DE102008023030B4

DE102008023030B4 - Radarantennenanordnung

Info

Publication number: DE102008023030B4
Application number: DE102008023030.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Weidmann Wolfgang; Robert Mock
Original assignee: Innosent GmbH
Current assignee: Innosent GmbH
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2028-05-10
Also published as: ES2622176T3; DE102008023030A1; US20090284440A1; US8446323B2; PT2117077T; EP2117077B1; DK2117077T3; EP2117077A1

Abstract

Radarantennenanordnung (11; 21), in Mikrostreifenleiter-Technik, für einen Radarsensor mittlerer bis großer Reichweite, umfassend wenigstens eine erste Antennengruppe mit mehreren einzelnen, miteinander gekoppelten Antennenelementen (13; 23), sowie wenigstens eine zweite Antennengruppe mit mehreren einzelnen, miteinander gekoppelten Antennenelementen (14; 24), wobei die einzelnen Antennenelemente (13, 14; 23, 24) unterschiedlicher Antennengruppen galvanisch nicht miteinander verbunden sind, jedoch in einer gemeinsamen, ebenen Fläche auf der Vorderseite (16) einer Platine (12) angeordnet sowie derart miteinander verschränkt sind, dass entlang wenigstens einer Raumrichtung aufeinanderfolgende Antennenelemente (13, 14; 23, 24) unterschiedlicher Antennengruppen einander abwechseln, wobei eine erste Antennengruppe als Sendeantenne und wenigstens eine zweite Antennengruppe als Empfangsantenne dient, dadurch gekennzeichnet, dass a) benachbarte Antennenelemente (13, 14; 23, 24) der selben Antennengruppe stets etwa gleiche Abstände zueinander aufweisen; b) wobei die miteinander verschränkten Antennenelemente (13, 14; 23, 24) nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet sind, derart, dass die Antennenelemente (13; 23) der Sendeantenne an solchen Stellen platziert sind, wo sich bei einem Schachbrett weiße Felder befinden, während die Antennenelemente (14; 24) einer Empfangsantenne an solchen Stellen platziert sind, wo sich bei einem Schachbrett schwarze Felder befinden, so dass entlang zweier, unterschiedlicher Raumrichtungen, welche rechtwinklig zueinander verlaufen, jeweils aufeinanderfolgende Antennenelemente (13, 14; 23, 24) unterschiedlicher Antennengruppen einander abwechseln; c) wobei ferner eine von der Vorderseite (16) der Platine (12) nur durch eine dünne, elektrisch isolierende Lage getrennte, ansonsten jedoch unmittelbar folgende Zwischenschicht als nahezu geschlossene, elektrisch leitende Masseschicht konzipiert ist; d) wobei hinter der elektrisch leitenden Masseschicht, von dieser nur durch eine weitere, elektrisch isolierende Lage getrennte eine weitere Schicht mit einem ersten Leiterbahnsystem vorgesehen ist, welches ausschließlich die Antennenflächen (13) einer ersten Antennengruppe untereinander und/oder mit einer gemeinsamen Anschlussleitung verbindet; e) während sich ein zweites, ausschließlich die Antennenflächen (14) der zweiten Antennengruppe (14) untereinander und/oder mit ...

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Radarantennenanordnung, vorzugsweise in Mikrostreifenleiter-Technik, für einen Radarsensor mittlerer bis großer Reichweite, umfassend wenigstens eine erste Antennengruppe mit mehreren einzelnen, untereinander gekoppelten Antennenelementen, sowie wenigstens eine zweite Antennengruppe mit mehreren einzelnen, miteinander gekoppelten Antennenelementen, wobei die einzelnen Antennenelemente unterschiedlicher Antennengruppen galvanisch nicht miteinander verbunden sind, jedoch in einer gemeinsamen, ebenen Fläche auf der Vorderseite einer Platine angeordnet sowie derart miteinander verschränkt sind, dass entlang wenigstens einer Raumrichtung aufeinanderfolgende Antennenelemente unterschiedlicher Antennengruppen einander abwechseln, wobei eine erste Antennengruppe als Sendeantenne und wenigstens eine zweite Antennengruppe als Empfangsantenne dient.
Die US 7,129,892 B2 offenbart eine planare Antenne mit mehreren Antennenflächen. Das Diagramm dieser Antenne kann variiert werden, indem einem mittleren „Zweig” mit drei galvanisch bzw. über Wellenleiter miteinander gekoppelten Antennenflächen wahlweise ein oder zwei ähnliche Zweige parallel geschalten werden können. Obwohl damit das Antennendiagramm beeinflussbar ist, bleibt dies doch stets eine einzige Antenne, die nur ein einziges Empfangssignal liefert. Die ggf. abgetrennten „Nebenzweige” dienen nicht als eigenen Antennen; sie verfügen jeweils nur über einen Anschluß zum Anlegen einer Gleichspannung, womit PIN-Dioden in Koppelleitungen zwischen den Zweigen mittels unterschiedlicher Gleichspannungen wahlweise in einen Durchlaßzustand (Parallelschaltung von Zweigen) und einen Sperrzustand (Abkopplung von Zweigen) geschalten werden. Benötigt man – wie in der Radartechnik unabdingbar – zusätzlich zu einer Empfangsantenne auch eine Sendeantenne, müßte man hierfür also bspw. zwei derartige Antennen nebeneinander anordnen. Dies wiederum zieht einen relativ großen Flächenbedarf nach sich, insbesondere auch deshalb, weil die Richtcharakteristik einer Antenne, definiert durch die 3 dB-Keulenbreite der Hauptkeule im Antennendiagramm, etwa umgekehrt proportional zu betreffenden Breitenerstreckung der Antenne ist, so dass eine gute Richtcharakteristik sich nur mit einer ausreichend großen Antennenfläche erreichen läßt. Im 24 GHz-Frequenzband ist aufgrund dieser Zusammenhänge damit die Bündelung oder Richtcharakteristik auf 11° × 18° begrenzt.
Zwar gibt es in manchen Fällen die Möglichkeit, eine gemeinsame Antenne durch Umschalten einmal als Sende- und ein andermal als Empfangsantenne zu nutzen; allerdings nur, wenn eine lange Laufzeit des Radarsignals dies zuläßt. Bei Radarsensor-Anwendungen, wo die zu messenden Entfernungen nur wenige 100 Meter oder sogar darunter umfassen, ist dies zumeist nicht möglich. Hier ist insbesondere an automotive Anwendungen zu denken, wo bspw. mittels Radar vorausfahrende Fahrzeuge erkannt werden können.
Gerade in diesem Anwendungsbereich ist andererseits auch eine hohe Richtcharakteristik der Antennen wichtig. Denn bei Radarsensoren mittlerer bis großer Reichweite, also etwa 100 m oder mehr, bildet die Kombination aus Sende- und Empfangsantenne(n) und deren jeweils verfügbarer Antennengewinn ein Hauptkriterium für die Empfindlichkeit und damit für die Reichweite des Radars. Dabei entspricht der Antennengewinn dem Verhältnis aus der maximalen Strahlungsdichte einer (verlustbehafteten) Antenne mit einer Vorzugsrichtung zu der Strahlungsdichte einer idealisierten Vergleichsantenne, die möglichst ungerichtet, also isotrop, sendet. Ferner gibt es eine gegenseitige Abhängigkeit zwischen dem Antennengewinn und dem Richtfaktor einer Antenne. Je kleiner der Öffnungswinkel einer Antenne ist und demzufolge je ausgeprägter ihre Richtcharakterisitk, um so höher ist andererseits ihr Antennengewinn. Damit verknüpft ist auch die Apertur einer Antenne, also die Größe ihrer abstrahlenden Öffnung oder Fläche. Je größer die Apertur, um so ausgeprägter die Richtcharakteristik, und um so größer der Antennengewinn. Dies führt gerade auch bei Einsatz im Mikrowellenbereich zu relativ großen Abmessungen mit einem Durchmesser der Aperturöffnung oder der abstrahlenden Fläche bis zu etwa 10 cm.
