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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Antennenanordnung mit mindestens einem
Primärstrahler.
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Seit
einigen Jahren sind im Bereich der Fahrerassistenzfunktionen mit
vorausschauenden Erfassungssystemen Radarsensoriken im Einsatz,
die primär
im Frequenzbereich 76 bis 77 GHz arbeiten. Diese werden bislang
noch im Oberklassensegment zur Realisierung der Assistenzfunktion „adaptiver
Tempomat" (ACC = „adaptive
cruise control")
im Geschwindigkeitsbereich 50 bis 180 km/h verwendet. An der Weiterentwicklung
der Systeme hin zu einer Verwendung auch im unteren Geschwindigkeitsbereich,
z. B. zur Realisierung eines automatischen Staufolgeverfahrens,
wird gegenwärtig
gearbeitet, bzw. die Funktion „Bremsen
bis zum Stillstand" (ohne
Wiederanfahren). Radarsensoren sollen zukünftig auch für andere
Komfort- und Sicherheitsfunktionen, wie Tote-Winkel-Überwachung, Rückfahr-
und Einparkhilfe oder „precrash"- Funktionen (Auslösen von
reversiblen Rückhaltesystemen,
Scharfschalten von Airbags usw., Prekonditionierung des Bremssystems,
automatische Notbremse) usw. Verwendung finden [1].
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Üblicherweise
arbeiten 77 GHz-Radarsensoren der ersten und zweiten Generation
mit Linsenantennen. Über
mehrere Speiseantennen, die sich in der Brennebene der Linse befinden,
werden mehrere sich partiell überlappende
Strahlkeulen ausgebildet (analoge Strahlformung). Dieses Prinzip
illustriert 1. Anhand der Signalamplituden
und/oder –Phasen
in den einzelnen Strahlkeulen wird die azimutale Winkelposition
des Zielobjektes bestimmt. Charakteristisch für Linsenantennen sind die relativ
große Bautiefe
von einigen Zentimetern, die sich durch den erforderlichen Abstand
der Speiseantennen (in der Brennebene) von der Linse ergibt.
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Ein
Radarsystem kann auch in einem planaren Aufbau mit planaren Antennen
realisiert werden, so dass die Bautiefe erheblich reduziert wird.
77 GHz Frontend mit digitaler Strahlformung und basierend auf Planarstrahlern
(Patchantennen) sind aus [2] bekannt. Auch die Veröffentlichungen
[1, 4, 5, 6, 7] beschreiben solche Systeme.
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Planare
Antennen in Automobilradarsensoren werden üblicherweise als Gruppenantennen
aufgebaut [1, 4, 5, 6, 7]. In Elevation werden dabei seriengespeiste
Antennenspalten eingesetzt, mit denen in Azimut eine Strahlformung
durchgeführt
wird. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Antenne ist in 2 skizziert.
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Vorteile der Erfindung
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Mit
den Maßnahmen
des Anspruchs 1, d. h. mit parasitär angekoppelten Antennenelementen
neben mindestens einem gespeisten Antennenelement in einem Mindestabstand,
der etwa gleich der halben Freiraumwellenlänge ist, lässt sich die Abstrahlung der
Antennenanordnung so beeinflussen, dass eine Verbreiterung der Strahlkeule
erzielbar ist. Als Antennenelemente können sowohl Einzelstrahler,
wie auch Gruppen von Einzelstrahlern eingesetzt werden. Dies führt zu folgenden
Vorteilen:
- – die Charakteristik der Antenne
wird gegenüber dem
Einzelstrahler verbreitert
- – es
wird kein zusätzlicher
Platz für
einen Leistungsteiler benötigt
- – es
treten nur sehr geringe Verluste auf.
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Damit
erfolgt tatsächlich
eine Anhebung des Antennengewinns im Randbereich (auf Kosten der Mitte)
und die Charakteristik nähert
sich einer Rechteck-Charakteristik an (mit einem Leistungsteiler
mit entsprechenden Verlusten kann zwar auch eine Verbreiterung der
Antennencharakteristik erreicht werden, durch die Verluste ist der
Gewinn im Randbereich aber typischerweise nicht signifikant größer, als für das Einzelelement)
- – die
Vermeidung von ohmschen Verlusten (und Strahlungsverlusten) in einem
Leistungsteiler wirkt sich besonders günstig aus bei hohen Frequenzen,
z. B. im Millimeterwellenbereich
- – es
treten keine Nebenkeulen und damit verbundene Nullstellen oder Minima
in der Strahlcharakteristik auf.
