DE102007060770A1

DE102007060770A1 - Antennenanordnung für einen Radar-Transceiver und Schaltungsanordnung zum Speisen einer Antennenanordnung eines solchen Radar-Transceivers

Info

Publication number: DE102007060770A1
Application number: DE102007060770A
Authority: DE
Inventors: Ewald Schmidt; Juergen Hasch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2009-06-18
Also published as: US8390521B2; US20100321268A1; EP2225799A1; EP2225799B1; WO2009077235A1; ATE514202T1

Abstract

Eine Antennenanordnung für Radar-Transceiver, insbesondere zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung im Umfeld von Fahrzeugen, wobei ein erster Antennenteil auf einem Träger (5) angeordnet ist und ein zweiter Antennenteil auf einem weiteren, von dem ersten im Abstand angeordneten Träger (59) angeordnet ist, weist folgende Merkmale auf: - der erste Antennenteil weist zwei im Wesentlichen rechteckförmige Primärerregerpatches (10, 20) auf, die an jeweils einer Kante aneinander grenzen und dort gegen Masse kurzgeschlossen sind; - die beiden Primärerregerpatches (10, 20) weisen zwei separate Speiseleitungen (11, 12) auf; - der zweite Antennenteil umfasst zwei voneinander getrennte rechteckförmige Sekundärerregerpatches (51, 52), die die Primärerregerpatches (10, 20) teilweise überdecken und im Bereich des Massekurzschlusses (40) der Primärerregerpatches (10, 20) in Abstrahlrichtung einen wenigstens den Massekurzschluss (40) freigebenden Abstand (A) voneinander aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für einen Radar-Transceiver insbesondere zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung im Umfeld von Fahrzeugen sowie eine Schaltungsanordnung zum Speisen der Primärerregerpatches einer derartigen Antennenanordnung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Derartige Radar-Transceiver, d. h. Sende/Empfängermodule, werden im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich zur Ortung von Gegenständen im Raum oder zur Geschwindigkeitsbestimmung, beispielsweise von Fahrzeugen, eingesetzt. Solche Radar-Transceiver werden beispielsweise für Fahrerassistenzsysteme verwendet, welche z. B. zur Bestimmung des Abstands eines vor einem Fahrzeug vorausfahrenden weiteren Fahrzeugs und zur Abstandsregelung eingesetzt werden. Dabei sendet ein solcher Radar-Transceiver 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-Transceiver wieder empfangen und weiterverarbeitet werden. In vielen Fällen werden dabei auch mehrere dieser Radar-Transceiver zu einem Gesamtmodul verschaltet.
Aus der DE 10 2005 056 756 A1 ist ein Radarsensor bekannt geworden, bei dem ein Teil der Antenne direkt auf einer Halbleiterschaltung angeordnet ist, während ein zweiter Teil auf einem Träger, der mit einem Abstand über dem ersten Teil positioniert ist, angeordnet ist.
Ein solcher Radarsensor weist im Wesentlichen eine Antennencharakteristik, d. h. eine Strahlcharakteristik auf, die bauartbedingt vorgegeben ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Antennenanordnung so weiterzubilden, dass sie für unterschiedliche Strahlcharakteristiken einsetzbar ist. Insbesondere soll sie als Monopuls-Antenne eingesetzt werden. Monopuls-Antennen sind Antennengruppen, deren Einzelantennen nicht nur summenbildend zusammengeschaltet werden, sondern bei denen auch andere Schaltungsmöglichkeiten realisierbar sind. Für verschiedene Zwecke können insbesondere auch unterschiedliche Differenzen gebildet werden. Durch Amplitudenvergleich des Summenkanals und verschiedener beispielsweise Differenzkanäle kann so eine Lokalisierung des reflektierenden Objektes innerhalb des Radarstrahls erfolgen. Es ist auch möglich, durch eine gegenphasige Kopplung der linken zu den rechten Antennengruppen einen Differenzkanal zu bilden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Antennenanordnung für einen Radar-Transceiver mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Schaltungsanordnung zum Speisen der Primärerregerpatches einer solchen Antennenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 ermöglichen auf sehr vorteilhafte Weise den Betrieb der Antenne nach dem sogenannten Monopuls-Verfahren. Insbesondere wird das Umschalten zwischen zwei Antennencharakteristiken ermöglicht. Hierdurch ist eine bei einem Radarsensor außerordentlich vorteilhafte Winkelgebung erreichbar. Besonders vorteilhaft ist, dass durch die erfindungsgemäße Antennenanordnung eine Nutzung des Monopuls-Prinzips für ein Antennenkonzept mit auf einem Träger, insbesondere einem Chip angeordneten Primärerregern möglich ist. Dies erlaubt eine einfache Herstellung und einen einfachen Betrieb.
