DE102007056910A1

DE102007056910A1 - Verfahren zum Betreiben einer arraybasierten strahlschwenkbaren Antenne sowie Anordnung und Verwendung

Info

Publication number: DE102007056910A1
Application number: DE102007056910A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schoeberl; Thomas Focke; Uwe Wostradowski; Thomas Hansen; Ewald Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-05-28
Also published as: WO2009068337A1; EP2215689A1

Abstract

Zum Betreiben einer arraybasierten in Abhängigkeit der Frequenz strahlschwenkbaren Antenne werden die Strahlbreiten der Strahlungskeulen richtungsabhängig variiert durch Zu- oder Abschalten (51) von Einzelelementen (1) oder Gruppen von Einzelelementen des Arrays.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer arraybasierten in Abhängigkeit der Frequenz strahlschwenkbaren Antenne. Gegenstand der Erfindung ist auch eine arraybasierte Antenne sowie eine Verwendung.
Aus Skolnik „Introduction to radar systems", second edition, McGraw-Hill Book Company 1980, Seiten 298 bis 305, ist es bekannt bei arraybasierten frequenz-scannenden Antennen („Frequency-Scan Arrays") die Breite der Strahlungskeulen zu variieren. Dies wird dort durch einen Frequency sweep bei zentraler Hochfrequenzspeisung der Antenne erreicht.
Die US 5,563,602 zeigt eine ähnliche Arrayantenne:
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. die erfindungsgemäße Antenne mit den Merkmalen des Anspruchs 7 hat den Vorteil, dass insbesondere für Radaranwendungen die Strahlbreite der Strahlkeulen einer Arrayantenne durch Zu- oder Abschalten von Einzelelementen oder Gruppen von Einzelelementen des Arrays richtungsabhängig variiert werden kann, wobei die Strahlschwenkung des Arrays in Abhängigkeit der Frequenz ebenfalls noch möglich ist.
Bei den eingangs geschilderten Systemen können Strahlungskeulen mit fester Breite (Beambreite) über der Frequenz geschwenkt werden oder die Beambreite kann über der Frequenz variieren. Da beide Maßnahmen aber im Gegensatz zur Erfindung nicht gleichzeitig durchgeführt werden können, ist eine für manche Anwendungsfälle geforderte Winkelauflösung nur sehr eingeschränkt zu erreichen.
In arraybasierten Radarsensorsystemen hängt die Beambreite unmittelbar mit der Anzahl der aktiven Arrayelemente zusammen. Vereinfacht gilt je mehr Arrayelemente abstrahlen empfangen, desto schmaler der Beam und desto höher der Gewinn des gesamten Arrays. Für einige Funktionen, beispielsweise ACC (Automatic Cruise Control) ist eine Anpassung der Beambreite entweder an das aktuelle Straßenszenario oder den aktuellen Scanwinkel von Vorteil. Die Erfindung sorgt nun dafür, dass durch adaptive Ab- Anschaltung der äußeren Arrayelemente die Beambreite immer optimal an die Funktionserfordernisse angepasst wird.
Die Beambreite bestimmt in Radar-Systemen maßgeblich das Winkeltrennvermögen und damit die Auflösung. Abhängig von der Funktion ist es erforderlich in unterschiedlichen Raumrichtungen unterschiedliche Winkelauflösungen zu realisieren. Durch die Erfindung gelingt die funktionelle Zusammenführung der Merkmale Strahlschwenkung und Strahlbreitenvariation der Strahlungskeulen für frequenzscannende Systeme. Damit wird im Wesentlichen eine höhere Flexibilität insbesondere von Radarsensoren hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für bestimmte Funktionen erreicht.
Die Zu- bzw. Abschaltung von einzelnen Elementen bzw. Gruppen von Einzelelementen eines Arrays erfolgt vorzugsweise verlustlos durch entsprechende Hochfrequenzschalter im Speisenetzwerk des Arrays. Idealerweise wird durch Verwendung reflektiver Schalter die Hochfrequenzenergie der abgeschalteten Arrayelemente in die verbleibenden Arrayelemente eingespeist. Eine Alternative besteht darin, mehrere Hochfrequenzquellen zur Speisung der Arrayelemente zu verwenden. Diese Hochfrequenzquellen sind vorzugsweise phasenstarr miteinander verkoppelt. Die Zu-/Abschaltung der Spalten geschieht dann über das An- bzw. Abschalten der Hochfrequenzquellen. Dies hat den Vorteil, dass nicht benö tigte Hochfrequenzenergie gar nicht erst erzeugt wird. Damit ergeben sich Vorteile für die Leistungs-/Wärmebilanz insbesondere bei verwendeten Radarsensoren.