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In
den Unteransprüchen
sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen aufgezeigt.
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Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung erläutert.
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Es
zeigen
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1 die
Ausbildung mehrerer Strahlkeulen durch mehrere Speisungen bei einer
Linsenantenne,
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2 den
prinzipiellen Aufbau einer typischen Gruppenantenne für Automobilradar,
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3a bis
d die prinzipielle Anordnung von parasitäreren Antennenelementen mit
- a. einem Primärstrahler
- b. einem parasitäreren
Antennenelement in Elevation,
- c. ein parasitäres
Antennenelement auf jeder Seite des Primärstrahlers in Azimut,
- d. ein parasitäres
Antennenelement in Elevation und zwei parasitäre Antennenelemente symmetrisch
in Azimut, wobei der Abstand der äußeren Elemente ungefähr doppelt
so groß ist
wie der der inneren Elmente,
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4a den
prinzipiellen Aufbau einer Antennenspalte mit Serienspeisung,
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4b den
prinzipiellen Aufbau einer Antennenspalte mit paralleler Speisung,
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5a,
b einen Primärstrahler
und parasitäre
Antennenelemente als Spalten mit Serienspeisung, wobei in 5a Abschlüsse der
parasitären Spalten
mit End-Elementen und in 5b Abschlüsse mit
Abschusswiderständen
vorgesehen sind,
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6 die
Realisierung des Konzepts nach 5a mit
Patch-Elementen,
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7a eine
Aufsicht auf eine Antenneanordnung mit schlitzgekoppelten Patches,
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7b einen
Schnitt durch eine Antennenanordnung mit schlitzgekoppelten Patches,
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8 eine
Speisung in einer Ebene senkrecht zu den Antennenelementen,
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9 Messergebnisse
des Antennengewinns über
Azimut.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Zur
Realisierung planarer Antennen werden üblicherweise planare HF-Leitungen,
wie Mikrostreifen-, Koplanar-, Schlitzleitungen usw. eingesetzt.
Außerdem
können
folgende Modifikationen auftreten:
- – eine Metallisierung
der Substratunterseite,
- – mehrschichtige
Substrate, wobei auch metallische Schichten auftreten können
- – dielektrische
Schichten, die die metallischen Leiterbahnen überdecken.
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Als
Substrat dienen spezielle Mikrowellensubstrate, z. B. Kunststoff,
der mit Glasfasern verstärkt
oder mit Füllstoffen
versetzt sein kann, Keramik, Glas usw.
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Auf
dem Mikrowellensubstrat werden planare Antennen, beispielsweise
mit Patch-, Stub-, Schlitz- oder Dipolstrahlern aufgebaut. Beispiele
findet man z.B. in [3]. Zur Vergrößerung der Bandbreite werden
auch Strahlerelemente bestehend aus verkoppelten Einzelelementen,
wie z. B. nebeneinander angeordneten Patches oder in mehreren Substratschichten übereinander
angeordneten Patches verwendet. Für die Ankopplung dieser Strahlerelemente an
die Speisung gibt es verschiedene Konzepte, wie direkte Ankopplung,
kapazitive Ankopplung, Apertur- oder Schlitzkopplung oder Ankopplung über elektrische
Durchführungen.
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Als
wichtigste Konfigurationen der Speisung seien die Serienspeisung
[3] und die parallele, üblicherweise
gleichphasige Speisung („corporate
feed") genannt.
Das Leistungsverteilnetzwerk befindet sich entweder auf der gleichen
Metallebene wie die Antennenelemente oder auf der den Antennenelementen
gegenüberliegenden
Substratseite. In zweiterem Fall kann das Substrat eine innenliegende,
stellenweise unterbrochene Metallisierung besitzen, bzw. kann aus
mehreren und dielektrischen Schichten aufgebaut sein. Weiterhin
kann die Leistungsverteilung und Speisung auf einer innenliegenden
Substratschicht erfolgen.
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Die
Hauptkeule der Radarantenne eines Automobil-Radarsensors wird in
Azimut so ausgelegt, dass mit dem Sendesignal ein für die Applikation
hinreichender Winkelbereich bestrahlt wird. Für Anwendungen bei mittleren
bis langen Reichweiten (typisches ACC) ist ein Winkelbereich von ± 4° bis ± 8° im allgemeinen
hinreichend, um mehrere Fahrspuren der Straße, insbesondere Autobahn,
auch bei typisch auftretenden Kurvenradien zu bestrahlen.