Weitere Vorteile und Merkmale sind Gegenstand der in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Weiterbildungen und Verbesserungen der Antennenanordnung bzw. der Schaltungsanordnung zum Speisen der Primärerregerpatches einer solchen Antennenanordnung.
So ist bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass der eine Träger ein Chip ist. Die Ausbildung des Trägers als Chip hat den großen Vorteil, dass die Antennenanordnung auf einer Halbleiterschaltung mit integriertem Primärerreger realisierbar ist. Sehr vorteilhaft ist hierbei insbesondere, dass keine weiteren externen Zusatzkomponenten zum Betrieb einer solchen Antennenanordnung notwendig sind. Insbesondere kann der Chip auch die Schaltungseinrichtung zur Ansteuerung der Primärerregerpatches enthalten. Möglich ist es aber auch, diesen Träger als Leiterplatte, Softboardsubstrat oder Leiterfolie auszubilden.
Der andere, weitere Träger kann durch eine Leiterplatte und/oder ein Softboardsubstrat oder eine Leiterfolie gebildet werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, die beiden Träger durch Flip-Chip-Verbindungen aneinander zu befestigen und zu kontaktieren. Diese Flip-Chip-Verbindungen werden vorteilhafterweise im Wesentlichen durch im Wesentlichen kugelförmige Lötverbindungen realisiert. Auf diese Weise ist eine sehr einfache Herstellung bei gleichzeitig guter Kontaktierung erreichbar.
Hinsichtlich der Anordnung der Sekundärerregerpatches sind die unterschiedlichsten Ausführungsformen denkbar.
Bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, beide Sekundärerregerpatches entweder auf der Oberseite oder auf der Unterseite des weiteren Trägers anzuordnen oder eines auf der Oberseite, das andere auf der Unterseite des weiteren Trägers anzuordnen.
Die Anordnung geschieht im Wesentlichen abhängig von der Frequenz, mit der die Antennenanordnung betrieben wird, und abhängig von dem Anwendungsgebiet.
Neben dieser Anordnung der Sekundärerregerpatches über den Primärerregerpatches sind die Höhe der Kontaktelemente, die z. B. 70 μm beträgt, und die Dicke der Leiterfolie, die z. B. zwischen 50 bis 300 μm variieren kann, neben den umgebenden Stoffeigenschaften die bestimmenden Hauptparameter zur Optimierung der Abmessungen der Primärerregerpatches und der Sekundärerregerpatches.
Die Speiseanschlüsse der Primärerregerpatches sind an den Längskanten der Primärerregerpatches angeschlossen. Die Anschlusspositionen der Speiseleitungen sind im Grunde beliebig wählbar und werden lediglich durch eine vorgebbare, gewünschte Impedanz bestimmt. Abhängig von einer gewünschten Eingangsimpedanz der Antenne erfolgt die Wahl der (Mündungs-)Positionen der Speiseanschlüsse an den Primärerregerpatches.
Nicht nur um die Antennenanordnung vor Umwelteinflüssen zu schützen, sondern auch im Hinblick darauf, optimale elektrische Eigenschaften der Antenne zu erreichen, kann ferner vorgesehen sein, in den Raum zwischen den beiden Trägern eine die Primärerregerpatches und die Sekundärerregerpatches einbettende Vergussmasse, insbesondere ein Silikongel oder einen so genannten Underfiller auf Epoxidharzbasis einzubringen und diesen Raum damit auszufüllen.