Andererseits gibt es in vielen Anwendungsfällen – bspw. im automotiven Bereich oder auch bei industriellen Anwendungen wie bspw. der Füllstandsmessung – häufig Vorgaben hinsichtlich der maximalen Größe eines derartigen Sensors, die nur mit Antennen zu erfüllen sind, deren Durchmesser bei maximal etwa 10 bis 12 cm liegt.
Die – erforderliche – Kombination einer Sende- und einer Empfangsantenne führt zu dem doppelten Flächenbedarf, was in vielen Fällen als großer Nachteil empfunden wird.
Als Gegenmaßnahme könnte man versuchen, das 77 GHz-Frequenzband anstelle des 24 GHz-Frequenzbandes zu verwenden; allerdings bringt dies steigende Kosten für die dazu benötigten Hochfrequenzkomponenten mit sich.
Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung der Antennenabmessungen bestünde darin, nur eine einzige Antenne zu verwenden und dieselbe nicht mittels Schaltern umzuschalten, sondern die ein- und ausgehenden Signale mittels Sende-/Empfangsweichen od. dgl. voneinander zu trennen. Hierfür kommt einerseits ein Zirkulator in Betracht, der aber einerseits sehr teuer ist und andererseits nicht kompatibel zur Planartechnik ist, andererseits ein sog. Power-Splitter, der jedoch erheblich schlechtere, technische Eigenschaften aufweist. Eine stärkere Bündelung oder Richtcharakteristik als 11° × 11° lässt sich damit im 24 GHz-Bereich nicht erzielen.
Die WO 99/17397 A1 betrifft eine Antenneneinheit für die Kommunikation mit einem Satelliten. Die daraus vorbekannte Antenneneinheit zum Übertragen und Empfangen von Funksignalen verfügt über in einer ersten und einer zweiten Schicht angeordnete Gruppen von Antennenflächen. Davon ist nur eine Antennengruppe auf der Vorderseite einer Platine angeordnet, die andere Gruppe von Antennenflächen befindet sich in einer inneren Schicht der mehrlagigen Platine, wobei eine Antennenfläche der zweiten Gruppe jeweils genau hinter einer Antennenfläche der ersten Gruppe positioniert ist. Demzufolge ist eine Sendeantenne genau zu der nur wenige Millimeter entfernten, dazu parallel ausgerichteten Empfangsantenne ausgerichtet, so dass das dort aufgefangene Signal etwa die selbe Amplitude hat wie das abgesendete Signal, und es gibt nahezu keine Laufzeitverzögerung, weil das Signal für eine etwa 3 mm weite Strecke von der Sendeantenne zu der Empfangsantenne mit Lichtgeschwindigkeit nur etwa 10 Pikosekunden benötigt. Mit einer solchen Anordnung lassen sich zwar Funksignale mit einer entfernten Station austauschen, beispielsweise auf einem Satellit, weil dazu auf einem Kanal stets entweder nur gesendet oder nur empfangen wird, jedoch nicht beides gleichzeitig; dabei bleibt also stets eine Antenneneinheit bzw. deren Speise- oder Auswerteschaltung inaktiv. Ein Radarsensor mittlerer bis großer Reichweite lässt sich damit jedoch nicht bauen, weil bei einem Radarsensor üblicherweise die Sende- und Empfangsantennen gleichzeitig betrieben werden müssen, damit das reflektierte Signal sofort aufgefangen werden kann; bei einer derartigen Betriebsweise ergäbe sich ein extrem störendes Übersprechen, welches ein reflektiertes Signal bei weitem übertreffen würde.
Das Dokument WO 99/67655 A1 zeigt ein Gerät zur Standortbestimmung mittels Funkwellen. Dabei gibt es eine Reihe von Antennenflächen auf der Vorderseite einer Platine. Von diesen sind mehrere Antennenflächen untereinander galvanisch zu einer ersten Antennengruppe verbunden, andere Antennenflächen sind wiederum miteinander galvanisch zu einer zweiten Antennengruppe verbunden. Allerdings sind alle Antennenflächen auf der Vorderseite der betreffenden Platine kontaktiert, so dass die nahe zwischen den Antennen hindurch laufenden Anschlussleitungen erhebliches Übersprechen verursachen.
Das US-Patent 5,017,931 A betrifft ein Antennensystem mit Mikrostreifen-Antennenelementen zur Verwendung in einem Millimeterwellen-Frequenzbereich zum Abstrahlen und Empfangen eines breiten Energiestrahls, wobei ein erstes, an seinem Rand gespeistes Feld von Sendeelementen verschränkt ist mit den Sendeelementen eines im Zentrum gespeisten Feldes, mit dem Zweck, die Antenneneigenschaften möglichst stabil im Hinblick auf die Temperatur und Frequenz zu gestalten. Dabei variieren die Antennenelemente der verschiedenen Felder hinsichtlich ihrer Anordnung und Größe auf unterschiedliche Weise, so dass die Richtcharakteristiken der verschiedenen Antennenfelder erheblich voneinander abweichen. Schließlich offenbart dieses Dokument nur eine Antenne als solches ohne fest angeschlossene HF-Schaltkreise.
Der DE 10 2006 042 487 A1 ist eine Planarantennenanordnung für elektromagnetische Strahlen zu entnehmen, bestehend aus wenigstens zwei Empfangsantennen, die jeweils aus einer Vielzahl von auf ein Substrat aufgedruckten, diskreten, durch jeweils ein Speisenetzwerk miteinander verbundenen Antennenflächen bestehen, wobei die Antennenflächen in einer Ebene verschachtelt zueinander angeordnet sind. Um ein Übersprechen zwischen den verschiedenen Antennen zu verhindern, kann zwischen jenen eine linienförmige Abschirmung aufgedruckt sein. Allerdings sind die Speisenetzwerke für die verschiedenen Antennen nicht voneinander abgeschirmt, sondern sind insbesondere in bestimmten Bereichen relativ nah beieinander vorbei geführt, so dass ein Übersprechen zwar nicht zwischen den Antennenflächen selbst stattfindet, wohl aber zwischen den jene kontaktierenden Speisenetzwerken, welche auf bestimmten Pfaden zwischen den Antennenflächen hindurch geführt sind. Darüber hinaus ist nicht erkennbar, wohin diese Speisenetzwerke führen, da keinerlei HF-Sende- oder -Empfangsbausteine offenbart sind, wo ja – gerade bei längeren Entfernungen – ebenfalls ein Übersprechen stattfinden kann.
Aus den beschriebenen Nachteilen des Standes der Technik resultiert das die Erfindung initiierende Problem, eine Radarantennenanordnung derart zu optimieren, dass sowohl für die Sende- als auch für die Empfangsantenne gemeinsam eine zur Verfügung stehende Fläche von etwa 100 bis 150 cm² ausreicht. Nach Möglichkeit soll die Anordnung dabei so getroffen werden, dass dazu weder teure Zusatzbauteile wie Zirkulator, Power-Splitter, Umschalter, etc. benötigt werden, ferner soll eine Anwendung im Mikrowellen-ISM-Frequenzband bei 24 GHz möglich sein, also bei Radarfrequenzen unterhalb von 70 GHz, und schließlich sollen die Antennen möglichst optimal voneinander entkoppelt bzw. isoliert sein, damit sie gleichzeitig und damit permanent als Sendeantenne einerseits und als Empfangsantenne andererseits verwendbar sind.