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Beim
Radarsensor nach 1 werden zum Senden die gleichen
Strahlkeulen verwendet wie für den
Empfang (monostatisches System), wobei über alle Strahlkeulen gleichzeitig
ausgesendet wird, so dass die resultierende Strahlcharakteristik
der Summe der Strahlkeulen unter Berücksichtigung der Phasen der
einzelnen Strahlkeulen entspricht.
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Im
Radarsensor nach [2] wird eine separate Sendeantenne eingesetzt
(bistatisches System). Der vom Sensor abgedeckte azimutale Winkelbereich liegt
bei ± 10°. Für Applikationen,
die auf Nahbereichs-Radarsensorik „short range radar", SRR so aufbauen,
wird ein noch wesentlich größerer azimutaler
Erfassungsbereich gefordert. In [1] wird eine Größenordnung von +60° genannt.
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Um
eine in Azimut möglichst
breite Strahlkeule zu erreichen, verwendet man üblicherweise eine Antennenspalte,
bestehend aus in Elevation übereinander
angeordneten Einzelelementen 1, 3,
ist als Sendeantenne Tx eine einzelne Antennenspalte aus Patch-Elementen
skizziert. Damit ist jedoch eine 3dB-Breite der Strahlkeule in Azimut
in einer Größenordnung
von ± 60° nicht realisierbar,
je nach Polarisationsrichtung liegen die 3dB-Breiten der Strahlkeule
einfacher Patch-Elemente bei ca. ± 52° (E-Ebene) und ca. ± 41° (H-Ebene).
Letzterer Wert gilt für
die üblicherweise
eingesetzte direkte Serienspeisung (vergl. 6). Bei
Verwendung von übereinander
angeordneten verkoppelten Elementen („stacked patches” zur Erhöhung der
Bandbreite) wird die Strahlkeule üblicherweise schmaler.
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Wenn
man mehrere Antennenspalten nebeneinander anordnet, wird normalerweise
wegen der Vergrößerung der
Apertur die Strahlkeule in Azimut schmaler. Mit Hilfe bestimmter
Amplituden- und Phasenbelegungen der Antennespalten kann aber auch
eine Verbreiterung der Strahlkeule erreicht werden. Dieser Ansatz
besitzt jedoch den Nachteil, dass erstens Platz für einen
entsprechenden Leistungsteiler vorgesehen werden muss (vergl. 2)
und zweitens im Leistungsteiler zusätzliche Verluste entstehen.
Drittens können
Nebenkeulen auftreten. Insbesondere die mit den Nebenkeulen verbundenen
Nullstellen (oder Minima) in der Antennencharakteristik sind im
Beleuchtungsbereich des Radarsensors nicht akzeptabel.
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Bei
der Erfindung hingegen wird zur Verbreiterung der Strahlkeule des
mindestens einen Primärstrahlers 10 in
der Azimut- und/oder Elevationsebene mindestens ein weiteres parasitäres, insbesondere ebenfalls
planares Antennenelement 11 in der Azimut- und/oder Elevationsrichtung
parallel zu dem/den Primärstrahler/n 10 angeordnet,
wobei dieses mindestens eine weitere Antennenelement 11 lediglich
parasitär
durch elektromagnetische Feldkopplung an den Primärstrahler 10 angekoppelt
ist in einem Mindestabstand, der etwa gleich der halben Freiraumwellenlänge beträgt.
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Es
sind zwar parasitär
angekoppelte Antennenelemente in Form von Patch-Elementen zur Vergrößerung der
Bandbreite bekannt [8], [9]. Hierbei wird eine relativ starke Verkopplung
der Elemente genutzt, um die Bandbreite der Anordnung zu vergrößern. Dies
zeigt sich im Verhältnis
des Abstands der Elemente zu ihren Abmessungen: Die Schlitzbreite zwischen
den Elementen ist wesentlich kleiner als die Abmessungen der Elemente.
Im Gegensatz dazu ist der Abstand der parasitären Elemente bei der Erfindung
ungefähr
gleich der halben Freiraumwellenlänge. Bei üblichen Mikrowellenstrukturen
(die Elektrizitätszahl
von 3 und darüber)
resultiert daraus eine Schlitzbreite in der Größenordnung der Element-Abmessungen,
die damit wesentlich größer ist,
als die Schlitzbreite in [8], [9].