Eine derartige Antenne wird mit einer Schaltungsanordnung zum Speisen der Primärerregerpatches betrieben, welche eine Umschalteinrichtung aufweist, in deren erster Schaltposition an dem Speiseanschluss des ersten Primärerregerpatches ein Hochfrequenzsignal und an dem Speiseanschluss des zweiten Primärerregerpatches ein Hochfrequenzsignal mit einem Phasenversatz um 180° anlegbar ist, und in deren zweiter Schaltposition an der Speiseleitung des ersten Primärerregerpatches und an der Speiseleitung des zweiten Primärerregerpatches jeweils ein gleichphasiges Hochfrequenzsignal anlegbar ist.
Diese beiden Schaltpositionen ermöglichen zwei unterschiedliche Antennencharakteristiken, nämlich eine Summenantennencharakteristik mit nur einem Strahlkegel und eine Differenzantennencharakteristik mit zwei Strahlkegeln.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zusätzlich vorgesehen, die Amplitude des Hochfrequenzsignals, das an einem der beiden Speiseanschlüsse anliegt, zu regeln. Hierdurch lässt sich eine Schwenkung der Antennencharakteristik realisieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch in Draufsicht den Aufbau einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung;
2 in isometrischer Darstellung den Aufbau einer Antennenanordnung auf einem Halbleiterchip;
3 die Antennencharakteristik gemäß einer ersten Schaltposition der Schaltungseinrichtung;
4 die Antennencharakteristik gemäß einer zweiten Schaltposition der Schaltungseinrichtung und
5 das Antennendiagramm eines geraden und eines um 10° geschwenkten Strahls.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 und 2 ist schematisch eine Antennenanordnung für einen Radar-Transceiver, insbesondere zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung im Umfeld von Fahrzeugen dargestellt.
Ein erster Antennenteil ist auf einem Träger, beispielsweise auf einem Chip 5 angeordnet. Der erste Antennenteil weist zwei im Wesentlichen rechteckförmige Primärerregerpatches auf, ein erstes Primärerregerpatch 10 und ein zweites Primärerregerpatch 20, die an einer Schmalkante aneinander grenzen und dort gemeinsam über einen Masseanschluss 40 gegen Masse kurzgeschlossen sind. Die beiden Primärerregerpatches 10, 20 weisen jeweils eine Länge l auf, die etwa einem Viertel der Wellenlänge der abzustrahlenden mm- oder μm-Welle entspricht.
An dem dem Massenanschluss 40 abgewandten Ende der Primärerregerpatches 10, 20 löst sich die elektromagnetische Welle ab und regt oberhalb der Primärerregerpatches 10, 20 angeordnete Sekundärerregerpatches 51, 52 an. Die Sekundärerregerpatches 51, 52 sind in einem vorgebbaren Abstand über den Primärerregerpatches 10, 20 – wie in 2 schematisch dargestellt – angeordnet. Die Wahl des Abstands hängt von der Wellenlänge des abgestrahlten Radarstrahls ab und beträgt etwa zwischen 100 und 150 μm.
Die Sekundärerregerpatches 51, 52 sind beispielsweise an einem weiteren, in 2 zur besseren Übersicht durchsichtig dargestellten Träger 59 angeordnet. Dieser Träger 59 kann beispielsweise aus einer Folie, aus einer Leiterplatte, aus einem Softboardsubstrat oder aus einer Leiterfolie bestehen.
Der Träger 5 ist bevorzugt über Flip-Chip-Verbindungen 80 mit dem Träger 59 verbunden und kontaktiert.
Der erste Primärerregerpatch 10 ist mit einer Speiseleitung 11 verbunden. Der zweite Primärerregerpatch 20 weist eine separate Speiseleitung 12 auf. Die Speiseleitungen 11, 12 liegen an einer Kante des ersten bzw. zweiten Primärerregerpatches 10 bzw. 20 an und münden in die ersten bzw. zweiten Primärerregerpatches 10 bzw. 20. Die Wahl der Position, an welcher die Speiseleitungen 11, 12 jeweils in den ersten bzw. zweiten Primärerregerpatch 10 bzw. 20 münden, kann beliebig erfolgen, sie ist im Wesentlichen durch eine vorgebbare Eingangsimpedanz bestimmt. Das bedeutet, dass die Position so gewählt wird, dass eine gewünschte Eingangsimpedanz erzielt wird.
