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Die
Erfindung betrifft ein Antennengehäuse mit einer Einkoppelstelle
für eine elektromagnetische Welle, einem Hohlraum und einer
Auskoppelstelle für eine Richtstrahlung, wobei die Auskoppelstelle
mit dem Hohlraum verbunden ist.
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Stand der Technik
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Derzeitige
Kraftfahrzeuge verfügen über zahlreiche Fahrerassistentensysteme,
um den Komfort und die Sicherheit des Fahrzeugs zu erhöhen.
Ziel der Sicherheitssysteme ist es, die Schwere von Unfällen
zu reduzieren bzw. Unfälle durch Vermeidung von kritischen
Fahrsituationen zu verhindern. Hierzu benötigen die Fahrerassistenzsysteme
ausreichend Informationen über den Fahrzustand des Fahrzeugs
und dessen Umgebung. Derartige Informationen betreffen z. B. die
Entfernung des Fahrzeugs zu anderen Objekten, die Relativgeschwindigkeiten
zwischen dem Fahrzeug und den anderen Objekten sowie eine Winkelmessung
im Hinblick auf das zu detektierende Objekt. Die Informationen werden
genutzt, um die Fahrerassistenzsysteme in einer sicherheitskritischen
Situation eingreifen zu lassen z. B. bei „PreCrash”-Systemen.
Ebenso können die Informationen genutzt werden, um den
Komfort während des Fahrens für den Fahrer zu
erhöhen z. B. durch einen Abstandsregelautomat („ACC
Stop & Go”),
als Parkhilfe, für semiautonomes Einparken oder zur Detektion
im Bereich des toten Winkels („Blind Spot Detektion”).
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Die
notwendigen Daten über die Umgebung können mittels
Lasersystemen oder Radareinrichtungen gewonnen werden. Hierzu werden
bei den Radareinrichtungen sogenannte Phasenschieber, auch Scanner genannt,
eingesetzt, welche mechanisch oder durch eine Änderung
der Frequenz die Richtcharakteristik der Antenne so ändern,
dass die Hauptkeule von der senkrechten Abstrahlrichtung der Antenne
abweicht Dadurch kann der Raum in einem definierten Bereich sequentiell
abgetastet werden, um die Winkelinformation über ein detektiertes
Zielobjekt zu erhalten. Um die Hauptabstrahlrichtung einer Antenne
zu verändern, müssen die Phasenfronten der sich
ausbreitenden elektromagnistischen Wellen gezielt so verändert
werden, dass sie sich in der gewünschten Raumrichtung überlagern.
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Hierzu
schlägt die
DE
199 58 750 B4 vor, in eine Leckwellenantenne einen Stab
einzubringen, dessen relative Permittivität mittels einer
angelegten Spannung veränderbar ist, um so die Ausbreitungskonstante
der Leckwellenantenne zu beeinflussen. Dadurch kann die Wellenlänge
in der Leckwellenantenne verändert werden, was bei konstanter
Geometrie in einer geschwenkten Hauptkeule der Richtcharakteristik
resultiert.
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Des
Weiteren sind Antennengehäuse mit Hohleiterantennen bekannt,
bei welchen die Richtcharakeristik dadurch beeinflusst wird, indem
die Länge des Hohlraums der Hohlleiterantenne mittels einer
Vorrichtung so verändert wird, dass sich die Phasenfronten,
der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle in einer gewünschen
Raumrichtung gezielt überlagern. Die dabei eingesetzten
Mechaniken der Vorrichtung sind teuer und empfindlich gegen äußere
Einflüsse.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung ein Antennengehäuse zur
Verfügung zu stellen, das einen einfachen und robusten
Aufbau aufweist und bei dem gezielt die Richtcharakteristik so veränderbar
ist, dass die Hauptkeule der Richtcharakteristik schwenkbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Antennengehäuse gemäß Anspruch
1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in
den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass teuere und gegenüber äußeren
Einflüssen empfindliche Antennengehäuse, die als
mechanische Phasenschieber arbeiten, dadurch vermieden werden können,
indem die Höhe des Hohlraums des Antennengehäuses
durch eine am Antennegehäuse angeordnete Vorrichtung zur Abstandsänderung
zwischen zwei Gehäuseteilen veränderbar ist.
