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Die
Erfindung betrifft einen Radar-Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Derartige
Radar-Sensoren kommen als Sende-/Empfängermodule im Mikrowellen-
und Millimeterwellenbereich zur Ortung von Gegenständen im Raum
oder zur Geschwindigkeitsbestimmung beispielsweise von Fahrzeugen
zum Einsatz. Dabei sendet ein derartiger Radar-Sensor zur Ortung
von Gegenständen
im Raum und zur Geschwindigkeitsbestimmung höchstfrequente Signale in Form
elektromagnetischer Wellen aus, die vom Zielgegenstand reflektiert
werden und von dem Radar-Sensor wieder empfangen und weiterverarbeitet
werden. Oft werden dabei auch mehrere derartige Radar-Sensor zu einem
Gesamtmodul verschaltet.
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In
der nicht vorveröffentlichten
Anmeldung [Smi1]
DE 10
2004 059 332.9 ist ein Radar-Sensor beschrieben, der wenigstens einen
mit einer Steuerspannung verstimmbaren Oszillator umfaßt, wenigstens
einen Mischer und wenigstens eine Antenne zum Senden und Empfangen
höchstfrequenter
Signale. Der Mischer mischt das Empfangssignal mit dem Signal des
Oszillators und gibt ein demoduliertes Signal aus. Der wenigstens
eine Oszillator, der wenigstens eine Mischer und die wenigstens
eine Antenne sind auf einem einzigen Chip in einer Ebene nebeneinander
liegend angeordnet. Dieser Radar-Sensoren ist auf eine Frequenz
von 77 GHz abgestimmt, die sehr häufig in Automobilen zum Einsatz
kommt, beispielsweise bei der Verwendung derartiger Radar-Sensor
für das
sogenannte Abstands-Warnradar, welches zur Bestimmung des Abstands
eines vor einem Fahrzeug fahrenden weiteren Fahrzeugs und zur Ausgabe
von Warnhinweisen bei Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes
des Abstands oder zur Regelung des sicherheitsrelevanten Abstandes
zum Vorderfahrzeug (ACC). Derartige Radar-Sensoren sind nur in einem
definierten Frequenzbereich funktionsfähig. Neben den erwähnten 77
GHz kommen beispielsweise beim Einsatz in Automobilen auch Frequenzbereiche
in der Umgebung von 79 GHz zur Anwendung. Darüber hinaus werden für andere
Anwendungen Frequenzen in der Umgebung von 122 GHz eingesetzt. Für jeden dieser
beiden Frequenzbereiche sind bisher zwei unterschiedliche Hochfrequenz-Chips
erforderlich, die sich im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Antennen
und hinsichtlich der Oszillatoren unterscheiden. Die übrigen Schaltungsteile
derartiger Radar-Sensoren sind jedoch unabhängig von der eingesetzten Frequenz im
Wesentlichen identisch. Die auf dem Chip integrierte Antenne kann
als Patch mit einer etwa der halben Wellenlänge der elektromagnetischen
Strahlung entsprechenden Länge
ausgeführt
werden. Eine kompaktere Antenne ergibt sich durch die Verwendung
eines einseitig kurzgeschlossenen, etwa eine Viertel Wellenlänge langen
Patches, das als Erregerelement fungiert. Damit wird ein an den
gewählten Frequenzbereich
angepasster Resonator angeregt, der in einem bestimmten vorgegebenen
Abstand über
dem Chip angeordnet wird.
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Das
Erfordernis, für
Anwendungsbereiche, welche unterschiedliche Sende-/Empfangsfrequenzen
voraussetzen, unterschiedliche Chips einzusetzen, ist nicht nur
im Hinblick auf die Lagerhaltung, Logistik und dergleichen nachteilig.
