen
steigt der Vorfaktor in obiger Formel (59°) an auf Werte zwischen 80°... 100°, das heißt die Halbwertbreite
bewegt sich im Bereich von 4,2° ...
5,2° (für D = 75
min) bzw. 5,2° ...
6,5° (für D = 60
mm).
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Aus
der
DE 197 14 570
A1 ist ein mehrstrahliges Radarsystem bekannt, bei dem
mehr Sendeelemente als Empfangselemente vorhanden sind, wobei die
vorhandenen Sendeelemente sowohl einzeln als auch in beliebiger
gleichzeitiger Kombination einschaltbar sind. Auch die Empfangselemente
lassen sich umschalten. Damit kann der beobachtbare Winkelbereich
verbreitert werden.
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Die
WO 2004/051308 A1 betrifft eine Einrichtung zur Messung von Winkelpositionen
unter Verwendung von Radarpulsen und sich gegenseitig überlappenden
Antennen-Strahlcharakteristiken mindestens
zweier Antennenelemente. Empfangsseitig erfolgt eine gemeinsame
Auswertung von Empfangssignalen mindestens zweier Antennenelemente.
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Vorteile der
Erfindung
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Mit
den Maßnahmen
gemäß Anspruch
1, das heißt
bei einem Radarsystem bestehend aus mindestens zwei Sendeantennen
mit zwei unterschiedlichen Richtcharakteristiken, insbesondere für unterschiedliche
Entfernungsbereiche, einem Umschalter zur Umschaltung zwischen mindestens
zwei unterschiedlichen Richtcharakteristiken, mindestens zwei Empfangsantennen,
einer Auswerteeinrichtung zur gemeinsamen Auswertung der digitalisierten
Signale mindestens zweier Empfangsantennen im Sinne einer Korrelation
der Empfangsantennensignale, lässt sich
ein sehr breiter horizontaler Erfassungsbereich, z.B. bis zu ±40°, bei mittleren
Reichweiten (1 ... 50 m), z.B. zur frühzeitigen Erkennung von Einscherern in
diesem Entfernungsbereich, und ein schmaler horizontaler Erfassungsbereich,
z.B. ±6°, bei großen Reichweiten
(80 ... 150 m) erreichen.
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Die
unterschiedlichen Entfernungsbereiche lassen sich flexibel und gegebenenfalls
dynamisch umschalten. Durch die Möglichkeit des Einsatzes digitaler
Auswerteverfahren kann eine hohe Winkeltrennung, insbesondere durch
Parameterschätzverfahren
erreicht werden. Damit ist eine sichere Erfassung einer Gassensituation
oder eine Trennung eng benachbarter und unter Umständen sehr
unterschiedlicher Fahrzeuge möglich.
Durch Verwendung von Planarstrahlern, insbesondere Patchelemente, die
einzeln oder insbesondere spaltenweise ansteuerbar sind, lässt sich
eine geringe Bautiefe erreichen. Das Frontend-Design des Radarsystems
ist skalierbar, das heißt
durch spezielle Ausführungsformen kann
das Frontend an besondere Anforderungen, z.B. an Ortungsfeld, Reichweite,
angepasst werden und dadurch z.B. im Heckbereich Verwendung finden für Tote-Winkel-Überwachung,
Spurwechsel-Assistent etc., gegebenenfalls auch mit einer anderen
Ausgestaltung der digitalen Signalauswertung. Die Erfindung gestattet
den Einsatz moderner Auswerteverfahren, deren Winkeltrennvermögen nicht
unmittelbar mit der Größe der strahlenden
Apertur zusammenhängt,
sondern theoretisch von dieser sogar nahezu unabhängig ist.
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Derartige
Verfahren sind unter dem Begriff „unterraumbasierte Parameterschätzverfahren" bereits seit Mitte
der 80-er Jahre bekannt. Wichtigste Vertreter sind die Verfahren
Music und Esprit. Diese Ansätze
basieren auf der Verwendung mehrerer paralleler Antennenelemente
auf Empfangsseite mit jeweils gleichen, einander überlappenden
Richtcharakteristiken und der Auswertung der Korrelationseigenschaften
dieser quasi zeitsynchron vorliegenden parallelen Empfangssignale
mittels digitaler Signalverarbeitung. Diese Ansätze erlauben bei ausreichendem Signal-zu-Rauschabstand
(S/N Signal to noise ratio) an den Empfängern eine hoch präzise Winkeltrennung
selbst bei stark unterschiedlicher Reflektivität der zu trennenden Objekte.