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Durch
eine Einrichtung zur Änderung des Abstands des ersten Antennengehäuseteils
gegenüber dem zweiten Antennengehäuseteil ist
das erstes Antennenge häuseteil gegenüber dem zweiten
Antennengehäuseteil verschiebbar, sodass die Höhe
des Hohlraums, im Antennengehäuse einfach und zuverlässig
variierbar ist. Dadurch werden die Phasenbeziehungen der an den
Auskoppelstellen abgestrahlten elektromagnetischen Wellen so verändert,
dass die Abstrahlrichtung der Hauptkeule der Richtcharakteristik über
einen größeren Winkelbereich schwenkbar ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Antennengehäuse
als Hohlleiterantenne ausgebildet, wobei der Hohlraum mäanderförmig
ausgebildet ist. Auf diese Weise, wird ein Antennengehäuse
zur Verfügung gestellt, welches einen hohen Wirkungsgrad
bei einem einfachen Aufbau aufweist.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das
Antennengehäuse an einem Ende des Hohlraums ein elektromagnetische
Wellen absorbierendes Material auf. Dies hat den Vorteil, dass die
elektromagnetische Welle, welche durch den Hohlraum läuft,
am Ende des Hohlraums nicht reflektiert wird und so zu einer störenden
Welle sich entwickelt.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Antennengehäuse
als Mikrostreifenantenne ausgebildet, wobei ein Antennengehäuseteil
einen Leiter und die Einkoppelstelle umfasst, der Hohlraum kastenförmig
ausgebildet ist und über der Einkoppelstelle angeordnet
ist. Dies hat den Vorteil, dass das Antennengehäuse in
Teilen einfach und kostengünstig als bedruckter Leiter
herstellbar ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Antennengehäuseteile
plattenförmig. Auf diese Weise kann eine flache Antenne
ausgebildet werden, die günstig gelegen im Frontraum z.
B. im Bereich des Kühlergrills eines Fahrzeugs einbaubar
ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der
Hohlraum des Antennengehäuses einen rechteckförmigen
Querschnitt auf. Auf diese Weise kann die Richtcharakteristik einfache
mathematische Modelle überführt werden, um so
die Richtcharakteristik für unterschiedliche Abstände
der Antennengehäuseteile zueinander zu simulieren.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Öffnungen
der Auskoppelstellen an einer Außenfläche eines
Antennengehäusesteils verschieden groß. Auf diese
Weise kann bei einer Mehrzahl von Auskoppelstellen durch die Variation
der Öffnungsgröße gezielt die Richtcharakteristik
beeinflusst werden. Dadurch kann die Hauptkeule beispielsweise schärfer
ausgeprägt sein und/oder die üblicherweise vorhandenen Nebenkeulen
deutlich reduziert werden. Dies hat den Vorteil, dass das Auflösungsverhalten
des Antennengehäuses verbessert wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die
Antennengehäuseteile eine Verbindung, insbesondere eine
Nut-Feder-Verbindung auf. Auf diese Weise können die Antennengehäuseteile
in ihrer Lage verschoben werden und haben dennoch Kontakt zueinander,
sodass der Hohlraum, der zwischen den Antennengehäuseteile,
durch die Verbindung seitlich verschlossen ist und so die elektromagnetische
Welle den Hohlraum nicht verlassen kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die
Einrichtung zur Veränderung des Abstands zwischen den Antennengehäuseteilen
zumindest ein Piezoelement oder ein elektroaktives Polymer auf.
Auf diese Weise kann der Abstand zwischen den Antennengehäuseteilen
durch anlegen einer elektrischen Spannung gezielt verändert
werden, um so die Hauptkeule des Antennengehäuses zu schwenken.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert.
Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßen
Antennengehäuse gemäß einer ersten Ausführungform;
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2 einen
Querschnitt durch das in 1 gezeigte Antennengehäuse
entlang der y-Achse;
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3 eine
Projektion eines Mäanders in Schnittansicht;
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4 einen
schematischen Querschnitt durch das in 1 gezeigte
Antennengehäuse entlang der y-Achse gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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5 eine
schematische 3D-Ansicht eines erfindungsgemäßen
Antennengehäuses gemäß einer dritten
Ausführungsform;
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6 ein
Diagramm einer Richtcharakteristik;
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7 ein
Diagramm hinsichtlich der Abhängigkeit von Abstrahlwinkel
zur Höhe des Hohlraums; und
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8 ein
Diagramm hinsichtlich der Abhängigkeit von Abstrahlwinkel
zur Änderung der Frequenz.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßes
Antennengehäuses 31. Das Antennengehäuse 31 weist
eine rechteckförmige Grundfläche auf und ist plattenförmig
ausgeführt. Das Antennengehäuse 31 weist
auf seiner Oberseite eine Auskoppelstelle 30 auf, die mehrere Öffnungen
umfasst. Die Öffnungen dar Auskoppelstelle 30 sind
entlang der y-Achse in regelmäßigem Abstand d angeordnet.
Das Antennengehäuse 31 weist an einer Seitenfläche
zwei Einkoppelstellen 32, 33 auf. Die Einkoppelstellen 32, 33 sind
gegenüberliegend so angeordnet, dass sie maximalen Abstand
zueinander an der Seitenfläche des Antennengehäuses 31 haben.