Auch der Kostenaufwand bei der Entwicklung einschließlich der
sehr teuren Maskenherstellung ist mit zwei Halbleiterchips doppelt
so hoch. Ebenso nimmt der Herstellungsaufwand hierdurch zu.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Radar-Sensor
so weiterzubilden, dass er ohne großen Aufwand bei unterschiedlichen
Frequenzen, insbesondere bei Frequenzen in der Umgebung von 79 GHz
und bei Frequenzen in der Umgebung von 122 GHz eingesetzt werden
kann. Der Flächenbedarf
eines derartigen Radar-Sensors soll dabei nicht wesentlich größer als derjenige
eines bekannten Radar-Sensors
für eine einzige
Frequenz sein.
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Vorteile der
Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Radar-Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Grundidee
der Erfindung ist es, neben einer ersten Antenne, die auf den ersten
Frequenzbereich abgestimmt ist, eine zweite inaktive Antenne, welche auf
den zweiten Frequenzbereich abgestimmt ist, anzuordnen. Die Erfindung
macht dabei von der zunächst
vermuteten und dann durch Simulation nachgewiesenen Erkenntnis Gebrauch,
dass eine solche zweite inaktive Antenne den gesamten Radar-Sensor
nur unwesentlich verstimmt. Neben der zweiten Antenne ist auf dem
Chip auch ein zweiter Schaltungsteil angeordnet, der wenigstens
einen zweiten auf einen anderen Frequenzbereich abgestimmten Oszillator
und wenigstens einen zweiten Mischer aufweist. Hierdurch wird der
Chip praktisch durch einen zweiten Hochfrequenzteil, umfassend wenigstens Oszillator,
Mischer und gegebenenfalls Schalter zum Umschalten zwischen den
Frequenzen erweitert.
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Der
Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass für alle Anwendungen bei 79 und
122 GHz nur ein einziger Chip erforderlich ist. Hierdurch werden nicht
nur die Herstellungskosten deutlich reduziert, auch die Logistik
wird deutlich vereinfacht, da nur ein Chip für unterschiedliche Anwendungen
bei unterschiedlichen Frequenzen vorgehalten werden muss.
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Da
die zweite Patch-Antenne auf einer Fläche angeordnet ist, die bei
an sich bekannten Radar-Sensorn frei bleiben muss, entsteht durch
die zweite Patch-Antenne kein zusätzlicher Flächenbedarf und bei ihrer Herstellung
zudem keine Zusatzkosten. Darüber
hinaus hält
sich auch die zusätzlich benötigte Fläche für die weiteren
Schaltungselemente in Grenzen und beträgt etwa 10 bis 25%. Neben den
funktionalen Schaltkreisen auf einem Chip wird die notwendige Fläche auch
oftmals wesentlich von den notwendigen Kontaktflächen des Chips zu einem umgebenden
elektronischen Schaltungsträger
bestimmt, z.B. durch Bondlandeplätze
für die
Bondkontakte zu einer Leiterplatte. Wird das Schaltungslayout auf
dem HF-Chip geschickt gestaltet, kann es sogar Lösungen geben, die überhaupt
keinen zusätzlichen Flächenbedarf
benötigen.
Gleiches ist auch dann möglich,
wenn die Chipgröße wegen
vorgegebener Fertigungsrastermaßen
so gewählt
werden muss, dass sonst freie Fläche übrig bliebe.
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Weitere
Vorteile und Merkmale sind Gegenstand der auf Anspruch 1 rückbezogenen
Unteransprüche.
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So
sieht eine sehr vorteilhafte Ausführungsform vor, dass wenigstens
einer der beiden Schaltungsteile nur einen Mischer umfaßt. Diesem
Mischer jeweils zugeordnet sind bevorzugt jeweils Richtkoppler für den Sende-
und den Empfangspfad.
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Die
Antennen sind vorteilhafterweise sogenannte Patch-Antennen, wobei
die wenigstens eine erste Patch-Antenne und die wenigstens eine
zweite Patch-Antenne punktsymmetrisch zur senkrechten Antennenachse
angeordnet sind.
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Bevorzugt
sind auch jeweils die den beiden Patch-Antennen zugeordneten Schaltungsteile punktsymmetrisch
zur senkrechten Antennenachse, insbesondere sind die jeweils den
Patch-Antennen zugeordneten Kontakte am Chiprand punktsymmetrisch
zur senkrechten Antennenachse angeordnet.