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Die
in [8] und [9] abgebildeten 3dB-Strahlkeulenbreiten sind deutlich
geringer als die bei der Erfindung erzielbaren Strahlkeulenbreiten.
Die in [8] und [9] beschriebenen Elemente bewirken also keine signifikante
Verbreiterung der Strahlkeule.
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In
[10] werden parasitär
angekoppelte Elemente dazu genutzt, die Direktivität einer
Gruppenantenne zu vergrößern, d.
h. die Strahlkeule schmaler zu machen.
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3 zeigt beispielhaft die erfindungsgemäße Anordnung
von parasitären
Antennenelementen (3a) 11 an einem Primärstrahler 10 mit
Einspeisung 40 in Elevation (3b) oder
in Azimut (3c) mit Abständen d1 zwischen Primärstrahler und
parasitären
Antennenelementen und als Kombination (3d) mit
einem parasitären
Antennenelement in Elevation E und zwei parasitären Antennenelementen symmetrisch
in Azimut A, wobei der Abstand d2 der äußeren Antennenelemente etwa
doppelt so groß ist
wie der der inneren.
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Planare
Antennen in Automobil-Radarsensoren werden üblicherweise in Mikrostreifenleitungs-Technologie aufgebaut.
Ein ein- oder mehrschichtiges Mikrowellensubstrat ist beidseitig
mit Metall beschichtet. Mindestens eine der beiden Metallschichten
ist strukturiert und bildet die Signalleitungsebene. In der Signalleitungsebene
sind die Speiseleitungen 20 der Antennenspalten und gegebenenfalls die
Sende-Empfangsmodule (oder Teile davon) angeordnet. Die andere Metallebene
bildet die Masse-Ebene. Unterhalb der Masse-Ebene können weitere
Substrat- und Metallebenen angeordnet sein, in denen z. B. die Niederfrequenz-Basisband- und Digital-Elektronik
zur Verarbeitung der Niederfrequenz-Basisband-Signale und zur Ansteuerung
und (digitalen) Signalverarbeitung aufgebaut sind. In Kombination
damit können
auch noch weitere Mikrowellensubstrat-Ebenen eingesetzt werden,
auf denen gegebenenfalls z. B. die Sende- und Empfangsmodule aufgebaut
werden. Oberhalb der Signalleitungs-Ebene können sich weitere Substrat-
und Metallebenen befinden, auf denen z. B. mehrere Antennenpatches übereinander
angeordnet werden, um die Bandbreite zu vergrößern oder sich die Ebenen mit
Schlitzstrahlern oder Koppelschlitze 31 und (schlitzgekoppelte)
Patches befinden (vergl. 7a).
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4 zeigt schematisch den Aufbau einer Antennenspalte 1 mit
Serienspeisung und einer Antennenspalte 2 mit paralleler
Speisung. In der genannten Signalleitungsebene sind die Speiseleitungen 20 der
Antennenspalten angeordnet. Diese sind üblicherweise als Mikrostreifenleitungen
ausgeführt, wobei
mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Impedanzen zur Anpassung
auftreten können.
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An
die Speiseleitung 20 sind die Antennenstrahler-Elemente 50 angekoppelt.
Dies kann im einfachsten Fall durch direkte Ankopplung 30 in
Serienschaltung zur Speiseleitung oder z. B. über Zuleitungen, Durchführungen
oder über
kapazitive Kopplung realisiert werden. Weitere Möglichkeiten sind die Ankopplung
des Strahlerelements über
das elektromagnetische Feld in Form einer Schlitzkopplung- oder
die Schlitze werden direkt als Strahler verwendet.
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Als
Strahlerelemente dienen z. B. Patches-Stubs, die Pole, Schlitze
oder Gruppen von Einzelelementen. Am Ende der Spalte 1 kann
ein Element 50a eingesetzt werden, das alle einfallende Leistung
abstrahlt, so dass keine Reflektion auftritt.
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5 illustriert die Verwendung in Gruppen mit
Serienspeisung. Als Primärstrahler
und parasitäre
Antennenelemente 50 werden seriengespeiste Gruppen von
Einzelstrahlern verwendet. Eine beispielhafte Realisierung des Konzepts
nach 5a zeigt 6. Als Strahler
werden direkt gespeiste Patch-Elemente 50 verwendet.
