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Die
Erfindung betrifft eine Planarantennenanordnung für elektromagnetische
Strahlen, bestehend aus wenigstens zwei Empfangsantennen, die jeweils
aus einer Vielzahl von auf ein Substrat aufgedruckten diskreten,
durch jeweils ein Speisenetzwerk miteinander verbundenen Antennenflächen (auch
als Patches oder Einzelstrahler bezeichnet) bestehen und bezüglich einer
Messrichtung eine Antennenbreite ausbilden und mit einem Abstand
nebeneinander angeordnet sind.
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Eine
derartige Planarantennenanordnung wird beispielsweise für Radarsensoren
verwendet, um eine Winkelbestimmung für ein Objekt zu ermöglichen,
das von dem Sensor ausgestrahlte Radarwellen reflektiert. Aufgrund
des Winkels, den die Verbindungslinie zwischen Objekt und Sensor
mit der Empfangsebene der Planarantennenanordnung ausbildet, entsteht
für die
in einem Abstand d angeordneten Empfangsantennen, die ein frequenzgleiches
Signal empfangen, eine Phasendifferenz zwischen den empfangenen
Signalen, die eine Bestimmung des Winkels der einfallenden Strahlen
zur Empfangsebene der Planaran tennenanordnung ermöglicht.
Dieses Verfahren zur Winkelbestimmung wird als Phasen-Monopuls-Verfahren
bezeichnet.
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Eine
eindeutige Winkelbestimmung ist nur für solche Winkel möglich, für die die
Phasenverschiebung stetig anwächst
oder stetig abfällt.
Für größere Winkel
ergeben sich aufgrund der Periodizität der empfangenen Wellen Phasenverschiebungswerte,
die auch einem kleineren Winkelwert zuzuordnen sind. Eine eindeutige
Winkelmessung ist daher nur in dem Winkelmessbereich von θeind = ±aresin(2π2πd )
= ±arcsin(λ2d )möglich.
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Für eine übliche Wellenlänge von λ = 12,43 mm
und einen Abstand d = 14,5 mm zwischen den Antennen erstreckt sich
der Eindeutigkeitsbereich auf ± 25,39°.
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Die
obige Gleichung lässt
erkennen, dass der Eindeutigkeitsbereich mit abnehmendem Abstand
d zwischen den Empfangsantennen größer wird. 1 zeigt
eine bekannte Anordnung zweier Empfangsantennen RXI und RXII, die
in Azimutrichtung nebeneinander angeordnet sind und einen Abstand
d zueinander aufweisen. Zwischen den beiden Antennen ist eine Abschirmung
A aufgedruckt, die mit Masse verbunden ist und ein Übersprechen
zwischen den Antennen RXI und RXII verhindern soll.
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Die
Vergrößerung des
Eindeutigkeitsbereichs durch Verringerung des Abstandes d zwischen den
Empfangsantennen stößt an eine
prinzipielle Grenze, weil von der Ausdehnung der Antennen RXI und
RXII in Azimutrichtung die Bündelungswirkung der
Antenne in Azimutrichtung abhängt.
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Eine
große
Ausdehnung der einzelnen Empfangsantennen in Azimutrichtung bedingt
einen großen
Abstand d zwischen den Antennen. Die Realisierung einer hohen Bündelung
der Antenne führt
somit zu einer Verkleinerung des Eindeutigkeitsbereichs der Winkelmessung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Planarantennenanordnung
der eingangs erwähnten
Art so auszubilden, dass eine Verbesserung hinsichtlich der Bündelung
und des Eindeutigkeitsbereichs erzielbar ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist eine Planarantennenanordnung der eingangs erwähnten Art
erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass die Antennenflächen in der Messrichtung verschachtelt zueinander
angeordnet sind.
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Durch
die erfindungsgemäße Verschachtelung
der Antennenflächen
ist es möglich,
die Breite der Antennen in Messrichtung zu vergrößern, ohne den Abstand zwischen
den Antennen erhöhen
zu müssen.
Umgekehrt kann bei einer vorgegebenen Breite der Antennen der Abstand
zwischen den Antennen verringert werden, wodurch der Eindeutigkeitsbereich
bei gleich bleibender Bündelung
vergrößert wird.
Selbstverständlich
können
auch beide Vorteile gleichzeitig erzielt werden.
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Die
erfindungsgemäße Planarantennenanordnung
kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Antennenflächen zweier
benachbarter Antennen in Messrichtung abwechselnd nebeneinander
angeordnete Reihen bilden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass
die aus den herkömmlichen
Antennenanordnungen bekannten Reihen der Antennenflächen erhalten
bleiben können,
wobei lediglich die Reihen der beiden verschiedenen Antennen (zumindest
teilweise) abwechselnd angeordnet sind. Ein Übersprechen zwischen den so
ineinander verschachtelten Antennen kann bereits durch einfache gerade
Abschirmstreifen vermieden werden.
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Eine
bezüglich
der Bündelung
und des erzielbaren Eindeutigkeitswinkels noch vorteilhaftere Anordnung
sieht eine Verteilung der Antennenflächen der beiden Antennen derart
vor, dass die Antennenflächen
einer Antenne in Messrichtung und senkrecht dazu jeweils zu einer
Antennenfläche
der anderen Antenne benachbart sind. In diesem Fall lässt sich
eine sehr weitgehend verwobene Struktur der beiden Antennen realisieren.
Die daraus resultierende erhöhte
Gefahr eines Übersprechens
kann dadurch verringert werden, dass die Antennenflä chen jeweils
von einer an Masse gelegten Abschirmstruktur zumindest teilweise
umgeben sind.