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Jede
der beiden Patch-Antennen wird jeweils von einem Oszillator mit
den entsprechenden Betriebsfrequenzen gespeist. Dabei ist die wenigstens
eine erste Patch-Antenne
auf eine erste elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz zwischen 75
und 82 GHz, insbesondere 79 GHz, und die wenigstens eine zweite
Patch-Antenne auf eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einer
Frequenz zwischen 116 und 128 GHz, insbesondere 122 GHz, derart
abgestimmt, dass das Verhältnis
der beiden Frequenzen keine natürliche
Zahl ist. Dem liegt die oben bereits erwähnte Erkenntnis zugrunde, dass der
Radar-Sensor durch eine zweite inaktive Patch-Antenne nur unwesentlich
beeinflußt,
insbesondere nur wenig verstimmt wird. Voraussetzung hierfür ist, dass
gegenseitig keine Resonanzen bei merkbar höheren Moden auftreten. Mit
einem ungeraden Verhältnis
der beiden Frequenzen zueinander kann diese Forderung erfüllt werden.
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Die
wenigstens eine erste kurzgeschlossene Patch-Antenne weist bevorzugt
eine Länge
auf, die etwa einem Viertel der Wellenlänge der ersten elektromagnetischen
Strahlung entspricht. In entsprechender Weise weist die wenigstens
eine zweite kurzgeschlossene Patch-Antenne eine Länge auf
die etwa einem Viertel der Wellenlänge der zweiten elektromagnetischen
Strahlung entspricht.
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Über der
wenigstens einen ersten Patch-Antenne und der wenigstens einen zweiten
Patch-Antenne ist
ein Resonator angeordnet, dessen Abmessungen entweder auf den Frequenzbereich
der ersten elektromagnetischen Strahlung oder auf den Frequenzbereich
der zweiten elektromagnetischen Strahlung abgestimmt sind.
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Die
Größe des Resonators,
gebildet durch eine im Wesentlichen eben ausgebildete metallische Rechteckfläche, richtet
sich nach dem gewünschten Einsatzzweck
des Radar-Receivers.
Der Resonator weist dabei eine Länge
auf, die im Wesentlichen einer halben Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen
Strahlung entspricht, und einer Breite, die kleiner als die Länge ist.
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Der
erfindungsgemäße Radar-Sensor
ist damit auch hinsichtlich seiner Größenverhältnisse optimal gestaltet.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Radar-Sensors;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Radar-Sensors;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Radar-Sensors;
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4a,
b die Anordnung von Resonatoren über
Patch-Antennen der in 1 bis 3 dargestellten
Radar-Sensoren und
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5a bis h unterschiedliche Layouts der Patch-Antennen
für die
in 1 bis 3 dargestellten Radar-Sensoren.
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Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
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Ein
Radar-Sensor ist, wie in 1 dargestellt, als ein einziger
Chip 100 realisiert. In der Ebene des Chips 100 sind
nebeneinander liegend angeordnet jeweils ein Oszillator 105,
welcher die erste Frequenz f1 erzeugt, und ein Oszillator 110,
welcher die zweite Frequenz f2 erzeugt. Eine Schaltung 115 dient
der Frequenzauswahl. Diese Schaltung 115 steuert Schalter 116, 117, 118 an.
Sie steuert darüber hinaus
eine Schaltungseinheit für
die Niederfrequenz- und Zwischenfrequenzelektronik 120 an.