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7a,
b zeigt eine Realisierung mit schlitzgekoppelten Patches 50,
wobei die Kopplung über den
Koppelschlitz 31 erfolgt. Die Speisung 20 befindet
sich in einer Ebene parallel zu den Antennenelementen hinter der
Ebene der Primärstrahler
und parasitären
Antennenelemente 50. 8 zeigt
einen Aufbau, in dem sich die Speisung 20 in einer Ebene senkrecht
zu den Antennenelmenten befindet.
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9 zeigt
Messergebnisse des Antennengewinns über den azimutalen Winkel.
Dabei wurden folgende Antennen aufgebaut und charakterisiert:
- I. Eine seriengespeiste Einzelspalte 1 nach 4 in einer Realisierung mit direkt gespeisten Patch-Elementen
(vergl. 6),
- II. Einer genauso aufgebauten Spalte, die auf beiden Seiten
zusätzlich
je eine symmetrisch angeordnete parasitäre Spalte (Aufbau in 6)
besitzt.
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Man
stellt fest, dass sich die Strahlcharakteristik der Einzelspalte
durch die parasitären
Spalten erheblich verbreitern lässt,
wobei nur sehr geringe Verluste auftreten. Mit einem Leistungsteiler
ließe sich
ebenso eine Verbreiterung der Strahlkeule erzielen, dies aber auf
Kosten von deutlich größeren Verlusten.
Für Winkel
größer als
ca. ± 35° vergrößert sich
der Gewinn dadurch um ca. 2 dB. Es findet also praktisch eine Anhebung
der Antennencharakteristik im Randbereich statt und dies auf Kosten
des Gewinns im mittleren Winkelbereich, womit sich das Antennendiagramm
einer Rechteck-Charakteristik annähert. Weiterhin treten keine
Nebenkeulen auf und damit verbunden auch keine Nullstellen im Antennendiagramm.
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Literaturstellen
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- [1] R. Mende, H. Rohling, New Automotive Applications
for Smart Radar Sytems, Proc. German Radar Symposium 2002, Deutsche
Gesellschaft für
Ortung und Navigation (2002), 35–40.
- [2] A. Kawakubo, S. Tokoro, Y. Yamada, K. Kuroda, T. Kawasaki,
Electronically Scanning Millimeter-Wave Radar for Forward Objects
Detection, SAE Technical Paper 2004-01-1122.
- [3] P. Bhartia, K.V. S. Rao, R.S. Tomar, Millimeter-Wave
Microstrip and Printed Circuit Antennas, Artech House, Boston, London
1991.
- [4] DE-19951123
C2 .
- [5] Mark E. Russel, Arthur Crain, Anthony Curran, Richard
A. Campbell, Clifford A. Drubin, and William F. Miccioli; Millimeter-Wave
Radar Sensor for Automotive Intelligent Cruise Control (ICC), IEEE
Transactions an Microwave Theory and Techniques, Vol. 45, No. 12,
December 1997, 2444–2453.
- [6] Y. Asano, Electrically Scanned Millimeter-Wave Radar
for Automotive Applications, IEEE MTT-S International Microwave
Symposium IMS 2002, Workshop an Automotive Radar and Prospective
Circuit/Antenna Technologies – From
Car Collision Avoidance to Autonomous Driving (WMA).
- [7] Broschüre "Safety at your Fingertips:
new, highly integrated, very accurate automotive radar sensors for
collision warning and parking assistance", MTS Mikrowellen Technologie und Sensoren
GmbH, Ottobrunn.
- [8] G. Kumar, K.C. Gupta, Nonradiating Edges and Four
Edges Gap-Coupled Multiple Resonator Broad-Band Microstrip Antennas,
IEEE Trans. Antennas Propagat. AP-33 (1985), 173–178.
- [9] C.K. Aanandan, P. Mohanan, K.G. Nair, Broad-Band-Gap
Coupled Microstrip Antenna, IEEE Trans. Antennas Propagat. 38 (1990),
1581–1586.
- [10] A.A. Bokhari, H.K. Smith, J.R: Mosig, J.F: Zürcher, F.E.
Gardiol, Superdirective Antenna Array of Printed Parasitic Elements,
Electronics Letters 28 (1992), 1332–1334.