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Die
Einkoppelstellen 32, 33 sind mittels eines mäanderförmig
im Antennenkörper 31 verlaufenden Hohlraum 34 verbunden.
Die Einkoppelstellen 32, 33 können auch
zur Auskoppelung eines empfangenen Signals aus dem Antennengehäuse 31 genutzt
werden. In einer Ausführungsform wird nur an einer Einkoppelstelle 32, 33 eine
elektromagnetische Welle eingekoppelt. Um eine Reflexion an der
ungenutzten Einkoppelstelle 32, 33, die gegebenenfalls
verschlossen ist, zu vermeiden, kann die ungenutzte Einkoppelstelle 32, 33 mittels
eines elektromagnische Wellen absobierenden Materials verschlossen
sein.
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Der
Hohlraum 34 ist ober- und unterseitig durch das Antennengehäuseteile
verschlossen und windet sich mäanderförmig durch
das Antennengehäuse 31, wobei der Verlauf des
Hohlraums 34 so ausgebildet ist, dass sich Geradstücke
und 180 Grad Biegungen so abwechseln, dass sich der Hohlraum in
seinem Verlauf sich nicht selbst schneidet. Das Antennengehäuse 31 wird
in einer Ausführungs form aus Aluminium oder Messing gefertigt.
Dabei werden die Einkoppelstellen 32, 33 und/oder
der Hohlraum 34 mittels Fräßen, Ätzen
oder Laserschneiden in das Antennengehäuse 31 gebracht.
Ebenso ist eine Herstellung des Antennengehäuse 31 mittels
Druckgussverfahren denkbar. Des Weiteren werden die Oberflächen
des Hohlraums 34 z. B. mit Gold bedampft, um eine Oxidation
des Grundmaterials des Antennengehäuses 31 v.
a. im Bereich des Hohlraums 34 zu verhindern.
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Die
Auskoppelstelle 30 ist durch eine Mehrzahl von Öffnungen
ausgeführt und welche mit dem Hohlraum 34 verbunden
sind. Die Längsachsen der Öffnungen der Auskoppelstelle 30 verlaufen
parallel zur z-Achse. Die Öffnungen der Auskoppelstelle 30 können
unterschiedlich groß sein und sich in ihren Querschnitten unterscheiden.
Insbesondere eigenen sich z. B. kreisförmige, schlitzförmige,
elliptische oder auch eckige Querschnitte für die Öffnungen
der Auskoppelstelle 30, die mit unterschiedliche Querschnittsflächen
miteinander kombinierbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die Richtstrahlung,
die sich aus den Öffnungen der Auskoppelstelle 30 emittieren
elektromagnetischen Wellen zusammensetzt, durch die verschiedenen
Größen und Querschnitte der einzelnen Öffnungen
der Auskoppelstelle 30 gezielt beeinflusst werden kann.
Die Richtstrahlung wird zur besseren Abbildbarkeit in einer Richtcharakteristik,
wie in 6 gezeigt, dargestellt. Durch die Variation der
Querschnitte der Öffnungen der Austrittsstelle 30 ist
eine scharfe Hauptkeule ausbildbar, wobei die üblicherweise
ebenso emittierten Nebenkeulen gezielt einstellbar sind. Auf diese
Weise können Störsignale, die daraus resultieren,
dass ein von den Nebenkeulen emittiertes Signal zurück
zum Antennengehäuse 31 reflektiert wird, vermieden
werden. Ebenso können Nebenkeulen gezielt ausgebildet werden,
um den Seitenbereich der Hauptabstrahlrichtung geziehlt abzutasten.
Das Antennengehäuse 31 ist in einer Ausführungsform als
Hohlleiterantenne ausgeführt, da diese Bauform geringe
Wirkungsgradverluste aufweist.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch das in 1 gezeigte
Antennengehäuse entlang der y-Achse. Dabei weist das Antennengehäuse 31 ein
unteres Antennengehäuseteil 2 und ein oberes Antennengehäuseteil 1 auf,
welche durch eine Nut-Feder-Verbindung 3, 4 so
miteinander verbunden sind, dass der rechte Hohlraum 34 von
dem linken Hohlraum 34 durch eine Zwischenwand 5, 6 getrennt
ist. Der Hohlraum 34 weist einen rechteckförmigen
Querschnitt auf, welcher in mathema tischen Modellen einfacher und
schneller berechenbar ist als andersförmige mögliche
Querschnitte. Das Antennengehäuse 31 ist hierbei
zweiteilig ausgeführt, wobei die Trennlinie der beiden
Antennengehäuseteile 1, 2 etwa mittig
zur Höhe des Hohlraums 34 verläuft. Das
obere Antennengehäuserteil 1 weist dabei eine
Mehrzahl von Öffnungen der Auskoppelstelle 30 auf,
die in regelmäßigem Abstand d zueinander angeordnet
sind. Die durch den Hohlraum 34 laufende elektromagnetische Welle 7,
z. B. eine Welle im Radarbereich, ist durch das Pfeilarray im linken
Hohlraum 34 dargestellt. Die Querschnittsfläche
des Hohlraums 34 setzt sich aus der Breite b und der Höhe
a zusammen. Durch die Nut-Feder-Verbindung 3, 4 kann
das obere Antennengehäuseteil 1 gegenüber
dem unteren Antennengehäuseteil 2 verschoben werden,
ohne dass der linke Hohlraum 34 mit dem rechten Hohlraum 34 durch
einen Spalt verbunden ist. Dabei greift eine rechteckförmige
Feder 3 in eine Nut 4 ein. Nut 4 und
Feder 3 verlaufen parallel zum Hohlraum 34 im
gesamten Bereich des Antennengehäuses 31 und begrenzen
den Hohlraum 34 seitlich. Durch die Verschiebbarkeit des
ersten Antennengehäuseteils 1 gegenüber
dem zweiten Antennengehäuseteil 2 ist die Höhe
a des Hohlraums 34 um die Spalthöhe c veränderbar.