Durch das Zu- oder Abschalten der Einzelelemente/Gruppen von Einzelelementen in den Randbereichen des Arrays, insbesondere in Spalten des Arrays, können in den fahrspurrelevanten Bereichen schmale Strahlungskeulen erzielt werden mit dem Vorteil einer hohen Winkelauflösung und sicherer Identifikation von Objekten, wohingegen außerhalb der Fahrspuren breitere Strahlungskeulen mit geringerer Winkelauflösung erzielbar sind mit Vorteilen im Nahbereich, zum Beispiel beim Einparken.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch unterschiedliche Beambreiten der Strahlungskeulen einer Arrayantenne in verschiedenen Sichtbereichen,
2 zeigt die Abschaltung mehrerer Randelemente mittel reflektiver Schalter und
3 das Zu- bzw. Abschalten einzelner Hochfrequenzquellen für Gruppen von Einzelelementen in Randbereichen.
Ausführungsformen der Erfindung
Bei der Erfindung werden die Strahlungskeulen (Beams) einer Arrayantenne in Abhängigkeit der Frequenz geschwenkt. Gleichzeitig lassen sich die Strahlungskeulen richtungsabhängig variieren durch Zu- oder Abschalten von Einzelelementen oder Gruppen von Einzelelementen des Arrays.
1 zeigt die von einem frequenzscannenden Fahrzeugradar mittels eines Radarsensors nach der Erfindung im Frontbereich eines Kraftfahrzeugs 10 erzeugten Beams. Die breiten Beams 20 in den Randbereichen liefern dort eine geringe Winkelauflösung. Demgegenüber sind die Beams 20 in den fahrspurrelevanten Breichen schmaler ausgeprägt.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Speisung der Arrayelemente 1 bzw. 11 aus nur einer Hochfrequenzquelle 21. Es liegt Serienspeisung vor, dass heißt die Hochfrequenzenergie der Quelle 21 wird auf nur eine Übertragungsleitung 31 geführt. Von dieser Übertragungsleitung 31 aus, werden die Arrayelemente (Einzelelemente) 1 bzw. 11 oder Gruppen hiervon über Abzweigpunkte 41 an dieser Übertragungsleitung versorgt. Wenn zwischen den Abzweigpunkten 41 und den Arrayelementen 1, 11 reflektive Schalter 51 vorgesehen sind, wird die Hochfrequenzenergie der abgeschalteten Elemente 1 jeweils am linken und rechten Rand des Antennenarrays in die verbleibenden Elemente 11 eingespeist. Die Übertragungsleitung 31 ist am Ende mit einem Absorber 61 abgeschlossen. Die Schleifenform der Übertragungsleitung 31 soll symbolisieren dass zwischen den einzelnen Arrayelementen 1 bzw. 11 jeweils eine Phasenverschiebung über die Signallaufzeit auf der Übertragungsleitung eintritt gemäß φ = 2π l/Lambda, mit l = Länge der Übertragungsleitung 31 zwischen zwei benachbarten Abzweigpunkten 41 und Lambda = Wellenlänge. Diese Phasenverschiebung bestimmt die Richtung der Strahlungskeulen der Arrayantenne. Die Breite der Strahlungskeulen wird bestimmt durch die Anzahl der zu- bzw. abgeschalteten Arrayelemente 1. Im Ausführungsbeispiel ist angenommen, dass es im mittleren Bereich der Arrayantenne Arrayelemente 11 gibt, die stets an die Übertragungsleitung 31 angeschlossen sind und demzufolge auch keinen ihnen zugeordneten Schalter 51 aufweisen. Die Arrayelemente 1, 11 können natürlich auch matrixartig angeordnet sein, damit ganze Zeilen oder Spalten zu- bzw. abgeschaltet werden können. Vorzugsweise werden bei der Anwendung bei einem Fahrerassistenzsystem ganze Spalten von Arrayelementen zu- oder abgeschaltet um gewünschte Breiten der Strahlungskeulen richtungsabhängig je nach Funktionsweise eines vorgegebenen Fahrerassistenzsystems bei ACC (Automatic Cruise Control) einzustellen. Die Schalter 51 lassen sich hierbei beispielsweise adaptiv von der Steuereinheit des ACC-Systems steuern. Die Variation der Breite der Strahlungskeulen kann auch auf ein aktuelles Straßenszenario/Zielszenario angepasst werden, insbesondere bei einem unsicheren oder mehrdeutigen Radarempfangssignal, zum Beispiel bei der Ungewissheit, ob es sich nur um ein Objekt oder mehrere Objekte bei einem erfassten Ziel handelt. In diesem Falle kann die Steuerung der Schalter 51 von einer Radarempfangssignal-Auswerteeinrichtung aus erfolgen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 werden mehrere Hochfrequenzquellen 22 für die Speisung von Arrayelementen 1 bzw. 11 oder Gruppen von Arrayelementen verwendet. Die Arrayelemente 11 im mittleren Bereich sind fest an die Hochfrequenzquellen 22 geschaltet. Die Arrayelemente 1 in den Randbereichen sind über die Schalter 62 zu- oder abschaltbar. Die einzelnen Hochfrequenzquellen 22 sind vorzugsweise phasenstarr miteinander verkoppelt. Diese phasenstarre Kopplung kann beispielsweise über Injection Locking von Oszillatoren erreicht werden. Die Mischer 71 können auch dazu benützt werden eine Phasenverschiebung der Arrayelemente nach dem Huggins-Prinzip (Skolnik „Introduction to radar systems" Second Edition, McGraw-Hill Book Company 1980, Seiten 303 bis 305 insbesondere 8.19 und 8.20 nebst Beschreibung) zu erreichen.