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Die
erfindungsgemäß vorgesehene
Verwendung der Planarantennenanordnung sieht insbesondere die Bestimmung
eines in Messrichtung liegenden Azimutwinkels bezüglich der
Substratebene zu wenigstens einem Objekt durch Auswertung wenigstens
einer Phasendifferenz der an den Empfangsantennen empfangenen Echosignale
des wenigstens einen Objekts vor. Die Empfangsantennen sind dabei vorzugsweise
auf Radarsignale abgestimmt, wobei eine Radarfrequenz von 24,125
GHz bevorzugt ist.
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Die
Erfindung soll im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
Planarantennenanordnung nach dem Stand der Technik;
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Planarantennenanordnung;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Planarantennenanordnung.
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In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Planarantennenanordnung
nach dem Stand der Technik sind zwei Empfangsantennen RXI und RXII
vorgesehen, die aus jeweils zwei Reihen R1, R1' bzw. R2, R2' aus quadratischen Antennenflächen P1,
P2 bestehen. Die zu einer Antenne RXI bzw. RXII gehörenden Antennenflächen P1,
P2 sind durch ein Ansteuernetzwerk L miteinander verbunden. Über das
Ansteuernetzwerk werden die von den Antennenflächen P1, P2 empfangenen Feldstärken bei
einer der Radar-Trägerfrequenz
entsprechenden Resonanzfrequenz zusammen geführt, woraus sich die Eignung
der Empfangsantenne RX1, RX2 für
die Radar-Trägerfrequenz
ergibt.
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Zwischen
den beiden Empfangsantennen RXI, RXII befindet sich eine auf das
Substrat aufgedruckte Abschirmung A, die mit Masse verbunden ist.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist die Reihe R2 der zweiten Empfangsantenne RXII zwischen den Reihen
R1 und R1' der ersten
Empfangsantenne angeordnet. Dementsprechend befindet sich die Reihe
R1' der ersten Empfangsantenne
RXI zwischen den Reihen R2, R2' der
zweiten Empfangsantenne RX2. Dementsprechend sind die Ansteuernetzwerke
L1, L2 für
die beiden Empfangsantennen RXI, RXII jeweils um die Reihe R2 bzw.
R1' der anderen
Empfangsantenne herumgeführt.
Alternativ hierzu ist es möglich,
in einem Mehrlagenaufbau des Substrats die Netzwerke L1, L2 in unterschiedlichen
Lagen des Aufbaus anzuordnen, wodurch Unsymmetrien der Antennenanordnung
in Elevationsrichtung vermieden werden.
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Bei
dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
sind die Antennenflächen
P1 der ersten Empfangsantenne RXI und die Antennenflächen P2
der zweiten Empfangsantenne RX2 schachbrettartig ineinander verwoben,
sodass in dem Überlappungsbereich
jede Antennenfläche P1,
P2 der einen Empfangsantenne RXI, RXII von Antennenflächen P1,
P2 der anderen Empfangsantenne RXI, RXII – zumindest teilweise – umgeben
ist.
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Der
Vergleich der 2 und 3 lässt erkennen,
dass in der regelmäßigen Reihenanordnung der 2 eine
Abschirmung zwischen den Antennenflächen P1, P2 der beiden Empfangsantennen RXI,
RXII durch streifenförmige
Abschirmungen A erfolgt. Bei dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist hingegen eine Abschirmungsstruktur A' um jede Antennenfläche P1, P2 herum angeordnet,
die die Antennenfläche
P1, P2 zumindest teilweise umgibt.
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3 lässt erkennen,
dass gegenüber
der herkömmlichen
Anordnung gemäß 1 ein
verringerter Abstand d zwischen den Schwerpunkten der Antennen RXI,
RXII in Azimutrichtung realisiert ist, wobei die wirksame Breite
der beiden Antennen RXI, RXII in Azimutrichtung etwa 1 1/2 mal so
groß ist
wie im Stand der Technik gemäß 1.
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Bei
der Anordnung gemäß 2 ist
der Abstand d etwa der gleiche, die wirksame Breite der beiden Antennen
RXI, RXII ist jedoch vergrößert.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass der Abstand d in den 1 bis 3 ausschließlich aufgrund
der geometrischen Struktur der Antennenanordnung angegeben ist. Üblicherweise
werden die Antennenflächen
P1, P2 innerhalb der Antennen RXI, RXII durch die Speisenetzwerke
L1, L2 unterschiedlich angesteuert, sodass die einzelnen Antennenflächen P1, P2
innerhalb einer Antenne RXI, RXII mit unterschiedlichen Gewichten
wirksam sind. Daraus kann sich eine Verschiebung des Abstandes d
ergeben bzw. elektronisch der Abstand d verändert werden.
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Die
erfindungsgemäße Planarantennenanordnung
ist insbesondere zur Bestimmung eines in Messrichtung (Azimutrichtung)
liegenden Azimutwinkels eines Objektes relativ zur Substratebene
(= Zeichenebene) verwendbar.
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Ein
derartiges Verfahren zur Bestimmung von Ort, Geschwindigkeit und
Winkel des Objektes relativ zur Substratebene (relativ zum Radarsensor) ist
in
DE 10 2004
027 249 A1 ausführlich
beschrieben. Auf diese Offenbarung wird Bezug genommen.
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Durch
die Ausführungsbeispiele
der 2 und 3 ist erkennbar, dass die vorliegende
Erfindung eine hohe Bündelung
der Empfangssignale bei einer Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereichs
ermöglicht.
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Die
erfindungsgemäße Überlappung
der beiden Antennen kann auch für
Sendeantennen mit Vorteil verwendet werden, wenn bestimmte Sendeprofile bei
großen
Bündelungswerten
der Antennen erzielt werden sollen.