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Eine
starke Dämpfung und das Anschwiegen von Moden höherer
Ordnung kann zuverlässig im Hohlraum
34 vermieden
werden, indem der Hohlraum
34 in seinem technischen Hauptbereich
betrieben wird. Der technische Hauptbereich des Antennengehäuses
31 wird über
die Wellenlänge λ
0 im
Freiraum definiert, dabei gilt: 1,053·a ≤ λ
0 ≤ 1,6·a. Zusätzlich
gilt für die Breite b des Hohlraums
34 b ≤ 0,5·a.
Die Wellenlänge λ
z in
Ausbreitungsrichtung im Hohlraum
34, wie in
3 gezeigt,
kann in einer ihrer Grundmoden folgend definert werden:
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Die
beiden Öffnungen der Auskoppelstelle
30 sind,
wie in
1 gezeigt, über den mäanderförmigen Hohlraum
34 miteinander
verbunden. Der Hohlraum
34 weist, wie in
3 gezeigt,
Jeweils zwischen zwei Auskoppelstellen
30 die Länge
m auf. Die Phasendifferenz φ zwischen zwei Öffnungen
der Auskoppelstelle
30 ist abhängig von der Wellenlänge λ
z in Ausbreitungsrichtung und der Länge
m des Hohlraums
34 zwischen den zwei Auskoppelpunkten:
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Die
Wellenlänge λz in Ausbreitungsrichtung
kann entweder durch eine Änderung der Höhe a oder
der Wellenlänge λ0 im
Freiraum verändert werden, um die Phasendifferenz φ zwischen
zwei Öffnungen der Auskoppelstelle 30 zu beeinflussen. Üblicherweise
wird die Phasendifferenz φ entweder durch eine Änderung
der Wellenlänge λ0 im
Freiraum oder durch eine Variation der Länge m beeinflusst.
Eine Änderung der Wellenlänge λ0 hat den Nachteil, dass eine wesentlich
höhere Frequenzbandbreite benötigt wird und daher
höhere Anforderungen an die Bandbreite Frequenzquelle gestellt
sind. Des Weiteren wird durch eine Variation der Wellenlänge λ0 die Wahl der Frequenzmodulation eingeschränkt.
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Eine
Variation der Länge m erfordert einen zumindest dreiteiligen
Aufbau für einen mäanderförmigen Hohlraum
34,
um die Öffnungen der Auskoppelstelle
30 in ihrer
Lage konstant zu halten. Daher ist dieser Aufbau konstruktiv aufwendig,
die verwendeten Mechaniken teuer und empfindlich gegenüber äußeren
Einflüssen. In der Ausführungsform wird die Länge
m konstant gehalten. Das Antennengehäuse
31 strahlt
durch die Öffnungen der Auskoppelstelle
30 phasensynchron,
d. h. senkrecht zur Oberfläche des Antennengehäuses ab,
wenn m = (n + 0,5)·λ
z;
n = 0, 1, ..., ∞ gilt. Zusätzlich tritt hierbei
eine Phasenverschiebung um π (bzw. λ
z/2) abwechselnd
in den Geradstücken des Hohlraums
34 auf, wenn
der Hohlraum
34 mäanderförmig wie in
der Ausführungsform im Antennengehäuse
31 verläuft.
Um den Hohlraum mäanderförmig im Antennengehäuse
31 anzuordnen,
gilt für den Abstand d der Öffnungen der Auskoppelstelle
30 zueinander:
d = λ
0/2, wenn λ
z > λ
0 erfüllt wird. Wird das erste Antennengehäuseteil
1 gegenüber
dem zweiten Antennengehäuseteil
2 verschoben,
so ändert sich die Höhe a des Hohlraums
34.