Die Lösung dieses Problems gelingt bei einer gattungsgemäßen Antennenanordnung dadurch, dass

a) benachbarte Antennenelemente der selben Antennengruppe stets etwa gleiche Abstände zueinander aufweisen;
b) wobei die miteinander verschränkten Antennenelemente nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet sind, derart, dass die Antennenelemente der Sendeantenne an solchen Stellen platziert sind, wo sich bei einem Schachbrett weiße Felder befinden, während die Antennenelemente einer Empfangsantenne an solchen Stellen platziert sind, wo sich bei einem Schachbrett schwarze Felder befinden, so dass entlang zweier, unterschiedlicher Raumrichtungen, welche rechtwinklig zueinander verlaufen, jeweils aufeinanderfolgende Antennenelemente unterschiedlicher Antennengruppen einander abwechseln;
c) wobei ferner eine von der Vorderseite der Platine nur durch eine dünne, elektrisch isolierende Lage getrennte, ansonsten jedoch unmittelbar folgende Zwischenschicht als nahezu geschlossene, elektrisch leitende Masseschicht konzipiert ist;
d) wobei hinter der elektrisch leitenden Masseschicht, von dieser nur durch eine weitere, elektrisch isolierende Lage getrennte eine weitere Schicht mit einem ersten Leiterbahnsystem vorgesehen ist, welches ausschließlich die Antennenflächen einer ersten Antennengruppe untereinander und/oder mit einer gemeinsamen Anschlussleitung verbindet;
e) während sich ein zweites, ausschließlich die Antennenflächen der zweiten Antennengruppe untereinander und/oder mit einer gemeinsamen Anschlussleitung verbindendes Leiterbahnsystem hinter einer zweiten, nahezu geschlossenen, elektrisch leitenden Masseschicht angeordnet ist, die von dem ersten und zweiten Leiberbahnsystem nur durch je eine elektrisch isolierende Lage getrennt ist;
f) und wobei im Bereich jeder Antennenfläche wenigstens je eine Durchkontaktierung zu dem betreffenden Leiterbahnsystem in einer bestimmten Zwischenlage der Platine oder auf deren Rückseite führt.

Dabei ist der Begriff „verschränkt” in dem Sinne zu verstehen, dass wenigstens ein, vorzugsweise mehrere Antennenelement(e) einer Gruppe (jeweils) zwischen wenigstens zwei Antennenelementen einer anderen Gruppe angeordnet ist/sind; vorzugsweise gilt dies auch umgekehrt, derart, dass also wenigstens ein, vorzugsweise mehrere Antennenelemente der zweiten Gruppe an zwei einander etwa gegenüberliegenden Seiten von wenigstens je einem Antennenelement der ersten Gruppe umgeben ist/sind. Eine solche Verschränkung bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich: Die Apertur bzw. Abstrahlfläche einer Antennengruppe kann mit der von den jeweils periphersten Antennen dieser Gruppe umgrenzte bzw. markierte Gesamtfläche gleichgesetzt werden, also in etwa der Fläche der gesamten Antennnenanordnung, so dass die zur Verfügung stehende Fläche von beiden (oder noch mehr) Antennengruppen optimal genutzt werden kann. Dennoch können die einzelnen Antennenelemente individuell ausgelegt bzw. eingestellt werden, insbesondere hinsichtlich Resonanz und Impedanz. Die Erfindung beschreibt eine Möglichkeit, um das Übersprechen zwischen direkt benachbarten Antennenelementen bzw. zwischen miteinander verschränkten Antennengruppen zu minimieren.
Besondere Vorteile ergeben sich daraus, dass die Gesamtfläche der ineinander verschränkten Antennengruppen etwa gleich dem Flächenbedarf der Antennengruppe mit der engsten Richtcharakteristik ist, wobei die Breite der Richtcharakteristik der 3 dB-Keulenbreite des betreffenden Antennendiagramms entspricht. Zum Erreichen einer vorgegebenen Richtcharakteristik bedarf es bestimmter äußerer Abmessungen einer Antenne bzw. Antennengruppe, welche deren Apertur bestimmen. Dabei erfordert die Antenne mit der engsten Richtcharakteristik die größte Fläche, und innerhalb des Umrisses dieses Flächenbedarfs ordnet die Erfindung stattdessen mehrere Antennengruppen an, so dass sich bei der Erfindung der effektive Platzbedarf gegenüber einer einzigen Antennengruppe nicht erhöht.
Die Erfindung erlaubt es, die Trennschärfe zwischen zwei, mehr oder allen Antennengruppen (jeweils) gleich oder größer als 20 dB zu wählen. Dies resultiert insbesondere daraus, dass – wie die Erfindung weiterhin vorsieht – zwischen unterschiedlichen Antennengruppen keinerlei Verbindungen – insbesondere auch nicht durch Halbleiterelemente oder sonstige Schaltungsteile – existieren.
Die unterschiedlichen Antennengruppen sind an jeweils einem gemeinsamen Ein- oder Ausgang angeschlossen oder fest angekoppelt. Damit ist jede Antennengruppe über ein einziges, gemeinsames elektrisches Ein- oder Ausgangssignal betreibbar, das schaltungstechnisch leicht erzeugt bzw. ausgewertet werden kann.
Indem die miteinander verschränkten Antennenelemente in einem regelmäßigen Flächenmuster angeordnet sind, wird die gleichförmige Überlagerung der von den einzelnen Antennenelementen abgegebenen oder aufgenommenen Sendesignale begünstigt.
Durch eine Struktur, wobei entlang wenigstens einer Raumrichtung aufeinanderfolgende Antennenelemente unterschiedlicher Antennengruppen einander abwechseln, ergeben sich jeweils Antennenreihen mit etwa gleichen, vorzugsweise etwa gerasterten Abständen der einzelnen Antennenmitglieder einer Gruppe. Dadurch wird die zur Verfügung stehende Gesamtfläche mit einer möglichst gleichförmigen Sendeleistung bzw. Empfangsfeldstärke optimal genutzt und trägt daher komplett zur Apertur- bzw. Strahlungsfläche bei.
Durch Anordnung der Antennenflächen nach Art eines Schachbrettmusters erreicht man, dass sich entlang zweier, unterschiedlicher Raumrichtungen jeweils aufeinanderfolgende Antennenelemente unterschiedlicher Antennengruppen einander abwechseln. Damit ergeben sich jeweils Antennenfelder mit etwa gleichen, vorzugsweise etwa gerasterten Abständen der einzelnen Antennenmitglieder einer Gruppe. Dadurch wird die zur Verfügung stehende Gesamtfläche mit einer möglichst gleichförmigen Sendeleistung bzw. Empfangsfeldstärke optimal genutzt und trägt daher komplett zur Apertur- bzw. Strahlungsfläche bei.
Dadurch, dass die beiden Raumrichtungen, entlang welcher jeweils aufeinanderfolgende Antennenelemente unterschiedlicher Antennengruppen einander abwechseln, etwa rechtwinklig zueinander verlaufen, ergeben sich höchst geordnete und überschaubare Verhältnisse, wobei benachbarte Antennenelemente der selben Antennengruppe stets etwa gleiche Abstände zueinander aufweisen.
Es sich bewährt, dass die miteinander verschränkten Antennenelemente nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet sind, nämlich derart, dass die Antennenelemente der ersten Antennengruppe an solchen Stellen plaziert sind, wo sich bei einem Schachbrett weiße Felder befinden, während die Antennenelemente der zweiten Antennengruppe an solchen Stellen plaziert sind, wo sich bei einem Schachbrett schwarze Felder befinden. Hierbei lassen sich die einzelnen Antennenelemente besonders dicht zusammenpacken, um die zur Verfügung stehende Gesamtfläche möglichst optimal auszunutzen. Schließlich lässt sich u. a. mit einem solchen Muster auf einfachem Weg eine spiegel- oder rotationssymmetrische Gesamtanordnung der Antennenelemente einer Antennengruppe erreichen.