Selbstverständlich kann das Prinzip gemäß 3 auch für matrixartig aufgebaute Antennenarrays verwendet werden mit Zu- oder Abschaltung von Spalten in den Randbereichen. So können wie bei 2 durch Steuerung der Arrayelemente in fahrspurrelevanten Bereichen, dass heißt im Wesentlichen in Fahrtrichtung, geringe Strahlbreiten bezüglich ihrer Strahlungskeulen mit hoher Winkelauflösung aufweisen und Bereiche außerhalb große Strahlbreiten mit geringer Winkelauflösung, was insbesondere bei Fahrmanövern im Nahbereich von Vorteil ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5563602 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Skolnik „Introduction to radar systems", second edition, McGraw-Hill Book Company 1980, Seiten 298 bis 305 [0002]
- Skolnik „Introduction to radar systems" Second Edition, McGraw-Hill Book Company 1980, Seiten 303 bis 305 [0016]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer arraybasierten in Abhängigkeit der Frequenz strahlschwenkbaren Antenne mit folgender Maßnahme: Die Strahlbreite der Strahlungskeulen wird richtungsabhängig variiert durch Zu- oder Abschalten (51) von Einzelelementen (1) oder Gruppen von Einzelelementen des Arrays.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei Serienspeisung des Arrays aus einer Hochfrequenzquelle (21) unter Verwendung von reflektiven Schaltern (51) die Hochfrequenzenergie der abgeschalteten Einzelelemente (1)/Gruppen von Einzelelementen in verbleibende Einzelelemente (1) oder Gruppen von Einzelelementen eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung mehrerer Quellen (22) zur Speisung der Arrayelemente (1, 11) die Zu- oder Abschaltung der Einzelelemente/Gruppen von Einzelelementen durch das Zu- oder Abschalten der jeweiligen Speisequelle/n (22) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Zu- bzw. Abschaltung von Arrayelementen oder Arrayspalten (1) in Randbereichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Strahlbreite adaptiv in Abhängigkeit eines Zielszenarios insbesondere bei einem unsicheren oder mehrdeutigen Radarempfangssignal vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Strahlbreite adaptiv in Abhängigkeit einer vorgegebenen Fahrerassistenzfunktion vorgenommen wird.
Arraybasierte in Abhängigkeit der Frequenz strahlschwenkbare Antenne, dadurch gekennzeichnet, dass zur richtungsabhängigen Variation der Strahlbreite der Strahlungskeulen Einzelelemente oder Gruppen von Einzelelementen (1) des Arrays zu- oder abschaltbar sind.
Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere bei Serienspeisung des Arrays aus einer Hochfrequenzquelle (21) reflektive Schalter (51) vorgesehen sind, mittels derer die Hochfrequenzenergie der abgeschalteten Einzelelemente/Gruppen von Einzelelementen (1) in verbleibende Einzelelemente/Gruppen von Einzelelementen (11) einspeisbar ist.
Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von mehreren Quellen (22) zur Speisung der Arrayelemente (1, 11) diesen Quellen Schalter (62) zugeordnet sind, um nachgelagerte Einzelelemente/Gruppen von Einzelelementen zu- oder abzuschalten, wobei diese Quellen (22) insbesondere phasenstarr miteinander verkoppelt sind.
Antenne nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelelemente/Gruppen von Einzelelementen (1) in Randbereichen des Arrays, insbesondere in Spalten, zu- oder abschaltbar ausgebildet sind.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder der Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10 für ein frequenzscannendes Radarsystem bei Kraftfahrzeugen, wobei die Zu- oder Abschaltung der Einzelelemente/Gruppen von Einzelelementen (1) derart steuerbar ist, dass in fahrspurrelevanten Bereichen, dass heißt im Wesentlichen in Fahrtrichtung, geringe Strahlbreiten ihrer Strahlungskeulen und damit eine hohe Winkelauflösung und außerhalb davon große Strahlbreiten und damit eine geringere Winkelauflösung erreichbar ist.