Mit der Wellenlänge λ
zM in
Ausbreitungsrichtung in gemittelter Höhenlage a
M = (a
max + a
min)/2 kann eine Phasenänderung Δφ zwischen
zwei benachbarten Öffnungen der Auskoppelstelle
30 aus
Gleichung 2 beschrieben werden:
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Für
die Wegdifferenz Δλ
0 folgt:
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Daraus
resultierend kann der Abstrahlwinkel α in Abhängigkeit
der Frequenz f bestimmt werden.
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Der
Abstrahlwinkel α kann in Abhängigkeit zur Höhe
a und zur Frequenz f für unterschiedliche Längen m
angegeben werden. Die Ergebnisse hierfür sind in 7 und 8 dargestellt.
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Die
Verschiebung des ersten Antennengehäuseteils 1 gegenüber
dem zweiten Antennengehäuseteil 2 kann mittels
einer Einrichtung erfolgen, die eine Mechanik z. B. einer rotierenden
Welle umfasst, an die eines der beiden Antennengehäuseteile 1, 2 exzentrisch
angeschlossen ist. Das nicht angeschlossene Antennengehäuseteil 1, 2 ist
hierbei fest mit einem nicht dargestellten Schutzgehäuse
verbunden. Ebenso kann die Einrichtung zur Verschiebung des ersten
Antennengehäuseteils 1 ein Piezoelements oder
ein elektroaktiven Polymers 8 umfassen. In einer Ausführungsform
ist das erste Antennengehäuseteil 1 mit dem Schutzgehäuse verbunden.
Das zweite Antennengehäuseteil 2 ist oberhalb
des elektroaktiven Polymers 8 angeordnet. Das elektroaktive
Polymer 8 wird dabei über Elektroden 9 mit
Spannung versorgt. Durch eine Variation der an den Elektroden anliegenden
Spannung wird die Dicke des elektroaktiven Polymers 8 verändert.
Dabei hebt und senkt das elektroaktive Polymer 8 je nach
angelegter Spannung das zweite Antennengehäuseteil 2,
sodass die Höhe a des Hohlraums 34 verändert
wird. Durch den elektroaktiven Polymer 8 kann jeder beliebige
Wert in einem Bereich der Höhe a angefahren werden. Um
Fertigungsungenauigkeiten auszugleichen, ist das Antennengehäuse 31 und
die absolute Positionierung des zweiten Antennengehäuseteils 2 mit
einer Messung der Richtcharakteristik bzw. der Richtstrahlung zu
kalibrieren. Um mit einer Bildwiederholrate von 40 ms die Umgebung
abzutasten, verändert der elektroaktive Polymer 8 mit
Frequenz von 25 Hz die Höhe des Hohlraums 34.
Elektroaktive Polymere sind vorteilhafterweise frei formbar und
verfügen über eine hohe Dehnbarkeit, sodass die
zu verfahrenden Hubstrecken mit kompakten elektroaktiven Polymerschichten
umsetztbar sind.
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Ferner
kann die Variation der Höhe a des Hohlraums 34 auch
mit einer Änderung der Frequenz f und damit der Wellenlänge λz gekoppelt sein. Auf diese Weise kann z.
B. die Hauptkeule durch eine Änderung der Frequenz geschwenkt
werden und die Fertigungstoleranzen können durch eine Anpassung
der Höhe des Hohlraums 34 mittels des elektroaktiven
Polymers 8 ausgeglichen werden. Alternativ kann das mechanische und
das frequenzabhängige Schwenken der Hauptkeule aneinander
gekoppelt werden, um im frequenzabhängigen Schwenken der
Hauptkeule einen Freiheitsgrad hinzu zu gewinnen. Dieser kann genutzt
werden, um die die Hauptkeule mechanisch zuschwenken und bei Erfassung
eines Zielobjekts mittels einer Änderung der Frequenz f,
bei gleichzeitigem Ausgleich des Schwenkens der Hauptkeule durch
die Frequenzänderung, den Abstand zu dem Zielobjekt zu
ermitteln. Dies hat den Vorteil, dass den Fahrerassistenzsystemen
ein genaues Bild über die vor dem Fahrzeug befindendlichen
Zielobjekte, deren Anordnung sowie deren Relativgeschwindigkeiten
zur Verfügung gestellt werden kann.
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Das
Antennengehäuse kann auch zwei getrennt agierende Einrichtungen
bzw. elektroaktive Polymere 8 zur Verschiebung der Antennengehäuseteile
aufweisen. Auf diese Weise ist ein Antennengehäuse realisierbar,
dass, nicht wie in 1 gezeigt, am Anfang des Hohlraums 34 gespeist
wird, sondern mittig. Auf diese Weise können die Verluste
des Antennengehäuses reduziert werden, da die beiden von
der Mitte aus gespeisten Hohlräume eine kürzere
Mäanderlänge aufweisen. Um ein einheitliches Schwenken
der Hauptkeule zu erreichen, müssen die beiden verschiebbaren
Antennengehäuseteile jeweils gegenläufig bewegt
werden, sodass auf der einen Seite des Antennengehäuses
die Höhe des Hohlraums reduziert und auf der anderen Seite des
Antennengehäuses vergrößert wird.