Für die Lage der Flächenschwerpunkte aller Antennen(-flächen) pro Antennengruppe lässt sich ebenfalls eine Relation zwischen unterschiedlichen Antennengruppen aufstellen: Hier sollte der Abstand der Flächenschwerpunkte möglichst nicht größer sein als der Abstand zwischen zwei Antennen(-flächen) derselben Antennengruppe, welche wenigstens eine Antenne einer anderen Antennengruppe zwischen sich einschließen, bei einem Schachbrettmuster also die nächstgelegenen Antennen derselben Antennengruppe innerhalb derselben Reihe oder Spalte, entsprechend der innerhalb einer Spalte oder Reihe eines Schachbrettes nächstgelegenen Felder mit derselben Farbe. Obzwar sich auf diesem Weg bei Schachbrettmustern mit jeweils gerader Zeilen- und Spaltenzahl, also bspw. jeweils acht oder jeweils zehn, sogar eine Anordnung finden läßt, bei welcher die Flächenschwerpunkte zweier unterschiedlicher Antennengruppen zusammenfallen, wird in vielen Anwendungsfällen ein mehr oder weniger großer Versatz der Flächenschwerpunkte gewünscht sein.
Es entspricht der Lehre der Erfindung, dass zwei Antennengruppen in wenigstens einer Raumrichtung, vorzugsweise in etwa horizontaler Richtung, einen Antennenversatz aufweisen, d. h., einen Abstand d zwischen den beiden Antennenschwerpunkten aller Antennenelemente, insbesondere -patches, jeder der beiden Antennengruppen, welcher vorzugsweise kleiner ist als die gesamte Erstreckung der Antennengruppe mit der breitesten Richtcharakteristik in der betreffenden Raumrichtung, wobei die Breite der Richtcharakteristik der 3 dB-Keulenbreite des betreffenden Antennendiagramms entspricht.
Ebenso entspricht es der Lehre der Erfindung, dass der Abstand d zwischen den beiden Antennenschwerpunkten aller Antennenelemente, insbesondere -patches, zweier Antennengruppen gleich oder kleiner ist als die Wellenlänge ?:
0 < d ≤ ?.
Alle Antennenelemente der Radarantennenanordnung sind auf einem platten- oder platinenförmigen Substrat angeordnet. Dessen Aufgabe ist einerseits die Isolation der Antennenelemente gegenüber weiteren Schaltungsteilen, andererseits auch die mechanische Abstützung der Antennenelemente, um dieselben in einem konstanten Raster möglichst unverrückbar zu fixieren.
Die erfindungsgemäße Anordnung begünstigt eine Ausführung, wobei mehrere oder vorzugsweise alle Antennen als Antennenflächen und/oder als planare Antennen ausgeführt sind. Solche Antennen werden üblicherweise als „Antennenpatches” bezeichnet; sie lassen sich vollflächig auf einem platten- oder platinenförmigen Substrat fixieren, um so ein Höchstmaß der mechanischen Stabilität zu erreichen.
Mehrere oder vorzugsweise alle Antennenpatches können bspw. jeweils eine eckige, vorzugsweise eine rechteckige oder quadratische Fläche aufweisen. Eine solche Anordnung ist einerseits für die Anordnung in einem (schachbrettartigen) Muster mit in einem konstanten Raster angeordneten Antennen geeignet. Andererseits können sich – bedingt durch die konstante Länge solcher Flächen – auf solchen Antennen stehende Wellen optimal ausbilden, so dass sich eine ausgeprägte Resonanzkurve ergibt und die Sende- und/oder Empfangsfrequenz scharf begrenzt werden kann. Derartige Patches eignen sich bevorzugt für eine lineare Polarisierung.
Die Erfindung lässt sich dahingehend weiterbilden, dass mehrere oder vorzugsweise alle Antennenpatches jeweils eine mehreckige, insbesondere abgeschrägte, oder gar eine kreisförmige Fläche aufweisen, insbesondere eine Fläche von der Gestalt eines (unregelmäßigen) Sechsecks oder von kreisförmiger Gestalt. Derartige Patches eignen sich bevorzugt für eine zirkuläre Polarisierung.
Die Frage, ob die Patches zu linearen oder zirkulären Schwingungen angeregt werden sollen, ist nicht von grundlegender Bedeutung. Wichtig ist jedoch, dass gegebenenfalls möglichst alle Antennenpatches in der gleichen Art und Raumrichtung schwingen sollen.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass die Flächen jeweils zweier, mehrerer oder aller Antennenpatches gleich groß sind. Da die Gesamtanordnung meistens (spiegel-)symmetrisch ist, gibt es meistens zwei zueinander symmetrisch angeordnete Antennenflächen, welche bevorzugt auch in ihren Abmessungen weitgehend identisch sind. Bei einem reinen Schachbrettmuster sind sogar alle Flächen gleich groß.
Die Längserstreckung zweier, mehrerer oder aller Antennenpatches in wenigstens einer gemeinsamen Raumrichtung sollte gleich groß sein. Diese Längserstreckung eignet sich in besonderem Maße zur Ausbildung einer stehenden Resonanzwelle gleicher Schwingfrequenz und sollte daher in einem bestimmten Verhältnis zur Wellenlänge der bevorzugten Radarwelle stehen.
Zur Ausbildung einer stehenden Welle ist es förderlich, dass die gemeinsame Länge zweier, mehrerer oder aller Antennenpatches etwa der halben Wellenlänge der abgestrahlten bzw. sensierten Radarsignale entspricht, oder einem Bruchteil davon, etwa einem Viertel derselben. Im Rahmen einer Erstreckung mit der halben Wellenlänge einer Schwingung kann sich an beiden elektrisch reflektierenden Enden einer Antennenfläche, d. h., an den einander gegenüberliegenden Stirnseiten, je ein Schwingungsknoten bilden, sowie mit je einem Schwingungsbauch dazwischen.
Wenn benachbarte Antennenpatches geeignet voneinander beabstandet sind, so wird damit eine elektrische Entkopplung zwischen den Antennen, welche vorzugsweise zu unterschiedlichen Antennengruppen zuzuordnen sind, bewirkt.
Als besonders förderlich kann es sich erweisen, zwischen den nächstgelegenen Antennen einer gemeinsamen Antennengruppe eine Verbindung vorzusehen, vorzugsweise in Form einer Signallaufleitung, bspw. etwa von der Wellenlänge der abgestrahlten bzw. sensierten Radarsignale oder einem Vielfachen davon, bspw. der doppelten Wellenlänge. Diese Signalleitung dient dann als Verzögerungsleitung und sorgt dafür, dass die Signale den betreffenden Antennenelementen bzw. -patches phasenrichtig zugeführt werden bzw. von diesen stammende (Empfangs-)Signale phasenrichtig addiert bzw. überlagert werden, so dass sich infolge der Überlagerung die betreffende Schwingungsamplitude erhöht oder vermindert.
Die Speisung von zwei, mehreren oder allen Antennenpatches der selben Antennengruppe erfolgt auf galvanischem Weg, beispielsweise mittels Wellenleitern; diese Methode hat sich bei geätzten Schaltungen bewährt, weil dann die Verbindungsleitungen gleichzeitig mit der Herstellung der Antennen(-flächen) selbst erfolgen kann. Aus einer derartigen Leitungsverbindung wird zusammen mit einer rückwärtig auf der betreffenden Platine oder Platinenlage aufgebrachten (Masse-)Leitungsfläche eine Streifenleitung.
Bevorzugt sind eine oder mehrere Antennenelemente der selben Antennengruppe mittels Durchkontaktierungen zu einer anderen, gemeinsamen Leiterbahnebene miteinander verbunden. Dabei können jeweils mehrere Kontaktierungsbohrungen pro Durchkontaktierung vorgesehen sein, nach einem wohldefinierten Muster.
Da es mehrere Antennengruppen gibt, können bei Bedarf eine entsprechende Anzahl von Leiterbahnlagen verwendet werden, um eine regelrechte Signalebene zu bilden. Die Durchkontaktierungen von Antennenelementen unterschiedlicher Gruppen durchsetzen dann den mehrlagigen Platinenstapel unterschiedlich weit.
Ferner entspricht es der Lehre der Erfindung, dass zur gegenseitigen Abschirmung der Durchkontaktierungen unterschiedlicher Antennengruppen zwischen diesen eine oder mehrere weitere, auf Massepotential liegende Durchbohrungen bzw. -kontaktierungen vorgesehen ist/sind. Solche Bohrungen können ggf. einseitig blind enden, während sie – vorzugsweise mit ihrem anderen Ende – an einem vorzugsweise als weitere Leiterbahnlage bzw. fläche ausgebildeten Massenanschluss verbunden sind.