Auf einer Antennen-Sperrfläche 130 sind
zwei Patch-Antennen 131 und 132 angeordnet. Jedem
der beiden Oszillatoren 105, 110 sind jeweils
Richtkoppler 141, 142, die auf die Frequenz f1
abgestimmt sind, sowie Richtkoppler 151, 152,
die auf die Frequenz f2 abgestimmt sind, nachgeschaltet. Der Chip 100 weist
ferner eine gemeinsame Masse 200 auf. Ein jeweils erster
Richtkoppler 141 bzw. 151 ist jeweils im Sendepfad
dem Oszillator 105 bzw. 110 nachgeschaltet und führt jeweils
auf einen Mischer 145 bzw. 155. Ein zweiter Richtkoppler 142 ist
jeweils im Empfangspfad zwischen der Patch-Antenne 131 und
dem Mischer 145 bzw. zwischen der Patch-Antenne 132 und
dem Mischer 155 angeordnet. Durch die Anordnung von zwei
Richtkopplern 141, 142 bzw. 151, 152 in
den beiden, den jeweiligen Frequenzen f1, f2 zugeordneten Schaltungsteilen
ist jeweils nur ein Mischer 145 bzw. 155 erforderlich.
Abhängig
von der Stellung der Schalter 116, 117, 118 und
damit von der in dem Schaltungsteil 115 vorgenommenen Frequenzauswahl
funktioniert der Sensor entweder als Sensor, der elektromagnetische
Wellen der Frequenz f1 sendet und empfängt oder als Sensor der elektromagnetische
Wellen der Frequenz f2 sendet und empfängt.
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Weitere
erforderliche, an sich bekannte Schaltungsteile, wie beispielsweise
eine Phasenregelkreis-Schaltung, die ebenfalls in der Chipebene angeordnet
ist, sind nicht dargestellt.
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Der
Vorteil der in 1 dargestellten Schaltung besteht
darin, dass nur eine Schaltungseinheit 120 für die Niederfrequenz-
und Zwischenfrequenzelektronik vorgesehen ist.
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Im
Gegensatz hierzu unterscheidet sich das in 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel
von dem in 1 dadurch, dass statt einer
gemeinsamen Schaltungseinheit 120 für die Niederfrequenz- und Zwischenfrequenzelektronik,
welche beide Frequenzen f1 und f2 verarbeitet, hier jeweils eine
separate Schaltungseinheit 121 und 122 vorgesehen
ist, die jeweils Teil der den Frequenzen f1 und f2 zugeordneten
Schaltungsteile ist. Ansonsten sind gleiche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen wie in 1 versehen, sodass bezüglich deren
Beschreibung auf das Vorstehende Bezug genommen wird. Der Flächenzuwachs
bei dem in 1 dargestellten Radar-Sensor
gegenüber
einem Radar-Sensor
mit nur einer Patch-Antenne beträgt
etwa 15%. Bei dem in 2 dargestellten Radar-Sensor
beträgt
dieser Flächenzuwachs
etwa 20%.
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Das
in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem in 2 dargestellten dadurch, dass
die beiden Schaltungsteile, umfassend jeweils den Oszillator 105 bzw. 120,
den Mischer 145 bzw. 155, die beiden Richtkoppler 141, 142 bzw. 151, 152 und
die beiden Schaltungseinheiten für
die Niederfrequenz- und Zwischenfrequenzelektronik 121, 122 punktsymmetrisch
zur senkrechten Antennenachse angeordnet sind. In diesem Falle sind
auch zwei unterschiedliche Massen 205, 210 vorgesehen,
die den beiden Schaltungsteilen zugeordnet sind. Der Vorteil dieser
Anordnung besteht darin, dass durch die Trennung der beiden Schaltungsteile
Störungen
der einen Antenne und des dieser zugeordneten Schaltungsteils aufgrund
der jeweils anderen Patch-Antenne und des dieser zugehörigen Schaltungsteils
reduziert werden. Von besonderem Vorteil bei diesem Ausführungsbeispiel
ist es auch, dass die Patch-Antennen 131, 132 im
Zentrum des Chips angeordnet sind, wohingegen die Kontaktpads an
den Chiprändern
angeordnet sind. Hierdurch kann der Chip bei der Montage ohne Beachtung
der Richtung in eine umgebende Schaltung oder auf dem Träger angeordnet
werden. Voraussetzung hierfür
ist, dass dies auf der dortigen Schaltung vorgesehen ist, bzw. ein
rein mechanischer Träger
ebenfalls punktsymmetrisch ausgestaltet ist. Die HF-Massen sind
in diesem Falle nicht voneinander getrennt.