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Zusätzlich
kann der zeitliche Verlauf des Schwenkens der Hauptkeule während
des Betriebs so verändert werden, dass z. B. ein bestimmter
Bereich intensiver bzw. zeitlich länger abgetastet wird,
als ein anderer Bereich. Auf diese Weise kann das Schwenkverfahren
z. B. bei enger Kurvenfahrt dem Fahrerassistenzsystem genauerer
Informationen über den Fahrbereich des Fahrzeugs z. B.
im Kurveninnenbereich liefern, als übliche Radareinrichtungen
deren Schwenkbereich zeitlich durch den Aufbau der Antenne vorgegeben
ist z. B. bei einer Walzenantenne.
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3 zeigt
eine Projektion eines Mäanders in Schnittansicht, wie er
in sich in 1 durch das Antennengehäuse 31 windet.
Im Hohlraum 34 verläuft die elektromagnetische
Welle 7, wobei ein Wellenabschnitt die Wellenlänge λz in Ausbreitungsrichtung definiert. Die
beiden Öffnungen der Auskoppelstelle 30 im ersten Antennengehäuseteil 1 sind über
den Hohlraum 34 miteinander verbunden und weisen den Abstand
der Länge m des Mäanders auf.
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das in 1 gezeigte
Antennengehäuse entlang der y-Achse gemäß einer
zweiten Ausführungsform. Hierbei ist ein Antennengehäuse 26 mit
einer Mehrzahl von Öffnungen der Auskoppelstelle 27 dargestellt.
Ein erstes Antennengehäuseteil 22 ist hierbei
fest mit einem nicht dargestellten Schutzgehäuse verbunden.
Das zweite Antennengehäuseteil 21 sitzt oberhalb
eines Piezoelements 20 und dessen Elektroden 25,
welches als Einrichtung zur Verschiebung des zweiten Antennengehäuseteils 21 gegenüber
dem ersten Antennengehäuseteil 22 dient. Piezoelemente
weisen vorteilhafterweise gegenüber anderen elektrischen
Aktoren ein hohes Kraftpotential und ein schnelles Ansprechverhalten
auf. Das Piezoelement 20 kann aber auch zwischen den beiden
Antennengehäuseteilen 21, 22 angeordnet
sein, wobei z. B. das zweite Antennengehäuseteil 21 fest
mit dem Schutzgehäuse verbunden ist, und das erste Antennengehäuseteil 22 durch
das Piezoelement 20 verschoben wird. Alternativ ist aber
eine Anordnung des Piezoelements 20 in der Befestigung
des ersten Antennengehäuseteils 22 am Schutzgehäuse
denkbar, um so das erste Antennengehäuseteil 22 in
seiner Lage gegenüber dem zweiten Antennengehäuseteil 21 zu
verschieben.
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Das
Antennengehäuse 26 weist einen ähnlichen
Hohlraum 24, wie in 1 gezeigt
auf, welcher mäanderförmig im Antennengehäuse 26 verläuft.
Das Antennengehäuse 26 ähnelt in seinem
Aufbau dem in 2 gezeigten Antennengehäuse 31.
In der Ausführungsform ist jedoch das erste Antennengehäuseteil 22 nicht über
Nut-Feder-Verbindungen mit dem zweiten Antennengehäuseteil 21 verbunden.
Das Antennengehäuseteil 26 weist an diesen Stellen
einen Spalt 28 auf. Die durch den Hohlraum 24 laufende
elektromagnetische Welle breitet sich nur in geringem Maße über
den Spalt 28 aus. Diese Ausführungsform hat den
Vorteil, dass der Aufbau des Antennengehäuses 26 einfacher
und langzeitstabiler ist als der in 2 gezeigte
Aufbau.
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5 zeigt
eine schematische 3D-Ansicht eines Antennengehäuses gemäß einer
dritten Ausführungsform. Das Antennengehäuse 59 ist
hierbei als sogenannte Striplineantenne ausgeführt, welche
ein zweites Antennengehäuseteil 57 als Träger
aufweist, auf der ein mäanderförmig verlaufender
Leiter 54 angeordnet ist.