Wenn – wie die Erfindung weiter vorsieht – die der Verbindung dienenden Signalleitungen auf etwa geradem Weg zwischen den betreffenden Antennenelementen bzw. -patches verlaufen, so sollten diese nächstgelegenen und direkt miteinander verbundenen Antennenpatches um ein vorgegebenes, vorzugsweise etwa konstantes Maß voneinander beabstandet sein, welches bspw. etwa der Wellenlänge der abgestrahlten bzw. sensierten Radarsignale entspricht, oder einem Vielfachen davon, bspw. der doppelten Wellenlänge. Solchenfalls ruft eine gerade gestreckte Signalleitung eben die erwünschte Phasenverschiebung um n·λ hervor.
Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn eine oder mehrere Reihen von Antennenpatches der selben Antennengruppe in der Antennenebene selbst miteinander verbunden sind. Da die benachbarten Antennenelemente oder -flächen vorzugsweise unterschiedlichen Antennengruppen zugeordnet werden, sind sie signalmäßig möglichst vollständig voneinander zu trennen, was am besten durch einen gewissen, gegenseitigen Abstand realisierbar ist. Zwischen benachbarten Antennenelementen oder -flächen verbleiben daher ungenutzte Gassen, welche sich hervorragend zum Einfügen von Anschlussleitungen eignen.
Da eine Anschlussleitung meistens einer von zwei benachbarten Antennenelementen oder -flächen signalmäßig zuzuordnen ist, besteht oftmals keine Veranlassung, hier eine (galvanische) Trennung vorzunehmen. Vielmehr können in diesem Fall die jeweils betroffenen Antennenelemente oder -flächen unter bestimmten Voraussetzungen direkt in die Signalleitung integriert werden, das Signal wird sozusagen durch ein Antennenelement hindurch zum nächsten geleitet. Dadurch entsteht eine Anordnung, wobei zwei oder mehr Antennenelemente nach Art einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
Bei einer – hier nicht geschützten – Nutzung eines(-r) Antennenelements oder -fläche als Signalleiter würden an der betreffenden Antenne zwei Verbindungsleitungen angeschlossen, insbesondere an einander etwa gegenüberliegenden Bereichen. Dabei fungiert der eine Anschluss als Zuleitung für das/die betreffende Antennenelement oder -fläche, der andere Anschluss bildet die Zuleitung des/der nächstfolgend angeschlossenen Antennenelements oder -fläche.
Wenn ein Antennensegment nach Art einer Abzweigung an eine gemeinsame Zuleitung angeschlossen ist, so kann man hierbei eher an eine Parallelschaltung der einzelnen Antennenelemente bzw. -zweige denken.
Falls ein Antennenelement oder -patch von einer gemeinsamen Verbindungsleitung einseitig abzweigt, könnte die Anordnung derart getroffen sein, dass die mit einer gemeinsamen Verbindungsleitung gekoppelten Antennenelemente oder -flächen abwechselnd in beide Richtungen gegenüber der Verbindungsleitung abzweigen; mit einer solchen Anordnung gelingt es bspw., sämtliche Antennenelemente verschiedener Antennengruppen innerhalb der Ebene der Antennenelemente selbst an gemeinsame Zuleitungen anzuschließen.
Die erfindungsgemäße Anschlussmöglichkeit besteht darin, dass eine oder mehrere Antennenelemente der selben Antennengruppe mittels Durchkontaktierungen zu Weitere Merkmale, Vorteile, Eigenschaften und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
1 eine erste, planare Radarantennenanordnung nach der Erfindung in einer Ansicht lotrecht zu ihrer Grundebene;
2 eine andere, erfindungsgemäße Radarantennenanordnung in einer der 1 entsprechenden Ansicht;
3 eine wiederum abgewandelte, nicht der Erfindung entsprechende Ausführungsform in einer Ansicht gemäß 1; sowie
4 eine vierte Ausführungsform der Erfindung in einer Darstellung nach 1, welche ebenfalls in der dargestellten Form nicht der Erfindung entspricht.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Radarantennenanordnung 11 in planarer Bauweise angeordnet auf einer (etwa) quadratischen Platine 12. Die Radarantennenanordnung 11 umfaßt eine Vielzahl von Antennenflächen 13, 14, nämlich insgesamt einhundertundeinundzwanzig. Davon sind sechzig Antennenflächen 13, welche in 1 dunkel schraffiert sind, einer ersten Antennengruppe zugeordnet, die anderen einundsechzig Antennenflächen 14, welche in 1 hell schraffiert sind, einer zweiten Antennengruppe.
Alle Antennenflächen 13, 14 haben identische (Außen-)Abmessungen, nämlich eine (etwa) quadratische Grundgestalt, mit einem den Anschluss erleichternden Schlitz 15 an einer Grundseite, in der Draufsicht nach 1 jeweils an der Unterkante der Antennenflächen 13, 14. Der Schlitz 15 kann (vorzugsweise je nach Lage einer Antennenfläche 13, 14) unterschiedliche Längen haben und dient zur Impedanzanpassung der betreffenden Antennenfläche 13, 14. Bei quadratischen Antennenflächen 13, 14 sorgt ein solcher Schlitz für eine definierte Ausrichtung einer stehenden Welle, was bei rechteckigen Antennenflächen bereits durch die Relation der Flächenabmessungen zu der Schwingfrequenz bzw. -wellenlänge bewerkstelligt wird.
Die Aufteilung der Antennenflächen 13, 14 sowie deren Zuordnung zu den beiden Antennengruppen folgt streng dem selben Schema wie die Aufteilung eines Schachbrettmusters in weiße und schwarze Felder. Demnach wechseln sich sowohl in Richtung einer horizontalen Zeile als auch in Richtung einer vertikalen Spalte jeweils Antennenflächen 13, 14 unterschiedlicher Antennengruppen ab, in diagonalen Richtungen folgen dagegen – analog zu der Anordnung der Felder auf einem Schachbrett – Antennenflächen 13, 14 der selben Antennengruppe aufeinander.
Wie sich leicht nachvollziehen läßt, liegen die Flächenschwerpunkte aller Antennenflächen 13, 14 je einer Antennengruppe jeweils genau im Zentrum der Platine 12, fallen also zusammen.
Jede Antennenfläche 13, 14 ist auf der Platinenoberseite 16 von allen benachbarten Antennenflächen 13, 14 vollständig isoliert. Dies wird durch gegenseitige Abstände bewirkt, welche die Platinenoberseite 16 wie ein rechtwinkliges Netz von Gassen oder Straßen durchziehen.
Die Kontaktierung der einzelnen Antennenflächen 13, 14, also deren Verbindung zu oder Kopplung an eine(r) jeder Antennengruppe gemeinsamen Anschlußleitung erfolgt auf der Rückseite der Platine 12 und/oder innerhalb von leitenden Zwischenlagen derselben. Zu diesem Zweck ist im Bereich jeder Antennenfläche 13, 14 wenigstens eine Durchkontaktierung zu finden, die bis zu einer bestimmten Zwischenlage der Platine 12 führt oder gar bis zu deren Rückseite.
Bspw. kann eine erste, von der Ober- oder Vorderseite 12 nur durch eine dünne, elektrisch isolierende Lage getrennte, ansonsten jedoch unmittelbar folgende Zwischenschicht als nahezu geschlossene, elektrisch leitende Masseschicht konzipiert werden, um die einzelnen Antennenpatches bzw. -flächen 13, 14 von dahinter verlegten Leiterbahnen komplett abzuschirmen.
Dahinter folgt dann – nur durch eine weitere, elektrisch isolierende Lage getrennt – eine weitere Schicht von Leiterbahnen, welche ausschließlich die Antennenflächen 13 einer ersten Antennengruppe untereinander und/oder mit einer gemeinsamen Anschlußleitung verbinden.