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Zur
Realisierung derartiger Antennenanordnungen ist die Verwendung von
planaren Antennenstrukturen, wie sogenannter Patch-Antennen, oder anderer
planarer Antennenstrukturen wie Dipole oder kurzer, am Ende leer
laufender Leitungsstücke („Stubs") besonders vorteilhaft,
die darüber
hinaus die Möglichkeit
bieten, maximal flache Frontends zur Minimierung der Bautiefe zu
erhalten. Zur Realisierung einer maximalen horizontalen Erfassung
ohne sogenannte „Grating
Lobes" mit entsprechenden Mehrdeutigkeiten
in der Winkelschätzung
haben die parallelen Einzelstrahler vorzugsweise einen Abstand in
der Größenordnung
der halben Freiraum-Wellenlänge,
also ca. 2 mm bei 77 GHz.
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Bei
Verwendung derartiger paralleler Anordnungen sind sogenannte digitale
Strahlformungsmethoden einsetzbar, bei denen eine gebündelte Strahlkeule
erst durch digitale Signalverarbeitung gebildet wird, nicht aber
in der analogen Hochfrequenzebene wie bei einer Linsenantennen oder
Parabolantenne. Die digitale Strahlformung ist insbesondere vorteilhaft
zur Detektion weit entfernter Objekte, da dadurch ein ausreichendes
S/N gebildet wird und so eine zuverlässige Ortung möglich ist.
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Bei
bisherigen Frontends mit digitaler Strahlformung ist das Sichtfeld
auf ca. ±10° beschränkt und somit
nur begrenzt nutzbar für
die Funktionen, die eine deutlich breitere azimutale Erfassung des
vorausliegenden Fahrzeugumfeldes erfordern.
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Bei
der Erfindung müssen
empfangsseitig auf der Hochfrequenz-Ebene keine Strahlkeulen ausgebildet
werden, vielmehr können
die Empfangssignale einzelner Antennenspalten direkt digital, bzw. nach
entsprechender Digitalisierung, weiterverarbeitet werden (digitale
Strahlformung) im Sinne einer Korrelation der Antennensignale. Bei
Mehrzielszenarien können
die sich durch die Strahlformung auf digitaler Ebene ergebenden
Einschränkungen
dadurch umgangen werden, dass hochauflösende Schätzverfahren zur Winkelbestimmung
eingesetzt werden.
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Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 ein
Blockschaltbild für
ein Radar-Frontend,
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2 ein
Einzelantennenelement,
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3 seriengespeiste
Antennenelemente,
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4 parallel
gespeiste Antennenelemente,
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5 und 6 Ausgestaltungen
von Sendeantennen mit mehreren Einzelstrahlern,
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7 eine
Sendeantenne ausgeführt
als Einzelelement,
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8 eine
Sendeantenne ausgeführt
mit mehreren Einzelelementen und spezieller Verbindung,
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9 ein
Radar-Frontend mit zwei unterschiedlichen Lokaloszillatorfrequenzen
für Sende- und
Empfangszweig,
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10 die
Umschaltung zwischen zwei Sendeantennen,
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11 Zu-/Abschaltung
von Elementen innerhalb einer Antenne,
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12 bis 14 Empfangskonzepte
mit Erweiterung durch Verstärker
und Multiplexer,
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15 die
Verteilung des Lokaloszillatorsignals mit Zwischenverstärkern.
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Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt
ein Blockschaltbild für
ein Radar-Frontend 1. Dieses Frontend 1 besteht
im einzelnen aus:
- – einer gegebenenfalls über eine
PLL und gegebenenfalls über
einen DRO stabilisierten, modulierbaren, vorzugsweise in sogenannten
MMICs hochintegrierten 77 GHz Quelle 2 (sogenannter modulierter
Lokaloszillator),
einer Sendeeinheit 4 bestehend aus:
- – mindestens
zwei unterschiedlichen Sendeantennen 41 und 42 in
planarer Technologie (Patchantennen), von denen eine Antenne 41 so
ausgelegt ist, dass sie durch entsprechende Überlagerung der Wellen der
zu Antenne 41 gehörenden Einzelstrahler
eine vergleichsweise stark gebündelte
Antennenkeule erzeugt, eine weitere Antenne 42 die so ausgelegt
ist, dass sie durch entsprechende Überlagerung der Wellen der
zu Antenne 42 gehörenden
Einzelstrahler eine vergleichsweise breite azimutale Antennencharakteristik
erzeugt oder aus nur einem Strahlerelement besteht, gegebenenfalls
weiteren Sendeantennen die so ausgelegt sind, dass sie weitere,
spezielle Sendecharakteristiken erzeugen,
- – einem
77 GHz Umschalter 40 zur Umschaltung zwischen den unterschiedlichen
Sendeantennen, das heißt
zwischen den Antennen 41 und 42 und gegebenenfalls
weiteren Antennen,
- – einer
Empfangseinheit 5 bestehend aus mindestens zwei parallelen,
empfangenden Einzelstrahlern 51 und 52 und gegebenenfalls
weiterer in planarer Technologie (Patchantennen), deren Empfangssignale
durch eine Mischereinheit 50 in unmittelbarer Antennennähe in ein
Zwischenfrequenzband (Basisband) herabgemischt werden, und
- – einem
Leistungsteiler 3, sogenannter Tx-Rx-Leistungsteiler, zur
Aufteilung der Lokaloszillatorleistung der 77 GHz Quelle 2 in
die jeweils in der Sendeeinheit 4 und in der Empfangseinheit 5 benötigten Anteile.
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Die
jeweiligen Einzelstrahler 43 der Sendeantennen 41, 42 und
Empfangsantennen 51, 52 können wie die 2 bis 4 zeigen,
aus einem einzelnen Patch 60 oder aber aus mehreren, vertikal übereinander
angeordneten Patchen bestehen (Antennenspalte). Letzteres ist bei
Verzicht auf weitere bündelnde
Einheiten, z.B. Zylinderlinse, vorteilhaft, um in der Elevationsebene
sowohl sende- als auch empfangsseitig die Energie parallel zur Fahrbahnebene
zu bündeln.
Die Speisung der Patche in einer Spalte erfolgt als Serienspeisung 61,
Parallelspeisung 62 (corporate feed) oder als Kombination
daraus. Auch eine strahlungsgekoppelte Speisung z.B. über mehrlagige
Schlitz-Patch oder Patch-Patch
Ankopplungen ist möglich.
Die Antennenspalte sei also senkrecht zur Fahrbahnoberfläche angeordnet.
Die Bündelung
in Elevation könnte
sowohl sende- als auch empfangsseitig auch durch Verwendung einer zylindrischen
Linse erfolgen, dann wäre
ein Einzelstrahler durch ein einzelnes Patch darstellbar. Deren Brennlinie
würde dann
ca. mit den Mittellinien der Einzelpatche übereinstimmen.
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Wesentlich
ist, dass bezogen auf die azimutale Ebene der Sendeeinheit 4 sogenannte
analoge Strahlformungsmethoden Verwendung finden sollen, während die
Empfangseinheit 5 so gestaltet ist, dass gemeinsam mit
einer nachgeschalteten Auswerteeinheit sogenannte digitale Strahlformungsverfahren verwendet
werden. Dieses wird im wesentlichen durch parallel angeordnete Empfangs-Einzelstrahler mit
einer quasi parallelen, gegebenenfalls auch über eine Multiplexeinheit geführten, Weiterverarbeitung erreicht.
Erst dieser digitale Ansatz auf Empfangsseite durch parallel betriebene
einzelne Empfangsantennen bzw. Empfangs-Einzelstrahler 51, 52 und
gegebenenfalls weitere erlaubt den Einsatz von Verfahren, die eine
hohe Trennbarkeit im Winkel, d.h. deutlich geringer als die Halbwertsbreite
einer gebündelten
Radarkeule, zur Verfügung
stellen.
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Zur
Darstellung der 77 GHz Quelle 2 können kommerziell erhältliche
Chips bzw. Chipsätze
in MMIC Technologie oder auch andere 77 GHz erzeugende Elemente
wie z.B. Gunn-Elemente verwendet werden.
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Die
erste Sendeantenne 41 wird gemäß 5 durch
die Verwendung mehrerer Einzelstrahler 43 und deren Verbindung
auf HF-Analogsignalebene 44 realisiert. Die analoge Verbindung 44 im
Sinne eines Leistungsteilers erlaubt z.B. die Belegung der Einzelstrahler
durch eine bestimmte Amplitudenverteilung. Diese kann z.B. so gewählt werden,
dass die sogenannten Nebenkeulen der Antenne 41 ein sehr geringes
Niveau unterhalb der Hauptkeule einnehmen, z.B. –30 dB. Hierdurch ist es im
Gegensatz zu bisher üblichen
Sensoren möglich,
Störungen
durch „Beleuchtung" von Objekten außerhalb
der Hauptkeule sehr gering zu halten. Beispielsweise erlaubt die
Verwendung von sieben Einzelstrahlern in Antenne 41 eine
Hauptkeulenbreite von ±6,5° bei einer
Absenkung der Nebenkeulen auf –28
dB. 6 zeigt eine Variante von vier Spalten von Einzelstrahlern 43.
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Die
zweite Sendeantenne 42 wird dazu verwendet, eine möglichst
breite azimutale Ausleuchtung zu erzielen. Beispielsweise ermöglicht die
Verwendung eines einzigen Strahlerelements in Antenne 42 gemäß 7 eine
Hauptkeulenbreite von ca. ±40°. Es ist
aber durchaus auch möglich,
durch die gezielte Auslegung einer mehrelementigen Antenne 42 mit
einem speziellen Leistungsteiler 45 (gemäß 8)
größere Hauptkeulenbreiten
als ±40° zu erzielen.
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Die
Verwendung der stark bündelnden
Antenne 41 würde
es erlauben, Objekte in großer
Entfernung, z.B. 80 m ... 150 m, zu erfassen, aber nur in einem
schmalen Winkelbereich. Dies hat den Vorteil, dass Störungen von
Straßenrandbebauungen,
insbesondere von Leitplanken, sehr stark reduziert werden können.
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Die
Verwendung der azimutal breit abstrahlenden Antenne 42 würde es erlauben,
Objekte z.B. im Vorfeld des Egofahrzeugs in einem sehr breiten azimutalen
Erfassungsbereich zu orten. Da die 77 GHz Energie aber nicht fokussiert,
sondern „breit" abgestrahlt wird,
werden entferntere, Objekte nur gering beleuchtet, so dass deren
Reflexionen gering und damit auch nicht störend sind. Antenne 41 wäre somit
die Antenne für
den Betriebsmodus LRR (Long Range Radar), während Antenne 42 für den Modus MRR
(Medium Range Radar) oder SRR (Short Range Radar) eingesetzt werden
würde und
z.B. der rechtzeitigen Erfassung von Einscherern oder sonstiger
relevanter Objekte im Äußeren (nahen
bis mittleren Entfernungs-) Bereich dienen würde. Wichtig für die Modi
MRR/SRR ist, dass die empfangenden Einzelstrahler 51, 52 und
gegebenenfalls weitere eine breite azimutale Strahlcharakteristik
aufweisen. Die Gesamteinheit mit den beschriebenen Umschaltmöglichkeiten
kann als ein URR (Universal Range Radar) bezeichnet werden.
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Weitere
Sendeantennen können
eingesetzt werden, um z.B. weitere bestimmte Sendecharakteristiken
zu erzeugen, z.B. azimutal oder gegebenenfalls auch vertikal geschwenkte
Beams, das heißt
Radarkeulen, deren Maximum nicht in die zum Frontend senkrechte
sondern in davon abweichende Richtungen weist. Auch die Antennen 41 und 42 könnten bereits
so ausgelegt werden, dass ihre Hauptstrahlrichtungen bereits von
der senkrechten des Frontends abweichende Richtungen besitzen, um
z.B. bestimmte Einbauszenarien am Fahrzeug zu ermöglichen, bei
denen der Sensor z.B. nicht senkrecht zur Fahrzeugachse verlaufen
kann.
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Üblicherweise
strahlt die jeweils verwendete Sendeantenne 41 oder 42 oder
gegebenenfalls weitere ein moduliertes 77 GHz Signal ab. Hierbei
kann es sich z.B. um ein FMCW, Puls, FSK, Pseudonoise (PN) oder
auch um weitere übliche
Radar-Modulationsverfahren,
oder auch um Kombinationen der genannten Verfahren handeln.
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Der
77 GHz Umschalter 40 dient der Umschaltung zwischen den
unterschiedlichen Sendeantennen, das heißt im Schaltmodus a) sendet
nur die Antenne 41 und im Schaltmodus b) nur Antenne 42. Mit
weiteren Schaltmodi können
gegebenenfalls weitere Antennen mit weiteren speziellen Sendecharakteristiken
die zur Verfügung
stehende Sendeleistung abstrahlen. Derartige 77 GHz Umschalter sind
bereits in integrierter Technologie (MMICs) verfügbar, können aber auch durch Verwendung
sogenannter pin-Dioden
in einem diskreten Aufbau realisiert werden.
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Die
Empfangseinheit 5 mit den empfangenden Einzelstrahlern 51 und 52 und
gegebenenfalls weiterer dient zur Aufnahme der an einzelnen Objekten
reflektierten Wellen. Je nach Modulationsart kann aus einem Frequenzversatz,
einem Laufzeit- oder einem Phasenunterschied zum Sendesignal auf
den Abstand und über
den sogenannten Doppler-Effekt auch auf die Relativgeschwindigkeit
dieser Objekte geschlossen werden. Desweiteren fallen die reflektierten
Wellen auf den parallelen, empfangenden Einzelstrahlern schräg und daher
mit unterschiedlichen Phasenbeziehungen ein, sofern diese Objekte
eine seitliche Ablage zur Normalen des Antennenfrontendes aufweisen.
Durch Analyse dieser Phasenbeziehungen lässt sich auch die Winkelablage
dieser Objekte berechnen. Klassische Verfahren wie das Monopuls-Verfahren
führen
diese Analyse durch einen Betragsvergleich mehrerer Empfangssignale
von einander azimutal überlappenden
Strahlkeulen durch. Das Monopuls-Verfahren kann man sowohl mit sogenannten
analog geformten Strahlkeulen durchführen, die man z.B. über eine
dielektrische Linse erzeugen kann, oder aber man erzeugt diese überlappenden
Strahlkeulen erst durch digitale Signalverarbeitung (digitale Strahlformung)
in der Auswerteeinheit. Ein anderes Verfahren wäre das horizontale Abscannen
des Erfassungsbereichs mit nur einer Strahlkeule. Hierbei wäre dann
die Winkelablage aus der Amplitudenverteilung über den Winkel zu bestimmen.
Aber bei allen diesen sogenannten klassischen Winkelschätzverfahren
ist die Trennfähigkeit auf
die Halbwertsbreite (n) der Strahlkeule (n) begrenzt.
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Die
hier beschriebene Erfindung bezieht sich bezüglich der Empfangseinheit insbesondere
auf die digitale Strahlformung. Hierbei werden zunächst die parallel
in der Empfangseinheit anliegenden Empfangssignale mehrerer Empfangs-Einzelstrahler über eine
Mischereinheit 50 ins analoge Basisband herabgemischt,
verstärkt
und gefiltert, digitalisiert und in der Prozessoreinheit mit komplexen
Gewichtungsfaktoren multipliziert und schließlich addiert, d.h. es wird
eine Korrelation, insbesondere gewichtete Summation, verschiedener
Einzelstrahler im digitalen Bereich vorgenommen. Dieser Ansatz ergibt
dann ebenfalls strahlgeformte Signale, jedoch auf ausschließlich digitale
Art. Für
die Winkelschätzung
können
auch das Monopuls-Verfahren oder das kontinuierliche Abscannen eingesetzt
werden. Darüber
hinaus sind aber auch Verfahren anwendbar, die nicht der Begrenzung
der Winkeltrennfähigkeit
auf die Halbwertsbreite der Strahlkeulen unterliegen. Diese sogenannten „unterraumbasierten
Parameterschätzverfahren" analysieren die
Korrelationseigenschaften der Empfangs-Einzelstrahler. Durch Zerlegung der empfangenen
Signale in einen sogenannten Signal- und Rauschunterraum ergibt sich die
Möglichkeit
einer sehr hohen Winkeltrennfähigkeit.
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Der
Leistungsteiler 3 kann in der Form eines sogenannten Wilkinson-Teilers,
eines sogenannten T-Teilers, eines Ringhybrids oder eines Leitungskopplers
realisiert sein. Weitere Ausführungsformen sind
eine planare Linse, z.B. Rotman-Linse, oder ein Teiler mit einem/mehreren
integrierten Verstärkern (active
power splitter), der insgesamt als MMIC aufgebaut sein kann.
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Alle
77 GHz Leitungselemente werden vorzugsweise in Mikrostreifenleitertechnik
aufgebaut, die Erfindung ist davon jedoch unabhängig.
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Nachfolgend
werden alternative Ausführungsformen
sowie Realisierungsdetails aufgezeigt:
- – mehr als
zwei Sendeantennen,
- – mehr
als zwei Empfangs-Einzelelemente,
- – 77
GHz Quelle durch MMICs oder Gunn-Element realisiert,
- – 77
GHz Quelle durch eine PLL-Einheit und gegebenenfalls einen DRO stabilisiert
moduliert,
- – zwei
Quellen 21 gemäß 9 mit
unterschiedlichen Frequenzen f1 und f2 für
Sende- und Empfangszweig: damit arbeitet das System empfangsseitig
mit einer Zwischenfrequenz (Quellen können sich z.B. durch Teiler/PLL
oder Vervielfachung auf eine Referenz 20 beziehen).
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10 zeigt
eine erste Ausführungsform des
Umschalters 40 innerhalb der Sendeeinheit 4 in Form
von Umschaltung zwischen den Antennen 41 und 42 und 11 eine
Ausführungsform
in Form der Zu-/Abschaltung von Elementen innerhalb einer Antenne:
es wird zwischen den Antennen 41 (Teil der gesamten Antenne)
und 42 (gesamte Antenne) umgeschaltet.
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Die 12 bis 14 zeigen
die Empfangseinheit 5 erweitert um LNA (Low Noise Amplifier) 70, Multiplex-Einheit 71 und
ZF-Vorverstärker 72.
In einer ersten Variante gemäß 12 wird
die Mischer-Einheit 50 erweitert um LNA 70 und/oder ZF-Vorverstärker 72.
In einer zweiten Variante gemäß 13 schaltet
eine Multiplex-Einheit 71 mehrere
Empfangsantennen 51, 52 sukzessiv auf die Mischereinheit 50,
die um LNA 70 und/oder ZF-Vorverstärker 72 erweitert
sein kann. Die Multiplex-Einheit dient zur Reduzierung der Anzahl
der weiterzuverarbeitenden Empfangskanäle. In einer dritten Variante
gemäß 14 schaltet
die Multiplex-Einheit 71 mehrere Empfangsantennen 51, 52 mit
zugehörigen
LNAs 70 sukzessiv auf die Mischereinheit 50, die um
LNA und/oder ZF-Vorverstärker
erweitert sein kann. Letztere Variante ist vorteilhaft, wenn das
Rauschen der Multiplex-Einheit zu hoch ist.
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15 zeigt
eine Erweiterung der Tx-LO-Verteilung mit Verstärkern, die an einer oder mehrere
der Positionen 80, 81, 82, 83 eingesetzt werden
können.
Vorverstärker 80 zwischen
Tx-Rx Leistungsteiler 3 und der Mischereinheit 50 der
Empfangseinheit 5 oder Vorverstärker 81 innerhalb
der LO-Verteilung in der Empfangseinheit auf die einzelnen Mischer
dienen zur Bereitstellung der erforderlichen Lokaloszillator-Leistungspegel
für einen
ausreichend guten Mischprozess (bezüglich der Mischer-Konversionsverluste
und des Mischer-Zusatzrauschens). Ihre Verwendung ist abhängig von der
Auslegung des Leistungsteilers 3, der Anzahl der Empfangs-Einzelstrahler
und des gewählten Mischerkonzepts.
Alternativ/zusätzlich
kann auch ein Verstärker 82 zwischen
Tx-Rx-Leistungsteiler 3 und der
Sendeeinheit 4 oder ein oder mehrere Verstärker 83 zwischen
Antennenumschalter 40 und einer oder mehrerer Sendeantennen 41, 42 eingesetzt
werden.
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Leistungsteiler 3,
Umschalter 40, Mischereinheit 50, um LNAs 70 erweiterte
Mischereinheit, Multiplex-Einheit 71, Vorverstärker 80 und
ZF-Vorverstärker 72 können zum
Teil diskret aufgebaut, teilweise hochintegriert in MMICs oder auch
alle gemeinsam in ein MMIC hochintegriert sein. Die Bündelungseigenschaften
in Elevation der Sendeantennen 41, 42 und gegebenenfalls
weiterer können
unterschiedlich sein. Die Bündelungseigenschaften
in Elevation der Empfangs-Einzelstrahler 51, 52 und
gegebenenfalls weiterer können
ebenfalls unterschiedlich sein.
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In
Automobilradarsystemen wird häufig
eine FMCW (frequency-modulated continous wave)-Modulation eingesetzt.
Um Abstands- und Geschwindigkeitsinformation voneinander trennen
zu können, müssen zwei
oder mehrere Modulationsrampen mit unterschiedlichen Parametern
(z.B. Rampensteigung) verwendet werden. Die erforderliche Zuordnung
der durch die Ziele in den einzelnen Rampen erzeugten Frequenzlinien
zueinander ist besonders schwierig bei separater Verarbeitung/Digitalisierung der
Signale von (planaren) Einzelelementen (wie sie z.B: für die unterraumbasierten
Parameterschätzverfahren
eingesetzt werden), weil empfangsseitig keine Beschränkung der
Antennencharakteristik in Azimut oder bestenfalls eine Beschränkung auf
den Bereich des Nahbereichs-/MRR-/Modus existiert. Es werden also
prinzipiell Reflexionen von allen Zielen im Erfassungsbereich der
Empfangsantenne empfangen, so dass die Zuordnung der Frequenzlinien
zueinander schon allein durch die Anzahl der Ziele sehr schwierig
wird. Besonders im Fernbereich kann die Anzahl detektierter Ziele
im Erfassungsbereich der Empfangsantennen extrem groß werden.
Daher muss durch zusätzliche
Maßnahmen
soweit wie möglich
sichergestellt werden, dass nur Signale von Zielen empfangen oder
verarbeitet werden, die für
den jeweiligen Betriebszustand relevant sind. Dazu dienen vorzugsweise
folgende Maßnahmen:
- – die
Charakteristik der Sendeantenne für den Fernbereich wird auf
einen relativ schmalen Winkelbereich in der Größenordnung von ±4° bis ±8° beschränkt, so
dass auf der Autobahn Kurven noch hinreichend ausgeleuchtet werden,
ansonsten aber nur Ziele im Fahrschlauch bestrahlt werden. Die Nebenkeulen
der Sendeantenne müssen außerdem möglichst
stark unterdrückt
werden, weil Ziele im Nahbereich, auch z.B. Leitplanken, die über die
Nebenkeulen bestrahlt werden, sonst zu relativ starken Empfangssignalen
führen
würden.
- – Damit
wird es notwendig, einen zweiten Betriebszustand für den Nahbereich
einzuführen.
In diesem Betriebszustand wird eine Sendeantenne mit breiter azimutaler
Strahlcharakteristik verwendet, weil für Applikationen im Stadtverkehr,
- z.B. Staufolgefahren, Pre-Crash-Funktionen usw. ein großer Winkelbereich
in Azimut, z.B. ±60°, abgedeckt
werden muss.
- – Da
im Betriebszustand Nahbereich keine sehr hohe Reichweite gefordert
wird, kann die Sendeleistung zusätzlich
zum sowieso niedrigerem Antennengewinn wegen der breiten Hauptkeule
gekoppelt an die Umschaltung auf den Nahbereich reduziert werden.
Dies verringert in erwünschter Weise
die Reichweite.
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Ziele,
die nicht im Entfernungsbereich liegen, der vom jeweiligen Betriebszustand
abgedeckt wird, können
für FMCW-Modulation
durch einen mit dem Betriebszustand umgeschalteten passenden Filter für die Basisbandsignale
unterdrückt
werden. Die Basisband-Frequenz, die durch die Entfernung hervorgerufen
wird, ist deutlich größer als
die Basisband-Frequenz durch die Dopplerverschiebung. Damit können z.B.
mit einem Hochpassfilter für
den Fernbereich die nahen Ziele und mit einem Tiefpassfilter für den Nahbereich
die entfernten Ziele unterdrückt
werden. Für
die Eckfrequenzen des Filters muss wegen der Entfernungsunsicherheit,
bedingt durch die Dopplerkomponenten, eine gewissen Überlappung
der Durchlassbereiche vorgesehen werden. Die genannte Filtercharakteristik
wird üblicherweise
noch von einer zusätzlichen
Hochpass-Charakteristik überlagert.
Letztere dient dazu, die Entfernungsdynamik (Empfangsleistung ist
proportional R–4) teilweise auszugleichen.
Die Parameter der Modulation (z.B. Rampensteigung bei FMCW) sind
entsprechend zu wählen.
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Die
hier beschriebene Reduktion der Anzahl detektierter Ziele auf den
im jeweiligen Entfernungsbereich relevanten Winkelbereich wirkt
sich außerdem
günstig
auf das Tracking der Ziele aus. Im allgemeinen ist die Qualität der Zieldetektionen
eines FMCW-Rampendurchlaufs
nicht so gut, dass alle Ziele mit Sicherheit erkannt und in ihrer
Position bestimmt werden. Weiterhin treten Geisterechos und nicht
eindeutig auflösbare
Zuordnungen der Frequenzlinien auf. Diese Unsicherheiten lassen
sich beseitigen, wenn Ziele über
mehrere Rampendurchläufe
in einer Zielliste gespeichert und verfolgt werden, gegebenenfalls
mit Prädiktion
der zu erwartenden Position und Bestätigung eines Ziels erst nach
mehrmaliger konsistenter Detektion. Dieses sogenannte Tracking wird
umso schwieriger und rechenaufwendiger, je mehr Ziele zu verarbeiten
sind. Eine Reduktion der Anzahl zu verarbeitender Ziele ist auch
hier sehr hilfreich.
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Ein
Bereich des Eingangspegels von –120
... +5 dBm sollte von der Eingangsstufe (Mischer) gegebenenfalls
LNA toleriert werden. Im Modus Fernbereich ist dabei eine Übersteuerung
der Eingangsstufe akzeptabel, solange ausschließlich Intermodulationsprodukte
der starken Signale aus dem Nahbereich auftreten. Diese Intermodulationsprodukte
liegen im Basisband genau wie die zugehörigen Eingangssignale bei niedrigen
Frequenzen und werden durch den oben beschriebenen umschaltbaren
Filter entfernt. Im Modus Nahbereich muss die Sendeleistung hingegen
so weit abgesenkt werden, dass keine Übersteuerung und Intermodulation
mehr auftritt.
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Für die Digitalisierung
mit hinreichend schnellen und preisgünstigen A/D-Wandlern muss die
Dynamik im Basisband auf einen Bereich von ca. 60 dB (10 Bit) beschränkt werden.
Dies geschieht im Modus Fernbereich durch die Hochpass-Charakteristik
des NF-Signalpfades, wodurch Anteile bei niedrigeren Frequenzen
unterdrückt
werden. Durch eine Reduktion der Sendeleistung im Nahbereich können die
Anforderungen an das umschaltbare Filter und an die damit verbundene
Umschaltung der NF-Verstärkung
reduziert werden.
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Wenn
der Spalten-Abstand größer ist
als halbe Freiraumwellenlänge
ist, treten Mehrdeutigkeiten in der Winkelbestimmung auf (analog
zu grating lobes = höhere
Beugungsordnungen bei der Strahlformung). Daher darf der Spaltenabstand
entweder nicht signifikant größer sein
als eine halbe Freiraumwellenlänge
oder es müssen
die Nebenkeulen der Sendeantenne im Bereich der Grating lobes so
klein sein, dass dort keine Ziele mehr detektiert werden.
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Die
Höhe der
Ziele in Elevation beträgt
maximal 4 m (LKW) typisch ca. 2 m. Da nicht von vornherein bekannt
ist, welche Bereiche eines Fahrzeugs die stärksten Radarziele darstellen,
sollten PKWs und Motorräder
im Fernbereich ungefähr
auf ihrer vollen Höhe
bestrahlt werden (LKWs bieten im allgemeinen wesentlich stärkere Radarziele).
Im Nahbereich müssen
Ziele nicht in voller Höhe
erfasst werden, weil durch den geringeren Abstand auch schwächere Reflexionszentren
am Ziel ein hinreichendes Empfangssignal erzeugen. In der Breite
der Strahlkeule sollte außerdem
eine gewissen Toleranz gegen Nicken und/oder Beladung des Fahrzeugs
enthalten sein. Ein Öffnungswinkel
von typisch 3 bis 4° ist
damit hinreichend für
Fernbereich (2 m Höhe
in 30 m Entfernung). Gleichzeitig reduziert diese schmale Hauptkeule
Reflexionen vom Boden, die zu unerwünschten Signalen bzw. zu nicht-existierenden
Zielen (clutter) führen.
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Ein Öffnungswinkel
von 4° beleuchtet
jedoch bei 3 m Abstand in der Höhe
nur noch einen Bereich von ca. 20 cm, in dem sich ein Reflexionszentrum
befinden müsste.
Daher ist eine Vergrößerung des Öffnungswinkels
für Nahbereich
auf ca. 5 bis 20° (1
m Höhe
in 3 ... 10 m Entfernung) notwendig. Dabei sollte es ausreichen,
die Bereiche, in denen üblicherweise
die stärksten
Reflexionen auftreten (Nummernschild und umgebende Bereiche, Radkästen, ...)
zu bestrahlen.
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Nachfolgende
werden die wichtigen Merkmale nochmals zusammengefasst:
- – Antennenumschaltung
der Sendeantenne für zwei
Entfernungsbereiche,
- – Nahbereich:
möglichst
breite und flache Charakteristik für Detektion von Radarzielen
bis zu einer ersten Entfernungsgrenze (bzw. Frequenzgrenze bei FMCW-Modulation),
- – Fernbereich:
Hauptkeule so gestaltet, dass der Fahrschlauch auf Autobahnen oder
Landstraßen unter
Einbeziehung typischer Kurvenradien abgedeckt wird (typischerweise ±8°, sinnvoller
Bereich etwa bis ±4° bis ±12°), und möglichst
geringe Nebenkeulen (typischerweise –30 dB und geringer); Verarbeitung
der detektierten Radarziele erfolgt erst ab einer zweiten Entfernungsgrenze
(bzw. Frequenzgrenze bei FMCW-Modulation),
- – Überlappung
der Entfernungsgrenzen,
- – Empfangsseitig
digitale Verarbeitung insbesondere mehrere Antennenspalten ins Basisband
geführt
und digitalisiert, wobei auch eine Umschaltung der Spalten auftreten
kann,
- – Spalten
der Empfangsantenne mit breiter Strahlcharakteristik in Azimut,
wie z.B. Einzelpatches in Elevation zu einer Spalte angeordnet.
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Optional
können
diese Merkmale noch mit mindestens einem der folgenden Merkmale
kombiniert werden:
- 1. Sendeantenne für Fernbereich
hat in Elevation eine relativ schmale Keule, ca. 3 bis 5°, Sendeantenne
für Nahbereich
hat in Elevation eine breitere Hauptkeule, z.B. 20°,
- 2. Umschaltung der Charakteristik des Basisband-Filters gegebenenfalls
mit Umschaltung der Verstärkung,
- 3. Reduktion der Sendeleistung für den Modus Nahbereich,
- 4. Modulationsumschaltung (FMCW-Parameter oder anderes Modulationsprinzip
(Doppler, Puls-Doppler, FSK)),
- 5. Schaltbare LNAs vor den Mischern,
- 6. Verwendung hoch auflösender
Winkelschätzverfahren
zusammen mit digitaler Strahlformung und klassischen Auswertemethoden.