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Die
elektromagnetische Welle wird über Einkoppelstellen 50, 52 in
einen Leiter 54 bzw. in einen Hohlraum 61 und
in den Träger des zweiten Antennengehäuseteils 57 des
Antennengehäuse 59 eingekoppelt. Die elektromagnetische
Welle wird durch den Leiter 54 im Hohlraum 61 und
im Träger des zweiten Antennengehäuseteils 57 geführt,
um die elektromagnetische Welle an den Auskoppelstellen 56 aus
dem Antennengehäuse 59 auszukoppeln. Dabei wirken
die Öffnungen einer Auskoppelstelle 56 als Störstellen
auf die elektromagnetische Welle. Um eine Reflexion der elektromagnetischen
Welle an den Öffnungen der Auskoppelstelle 56 zu
reduzieren, ist in der Gegend der Öffnungen der Auskoppelstelle 56 eine
Anpassstruktur 55 auf dem Träger des zweiten Antennengehäuseteils 57 angeordnet.
In der Ausführungsform ist in mittiger Lage zu den einzelnen
Mäandern pro Mäander des Leiters 54 jeweils
ein rechteckförmiges Element der Anpassstruktur 55 angeordnet.
Die Anpassstruktur 55 weist für jede Öffnung
der Auskoppelstelle 56 ein Element auf, dessen Form der Fachmann
so anpasst, dass die Reflexion an der Auskoppelstelle 56 minimiert
wird.
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Der über
dem Leiter 54 und der Anpassstruktur 55 angeordnete
Hohlraum 61 wird oberhalb der Anpassstruktur 55 durch
ein erstes Antennengehäuseteil 53 begrenzt. Seitlich
kann der Hohlraum 61 durch Seitenwände begrenzt
sein, alternativ kann der Hohlraum 61 mittels einer in 2 gezeigten
Nut-Feder-Verbindung abgetrennt sein.
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Das
erste Antennengehäuseteil 53 ist in einer Ausführungsform
aus Messing oder Aluminium gefertigt, um von dem Leiter 54 ebenfalls
emittierte Störstrahlungen gegenüber der Umgebung
abzuschirmen. Das erste Antennengehäuseteil 53 weist
des Weiteren eine Mehrzahl von Öffnungen der Auskoppelstelle 56 auf,
durch die die elektromagnetische Welle gerichtet wird, wobei sich
die einzelnen emittierten elektromagnetischen Wellen zu einer Richtstrahlung überlagern.
Die Öffnungen der Auskoppelstelle 56 sind mit
dem Hohlraum 61 verbunden. Der Querschnitt der Öffnungen
der Auskoppelstelle 56 kann verschieden zueinander sein,
um so gezielt die Hauptkeule des Antennengehäuses 59 auszubilden
und/oder die ebenso emittieren Nebenkeulen gezielt zu beeinflussen.
Der Fachmann passt den Querschnitt sowie die Querschnittsfläche
der Öffungen der Auskoppelstelle 56 entsprechend
dem Einsatzzweck an. Das zweite Antennengehäuseteil 57 ist
unterseitig durch eine Metallplatte 51, die auch als Elektrode
für das elektroaktive Polymer 58 dient, abgeschlossen.
Der Abstand der Unterseite des ersten Antennenengehäuseteils 53 und
des Leiters 54 entspricht in mittiger Lage des ersten Antennengehäuseteils 53 dem
Abstand des Leiters 54 und der Oberseite der Metallplatte 51.
Der Leiter 54 bildet zusammen mit der Metallplatte 51 und
dem ersten Antennengehäuse 53 eine sogenannte
Triplateleitung aus.
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Das
elektroaktive Polymer 58 dient als Einrichtung zur Verschiebung
des zweiten Antennengehäuseteils 57 gegenüber
dem ersten Antennengehäuseteils 53, so dass die
Höhe des Hohlraums 61 dadurch veränderbar
ist. Unterhalb des elektroaktiven Polymers 58 ist eine
zweite Elektrode 63 angeordnet. Durch Anlegen einer elektrischen
Spannung an die beiden Elektroden 51, 63 kann
die Dicke des elektroaktiven Polymers 58 verändert
werden. Dadurch verschiebt das elektroaktive Polymer 58 das
zweite Antennengehäuseteil 57 gegenüber
dem ersten Antennengehäuseteil 53. Dadurch wird
die Höhe des Hohlraums 61 verändert,
sodass die Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen über
die Öffnungen der Auskoppelstelle 56 emittierten
elektromagnetischen Wellen verändert werden. Die Änderung
der Abstrahlrichtung der Antennenhauptkeule resultiert ebenso wie
in der in 1 bis 4 gezeigten
Ausführungsform auf einer Variation der Höhe des
Hohlraums 61. Die mathematischen Kopplungsmechanismen basieren
hierbei auf den in 2 bzw. 3 beschriebenen Ausführungsformen
einer Hohlleiterantenne. Sie sind jedoch an die unterschiedlichen
Materialien in denen die elektromagnetische Welle läuft
und an die veränderten Ausbreitungsbedingungen für
die elektromagnetische Welle anzupassen.