Hinter diesem Leiterbahnsystem, welches die Antennen 13 verbindet, befindet sich – von diesem Leiterbahnsystem nur durch eine weitere, elektrisch isolierende Lage getrennt – wiederum eine als nahezu geschlossene, elektrisch leitende Masseschicht ausgebildete Zwischenschicht, welche das die Antennenflächen 13 verbindende Leiterbahnsystem gegenüber den dahinter liegenden Leiterbahnebenen abschirmt.
Auf diese zweite Masseschicht folgt sodann – von dieser Masseschicht nur durch eine weitere, elektrisch isolierende Lage getrennt – ein zweites Leiterbahnsystem, welches ausschließlich die Antennenflächen 14 der zweiten Antennengruppe untereinander und/oder mit einer gemeinsamen Anschlußleitung verbindet.
Dahinter kann – wiederum durch eine isolierende Lage getrennt, eine dritte Masseschicht angeordnet sein, welche auch das zweite Leiterbahnsystem gegenüber unerwünschten Störeinflüssen abschirmt.
Elektrische Anschlüsse sind vorzugsweise nur zwei vorhanden, nämlich ein gemeinsamer Anschluß für die erste Antennengrauppe, sowie ein gemeinsamer Anschluß für die zweite Antennengrauppe.
Bei der Kontaktierung der Antennenpatches 13, 14 ist ferner zu beachten, dass diese in einer vorgegebenen Phasenbeziehung zueinander schwingen sollen. Dies kann bspw. durch Einflußnahme auf die Länge der Signalleitung zwischen zwei benachbarten und miteinander verbundenen Antennenpatches 13, 14 der selben Antennengruppe erreicht werden.
Um definierte Signallaufzeiten zu erzielen, empfiehlt es sich, eine rückwärtige Kontaktierung in der ersten Leiterbahn-Zwischenschicht nicht als (weitgehend) geschlossene Fläche auszubilden, sondern in einzelne, linienförmige Leiterbahnen aufzulösen, längs der sich die Signale mit Lichtgeschwindigkeit oder jedenfalls konstanter Geschwindigkeit ausbreiten. Daher kann die Signallaufzeit von einem Punkt bis zu einem anderen Punkt genau bestimmt werden.
Geeignet für die Kontaktierung aller Antennenflächen 13, 14 einer gemeinsame Antennengruppe ist bspw. eine etwa rippenförmig verzweigte Leiterbahnstruktur, mit einem bspw. in einer Hauptdiagonale verlaufenden „Rückgrat”-Leiter, von dem seitlich etwa rechtwinklig dazu – etwa rippenförmig – in beide Richtungen Teilleiter abzweigen. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass alle Verbindungen mit Leiterbahnabschnitten jeweils gleicher Länge realisierbar sind. Eben diese Länge kann dann auf die Wellenlänge der betreffenden Radarfrequenz abgestimmt sein. Die Kontaktierung einer Antennenfläche 13, 14 erfolgt vorzugsweise genau in deren Mitte, dort, wo der betreffende Schlitz 15 endet. Demnach sollte der diagonale Abstand der Flächenmitten in Diagonalrichtung direkt benachbarter Antennenflächen 13, 14 etwa der Wellenlänge der betreffenden Radarfrequenz entsprechen. Die kurzen Durchkontaktierungen zwischen dieser Leiterbahnebene und der Antennenebene kann man für die Ermittlung der Signallaufzeit im allgemeinen vernachlässigen, weil dieser Laufzeitanteil allen Durchkontaktierungen gemeinsam ist und daher für eine jeweils gleiche, zusätzliche Verzögerung jedes Antennensignals sorgt.
Für eine Kontaktierung genügt zwar jeweils eine einzige Durchbrechung, welche durch ein elektrisch leitendes Medium, bspw. Zinn, gefüllt wird. Es hat sich jedoch bewährt, statt einer einzigen Durchbrechung mehrere, evtl. querschnittlich reduzierte Durchbrechungen vorzusehen. Damit wird nicht nur die Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert, sondern vor allem auch die Signalqualität verbessert.
Ferner empfiehlt es sich, die Durchkontaktierungen unterschiedlicher Antennengruppen voneinander zu entkoppeln. Dies kann bspw. durch weitere Durchkontaktierungen erfolgen, welche Massepotential führen und sich jeweils zwischen den Durchkontaktierungen unterschiedlicher Antennengruppen befinden.
Ideal wäre hierfür natürlich bspw. eine hülsenförmige Durchkontaktierung, welche einen Anschlußkontakt einer Antenne vollständigt umgibt. Allerdings würde eine hülsenförmige Durchkontaktierung die Stabilität einer Platine erheblich schwächen und dadurch die Ausfallwahrscheinlichkeit wieder deutlich erhöhen. Ein akzeptabler Kompromiss ist daher bspw. die ringförmige Anordnung einer größeren Anzahl von etwa punktförmigen Masse-Durchkontaktierungen, welche jeweils eine Antennen-Anschluß-Durchkontaktierung umgeben. Eine andere Variante sieht vor, derartige Masse-Durchkontaktierungen entlang aller Gassen zwischen den Antennenflächen 13, 14 anzuordnen, weil auch dadurch ein Übersprechen wesentlich reduziert wird.
Die Radarantennenanordnung 21 nach 2 unterscheidet sich von der Radarantennenanordnung 11 aus 1 u. a. dadurch, dass in diesem Fall die Platine 22 nicht quadratisch ist, sondern rechtwinklig.
Dies resultiert vor allem daraus, dass hier die Anzahl der Zeilen und Spalten des Antennenrasters nicht identisch sind. Vielmehr gibt es neun Spalten, aber nur acht Zeilen. Ferner sind nicht alle zweiundsiebzig Plätze dieser 8×9-Matrix mit Antennen 23, 24 besetzt, sondern nur achtundsechzig Plätze; in den Quadranten oben rechts und links unten fehlen in den äußersten seitlichen Spalten jeweils zwei Antennenflächen 24.
Ferner umfasst die Radarantennenanordnung 21 nach 2 nicht zwei Antennengruppen, sondern deren drei. Dies wird durch folgende Schaltung erreicht:
Während alle Antennenflächen 23, welche in 2 dicht schraffiert sind, zu einer einzigen Antennengruppe zusammengeschalten oder auf sonstigem Weg miteinander gekoppelt sind, trifft dies für die damit verschränkt angeordneten Antennenflächen 24 nicht zu. Von diesen sind die Antennenflächen 24a in der oberen Hälfte der Radarantennenanordnung 21 zwar untereinander, aber nicht mit den – ihrerseits untereinander gekoppelten – Antennenflächen 24b in der unteren Hälfte der Radarantennenanordnung 21 verbunden, so dass sich eine obere Antennengruppe mit den Antennenflächen 24a sowie eine untere Antennengruppe mit den Antennenflächen 24b ergibt, welche jeweils mit den über die gesamte Fläche der Radarantennenanordnung 21 verteilten Antennenflächen 23 verschränkt sind.
Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass durch den räumlichen Versatz die Möglichkeit einer Winkelmessung nach dem Monopulsprinzip gegeben ist. Dabei lassen sich die Antennengruppen mit den Antennenflächen 24a und 24b als Empfangsantennen betreiben. Wie der 2 entnommen werden kann, sind die Flächenschwerpunkte der Gesamtheit aller Antennen 24a, 24b jeder dieser Antennengruppen in horizontaler Richtung gegeneinander versetzt. Bspw. liegt der Flächenschwerpunkt der Antennen 24a der oberen Antennengruppe etwa um eine Rasterteilung links von dem Flächenschwerpunkt der Antennen 24b der unteren Antennengruppe; der Versatz gegenüber dem Flächenschwerpunkt der Sendeantenne mit den Antennenflächen 23 beträgt jeweils eine halbe Rasterteilung nach links bzw. nach rechts. Damit lassen sich aus den Empfangssignalen beider Empfangsantennengruppen Rückschlüsse auf den seitlichen Ablagewinkel zu einem reflektierenden Objekt gewinnen.