Der Raum zwischen dem Träger 5 und dem weiteren Träger 59 kann durch eine die Primärerregerpatches 10, 20 und die Sekundärerregerpatches 51, 52 einbettende Vergussmasse 90, insbesondere ein Silikongel oder ein so genannter Underfiller auf Epoxidharzbasis ausgefüllt sein. Hierdurch wird die Antennenanordnung nicht nur geschützt, sondern insbesondere kann durch diese Maßnahme – neben der Wahl der Höhe der Kontaktelemente, die bevorzugt z. B. 70 μm beträgt, und der Wahl der Dicke der Leiter folie, die vorzugsweise zwischen 50 und 300 μm beträgt – auch eine Optimierung der Radarantennenanordnung vorgenommen werden.
Zum Speisen der beiden Primärerregerpatches 10, 20 ist eine in 1 schematisch dargestellte Schaltungsanordnung 100 vorgesehen, die eine Umschalteinrichtung 110 zur Umschaltung zwischen zwei Schaltstellungen 1, 2 aufweist. In einer ersten Schaltstellung 1 werden die beiden Speiseleitungen 11, 12 jeweils mit Hochfrequenzsignalen gespeist, die einen Phasenversatz von 180° aufweisen (Schaltstellung Σ – Summe). Das bedeutet beispielsweise, in die Speiseleitung 11 wird ein Hochfrequenzsignal mit einer Phase P und in die Speiseleitung 12 wird ein Hochfrequenzsignal mit einer Phase P + 180° eingespeist. Hierdurch ergibt sich die in 3 dargestellte Antennencharakteristik „Summe" mit einem einzigen Strahlkegel.
Wird dagegen in Schaltstellung 2 in die erste Speiseleitung 11 und in die zweite Speiseleitung 12 ein gleichphasiges Hochfrequenzsignal eingespeist (Schaltstellung Δ – Differenz), entsteht die in 4 dargestellte Antennencharakteristik „Differenz" mit zwei Strahlkegeln.
Eine Strahlschwenkung um bis zu ±10° kann dadurch erreicht werden, dass die Amplitude des an Speiseanschluss 12 anliegenden Hochfrequenzsignals geregelt wird. In 5 ist eine ungeschwenkte Antennencharakteristik mit einem Hochfrequenzsignal an Speiseleitung 11 und mit einem Hochfrequenzsignal gleicher Amplitude und einem Phasenversatz von 180° an Speiseleitung 12 mit einer strichpunktierten Linie 501 dargestellt. Eine um 10° geschwenkte Antennencharakteristik, bei der die zweite Speiseleitung 12 mit einem Hochfrequenzsignal mit einer Amplitude, die der Hälfte der Amplitude des an der ersten Speiseleitung 11 eingespeisten Signals entspricht, und wiederum mit 180° Phasendrehung zwischen den beiden Speiseleitungen 11, 12 beaufschlagt ist, ist mit Linie 502 dargestellt. Durch die Wahl der Amplitude lässt sich eine Drehung der Antennencharakteristik erreichen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass auf dem Träger 5 neben den Primärerregerpatches 11, 12 Teile einer integrierten Schaltung platziert sind, beispielsweise die Schaltungsanordnung 100 oder andere bzw. weitere Schaltungseinrichtungen.
Die Antennenanordnung wird beispielsweise mit einer Arbeitsfrequenz von 122 GHz betrieben. Typische Abmessungen bei dieser Arbeitsfrequenz sind etwa folgende Längen- und Breitenverhältnisse der Primärerregerpatches 10, 20: 295 μm × 160 μm, die Sekundärerregerpatches 51, 52 weisen hierbei etwa Längen- und Breitenverhältnisse von 1050 μm × 400 μm auf. Der Abstand zwischen den Primär- und Sekundärerregerpatches beträgt etwa 100 μm. Wie insbesondere aus 1 und 2 zu entnehmen ist, sind die Sekundärerregerpatches 51, 52 so mit einem Abstand A angeordnet, dass zwischen ihnen eine Lücke oder ein Gap frei bleibt, welches den gemeinsamen Massekontakt 40 der aneinandergrenzenden Primärerregerpatches 10, 20 in Strahlrichtung freigibt.
Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die Sekundärerregerpatches 51, 52 auf beiden Seiten des Trägers 59 angeordnet sein können. Die Anordnung erfolgt abhängig von der Frequenz und der Anwendung.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die vorbeschriebene erfindungsgemäße Gestaltung der Antennenanordnung und die Schaltungsanordnung zum Betreiben einer solchen Antennenanordnung bei einer Antenne, die sehr vorteilhaft auf einem Chip ausgebildet oder angeordnet werden kann, ein Monopuls-Betrieb zur Erzeugung unterschiedlicher Antennencharakteristiken realisierbar 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

- DE 102005056756 A1 [0003]

Claims

Antennenanordnung für Radar-Transceiver, insbesondere zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung im Umfeld von Fahrzeugen, wobei ein erster Antennenteil auf einem Träger (5) angeordnet ist und ein zweiter Antennenteil auf einem weiteren, von dem ersten in einem Abstand angeordneten Träger (59) angeordnet ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: – der erste Antennenteil weist zwei im Wesentlichen rechteckförmige Primärerregerpatches (10, 20) auf, die an jeweils einer Kante aneinander grenzen und dort gegen Masse kurzgeschlossen sind; – die beiden Primärerregerpatches (10, 20) weisen zwei separate Speiseleitungen (11, 12) auf; – der zweite Antennenteil umfasst zwei voneinander getrennte rechteckförmige Sekundärerregerpatches (51, 52), die die Primärerregerpatches (10, 20) teilweise überdecken und im Bereich des Massekurzschlusses (40) der Primärerregerpatches (10, 20) in Abstrahlrichtung einen wenigstens den Massekurzschluss (40) freigebenden Abstand (A) voneinander aufweisen.
Antennenordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Primärerregerpatches (10, 20) tragende Träger durch einen Chip (5), eine Leiterplatte, ein Softboardsubstrat oder eine Leiterfolie gebildet wird.
Antennenordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Sekundärerregerpatches (51, 52) tragende Träger (59) durch eine Leiterplatte, ein Softboardsubstrat oder eine Leiterfolie gebildet wird.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Träger (5, 59) durch Flip-Chip-Verbindungen (80) aneinander befestigt und miteinander kontaktiert sind.
Antennenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Sekundärerregerpatches (51, 52) entweder auf der Oberseite und/oder auf der Unterseite des zweiten Trägers (59) angeordnet sind.
Antennenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseleitungen (11, 12) der Primärerregerpatches (10, 20) an den Längskanten der Primärerregerpatches (10, 20) angeschlossen sind, wobei die Anschlussposition der Speiseleitungen (11, 12) abhängig von einer gewünschten, vorgebbaren Impedanz der Antennenanordnung wählbar ist.
Antennenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den beiden Trägern (5, 59) durch eine die Primärerregerpatches (10, 20) und gegebenenfalls die Sekundärerregerpatches (51, 52) einbettende Vergussmasse (90), insbesondere ein Silikongel oder ein Underfiller auf Epoxidharzbasis ausgefüllt ist.
Schaltungseinrichtung (100) zum Speisen der Primärerregerpatches (10, 20) einer Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit wenigstens einem Hochfrequenzsignal, gekennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung (110), bei der in einer Schaltposition (1) an dem Speiseanschluss (11) des ersten Primärerregerpatch (10) ein Hochfrequenzsignal und an dem Speiseanschluss (12) des zweiten Primärerregerpatch (20) ein Hochfrequenzsignal mit einem Phasenversatz von 180° anlegbar ist und in deren zweiter Schaltposition (2) an der ersten Speiseleitung (11) des ersten Primärerregerpatch (10) und an der zweiten Speiseleitung (12) des zweiten Primärerregerpatch (20) jeweils ein gleichphasiges Hochfrequenzsignal anlegbar ist.
Schaltungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des an wenigstens einem Speiseanschluss (11, 12) angelegten Hochfrequenzsignals in der ersten Schaltstellung (1) der Umschalteinrichtung (110) zur Verschwenkung des Strahlkegels einstellbar ist.