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Ebenso
wäre es denkbar das zweite Antennengehäuseteil 57 fest
mit einem Schutzgehäuse zu verbinden, wobei die Höhe
des Hohlraums 61 durch ein elektroaktives Polymer 58 verändert
wird, welches an dem ersten Antennengehäuseteil 53 befestigt
ist und das erste Antennengehäuseteil 53 über
das elektroaktive Polymer 58 mit dem Schutzgehäuse
verbindet.
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Striplineantennen
können vorteilhafterweise als bedruckte Leiter auf z. B.
Leiterkarten einfach erstellt werden und weisen eine niedrige Bauhöhe
auf. Dies hat den Vorteil, dass die unterhalb des zweiten Antennengehäuseteils 57 angebrachte
Metallpatte 51 auch als gedruckter Leiter auf dem Träger
ausführbar ist.
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6 zeigt
drei simulierte Richtcharakteristiken der in 1 und 2 gezeigten
Ausführungsform. Die Richtcharakteristik zeigt die Abstrahlstärke
der Richtstrahlung über den Abstrahlwinkel. Die mittlere
der gezeigten Richtcharakterisiken zeigt eine erste Hauptkeule 100 in
seiner Normallage. Die Abstrahlrichtung ist senkrecht zur Oberfläche
des Antennengehäuses. Dabei ist das zweite Antennengehäuse 2,
wie in 2 gezeigt, gegenüber dem ersten Antennengehäuse
um etwa 500 μm angehoben. Ist das zweite Antennengehäuseteil 2 gegenüber
seiner Normallage bei etwa 500 μm Hub auf Anschlag nach
unten gefahren, so emittiert das Antennengehäuse eine zweite
Hauptkeule 101 mit einer Ablenkung von etwas 30° nach
links gegenüber der ersten Hauptkeule. Ist das zweite Antennengehäuseteil 2 in
maximaler Position angehoben, so wird die Hauptkeule 102 um
ca. 30° nach rechts abgelenkt. Durch eine kontinuierliche
Veränderung der Position des zweiten Antennengehäuseteils 2 gegenüber
dem ersten Antennengehäuseteil 1 wird die Hauptkeule
wie in 7 gezeigt nach links bzw. nach rechts verschoben.
Die in der Richtcharakteristik erkennbaren Nebenkeulen 103 können
durch eine Veränderung der Größe der
Austrittsöffnungen reduziert werden, sodass die Hauptkeule 100, 101, 102 schärfer
in der Richtcharakteristik erscheint.
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7 zeigt
ein Diagramm hinsichtlich der Abhängigkeit von Abstrahlwinkel α zur
Höhe des Hohlraums bei einer konstanten Frequenz von 77
GHz, welche in Radaranwendungen in Nahbereich von Kraftfahrzeugen eingesetzt
wird. Der Abstrahlwinkel α der Hauptkeule des Antennengehäuses
ist in Abhängigkeit der unterschiedliche Längen
m zwischen zwei Öffungen der Auskoppelstelle und in Ab hängigkeit
zu Höhe a des in 2 bis 4 gezeigten
Hohlraums 34, 24 angegeben. Durch eine Vergrößerung
der Länge m zwischen den einzelnen Öffnungen der
Auskoppelstellen, kann die Verschiebung des zweiten Antennengehäuseteils 2 gegen über
dem ersten Antennengehäuseteils 1, wie in 2 gezeigt,
für einen bestimmten Abstrahlwinkel α reduziert
werden. Ebenso ist erstichtlich, dass eine Vergrößerung
der Höhe a des Hohlraums 34 in einer Reduzierung
der Wellenlänge λz im
Hohlraum 34 resultiert. Der nichtlineare Verlauf der Graphen
korrespondiert mit der nichtlinearen Änderung der Wellenlänge λz im Hohlraum in Abhängigkeit der
Höhe a des Hohlraums.
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8 zeigt
ein Diagramm hinsichtlich der Abhängigkeit von Abstrahlwinkel α zur Änderung
der Frequenz f in Abhängigkeit zur Länge m des
Hohlraums im Antennengehäuse. Die Änderung der
Frequenz f liegt innerhalb eines Frequenzbandes von 75 bis 79 GHz.
Hierbei ist ersichtlich, dass durch eine Änderung der Frequenz
die Hauptkeule gegenüber der Hauptabstrahlrichtung schwenkbar
ist. Die Änderung der Frequenz f wirkt im üblichen
Schwenkbereich von ±30° näherungsweise
linear auf den Abstrahlwinkel aus und resultiert aus dem etwa linearen
Verlauf der Wellenlänge λz im
Hohlraum. Durch eine Verlängerung der Länge m
des Mäanders, wird bei einer Änderung der Frequenz
f eine höhere Ablenkung der Hauptkeule erziehlt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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