Die Radarantennenanordnung 31 nach 3 weicht vom Schachbrettmuster-Prinzip ab und entspricht in dieser Hinsicht nicht der vorliegenden Erfindung. Auch hier wird allerdings – wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen 11, 21 – eine mehrlagige Platine 32 als Substrat für eine Vielzahl von Antennenflächen 33, 34 verwendet. Jedoch sind die Antennenflächen 33, 34 nicht in einem Schachbrettmuster angeordnet, sondern in vertikalen Spalten von jeweils mehreren, insbesondere jeweils sieben Antennenflächen 33, 34, wobei alle Antennen 33, 34 innerhalb einer Spalte jeweils derselben Antennengruppe zugeordnet sind. Die Antennen 33, 34 benachbarter Reihen sind abwechselnd den beiden Antennengruppen zugeordnet. In diesem Fall gibt es daher keine zweidimensionale Verschränkung wie im Fall des Schachbrettmusters, sondern nur eine eindimensionale Verschränkung.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel gibt es insgesamt sechs Spalten zu je sieben Antennenflächen 33, 34, insgesamt also zweiundvierzig Antennenflächen 33, 34. Davon sind jeweils einundzwanzig Antennen 33, 34 der ersten Antennengruppe und ebenso viele der zweiten Antennengruppe zugeordnet.
Die zu einer gemeinsamen Spalte zusammengefassten Antennenflächen 33, 34 jeder Antennengruppe sind auf der Platinenvorderseite 36 entgegen dem Wortlaut der beigefügten Patentansprüche galvanisch durch schmale Leiterbahnen 37 miteinander verbunden; zusammen mit einer direkt unterhalb der obersten isolierenden Lage angeordneten, ersten Masse-Schicht ergibt sich dadurch eine Mikrostreifenleiterstruktur mit einem definierten Wellenwiderstand.
Bevorzugt verlaufen die Leiterbahnen 37 jeweils mittig innerhalb einer Spalte, sowie gerade gestreckt, vertikal von unten nach oben. Ihre Länge entspricht daher dem (vertikalen) Abstand zwischen den vertikal benachbarten Antennenflächen 33, 34. Diese Länge eines Leiterbahnabschnitts 37 ist andererseits etwa identisch mit der in Spaltenlängsrichtung gemessenen Erstreckung einer Antennenfläche 33, 34, in der Darstellung nach 3 also der Höhe der Antennen-Rechtecke 33, 34. Diese wiederum entspricht etwa der halben Wellenlänge der verwendeten Radarfrequenz. Dies hat folgende Bewandtnis: Durch die Ausdehnung der Antennen-Rechtecke von der Größenordnung der halben Wellenlänge kann sich darin eine stehende Welle ausbilden mit zwei Knoten an den (elektrisch) reflektierenden Kanten der Antennenflächen 33, 34. Andererseits entspricht die Entfernung von dem Anschluß- oder Einspeisepunkt einer Antennenfläche 33, 34 zu dem entsprechenden Anschluß- oder Einspeisepunkt der benachbarten Antennenfläche 33, 34 insgesamt etwa der einfachen Wellenlänge der verwendeten Radarfrequenz. Die galvanisch miteinander gekoppelten Antennenflächen 33, 34 werden daher phasenrichtig zum Schwingen angeregt, bzw. eine empfangene Schwingung wird phasenrichtig aufaddiert.
Die der selben Antennengruppe zugeordneten Spalten sind untereinander auf der Rückseite der Platine 32 oder in einer Zwischenlage derselben miteinander verbunden, wozu Durchkontaktierungen erforderlich sind. Deren Struktur sowie weitere Einzelheiten, bspw. gegenseitige Abschirmungen, etc., können entsprechend zu den Ausführungsformen 11 und 21 gestaltet sein.
Die Antennenanordnung 31 zeigt aber eine weitere Besonderheit: Während die in Längsrichtung einer Spalte gemessene Antennenerstreckung bei allen Antennenflächen 33, 34 etwa gleich groß ist, etwa entsprechend der halben Wellenlänge der verwendeten Radarfrequenz, ist die quer zur Längsrichtung einer Spalte gemessene Antennenerstreckung innerhalb einer Spalte nicht konstant. Vielmehr ist diese Abmessung innerhalb jeder Spalte bei der jeweils mittleren Antennenfläche 33, 34 am Größten und nimmt zu dem oberen und unteren Ende der Spalte hin jeweils ständig ab. Diese Ausführungsform ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung.
Während die in Schwingungsrichtung verlaufende Antennenabmessung die Wellenlänge einer stehenden Welle und damit die Resonanzfrequenz der betreffenden Antennenfläche 33, 34 bestimmt, ist die quer dazu verlaufende Antennenabmessung ein Maß für die Impedanz der Antennenfläche 33, 34, und damit für die abgestrahlte Leistung bzw. für die empfangene Feldstärke. Die breiteren Antennenflächen 33, 34 oder Antennenpatches in der Mitte haben eine kleinere Impedanz und damit eine größere Strahlungsamplitude als die schmäleren Antennenflächen 33, 34 oder Antennenpatches am oberen und unteren Ende einer Antennenspalte. Indem somit die Strahlungleistung bzw. Empfangsfeldstärke zu den beiden, oberen und unteren Rändern der Radarantennenanordnung 31 hin stetig bzw. sanft abnimmt, werden Nebenmaxima in der Richtcharakteristik des Antennendiagramms reduziert oder gar vermieden.
Schließlich zeigt 4 eine noch komplexere Radarantennenanordnung 41, welche aber ebenfalls nicht den beigefügten Schutzansprüchen entspricht. Diese Radarantennenanordnung 41 hat in gewisser Form Ähnlichkeit mit der Anordnung 21 aus 2. Auf einem Substrat in Form einer rechteckigen Platine 42 sitzen eine Vielzahl von Antennenflächen 43, 44, welche jeweils einer von zwei verschiedenen Antennengruppen zugeordnet sind. Im Kern handelt es sich hier abermals um ein Schachbrettmuster, wobei die Antennenflächen 43, 34 in fünf Spalten und maximal sechzehn Zeilen angeordnet sind; allerdings gibt es pro Zeile stets nur vier Antennenflächen 43, 44, insgesamt also vierundsechzig Antennenflächen 43, 44. Davon gehören zweiunddreißig Antennenflächen 43 zu einer ersten Antennengruppe und zweiunddreißig Antennenflächen 44 zu der anderen Antennengruppe.
Jeweils acht Antennenflächen 43, 44 jeder Spalte sind jeweils einer Antennengruppe zugeordnet. Die insgesamt sechzehn Antennenflächen 43, 44 einer Antennengruppe in zwei direkt benachbarten Spalten sind an eine einzige Anschlussleitung 48 angeschlossen, welche auf der Oberseite 46 der Platine 42, jeweils entlang der Stoßfuge zwischen den beiden benachbarten Spalten verläuft. Die daran angeschlossenen Antennenflächen 43, 44 zweigen in Form von Stichleitungen jeweils einseitig sowie rechtwinklig von der Anschlussleitung 48 ab, in abwechselnder Reihenfolge einmal nach rechts und einmal nach links.
Jede Stichleitung bzw. Antennenfläche 43, 44 hat dieselbe Länge, welche derart bemessen ist, dass sie etwa der halben Wellenlänge der verwendeten Radarfrequenz entspricht, oder einem Vielfachen davon, bspw. der einfachen Wellenlänge. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Anschlussleitungen 48 – welche jeweils unterschiedlichen Antennengruppen zugeordnet sind – ist größer als die Länge der Stichleitungen bzw. Antennenflächen 43, 44, so dass jede Stichleitung bzw. Antennenfläche 43, 44 stets nur mit einer einzigen Anschlussleitung 48 verbunden ist, welche eben die Zuordnung der betreffenden Antennenfläche 43, 44 bzw. Stichleitung zu der einen oder anderen Antennengruppe bestimmt.