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Die
Patch-Antennen 131, 132 selbst weisen jeweils
Breiten- und Längenmaße auf,
die an die beiden Frequenzen f1 und f2 angepasst sind. Die Länge der
beiden kurzgeschlossenen Patch-Antennen 131, 132 entspricht
etwa jeweils einem Viertel der Wellenlänge der ausgesandten elektromagnetischen
Strahlung mit der Frequenz f1 bzw. mit der Frequenz f2.
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Über den
beiden Patch-Antennen ist, wie in 4a und 4b dargestellt,
jeweils ein Resonator 305, 307 angeordnet, dessen
Breite, Länge
und Abstand von den beiden Patch-Antennen 131, 132 entweder
an die Frequenz f1 oder an die Frequenz f2 angepaßt ist.
Die Breite, die Länge
und der Abstand der Resonatoren 305 bzw. 307 bei
den beiden Frequenzen f1 und f2 wird vorteilhaft durch geeignete
Simulationsprogramme berechnet und optimiert. Die Frequenz f1 liegt
im Bereich 75 bis 82 GHz, sie beträgt insbesondere 79 GHz und
die Frequenz f2 liegt im Bereich 116 bis 128 GHz, sie beträgt insbesondere
122 GHz. Das Frequenzverhältnis
f2/f1 wird so gewählt,
dass es ungleich einer natürlichen
Zahl ist. Bei f2 = 122 GHz und f1 = 79 GHz entspricht das Verhältnis f2/f1
= 1,54.
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Die
Idee, die dem vorstehend beschriebenen Radar-Sensor zugrunde liegt,
basiert darauf, dass die sogenannte Antennensperrfläche 130 für zwei Patch-Antennen 131, 132 genutzt
wird. Grundidee ist es hierbei, ein zweites, zunächst inaktives Patch als virtuelle
Masse wirken zu lassen, welche die gesamte Anordnung nur unwesentlich
verstimmt. Die Voraussetzung hierfür ist, dass gegenseitig keine
Resonanzen bei merkbar höheren
Moden auftreten. Diese Voraussetzung ist bei dem vorgenannten Frequenzverhältnis f2/f1
ungleich einer natürlichen
Zahl gegeben.
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Die
vorstehenden Ergebnisse sind nahezu unabhängig davon, ob das jeweils
andere Antennen-Patch 131 bzw. 132 am Eingang
offen ist oder mit beispielsweise einem geringen Widerstand von etwa
50 Ohm abgeschlossen wird. Es ist insbesondere nicht notwendig,
für den
jeweiligen Teil die nicht benutzte Patch-Antenne 131 bzw. 132 beispielsweise
mit einem Laserschnitt von dem jeweiligen Oszillator zu trennen.
Dies ist lediglich als Option realisierbar. Der Betrieb bei der
jeweils gewünschten
Frequenz f1 bzw. f2 wird nur durch programmiertes An- oder Abschalten
der jeweiligen Oszillatoren 105 bzw. 110 ausgewählt. Dies
kann vor oder auch nach der Montage eines entsprechenden Strahlerelementes erfolgen.
Vorteilhafterweise wählt
man die Frequenz erst nach der Resonatormontage, da die Frequenzauswahl
dann erst zusammen mit der Hochfrequenzprüfung erfolgt und somit Fehlbestückungen
vermieden werden.
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In 5a bis h sind acht Varianten von Patch-Antennen 131, 132 dargestellt,
wobei hier die Masseseite der beiden Patch-Antennen 131, 132 miteinander
verbunden ist. In 5 sind jeweils unterschiedlich
Layout-Varianten mit einer gemeinsamen zentralen Masse 133 und
Anschlußleitungen 134 und 135 dargestellt,
die auf einem Chip, dargestellt in 1 bis 3,
zum Einsatz kommen können.
Bei Anordnung der zwei Patches mit Verbindung der Masseseiten existieren
bezüglich
der Schaltungslayouts mehr Freiheitsgrade. Dadurch ist es unter
Umständen
möglich
die Chipfläche
und damit die Kosten weiter zu reduzieren.