Alle Anschlussleitungen 48 einer gemeinsamen Antennengruppe sind im Bereich einer Stirnseite der Platine 42 zusammengeführt und dienen als gemeinsamer Anschluss 49. Auch die Zusammenführungsleitungen und die Anschlüsse 49 selbst sind bei dieser Ausführungsform an der Oberseite 46 der Platine 42 angeordnet.
Bei dieser Radarantennenanordnung 41 ist ein weiterer, erfindungsgemäßer Gedanke verwirklicht: Zwar haben alle Stichleitungen/Antennen 43, 44 jeweils gleiche Länge, um auf die selbe Radarfrequenz abgestimmt zu werden; die Breite der Stichleitungen/Antennenflächen 43, 44 variiert jedoch, und zwar haben die etwa in der Mitte jeder Spalte, also im Bereich eines „Äquators” liegenden Stichleitungen/Antennenflächen 43, 44 die größte Breite; von dort aus nimmt die Breite der Stichleitungen/Antennenflächen 43, 44 zu den oberen und unteren Rändern bzw. „Polen” der Radarsensoranordnung 41 hin ab. Der Sinn ist ähnlich wie bei der Ausführungsform 31 nach 3: Infolge von zu den Polen hin ansteigender Impedanzen der Stichleitungen/Antennenflächen 43, 44 nimmt deren Strahlungsleistung bzw. Empfangsfeldstärke zu den Polen hin kontinuierlich ab. Die Folge ist ein sanfter Verlauf der Strahlungsleistung über die Platinenfläche 46 hinweg bis zu deren Rändern und demzufolge die Vermeidung von Nebenmaxima im Diagramm der Antennengruppen der Radarantennenanordnung 41.

Claims

Radarantennenanordnung (11; 21), in Mikrostreifenleiter-Technik, für einen Radarsensor mittlerer bis großer Reichweite, umfassend wenigstens eine erste Antennengruppe mit mehreren einzelnen, miteinander gekoppelten Antennenelementen (13; 23), sowie wenigstens eine zweite Antennengruppe mit mehreren einzelnen, miteinander gekoppelten Antennenelementen (14; 24), wobei die einzelnen Antennenelemente (13, 14; 23, 24) unterschiedlicher Antennengruppen galvanisch nicht miteinander verbunden sind, jedoch in einer gemeinsamen, ebenen Fläche auf der Vorderseite (16) einer Platine (12) angeordnet sowie derart miteinander verschränkt sind, dass entlang wenigstens einer Raumrichtung aufeinanderfolgende Antennenelemente (13, 14; 23, 24) unterschiedlicher Antennengruppen einander abwechseln, wobei eine erste Antennengruppe als Sendeantenne und wenigstens eine zweite Antennengruppe als Empfangsantenne dient, dadurch gekennzeichnet, dass a) benachbarte Antennenelemente (13, 14; 23, 24) der selben Antennengruppe stets etwa gleiche Abstände zueinander aufweisen; b) wobei die miteinander verschränkten Antennenelemente (13, 14; 23, 24) nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet sind, derart, dass die Antennenelemente (13; 23) der Sendeantenne an solchen Stellen platziert sind, wo sich bei einem Schachbrett weiße Felder befinden, während die Antennenelemente (14; 24) einer Empfangsantenne an solchen Stellen platziert sind, wo sich bei einem Schachbrett schwarze Felder befinden, so dass entlang zweier, unterschiedlicher Raumrichtungen, welche rechtwinklig zueinander verlaufen, jeweils aufeinanderfolgende Antennenelemente (13, 14; 23, 24) unterschiedlicher Antennengruppen einander abwechseln; c) wobei ferner eine von der Vorderseite (16) der Platine (12) nur durch eine dünne, elektrisch isolierende Lage getrennte, ansonsten jedoch unmittelbar folgende Zwischenschicht als nahezu geschlossene, elektrisch leitende Masseschicht konzipiert ist; d) wobei hinter der elektrisch leitenden Masseschicht, von dieser nur durch eine weitere, elektrisch isolierende Lage getrennte eine weitere Schicht mit einem ersten Leiterbahnsystem vorgesehen ist, welches ausschließlich die Antennenflächen (13) einer ersten Antennengruppe untereinander und/oder mit einer gemeinsamen Anschlussleitung verbindet; e) während sich ein zweites, ausschließlich die Antennenflächen (14) der zweiten Antennengruppe (14) untereinander und/oder mit einer gemeinsamen Anschlussleitung verbindendes Leiterbahnsystem hinter einer zweiten, nahezu geschlossenen, elektrisch leitenden Masseschicht angeordnet ist, die von dem ersten und zweiten Leiberbahnsystem nur durch je eine elektrisch isolierende Lage getrennt ist; f) und wobei im Bereich jeder Antennenfläche (13, 14) wenigstens je eine Durchkontaktierung zu dem betreffenden Leiterbahnsystem in einer bestimmten Zwischenlage der Platine (12) oder auf deren Rückseite führt.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche der ineinander verschränkten Antennengruppen gleich dem Flächenbedarf der Antennengruppe mit der engsten Richtcharakteristik ist, wobei die Breite der Richtcharakteristik der 3 dB-Keulenbreite des betreffenden Antennendiagramms entspricht.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschärfe zwischen den zwei, oder allen Antennengruppen gleich oder größer ist als 20 dB.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Antennenelemente (13, 14; 23, 24) als Antennenflächen und/oder planare Antennen („Antennenpatches”) ausgeführt sind.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Antennenpatches (13, 14; 23, 24) jeweils eine eckige oder eine rechteckige oder quadratische, oder eine sechs- oder mehreckige Fläche aufweisen.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Antennenpatches (13, 14; 23, 24) jeweils eine Fläche von der Gestalt eines (unregelmäßigen) Sechsecks oder von kreisförmiger Gestalt aufweisen.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Antennenpatches (13, 14; 23, 24) jeweils in der selben Art und ggf. Ausrichtung schwingen, also entweder linear polarisiert oder zirkulär polarisiert.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen jeweils zweier, mehrerer oder aller Antennenpatches (13, 14; 23, 24) gleich groß sind.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Längserstreckung zweier, mehrerer oder aller Antennenpatches (13, 14; 23, 24) in wenigstens einer gemeinsamen Raumrichtung gleich groß ist.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Antennenpatches (13, 14; 23, 24) zum Zweck der elektrischen Entkopplung um wenigstens λ/8 voneinander beabstandet sind.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenpatches (13, 14; 23, 24) einer gemeinsamen Antennengruppe um die Wellenlänge der abgestrahlten oder sensierten Radarsignale oder einem Vielfachen davon voneinander beabstandet sind.
Radarantennenanordnung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Antennengruppen in wenigstens einer Raumrichtung einen Antennenversatz aufweisen, d. h., einen Abstand d zwischen den beiden Antennenschwerpunkten aller Antennenelemente (23, 24).
Radarantennenanordnung (21) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d zwischen den beiden Antennenschwerpunkten jeder der beiden Antennengruppen kleiner ist als die gesamte Erstreckung der Antennengruppe mit der breitesten Richtcharakteristik in der betreffenden Raumrichtung, wobei die Breite der Richtcharakteristik der 3 dB-Keulenbreite des betreffenden Antennendiagramms entspricht.
Radarantennenanordnung (21) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d zwischen den beiden Antennenschwerpunkten aller Antennenelemente (23, 24) zweier Antennengruppen gleich oder kleiner ist als die Wellenlänge λ: 0 < d ≤ λ.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierungen unterschiedlicher Antennengruppen voneinander abgeschirmt sind.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur gegenseitigen Abschirmung der Durchkontaktierungen unterschiedlicher Antennengruppen zwischen diesen eine oder mehrere weitere, auf Massepotential liegende Durchbohrungen- bzw. -kontaktierungen vorgesehen ist/sind.
Radarantennenanordnung (11; 21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Antennenelemente (13, 14; 23, 24) nach Art einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind.