DE102009029291A1 - Planar antenna device for a radar sensor device - Google Patents

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Volker Gross
Goetz Kuehnle
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine planare Antenneneinrichtung (15.1) für eine Radarsensorvorrichtung mit mehreren vertikal ausgerichteten und in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Antennenspalten (15a, 15b), welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Antennenelemente (23a, 23a', 23b, 23b'), insbesondere Patch-Elemente, aufweisen, wobei die Phasenzentren der Antennenspalten (15a, 15b) auf einer zu den Antennenspalten (15a, 15b) senkrechten Geraden (g) angeordnet sind. Wenigstens eine erste Antennenspalte (15a) und wenigstens eine zweite Antennenspalte (15b) weisen voneinander abweichende Richtcharakteristiken in vertikaler Richtung auf, wobei die Phasendifferenz zwischen den Empfangsstrahlkeulen der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a) und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15b) im Wesentlichen nur von dem Azimutwinkel und das Amplitudenverhältnis zwischen den Empfangsstrahlkeulen der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a) und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15b) im Wesentlichen nur von dem Elevationswinkel der empfangenen Signale abhängig ist.The invention relates to a planar antenna device (15.1) for a radar sensor device with a plurality of vertically aligned antenna columns (15a, 15b) arranged parallel to one another in a plane, each of which has at least two line-fed antenna elements (23a, 23a ', 23b, 23b'), in particular a patch -Elements, wherein the phase centers of the antenna columns (15a, 15b) are arranged on a straight line (g) perpendicular to the antenna columns (15a, 15b). At least one first antenna column (15a) and at least one second antenna column (15b) have different directional characteristics in the vertical direction, the phase difference between the received beam lobes of the at least one first antenna column (15a) and the at least one second antenna column (15b) essentially only the azimuth angle and the amplitude ratio between the received beam lobes of the at least one first antenna column (15a) and the at least one second antenna column (15b) is essentially only dependent on the elevation angle of the received signals.

Description

Die Erfindung betrifft eine planare Antenneneinrichtung für eine Radarsensorvorrichtung mit mehreren vertikal ausgerichteten und in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Antennenspalten, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Antennenelemente, insbesondere Patch-Elemente, aufweisen, wobei die Phasenzentren der Antennenspalten auf einer zu den Antennenspalten senkrechten Geraden angeordnet sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Radarsensorvorrichtung und eine Vorrichtung, insbesondere ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a planar antenna device for a radar sensor device having a plurality of vertically aligned antenna columns arranged in a plane parallel to each other, each having at least two line-fed antenna elements, in particular patch elements, wherein the phase centers of the antenna columns are arranged on a straight line perpendicular to the antenna columns , Moreover, the invention relates to a radar sensor device and a device, in particular a driver assistance system of a motor vehicle.

Stand der TechnikState of the art

In Kraftfahrzeugen werden zunehmend Radarsensoren zur Erfassung des Verkehrsumfelds im Rahmen von Fahrerassistenzsystemen eingesetzt, beispielsweise zur radargestützten Abstandsregelung (Adaptive Cruise Control-Systeme/ACC). Ein derartiges Fahrgeschwindigkeitsregelungssystem ist beispielsweise aus Robert Bosch GmbH, ”Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung ACC”, Gelbe Reihe, Ausgabe 2002, Technische Unterrichtung, bekannt. Eine wichtige Messgröße der Radarsensoren mit dem Einsatzgebiet im Kraftfahrzeugbereich ist neben der Entfernung und der Geschwindigkeit auch der Winkel von Objekten. Hierbei ist sowohl der horizontale als auch der vertikale Winkel von Bedeutung. Der horizontale Winkel wird zur Schätzung des Querversatzes und damit zur Spurzuordnung verwendet. Der vertikale Winkel ist wichtig, um eine Unterscheidung zwischen Objekten, die überfahrbar, unterfahrbar oder gegenfahrbar sind, durchzuführen. Objekte können somit als relevante oder nicht relevante Hindernisse eingestuft werden. Dies ist insbesondere auch bei Sicherheitsanwendungen von hoher Bedeutung, um Fehlauslösungen aufgrund metallischer Gegenstände (z. B. Dosen, Kanaldeckel usw.) zu vermeiden.In motor vehicles, radar sensors are increasingly being used to detect the traffic environment in the context of driver assistance systems, for example for radar-assisted distance control (Adaptive Cruise Control Systems / ACC). Such a cruise control system is known for example from Robert Bosch GmbH, "Adaptive cruise control ACC", yellow series, edition 2002, technical briefing. An important measure of the radar sensors with the application area in the automotive sector is in addition to the distance and the speed of the angle of objects. Here, both the horizontal and the vertical angle of importance. The horizontal angle is used to estimate the lateral offset and thus track assignment. The vertical angle is important to distinguish between objects that are traversable, traversable or approachable. Objects can thus be classified as relevant or irrelevant obstacles. This is particularly important in safety applications to avoid false triggering due to metallic objects (eg cans, manhole covers, etc.).

Derartige Radarsensoren weisen in der Regel aus Kostengründen keine Möglichkeit zur direkten Messung von Objekthöhen bzw. Elevationswinkeln auf. Bekannte Radarsensoren mit Elevationsschätzung realisieren dies beispielsweise durch eine mechanische Schwenkung oder indirekt über eine zeitliche Auswertung des Rückstreuverhaltens von Objekten.As a rule, such radar sensors have no possibility for the direct measurement of object heights or elevation angles for cost reasons. Known radar sensors with elevation estimation realize this, for example, by a mechanical pivoting or indirectly via a temporal evaluation of the backscattering behavior of objects.

Wegen ihrer flachen Bauform und leichten Herstellbarkeit, beispielsweise im Ätzverfahren, eignen sich sogenannte planare Antenneneinrichtungen oder Patch-Antennen für den Einsatz in den vorstehend genannten Radarsensoren besonders. Bei derartigen Antennen handelt es sich um eine flächige Anordnung von strahlenden Resonatoren (Antennenelemente bzw. Patch-Elemente/Patches), die jeweils mit definierter Amplitude und Phase belegt sind. Die Überlagerung der Strahlungsdiagramme der einzelnen Patch-Elemente ergibt das resultierende Strahlungsdiagramm der Antenne, wobei die Zeilen, die Charakteristik des Azimuts und die Spalten für die Charakteristik der Elevation verantwortlich sind. Die Antennenelemente werden üblicherweise in vertikal ausgerichteten Antennenspalten angeordnet.Because of their flat design and ease of manufacture, for example in the etching process, so-called planar antenna devices or patch antennas are particularly suitable for use in the aforementioned radar sensors. In such antennas is a planar array of radiating resonators (antenna elements or patch elements / patches), which are each assigned a defined amplitude and phase. The superimposition of the radiation patterns of the individual patch elements gives the resulting radiation pattern of the antenna, with the lines, the characteristic of the azimuth and the columns responsible for the characteristic of the elevation. The antenna elements are usually arranged in vertically oriented antenna columns.

Eine synchrone Messung der horizontalen und vertikalen Objektwinkel wird bei planaren Antenneneinrichtungen oft durch zweidimensionale Antennenarrays mit großem Hardware- und Rechenaufwand erreicht.Synchronous measurement of the horizontal and vertical object angles is often achieved in planar antenna devices by two-dimensional antenna arrays with great hardware and computational effort.

In der DE 10 2004 039 743 A1 ist eine Antennenstruktur mit Patch-Elementen angegeben.In the DE 10 2004 039 743 A1 an antenna structure with patch elements is given.

Aus der DE 102 56 524 A1 ist eine Einrichtung zur Messung von Winkelpositionen unter Verwendung von Radarpulsen und sich überlappenden Strahlcharakteristiken mindestens zweier Antennenelemente bekannt.From the DE 102 56 524 A1 For example, a device for measuring angular positions using radar pulses and overlapping beam characteristics of at least two antenna elements is known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine planare Antenneneinrichtung für eine Radarsensorvorrichtung vorgeschlagen mit mehreren vertikal ausgerichteten und in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Antennenspalten, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Antennenelemente, insbesondere Patch-Elemente, aufweisen, wobei die Phasenzentren der Antennenspalten auf einer zu den Antennenspalten senkrechten Geraden angeordnet sind, wobei wenigstens eine erste Antennenspalte und wenigstens eine zweite Antennenspalte voneinander abweichende Richtcharakteristiken in vertikaler Richtung aufweisen, und wobei die Phasendifferenz zwischen den Empfangsstrahlkeulen der wenigstens einen ersten Antennenspalte und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte im Wesentlichen nur von dem Azimutwinkel und das Amplitudenverhältnis zwischen den Empfangsstrahlkeulen der wenigstens einen ersten Antennenspalte und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte im Wesentlichen nur von dem Elevationswinkel der empfangenen Signale abhängig ist.According to the invention, a planar antenna device for a radar sensor device is proposed with a plurality of vertically aligned antenna columns arranged in a plane parallel to each other, each having at least two line-fed antenna elements, in particular patch elements, wherein the phase centers of the antenna columns are arranged on a straight line perpendicular to the antenna columns in which at least one first antenna column and at least one second antenna column have mutually divergent directional characteristics in the vertical direction, and wherein the phase difference between the receive beams of the at least one first antenna column and the at least one second antenna column substantially only from the azimuth angle and the amplitude ratio between the receive beams at least one first antenna column and the at least one second antenna column substantially only from the elevation angle of the reception signals is dependent.

Durch diese Maßnahmen wird auf einfache Weise eine gleichzeitige, rückwirkungsfreie Messung bzw. Schätzung von Horizontal- und Vertikalwinkeln eines Objekts ohne zusätzlichen Hardwareaufwand mit herkömmlichen geringfügig modifizierten planaren Antennen ermöglicht. Unter Phasenzentrum der Antennenspalten wird deren elektronischer Referenzpunkt verstanden. Als Richtcharakteristik der Antennenspalten wird nachfolgend die Winkelabhängigkeit der Stärke empfangener oder gesendeter Wellen der Antennenspalten bezeichnet. Azimut- und Elevationswinkel lassen sich aus der Phase und der Amplitude der Messsignale der erfindungsgemäßen planaren Antenneneinrichtung bestimmen, ohne aufwändige zweidimensionale Optimierungsverfahren einsetzen zu müssen. Dabei weisen wenigstens eine erste Antennenspalte und wenigstens eine zweite Antennenspalte voneinander abweichende Richtcharakteristiken in vertikaler Richtung auf. Die Phasenzentren der Antennenspalten sind auf einer zu den Antennespalten senkrechten Geraden angeordnet. Damit ist sinnvollhafter Weise eine aufwandsneutrale Bestimmung des Justagewinkels in Elevationsrichtung sowie eine Klassifikation von Objekten hinsichtlich Über- bzw. Unterfahrbarkeit denkbar. In vorteilhafter Weise kann eine Unabhängigkeit zwischen horizontaler und vertikaler Winkelschätzung erreicht werden. By these measures, a simultaneous, non-reactive measurement or estimation of horizontal and vertical angles of an object without additional hardware complexity with conventional slightly modified planar antennas is made possible in a simple manner. The phase center of the antenna columns is understood to mean their electronic reference point. The angular dependence of the strength of received or transmitted waves of the antenna columns is referred to below as a directional characteristic of the antenna columns. Azimuth and elevation angles can be determined from the phase and the amplitude of the measurement signals of the planar antenna device according to the invention, without having to use expensive two-dimensional optimization methods. In this case, at least one first antenna column and at least one second antenna column differ from each other in directional characteristics in the vertical direction. The phase centers of the antenna columns are arranged on a straight line perpendicular to the antenna columns. This makes sense an expense-neutral determination of the adjustment angle in the elevation direction as well as a classification of objects in terms of over- or under-ride feasible. Advantageously, an independence between horizontal and vertical angle estimation can be achieved.

Vorteilhaft ist es, wenn ein erster Signalabgriff an der wenigstens einen ersten Antennenspalte in vertikaler Richtung versetzt von einem zweiten Signalabgriff an der wenigstens einen zweiten Antennenspalte angeordnet ist, wobei die wenigstens eine erste Antennenspalte und/oder die wenigstens eine zweite Antennenspalte derart gezielt verstimmt sind, dass sie jeweils eine Schwenkung ihrer Richtcharakteristik in vertikaler Richtung aufweisen. Der Signalabgriff kann so durchgeführt werden, dass man in vertikaler Richtung eine Unabhängigkeit der relativen Phasen (Phasendifferenz) von dem vertikalen Einfallswinkel des Signals erhält.It is advantageous if a first signal tap on the at least one first antenna column is arranged offset in the vertical direction from a second signal tap on the at least one second antenna column, wherein the at least one first antenna column and / or the at least one second antenna column are deliberately detuned, that they each have a pivoting of their directional characteristic in the vertical direction. The signal tap may be performed so as to obtain in the vertical direction independence of the relative phases (phase difference) from the vertical angle of incidence of the signal.

Zur gezielten Verstimmung der wenigstens einen ersten Antennenspalte und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte kann ein konstanter Abstand d zwischen den wenigstens zwei Antennenelementen der wenigstens einen ersten Antennenspalte und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte vorgesehen sein, welcher ungleich der Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten ist.For targeted detuning of the at least one first antenna column and the at least one second antenna column, a constant distance d between the at least two antenna elements of the at least one first antenna column and the at least one second antenna column may be provided, which is not equal to the wavelength in the substrate of the antenna columns.

Der erste Signalabgriff und der zweite Signalabgriff können an jeweils abgewandten Enden der wenigstens einen ersten Antennenspalte und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte angeordnet sein bzw. der erste Signalabgriff kann an dem in vertikaler Richtung ersten liniengespeisten Antennenelement der wenigstens einen ersten Antennenspalte oder der zweite Signalabgriff an dem in vertikaler Richtung letzten liniengespeisten Antennenelement der wenigstens einen zweiten Antennenspalte angeordnet sein.The first signal tap and the second signal tap can be arranged at respectively opposite ends of the at least one first antenna column and the at least one second antenna column or the first signal tap can be connected to the first line-fed antenna element of the at least one first antenna column or the second signal tap on the first signal column in the vertical direction be arranged in the vertical direction last line-fed antenna element of the at least one second antenna column.

Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die wenigstens eine erste Antennenspalte oder die wenigstens eine zweite Antennenspalte derart gezielt verstimmt ist, dass die wenigstens eine erste Antennenspalte und die wenigstens eine zweite Antennenspalte voneinander abweichende Schwenkungen ihrer Richtcharakteristiken in vertikaler Richtung aufweisen.According to the invention, it can further be provided that the at least one first antenna column or the at least one second antenna column is deliberately detuned in such a way that the at least one first antenna column and the at least one second antenna column have different directions of their directional characteristics in the vertical direction.

Des Weiteren können die wenigstens eine erste Antennenspalte und die wenigstens eine zweite Antennenspalte derart gezielt unterschiedlich verstimmt sein, dass sie voneinander abweichende Schwenkungen ihrer Richtcharakteristik in vertikaler Richtung aufweisen.Furthermore, the at least one first antenna column and the at least one second antenna column can be deliberately detuned differently in such a way that they have different directions of their directional characteristics in the vertical direction.

Zur unterschiedlichen Verstimmung der wenigstens einen ersten Antennenspalte und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte kann ein erster konstanter Abstand zwischen den wenigstens zwei Antennenelementen der wenigstens einen ersten Antennenspalte und ein zweiter konstanter Abstand zwischen den wenigstens zwei Antennenelementen der wenigstens einen zweiten Antennenspalte vorgesehen sein, wobei der erste Abstand von dem zweiten Abstand verschieden ist und wobei der erste Abstand und der zweite Abstand ungleich der Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten sind. Der erste konstante Abstand kann größer als die Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten sein und der zweite konstante Abstand kann kleiner als die Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten sein. Dies führt zu einem gezielten Schwenk der Antennencharakteristiken in vertikaler Richtung bzw. Elevation.For different detuning of the at least one first antenna column and the at least one second antenna column, a first constant distance between the at least two antenna elements of the at least one first antenna column and a second constant distance between the at least two antenna elements of the at least one second antenna column can be provided Distance from the second distance is different and wherein the first distance and the second distance are not equal to the wavelength in the substrate of the antenna columns. The first constant distance may be greater than the wavelength in the substrate of the antenna columns and the second constant distance may be smaller than the wavelength in the substrate of the antenna columns. This leads to a targeted pivoting of the antenna characteristics in the vertical direction or elevation.

Alternativ können die Leitungslängen der wenigstens einen ersten Antennenspalte und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte derart, insbesondere durch eine unterschiedliche Verlängerung der Leitungslängen auf ein Vielfaches der Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten, jeweils auf unterschiedliche Mittenfrequenzen abgestimmt sein, dass sie jeweils eine unterschiedliche Schwenkung ihrer Richtcharakteristik in vertikaler Richtung aufweisen.Alternatively, the line lengths of the at least one first antenna column and the at least one second antenna column can be tuned to different center frequencies, in particular by a different extension of the cable lengths to a multiple of the wavelength in the substrate of the antenna columns, each having a different pivoting of their directional characteristic in the vertical direction.

Durch diese Maßnahmen wird eine frequenzabhängige Verstimmung der Antennenspalten erreicht. Der Schwenkwinkel der Richtcharakteristik wird durch die Abstimmungsfrequenzen festgelegt, könnte aber im Nachhinein auch durch eine geeignete Auswahl der Modulationsrampen (beispielsweise bei einer Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW)-Modulation) beeinflusst werden. Es können z. B. Modulationen verwendet werden, welche eine der Antennenspalten direkt auf den Boden richten und somit eine bessere Detektion des Bodenclutters erlauben. Dies kann auch zu einer verbesserten Performance der Blindheitsindikatoren führen. Bei linearer Speisung der Antennenelemente kann ein Schwenken der Antenne in einfacher Weise über die Frequenz erfolgen. Durch speziell auf unterschiedliche Mittenfrequenzen angepasste Speiseleitungen kann ein zeitgleicher Schwenk in die positive und die negative Elevationsrichtung stattfinden.By these measures, a frequency-dependent detuning of the antenna columns is achieved. The swivel angle of the directional characteristic is determined by the tuning frequencies, but could also be subsequently determined by a suitable selection of the modulation ramps (for example, at a frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) modulation). It can z. B. modulations are used, which direct one of the antenna columns directly to the ground and thus allow better detection of the Bodenclutters. This can also lead to improved performance of the blindness indicators. In the case of a linear feed of the antenna elements, the antenna can be swiveled in a simple manner over the frequency. By specially adapted to different center frequencies supply lines can take place a simultaneous swing in the positive and the negative elevation direction.

Sehr vorteilhaft ist es demnach, wenn durch die in vertikaler Richtung voneinander abweichenden Richtcharakteristiken der wenigstens einen ersten Antennenspalte und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte, sich die Amplitudenverläufe der Empfangsstrahlkeulen der wenigstens einen ersten vertikalen Antennenspalte und der wenigstens einen zweiten vertikalen Antennenspalte in vertikaler Richtung voneinander unterscheiden, wodurch mittels eines Vergleichs des Amplitudenverlaufs der Empfangsstrahlkeule der wenigstens einen ersten Antennenspalte mit dem Amplitudenverlauf der Empfangsstrahlkeule der wenigstens einen zweiten Antennenspalte in vertikaler Richtung ein Elevationswinkel wenigstens eines erfassten Objekts bestimmbar ist.Accordingly, it is very advantageous if the at least one first antenna column and the at least one second antenna column differ in the vertical direction from one another, the amplitude profiles of the reception beam lobes of the at least one first vertical antenna column and the at least one second vertical antenna column differ from one another in the vertical direction whereby an elevation angle of at least one detected object can be determined in the vertical direction by means of a comparison of the amplitude profile of the reception beam lobe of the at least one first antenna column with the amplitude profile of the reception beam lobe of the at least one second antenna column.

Durch den entstehenden Squint Δα der Antennenbeams in vertikaler Richtung kann in Elevation eine Winkelschätzung basierend auf den Empfangsamplituden bzw. auf den Amplitudenverläufen und in horizontaler Richtung eine Winkelschätzung basierend auf den Empfangsphasen des Signals durchgeführt werden. Unter Squint Δα wird eine Abweichung des Transmissionswinkels von der Normalen der Ebene der planaren Antenneneinrichtung bzw. eine Schwenkung der Richtcharakteristik verstanden. Das entstehende herkömmliche, verstimmte Antennenarray mit Linienspeisung in vertikaler Richtung ermöglicht somit eine rein amplitudenabhängige Winkelschätzung für ein erfasstes Objekt in vertikaler Richtung durch einen Vergleich der Amplituden in Elevation und eine rein phasenabhängige Winkelauswertung in azimutaler Richtung basierend auf den Laufzeitunterschieden der Signale.Due to the resulting squint Δα of the antenna beams in the vertical direction, an angle estimation can be carried out in elevation based on the received amplitudes or in the amplitude curves and in the horizontal direction an angle estimation based on the reception phases of the signal. Squint Δα is understood as meaning a deviation of the transmission angle from the normal of the plane of the planar antenna device or a rotation of the directional characteristic. The resulting conventional detuned antenna array with line feed in the vertical direction thus allows a purely amplitude-dependent angle estimation for a detected object in the vertical direction by comparing the amplitudes in elevation and a purely phase-dependent angular evaluation in the azimuthal direction based on the transit time differences of the signals.

In Anspruch 11 ist eine Radarsensorvorrichtung angegeben. Als Radarsensor kommen beispielsweise ein Long-Range-Radarsensor (LRR), ein Mid-Range-Radarsensor (MRR) oder ein Short-Range-Radarsensor (SRR) in Betracht.In claim 11, a radar sensor device is specified. As a radar sensor, for example, a long-range radar sensor (LRR), a mid-range radar sensor (MRR) or a short-range radar sensor (SRR) come into consideration.

Eine Vorrichtung, insbesondere ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs ist in Anspruch 12 angegeben.A device, in particular a driver assistance system of a motor vehicle is specified in claim 12.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung prinzipmäßig beschrieben.Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims. An exemplary embodiment of the invention is described in principle below with reference to the drawing.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines Fahrerassistenzsystems bzw. einer adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung in einem Kraftfahrzeug; 1 a schematic representation of the essential components of a driver assistance system or an adaptive cruise control device in a motor vehicle;

2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen planaren Antenneneinrichtung in einer ersten Ausführungsform; 2 a schematic representation of a planar antenna device according to the invention in a first embodiment;

3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen planaren Antenneneinrichtung in einer zweiten Ausführungsform; 3 a schematic representation of a planar antenna device according to the invention in a second embodiment;

4 eine stark vereinfachte Darstellung einer Antennenspalte einer planaren Antenneneinrichtung, wenn eine ebene Welle auf die Antennenspalte trifft; 4 a highly simplified representation of an antenna column of a planar antenna device when a plane wave hits the antenna column;

5 ein Einwegeempfangsdiagramm der Leistung für einen Signalabgriff am ersten bzw. am letzten Antennenelement; 5 a one-way receiving diagram of the power for a signal tap on the first and last antenna element;

6 ein Einwegeempfangsdiagramm des Amplitudenbetrags für einen Signalabgriff am ersten bzw. am letzten Antennenelement; 6 a one-way receiving diagram of the amplitude amount for a signal tap on the first and last antenna element;

7 ein Einwegeempfangsdiagramm des Leistungsverhältnisses für einen Signalabgriff am ersten bzw. am letzten Antennenelement; 7 a one-way receiving diagram of the power ratio for a signal tap on the first and last antenna element;

8 ein Einwegeempfangsdiagramm des Kontrasts für einen Signalabgriff am ersten bzw. am letzten Antennenelement; 8th a one-way receiving diagram of the contrast for a signal tap on the first and last antenna element;

9 ein Einwegeantennendiagramm der Leistung für mehrere unterschiedliche Messsignalabgriffe; 9 a one-way antenna diagram of the power for several different measurement signal taps;

10 ein Einwegeantennendiagramm der nomierten Phase für mehrere unterschiedliche Messsignalabgriffe; 10 a one-way antenna diagram of the nominated phase for a plurality of different measurement signal taps;

11 ein Einwegeempfangsdiagramm der Phasendifferenz und des Kontrasts der Messsignale von einem ersten und einem letzten Antennenelement; 11 a one-way receiving diagram of the phase difference and the contrast of the measurement signals from a first and a last antenna element;

12 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen planaren Antenneneinrichtung in einer dritten Ausführungsform; 12 a schematic representation of a planar antenna device according to the invention in a third embodiment;

13 ein Einwegeempfangsdiagramm des Amplitudenbetrags für Antennenspalten in erfindungsgemäßen planaren Antenneneinrichtungen der dritten und einer vierten Ausführungsform; 13 FIG. 12 is a one-way receiving diagram of the amplitude amount for antenna columns in planar antenna devices of the third and fourth embodiments according to the present invention; FIG.

14 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen planaren. 14 a schematic representation of a planar according to the invention.

Antenneneinrichtung in der vierten Ausführungsform; undAntenna device in the fourth embodiment; and

15 ein vereinfachtes Diagramm mit Modulationsdaten. 15 a simplified diagram with modulation data.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Ein in 1 gezeigtes Kraftfahrzeug 10 mit einer adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 11 als Fahrerassistenzsystem weist als Objektdetektionssensor eine an der Frontpartie des Kraftfahrzeugs 10 angebrachte Radarsensorvorrichtung 12 auf, in deren Gehäuse auch eine Steuereinrichtung 14 der adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 11 untergebracht ist. Die Radarsensorvorrichtung 12 dient der Detektion von Objekten in einem Umfeld des Kraftfahrzeugs 10. Die Radarsensorvorrichtung 12 ist mit der Steuereinrichtung 14 verbunden. Die Steuereinrichtung 14 ist über einen Datenbus 16 (CAN, MOST, oder dergleichen) mit einer elektronischen Antriebs-Steuereinheit 18, einer Bremssystem-Steuereinheit 20 sowie mit einer HMI-Steuereinheit 22 einer Mensch-/Maschine-Schnittstelle verbunden. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können die Steuereinheit 14 und die HMI-Steuereinheit 22 auch in einer Steuereinrichtung der adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 12, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sein.An in 1 shown motor vehicle 10 with an adaptive cruise control device 11 As a driver assistance system has as an object detection sensor one at the front of the motor vehicle 10 mounted radar sensor device 12 in, in their housing, a control device 14 the adaptive cruise control device 11 is housed. The radar sensor device 12 serves the detection of objects in an environment of the motor vehicle 10 , The radar sensor device 12 is with the control device 14 connected. The control device 14 is via a data bus 16 (CAN, MOST, or the like) with an electronic drive control unit 18 , a brake system control unit 20 as well as with an HMI control unit 22 connected to a human / machine interface. In further embodiments, not shown, the control unit 14 and the HMI control unit 22 also in a control device of the adaptive cruise control device 12 be integrated in particular in a common housing.

Die Radarsensorvorrichtung 12 misst mit Hilfe eines Mehrstrahlradars die Abstände, Relativgeschwindigkeiten und Azimutwinkel von vor dem Kraftfahrzeug 10 befindlichen Objekten, welche Radarwellen reflektieren. Die in regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise alle 10 ms, empfangenen Rohdaten werden in der Steuereinrichtung 14 ausgewertet, um einzelne Objekte zu identifizieren und zu verfolgen und um insbesondere ein unmittelbar auf der eigenen Fahrspur vorausfahrendes Fahrzeug zu erkennen und als Zielobjekt auszuwählen.The radar sensor device 12 Measures with the aid of a multi-beam radar the distances, relative velocities and azimuth angle from in front of the motor vehicle 10 located objects that reflect radar waves. The raw data received at regular intervals, for example every 10 ms, are stored in the control device 14 evaluated in order to identify and track individual objects and in particular to recognize a vehicle immediately ahead in its own lane and select it as a target object.

Wie weiter aus 1 ersichtlich, weist die Radarsensorvorrichtung 12 eine erfindungsgemäße planare Antenneneinrichtung 15.1, 15.2, 15.3 oder 15.4 (siehe 2, 3, 12 und 14) auf, mit welcher auch ein vertikaler Winkel von erfassten Objekten bestimmt bzw. geschätzt werden kann.How farther 1 can be seen, the radar sensor device 12 a planar antenna device according to the invention 15.1 . 15.2 . 15.3 or 15.4 (please refer 2 . 3 . 12 and 14 ), with which also a vertical angle of detected objects can be determined or estimated.

In 2 ist die erfindungsgemäße planare Antenneneinrichtung 15.1 in einer ersten Ausführungsform für die Radarsensorvorrichtung 12 näher dargestellt. Wie aus 2 ersichtlich, weist die planare Antenneneinrichung 15.1 eine vertikal ausgerichtete erste Antennenspalte 15a und eine vertikal ausgerichtete zweite Antennenspalte 15b auf, welche jeweils zehn liniengespeiste Antennenelemente 23a, 23a', 23b, 23b' bzw. Patch-Elemente aufweisen und welche in einer Ebene parallel zueinander angeordnet sind. Die Phasenzentren der ersten und zweiten Antennenspalte 15a, 15b sind auf einer zu den Antennenspalten 15a, 15b senkrechten Geraden g angeordnet. Die erste Antennenspalte 15a und die zweite Antennenspalte 15b weisen voneinander abweichende Richtcharakteristiken in vertikaler Richtung auf, wobei die Phasendifferenz zwischen den Empfangsstrahlkeulen der ersten Antennenspalte 15a und der zweiten Antennenspalte 15b im Wesentlichen nur von dem Azimutwinkel und das Amplitudenverhältnis zwischen den Empfangsstrahlkeulen der ersten Antennenspalte 15a und der zweiten Antennenspalte 15b im Wesentlichen nur von dem Elevationswinkel der empfangenen Signale abhängig ist. Dies ermöglicht eine rein amplitudenabhängige Winkelauswertung in vertikaler Richtung und eine rein phasenabhängige Winkelauswertung in azimutaler Richtung basierend auf den Laufzeitunterschieden der Signale.In 2 is the planar antenna device according to the invention 15.1 in a first embodiment for the radar sensor device 12 shown in more detail. How out 2 can be seen, the planar Antenneneinrichung 15.1 a vertically aligned first antenna column 15a and a vertically oriented second antenna column 15b on which each ten line-powered antenna elements 23a . 23a ' . 23b . 23b ' or patch elements and which are arranged in a plane parallel to each other. The phase centers of the first and second antenna gaps 15a . 15b are on one to the antenna columns 15a . 15b vertical straight line g arranged. The first antenna column 15a and the second antenna column 15b have divergent directional characteristics in the vertical direction, wherein the phase difference between the reception beam lobes of the first antenna column 15a and the second antenna column 15b essentially only from the azimuth angle and the amplitude ratio between the receive beam lobes of the first antenna column 15a and the second antenna column 15b is essentially dependent only on the elevation angle of the received signals. This allows a purely amplitude-dependent angle evaluation in vertical direction and a purely phase-dependent angular evaluation in the azimuthal direction based on the transit time differences of the signals.

Ein erster Signalabgriff 25a ist an der ersten Antennenspalte 15a in vertikaler Richtung Z versetzt von einem zweiten Signalabgriff 25b an der zweiten Antennenspalte 15b angeordnet, wobei die erste Antennenspalte 15a und/oder die zweite Antennenspalte 15b derart gezielt verstimmt sind, dass sie jeweils eine Schwenkung ihrer Richtcharakteristik in vertikaler Richtung aufweisen. Zur gezielten Verstimmung der ersten Antennenspalte 15a und der zweiten Antennenspalte 15b ist ein konstanter Abstand d zwischen den Antennenelementen 23a, 23b, 23a', 23b' der ersten Antennenspalte 15a und der zweiten Antennenspalte 15b vorgesehen, welcher ungleich der Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten 15a, 15b ist. Der erste Signalabgriff 25a und der zweite Signalabgriff 25b sind an jeweils abgewandten Enden der ersten Antennenspalte 15a und der zweiten Antennenspalte 15b angeordnet. Der erste Signalabgriff 25a ist an dem in vertikaler Richtung (d. h. in 2 von oben nach unten) ersten liniengespeisten Antennenelement 23a' der ersten Antennenspalte 15a und der zweite Signalabgriff 25b an dem in vertikaler Richtung letzten liniengespeisten Antennenelement 23b' der zweiten Antennenspalte 15b angeordnet. Wie weiter aus 2 ersichtlich, ist die vertikale Achse (Elevation) mit Z und die horizontale Achse (Azimut) mit Y bezeichnet. Die Speisung der Antennenspalten 15a, 15b erfolgt über einen Baustein 24, welcher als MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) ausgebildet und Teil der Radarsensorvorrichtung 12 bzw. der Steuereinrichtung 14 oder damit verbunden sein kann. Die ersten und zweiten Antennenspalten 15a, 15b können in weiteren Ausführungsbeispielen auch jeweils eine andere Anzahl von liniengespeisten Antennenelementen 23a, 23a', 23b, 23b' aufweisen.A first signal tap 25a is at the first antenna column 15a in the vertical direction Z offset from a second signal tap 25b at the second antenna column 15b arranged, wherein the first antenna column 15a and / or the second antenna column 15b are deliberately detuned that they each have a pivoting of their directional characteristic in the vertical direction. For targeted detuning of the first antenna column 15a and the second antenna column 15b is a constant distance d between the antenna elements 23a . 23b . 23a ' . 23b ' the first antenna column 15a and the second antenna column 15b which is unlike the wavelength in the substrate of the antenna columns 15a . 15b is. The first signal tap 25a and the second signal tap 25b are at each opposite ends of the first antenna column 15a and the second antenna column 15b arranged. The first signal tap 25a is at the in the vertical direction (ie in 2 from top to bottom) first line-fed antenna element 23a ' the first antenna column 15a and the second signal tap 25b on the last line-fed antenna element in the vertical direction 23b ' the second antenna column 15b arranged. How farther 2 As can be seen, the vertical axis (elevation) is denoted by Z and the horizontal axis (azimuth) by Y. The feeding of the antenna columns 15a . 15b takes place via a module 24 , which is designed as MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) and part of the radar sensor device 12 or the control device 14 or can be associated with it. The first and second antenna columns 15a . 15b In other exemplary embodiments, a different number of line-fed antenna elements may also be used in each case 23a . 23a ' . 23b . 23b ' exhibit.

Die erste Antennenspalte 15a und die zweite Antennenspalte 15b weisen somit einen Squint Δα bzw. eine Schwenkung ihrer Richtcharakteristiken derart auf, dass sich die Amplitudenverläufe der Empfangsstrahlkeulen der ersten vertikalen Antennenspalte 15a und der zweiten vertikalen Antennenspalte 15b in vertikaler Richtung voneinander unterscheiden, wodurch mittels eines Vergleichs des Amplitudenverlaufs der Empfangsstrahlkeule der ersten Antennenspalte 15a mit dem Amplitudenverlauf der Empfangsstrahlkeule der zweiten Antennenspalte 15b in vertikaler Richtung einen Elevationswinkel wenigstens eines erfassten Objekts bestimmbar ist.The first antenna column 15a and the second antenna column 15b thus have a squint Δα or a pivoting of their directional characteristics such that the amplitude profiles of the reception beam lobes of the first vertical antenna column 15a and the second vertical antenna column 15b differ in the vertical direction, whereby by means of a comparison of the amplitude profile of the receiving beam lobe of the first antenna column 15a with the amplitude characteristic of the reception beam lobe of the second antenna column 15b in the vertical direction an elevation angle of at least one detected object can be determined.

Bei geeignetem konstanten Abstand d der Antennenelemente 23a, 23a', 23b, 23b' zueinander gilt für den Squint Δα der ersten Antennenspalte 15a und der zweiten Antennenspalte 15b:

Figure 00100001
wobei n der Brechungsindex und λ die Vakuumwellenlänge ist.At a suitable constant distance d of the antenna elements 23a . 23a ' . 23b . 23b ' to each other applies to the squint Δα of the first antenna column 15a and the second antenna column 15b :
Figure 00100001
where n is the refractive index and λ is the vacuum wavelength.

Bei einer planaren Antenneneinrichtung 15.1, 15.2, 15.3 und 15.4 ist die Winkelinformation im Wesentlichen in der Phasendifferenz der Messsignale zwischen den Empfangsspalten enthalten. Da man im Allgemeinen den horizontalen Winkel bzw. Azimutwinkel bestimmen möchte, sind die Empfangsspalten vertikal ausgerichtet und parallel zueinander angeordnet, so dass sich eine optimale Bestimmung des Azimutwinkels aus der Phasendifferenz der Messsignale ergibt.In a planar antenna device 15.1 . 15.2 . 15.3 and 15.4 the angle information is substantially contained in the phase difference of the measurement signals between the receiving columns. Since one generally wants to determine the horizontal angle or azimuth angle, the receiving columns are aligned vertically and arranged parallel to one another, so that an optimal determination of the azimuth angle results from the phase difference of the measuring signals.

In 3 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen planaren Antenneneinrichtung 15.2 dargestellt. Wie aus 3 ersichtlich, weist die planare Antenneneinrichung 15.2 eine vertikal ausgerichtete erste Antennenspalte 15c und eine vertikal ausgerichtete zweite Antennenspalte 15d auf, welche jeweils fünf liniengespeiste Antennenelemente 23c, 23c', 23d, 23d' bzw. Patch-Elemente aufweisen und welche in einer Ebene parallel zueinander angeordnet sind. Die erste Antennenspalte 15c und die zweite Antennenspalte 15d weisen voneinander abweichende Richtcharakteristiken in vertikaler Richtung auf. Ein erster Signalabgriff 25c ist an der ersten Antennenspalte 15c in vertikaler Richtung versetzt von einem zweiten Signalabgriff 25d an der zweiten Antennenspalte 15d angeordnet, wobei die erste Antennenspalte 15c und/oder die zweite Antennenspalte 15d derart gezielt verstimmt sind, dass sie jeweils eine Schwenkung ihrer Richtcharakteristik in vertikaler Richtung aufweisen. Zur gezielten Verstimmung der ersten Antennenspalte 15c und der zweiten Antennenspalte 15d ist ein konstanter Abstand d zwischen den Antennenelementen 23c, 23d, 23c', 23d' der ersten Antennenspalte 15c und der zweiten Antennenspalte 15d vorgesehen, welcher ungleich der Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten 15c, 15d ist. Der erste Signalabgriff 25c und der zweite Signalabgriff 25d sind an jeweils abgewandten Enden der ersten Antennenspalte 15c und der zweiten Antennenspalte 15d angeordnet. Der zweite Signalabgriff 25d ist an dem in vertikaler Richtung (d. h. in 3 von oben nach unten) ersten liniengespeisten Antennenelement 23d' der zweiten Antennenspalte 15d und der erste Signalabgriff 25c an dem in vertikaler Richtung letzten liniengespeisten Antennenelement 23c' der ersten Antennenspalte 15c angeordnet.In 3 is a second embodiment of a planar antenna device according to the invention 15.2 shown. How out 3 can be seen, the planar Antenneneinrichung 15.2 a vertically aligned first antenna column 15c and a vertically oriented second antenna column 15d on each of which five line-powered antenna elements 23c . 23c ' . 23d . 23d ' or patch elements and which are arranged in a plane parallel to each other. The first antenna column 15c and the second antenna column 15d have different directional characteristics in the vertical direction. A first signal tap 25c is at the first antenna column 15c offset in the vertical direction by a second signal tap 25d at the second antenna column 15d arranged, wherein the first antenna column 15c and / or the second antenna column 15d are deliberately detuned that they each have a pivoting of their directional characteristic in the vertical direction. For targeted detuning of the first antenna column 15c and the second antenna column 15d is a constant distance d between the antenna elements 23c . 23d . 23c ' . 23d ' the first antenna column 15c and the second antenna column 15d which is unlike the wavelength in the substrate of the antenna columns 15c . 15d is. The first signal tap 25c and the second signal tap 25d are at each opposite ends of the first antenna column 15c and the second antenna column 15d arranged. The second signal tap 25d is at the in the vertical direction (ie in 3 from top to bottom) first line-fed antenna element 23d ' the second antenna column 15d and the first signal tap 25c on the last line-fed antenna element in the vertical direction 23c ' the first antenna column 15c arranged.

Wie weiter aus 3 ersichtlich, sind zusätzlich herkömmliche nicht verstimmte Antennenspalten 15e mit Antennenelementen 23e und Signalabgriffen 25e vorgesehen. Die Phasenzentren der Antennenspalten 15c, 15d, 15e sind auf einer zu den Antennenspalten 15c, 15d, 15e senkrechten Geraden g angeordnet. Dabei ist der konstante Abstand d zwischen den Antennenelementen 23e der Antennenspalten 15e gleich der Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten 15e.How farther 3 can be seen, are additionally conventional non-detuned antenna columns 15e with antenna elements 23e and signal taps 25e intended. The phase centers of the antenna columns 15c . 15d . 15e are on one to the antenna columns 15c . 15d . 15e vertical straight line g arranged. Here is the constant distance d between the antenna elements 23e the antenna columns 15e equal to the wavelength in the substrate of the antenna columns 15e ,

Im Folgenden wurde die Winkelabhängigkeit der Messsignale in Elevationsrichtung bei der planaren Antenneneinrichtung 15.1 gemäß 2 von den Erfindern näher untersucht. Dazu wurde eine einfache Empfangsspalte bzw. Antennenspalte 15a, 15b betrachtet. Hierzu wird auf die in 4 vereinfacht dargstellte Empfangsspalte einer planaren Antenneneinrichtung mit m in einer Linie verbundenen Antennenelementen bzw. Antennenpatches mit konstantem Abstand d Bezug genommen. In 4 ist vereinfacht dargestellt, dass eine ebene Welle (Normalenvektor in X-Z-Ebene) auf die Empfangsspalte trifft. Dabei ist α der Winkel in Elevation, d der Abstand der Mittelpunkte der Antennenelemente (l = 0 bis m – 1), m die Anzahl der Antennenelemente und Sl die Messsignale am l-ten Antennenelement. Daraus lässt sich nun die Phasendifferenz des Messsignals am ersten und am letzten Antennenelement einfach berechnen:

Figure 00120001
In the following, the angular dependence of the measurement signals in the elevation direction in the planar antenna device 15.1 according to 2 examined by the inventors closer. This was a simple receiving column or antenna column 15a . 15b considered. For this purpose, the in 4 Simplified dargstellte receive column of a planar antenna device with m in a line connected antenna elements or antenna patches with a constant distance d reference. In 4 is simplified that a plane wave (normal vector in XZ plane) hits the receiving column. In this case, α is the angle in elevation, d is the distance between the center points of the antenna elements (l = 0 to m-1), m is the number of antenna elements and S l is the measurement signals at the l-th antenna element. From this, the phase difference of the measurement signal at the first and at the last antenna element can be calculated easily:
Figure 00120001

Dabei ist:

φl,k
die Phase am l-ten Antennenelement der elektromagnetische Welle, die am k-ten Antennenelement auftrifft,
λ
die Vakuumwellenlänge, und
n
der Effektiver Brechungsindex des Wellenleiters der Empfangsspalte.
Where:
φ l, k
the phase at the l-th antenna element of the electromagnetic wave incident on the k-th antenna element,
λ
the vacuum wavelength, and
n
the effective refractive index of the waveguide of the receiving column.

Die Messsignale lassen sich durch einfache Summation über alle Anteile eines Empfangssignals berechnen:

Figure 00120002
The measured signals can be calculated by simple summation over all parts of a received signal:
Figure 00120002

Aus Gleichung (3) ergibt sich:

Figure 00120003
From equation (3):
Figure 00120003

Somit ist der Wert des Verhältnisses der Empfangssignale am ersten und am letzten Antennenpatch rein reell. Dies bedeutet insbesondere, dass die Phasendifferenz zwischen diesen beiden Messsignalen gleich 0 und damit unabhängig vom Elevationswinkel ist. Betrachtet man zwei parallele Empfangsspalten, deren Messsignalabgriff einmal beim ersten und einmal am letzten Antennenpatch erfolgt, so ist die Phasendifferenz nicht vom Elevationswinkel sondern lediglich vom horizontalen Winkel bzw. vom Azimutwinkel abhängig.Thus, the value of the ratio of the received signals at the first and last antenna patch is purely real. This means, in particular, that the phase difference between these two measurement signals is 0 and thus independent of the elevation angle. Consider two parallel receive columns whose Measurement signal tap once at the first and once at the last antenna patch, so the phase difference is not dependent on the elevation angle but only the horizontal angle or the azimuth angle.

In Gleichung (3) wurden vereinfacht punktförmige Antennenpatches angenommen. Dies lässt sich jedoch leicht auf ausgedehnte, aber ansonsten gleiche Antennenpatches erweitern. Dazu müssen die Messsignale lediglich zusätzlich mit der Funktion eines Einzelantennenpatches multipliziert werden (Faltungssatz). Die Funktion des Einzelantennenpatches entfällt jedoch wiederum bei der Verhältnisbildung gemäß Gleichung (4).Simplified punctiform antenna patches were assumed in equation (3). However, this can easily be extended to extended but otherwise identical antenna patches. For this purpose, the measurement signals merely have to be additionally multiplied by the function of a single antenna patch (convolution theorem). However, the function of the single antenna patch is again omitted in the ratio formation according to equation (4).

Üblicherweise wird versucht, die Antennenspalte mit maximalem Gewinn in Richtung auszulegen. Dies führt zu folgendem grundsätzlichen Designkriterium:

Figure 00130001
Usually, it is attempted to design the antenna column with maximum gain in the direction. This leads to the following basic design criterion:
Figure 00130001

Gleichung (5) zeigt, dass bei optimaler Gewinnauslegung in 0°-Richtung beide Messsignale bis auf ihr Vorzeichen identisch sind. Dies ist jedoch anders, wenn die Antennenspalte nicht optimal bzw. nicht ideal ausgelegt ist. In diesem Fall würden die Maxima bei den folgenden Winkeln liegen:

Figure 00130002
Equation (5) shows that with optimal gain design in the 0 ° direction, both measurement signals are identical except for their sign. However, this is different if the antenna column is not designed optimally or not ideally. In this case, the maxima would be at the following angles:
Figure 00130002

Dabei ist:

αl
der Winkel des Hauptmaximums von Sl, und
Δα
der Squint zwischen den Empfangs-Beams S0, Sm-1
Where:
α l
the angle of the principal maximum of S l , and
Δα
the squint between the receive beams S 0 , S m-1

Die Beams der Empfangsspalten besitzen dementsprechend einen Squint. Sonach lässt sich durch einen Vergleich der Amplitudenbeträge der beiden Beams ein Elevationswinkel in vorteilhafter Weise bestimmen (Amplituden-Monopuls).The beams of the receiving columns have accordingly a squint. Accordingly, an elevation angle can advantageously be determined by a comparison of the amplitude amounts of the two beams (amplitude monopulse).

Wie vorstehend bereits erwähnt, wurden in Gleichung 3 punktförmige Antennenpatches angenommen. Dies lässt sich jedoch leicht auf ausgedehnte, aber ansonsten gleiche Antennenpatches erweitern, indem die Messsignale lediglich zusätzlich mit der Funktion eines Einzelantennenpatches multipliziert werden. Da die Einzelantennenpatches kleiner als die Antennenspalte sind, ist die Einzelpatchfunktion im Vergleich zur Gitterfunktion in Gleichung (3) nur langsam veränderlich, so dass Gleichung (3) auch für die Amplitudenbeträge zumindest für die Hauptbeams sehr gut anwendbar ist.As already mentioned above, punctiform antenna patches were assumed in Equation 3. However, this can easily be extended to extended but otherwise identical antenna patches by simply multiplying the measurement signals by the function of a single antenna patch. Since the single antenna patches are smaller than the antenna column, the single-patch function is only slowly variable compared to the lattice function in equation (3), so that equation (3) is also very well applicable for the amplitude amounts at least for the main beams.

5 zeigt ein Einwegeempfangsdiagramm der Leistung für einen Signalabgriff am ersten Antennenpatch (l = 0, Kurve 26a) bzw. am letzten Antennenpatch (l = m – 1, Kurve 26b) mit den folgenden Parametern: m = 10, Frequenz f0 = 76,5 GHz, λ = 3,92 mm, n = 1,69, d = 2,27 mm, α0 = 2,1°, αm-1 = –2,1°. Dabei ist auf der horizontalen Achse der Elevationswinkel in Grad und auf der vertikalen Achse die Leistung in dB angegeben. 5 FIG. 12 shows a one-way receiving diagram of the power for a signal tap on the first antenna patch (l = 0, curve 26a) and on the last antenna patch (l = m-1, curve 26b) with the following parameters: m = 10, frequency f 0 = 76.5 GHz, λ = 3.92 mm, n = 1.69, d = 2.27 mm, α 0 = 2.1 °, α m-1 = -2.1 °. The elevation angle is given in degrees on the horizontal axis and the power in dB on the vertical axis.

In 6 ist ein Einwegeempfangsdiagramm des Amplitudenbetrags bzw. des Amplitudenverlaufs für einen Signalabgriff am ersten Antennenpatch (Kurve 27a mit l = 0) bzw. am letzten Antennenpatch (Kurve 27b mit l = m – 1) dargestellt, wobei m = 10, f0 = 76,5 GHz, λ = 3,92 mm, n = 1,69, d = 2,27 mm, α0 = 2,1°, αm-1 = 2,1° ist. Sonach kann in einfacher Weise in der erfindungsgemäßen planaren Antenneneinrichtung 15 beispielhaft dem ersten Signalabgriff 25a die Kurve bzw. Empfangsstrahlkeule 27a und dem zweiten Signalabgriff 25b die Kurve bzw. Empfangsstrahlkeule 27b zugeordnet werden. Dabei ist der auf der horizontalen Achse der Elevationswinkel in Grad und auf der vertikalen Achse der Amplitudenbetrag angegeben.In 6 FIG. 12 is a one-way receive diagram of the amplitude magnitude for a signal tap on the first antenna patch (curve 27a with l = 0) and on the last antenna patch (curve 27b with l = m-1), where m = 10, f 0 = 76, 5 GHz, λ = 3.92 mm, n = 1.69, d = 2.27 mm, α 0 = 2.1 °, α m-1 = 2.1 °. Sonach can in a simple manner in the planar antenna device according to the invention 15 exemplarily the first signal tap 25a the curve or receiving beam lobe 27a and the second signal tap 25b the curve or receiving beam lobe 27b be assigned. In this case, the amplitude amount is indicated on the horizontal axis of the elevation angle in degrees and on the vertical axis.

In 7 ist ein Einwegeempfangsdiagramm des Leistungsverhältnisses für einen Signalabgriff am ersten bzw. am letzten Antennenpatch dargestellt, wobei m = 10, f0 = 76,5 GHz, λ = 3,92 mm, n = 1,69, d = 2,27 mm, α0 = 2,1°, αm-1 = –2,1° ist. Dabei ist auf der horizontalen Achse der Elevationswinkel in Grad und auf der vertikalen Achse das Leistungsverhältnis in dB aufgetragen.In 7 FIG. 12 is a one-way receive graph of the power ratio for a signal tap on the first and last antenna patch, where m = 10, f 0 = 76.5 GHz, λ = 3.92 mm, n = 1.69, d = 2.27 mm, α 0 = 2.1 °, α m-1 = -2.1 °. The elevation angle is plotted in degrees on the horizontal axis and the power ratio in dB on the vertical axis.

In 8 ist ein Einwegeempfangsdiagramm des Kontrasts

Figure 00150001
für einen Signalabgriff am ersten Antennenpatch bzw. am letzten Antennenpatch dargestellt, wobei m = 10, f0 = 76,5 GHz, λ = 3,92 mm, n = 1,69, d = 2,27 mm, α0 = 2,1°, αm-1 = –2,1° ist. Auf der horizontalen Achse ist wiederum der Elevationswinkel in Grad und auf der vertikalen Achse das Kontrastverhältnis aufgetragen. Für einen Squint Δα von ca. 4,2° zeigt der Kontrast einen streng monoton steigenden Verlauf im Bereich zwischen ca. +/–8°. D. h. innerhalb dieses Bereichs ist eine eindeutige Elevationswinkelschätzung möglich.In 8th is a one-way receipt diagram of the contrast
Figure 00150001
for a signal tap on the first antenna patch or on the last antenna patch, where m = 10, f 0 = 76.5 GHz, λ = 3.92 mm, n = 1.69, d = 2.27 mm, α 0 = 2 , 1 °, α m-1 = -2,1 °. Again, the elevation angle is plotted in degrees on the horizontal axis and the contrast ratio on the vertical axis. For a squint Δα of approx. 4.2 ° the contrast shows a strictly monotonously increasing course in the range between approx. +/- 8 °. Ie. Within this range, a unique elevation angle estimation is possible.

Bisher wurden lediglich die Messsignale des ersten Antennenpatches und des letzten Antennenpatches betrachtet. Dies wird nun auch für alle weiteren Antennenpatches nachgeholt:

Figure 00150002
So far, only the measurement signals of the first antenna patch and the last antenna patch have been considered. This will now be done for all other antenna patches:
Figure 00150002

Gleichung (7) ist bereits deutlich komplizierter als Gleichung (3). Allerdings stellt Gleichung (3) lediglich einen Sonderfall von Gleichung (7) für l = 0, l = m – 1 dar.Equation (7) is already much more complicated than equation (3). However, equation (3) represents only a special case of equation (7) for l = 0, l = m-1.

Betrachtet man das Messsignal des m-l-1-ten Antennenpatches, so kann man eine Gleichheit zum Messsignal des l-ten Antennenpatches zumindest für senkrechten Einfall α = 0 erkennen:Looking at the measurement signal of the m-l-1-th antenna patch, one can see an equality to the measurement signal of the l-th antenna patch at least for vertical incidence α = 0:

Figure 00160001
Figure 00160001

Dies kann auch anhand der 9 bis 11 nachvollzogen werden.This can also be based on the 9 to 11 be traced.

9 zeigt dabei ein Einwegeantennendiagramm der Leistung (|Sl|2), in dem für verschiedene Messsignalabgriffe an Antennenpatches l = 0 bis l = 9 zugehörige Kurven 28.0 bis 28.9, welche durch unterschiedliche Strichelung hervorgehoben sind, dargestellt sind. Dabei werden die Parameter m = 10, f0 = 76,5 GHz, λ = 3,92 mm, n = 1,69, d = 2,27 mm, α0 = 2,1°, αm-1 = –2,1° verwendet. Wie zu erwarten war, sind die Leistungen der Messsignale Sl, Sm-1-l, bis auf den Squint Δα gleich und symmetrisch um α = 0 angeordnet. Dabei ist horizontal der Winkel in Grad und vertikal die Leistung in dB aufgetragen. 9 1 shows a one-way antenna diagram of the power (| S 1 | 2 ) in which curves 28.0 to 28.9 associated with different measurement signal taps on antenna patches l = 0 to l = 9 are shown, which are highlighted by different dashes. The parameters m = 10, f 0 = 76.5 GHz, λ = 3.92 mm, n = 1.69, d = 2.27 mm, α 0 = 2.1 °, α m-1 = - 2.1 ° used. As you would expect, the services of the Measuring signals S l , S m-1-l , equal to the squint Δα and arranged symmetrically about α = 0. Horizontal is the angle in degrees and vertical the power in dB.

Die normierte Phase bzw. der Phasenverlauf

Figure 00160002
für die unterschiedlichen Messsignalabgriffe an den Antennenpatches l = 0 bis l = 9 ist in den zugehörigen Kurven 29.0 bis 29.9 in 10 dargestellt. Dabei werden als Parameter m = 10, f0 = 76,5 GHz, λ = 3,92 mm, n = 1,69, d = 2,27 mm, α0 = 2,1° αm-1 = –2,1° verwendet.The normalized phase or the phase progression
Figure 00160002
for the different measurement signal taps on the antenna patches l = 0 to l = 9 is in the corresponding curves 29.0 to 29.9 in 10 shown. In this case, the parameters m = 10, f 0 = 76.5 GHz, λ = 3.92 mm, n = 1.69, d = 2.27 mm, α 0 = 2.1 ° α m-1 = -2 , 1 ° used.

In 10 wurde die normierte Phase

Figure 00160003
dargestellt, um den dominanten linearen Phasenverlauf über dem Elevationswinkel zu eliminieren. In 10 ist horizontal der Winkel und vertikal die Phase in Grad aufgetragen. Wie ersichtlich, sind die Phasen der Messsignale Sl, Sm-1-l, für α = 0 identisch. Allerdings weichen sie für α ≠ 0 voneinander ab. Lediglich die Messsignale S0, Sm-1 (Kurven 29.0, 29.9) haben für alle Winkel α dieselbe Phase.In 10 became the normalized phase
Figure 00160003
shown to eliminate the dominant linear phase curve over the elevation angle. In 10 horizontal is the angle and vertically the phase is plotted in degrees. As can be seen, the phases of the measurement signals S l , S m-1-l , are identical for α = 0. However, they differ for α ≠ 0. Only the measurement signals S 0 , S m-1 (curves 29.0, 29.9) have the same phase for all angles α.

Bislang wurde die Dämpfung auf der Leiterplatte vernachlässigt. Leider kann man sie in der Realität nicht vernachlässigen, da die Dämpfung bei ca. 1 dB/cm liegt. Die Dämpfung lässt sich sehr einfach über den Brechungsindex berücksichtigen, da dieser unter Berücksichtigung der Dämpfung komplex wird. Der Zusammenhang zwischen Dämpfungskonstante und komplexem Anteil des Brechungsindex lautet:

Figure 00170001
So far, the attenuation has been neglected on the circuit board. Unfortunately, you can not neglect them in reality, because the attenuation is about 1 dB / cm. The attenuation can be easily taken into account via the refractive index, as this becomes complex in consideration of the attenuation. The relationship between the damping constant and the complex fraction of the refractive index is:
Figure 00170001

Dabei ist:

κ
der Imaginäre Anteil des komplexen Brechungsindex, der die Dämpfung beschreibt, und
ε
die Dämpfungskonstante.
Where:
κ
the imaginary part of the complex refractive index, which describes the damping, and
ε
the damping constant.

Ersetzt man den reellen Brechungsindex n in den obigen Gleichungen durch den komplexen Brechungsindex n + i·κ, erhält man die Leistungen und Phasen mit Berücksichtigung von Dämpfungseffekten. Dementsprechend ist das Verhältnis

Figure 00170002
in Gleichung (4) nicht mehr reell, sondern komplex. Dies führt zu der in 11 dargestellten Winkelabhängigkeit. In 11 ist die Phasendifferenz und der Kontrast der Messsignale des ersten Antennenpatches und des letzten Antennenpatches dargestellt. Dabei ist der Elevationswinkel in Grad auf der horizontalen Achse und der Kontrast bzw. die Phasendifferenz auf der vertikalen Achse aufgetragen. Folgende Parameter wurden gewählt: m = 10, f0 = 76,5 GHz, λ = 3,92 mm, n = 1,69 + i·9,0072, ε = 1 dB/cm, d = 2,27 mm. In 11 stellt die Kurve 30 die Phasendifferenz und die Kurve 31 den Kontrast dar.If the real refractive index n in the above equations is replaced by the complex refractive index n + i · κ, one obtains the powers and phases with consideration of damping effects. Accordingly, the ratio
Figure 00170002
in equation (4) no longer real, but complex. This leads to the in 11 illustrated angle dependence. In 11 the phase difference and the contrast of the measurement signals of the first antenna patch and the last antenna patch is shown. The elevation angle is plotted in degrees on the horizontal axis and the contrast or phase difference on the vertical axis. The following parameters were chosen: m = 10, f 0 = 76.5 GHz, λ = 3.92 mm, n = 1.69 + i × 9.0072, ε = 1 dB / cm, d = 2.27 mm. In 11 curve 30 represents the phase difference and curve 31 represents the contrast.

Wie aus 11 ersichtlich, ist die Phasendifferenz nicht exakt 0, sondern kann oberhalb von +/–5° bis zu 2° betragen. Innerhalb eines Bereichs von +/–5° ist die Phasendifferenz jedoch im Allgemeinen vernachlässigbar. Wenn die Winkelschätzung in Elevation mit Hilfe der Amplituden zuverlässig genug ist, kann die Phasendifferenz in den 10 und 11 auch vor der Azimutwinkelschätzung korrigiert werden. Dämpfungs- und Phasenverschiebungseffekte außerhalb der Antennenspalten lassen sich im Allgemeinen durch Kalibrierung eliminieren.How out 11 can be seen, the phase difference is not exactly 0, but can be up to +/- 5 ° up to 2 °. However, within a range of +/- 5 °, the phase difference is generally negligible. If the angle estimation in elevation with the help of the amplitudes is reliable enough, the phase difference in the 10 and 11 corrected before the azimuth angle estimation. Attenuation and phase shifting effects outside the antenna columns can generally be eliminated by calibration.

In 12 ist eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen planaren Antenneneinrichtung 15.3 dargestellt. Wie aus 12 ersichtlich, weist die planare Antenneneinrichung 15.3 eine vertikal ausgerichtete erste Antennenspalte 15f und eine vertikal ausgerichtete zweite Antennenspalte 15g auf, welche jeweils fünf liniengespeiste Antennenelemente 23f, 23g bzw. Patch-Elemente und Signalabgriffe 25f, 25g aufweisen und welche in einer Ebene parallel zueinander angeordnet sind. Die erste Antennenspalte 15f und die zweite Antennenspalte 15g weisen voneinander abweichende Richtcharakteristiken in vertikaler Richtung auf.In 12 is a third embodiment of a planar antenna device according to the invention 15.3 shown. How out 12 can be seen, the planar Antenneneinrichung 15.3 a vertically aligned first antenna column 15f and a vertically oriented second antenna column 15g on each of which five line-powered antenna elements 23f . 23g or patch elements and signal taps 25f . 25g have and which are arranged in a plane parallel to each other. The first antenna column 15f and the second antenna column 15g have different directional characteristics in the vertical direction.

Die erste Antennenspalte 15f und die zweite Antennenspalte 15g sind derart gezielt unterschiedlich verstimmt, dass sie voneinander abweichende Schwenkungen ihrer Richtcharakteristik in vertikaler Richtung aufweisen.The first antenna column 15f and the second antenna column 15g are deliberately detuned so differently that they have different pivoting their directional characteristic in the vertical direction.

Zur unterschiedlichen Verstimmung der ersten Antennenspalte 15f und der zweiten Antennenspalte 15g ist ein erster konstanter Abstand d1 bzw. Weglänge zwischen den Antennenelementen 23f der ersten Antennenspalte 15f und ein zweiter konstanter Abstand d2 bzw. Weglänge zwischen den Antennenelementen 23g der zweiten Antennenspalte 15g vorgesehen, wobei der erste Abstand d1 von dem zweiten Abstand d2 verschieden ist und wobei der erste Abstand d1 und der zweite Abstand d2 ungleich der Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten 15e, 15f, 15g sind.For different detuning of the first antenna column 15f and the second antenna column 15g is a first constant distance d1 or path length between the antenna elements 23f the first antenna column 15f and a second constant distance d 2 or path length between the antenna elements 23g the second antenna column 15g provided, wherein the first distance d 1 is different from the second distance d 2 and wherein the first distance d 1 and the second distance d 2 is different from the wavelength in the substrate of the antenna columns 15e . 15f . 15g are.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste konstante Abstand d1 kleiner als die Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten 15e, 15f, 15g und der zweite konstante Abstand d2 größer als die Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten 15e, 15f, 15g.In the present embodiment, the first constant distance d 1 is smaller than the wavelength in the substrate of the antenna columns 15e . 15f . 15g and the second constant distance d 2 is greater than the wavelength in the substrate of the antenna columns 15e . 15f . 15g ,

Alternativ könnte auch nur die erste Antennenspalte 15f oder die zweite Antennenspalte 15g derart gezielt verstimmt sein, dass die erste Antennenspalte 15f und die zweite Antennenspalte 15g voneinander abweichende Schwenkungen ihrer Richtcharakteristiken in vertikaler Richtung aufweisen. D. h. es könnte sich sich bei einer der ersten und zweiten Antennenspalten 15f, 15g auch um eine nicht verstimmte Antennenspalte 15e handeln.Alternatively, only the first antenna column could be used 15f or the second antenna column 15g be so intentionally detuned that the first antenna column 15f and the second antenna column 15g have different pivoting their directional characteristics in the vertical direction. Ie. it could be at one of the first and second antenna columns 15f . 15g also a non-detuned antenna column 15e act.

Dies führt zu einem gezielten Schwenk der Antennencharakteristiken in Elevation. Bei einer Verstimmung von ca. 2% ergeben sich Schwenkwinkel von +/–2 Grad in Elevation bzw. vertikaler Richtung. Der Elevationswinkel kann dann z. B. aus einem Amplitudenvergleich der Empfangssignale in den Antennenspalten 15f und 15g geschätzt werden. In 13 ist ein vereinfachtes Einwegeempfangsdiagramm des Amplitudenbetrags für die erste Antennenspalte 15f mit d1 = 0,9802·Wellenlänge im Substrat (Kurve 32) und für die zweite Antennenspalte 15g mit d2 = 1,0206·Wellenlänge im Substrat (Kurve 33) angegeben. Dabei ist der auf der horizontalen Achse der Elevationswinkel in Grad und auf der vertikalen Achse der Amplitudenbetrag angegeben.This leads to a targeted pivoting of the antenna characteristics in elevation. At a detuning of approx. 2%, tilt angles of +/- 2 degrees result in elevation or vertical direction. The elevation angle can then z. B. from an amplitude comparison of the received signals in the antenna columns 15f and 15g to be appreciated. In 13 FIG. 10 is a simplified one-way receive diagram of the magnitude of the amplitude for the first antenna column. FIG 15f with d 1 = 0.9802 · wavelength in the substrate (curve 32) and for the second antenna column 15g with d 2 = 1.0206 · wavelength in the substrate (curve 33) indicated. In this case, the amplitude amount is indicated on the horizontal axis of the elevation angle in degrees and on the vertical axis.

Unterschiedliche Weglängen bzw. Abstände d bzw. d1, d2 der Antennenelemente 23f, 23g zueinander ergeben den folgenden Schwenkwinkel ϕ der Richtcharakteristik (Squint Δα) der ersten und zweiten Antennenspalte 15f, 15g:

Figure 00190001
wobei εr die Dielektrizitätskonstante, λ die Vakuumwellenlänge und k eine ganzzahlige Konstante ist.Different path lengths or distances d and d 1 , d 2 of the antenna elements 23f . 23g to each other give the following tilt angle φ of the directional characteristic (Squint Δα) of the first and second antenna gaps 15f . 15g :
Figure 00190001
where ε r is the dielectric constant, λ is the vacuum wavelength and k is an integer constant.

In 14 ist eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen planaren Antenneneinrichtung 15.4 dargestellt. Wie aus 14 ersichtlich, weist die planare Antenneneinrichung 15.4 eine vertikal ausgerichtete erste Antennenspalte 15h und eine vertikal ausgerichtete zweite Antennenspalte 15i auf, welche jeweils fünf liniengespeiste Antennenelemente 23h, 23i bzw. Patch-Elemente und Signalabgriffe 25h, 25i aufweisen und welche in einer Ebene parallel zueinander angeordnet sind. Die erste Antennenspalte 15h und die zweite Antennenspalte 15i weisen voneinander abweichende Richtcharakteristiken in vertikaler Richtung auf. Wie weiter aus 14 ersichtlich, sind zusätzlich nicht verstimmte Antennenspalten 15e mit Antennenelementen 23e und Signalabgriffen 25e vorgesehen. Die Phasenzentren der Antennenspalten 15h, 15i, 15e sind auf einer zu den Antennenspalten 15h, 15i, 15e senkrechten Geraden g angeordnet.In 14 is a fourth embodiment of a planar antenna device according to the invention 15.4 shown. How out 14 can be seen, the planar Antenneneinrichung 15.4 a vertically aligned first antenna column 15h and a vertically oriented second antenna column 15i on each of which five line-powered antenna elements 23h . 23i or patch elements and signal taps 25h . 25i have and which are arranged in a plane parallel to each other. The first antenna column 15h and the second antenna column 15i have different directional characteristics in the vertical direction. How farther 14 can be seen, in addition, not detuned antenna columns 15e with antenna elements 23e and signal taps 25e intended. The phase centers of the antenna columns 15h . 15i . 15e are on one to the antenna columns 15h . 15i . 15e vertical straight line g arranged.

Die Leitungslängen der ersten Antennenspalte 15h und der zweiten Antennenspalte 15i sind derart, insbesondere durch eine unterschiedliche Verlängerung der Leitungslängen (in 14 durch die geschwungenen Leitungen l1, l2 vereinfacht angedeutet) auf ein Vielfaches der Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten 15h, 15i, jeweils auf unterschiedliche Mittenfrequenzen f1, f2 abgestimmt, dass sie jeweils eine unterschiedliche Schwenkung ihrer Richtcharakteristik in vertikaler Richtung aufweisen.The cable lengths of the first antenna column 15h and the second antenna column 15i are such, in particular by a different extension of the line lengths (in 14 indicated by the curved lines l 1 , l 2 in simplified terms) to a multiple of the wavelength in the substrate of the antenna columns 15h . 15i , each tuned to different center frequencies f 1 , f 2 , that they each have a different pivoting of their directional characteristic in the vertical direction.

Somit führt der Einsatz eines FMCW-Modulationsverfahrens zu einer Schwenkung der Antennencharakteristik in Elevation. Je nach Lage der Modulationsrampen zu den Mittenfrequenzen f1, f2 (siehe dazu 15) wird ein Schwenk, wie in 13 angedeutet, nach oben oder unten durchgeführt. In 15 ist auf der vertikalen Achse die Frequenz f und auf der horizontalen Achse die Zeit t aufgetragen. Der enstehende Versatz der Antennenbeams kann wiederum zur Winkelschätzung in Elevation genutzt werden. Dies kann z. B. durch den einfachen Amplitudenvergleich der beiden Antennenspalten 15h, 15i durchgeführt werden. Das hier vorgeschlagene Prinzip entspricht dem eines Frequenzscanners, der jedoch mit minimalem Aufwand gezielt zur Schätzung des Elevationswinkels genutzt wird.Thus, the use of an FMCW modulation method leads to a tilt of the antenna characteristic in elevation. Depending on the position of the modulation ramps to the center frequencies f 1 , f 2 (see 15 ) will be a pan, as in 13 indicated, carried up or down. In 15 is on The frequency f is plotted on the vertical axis and time t on the horizontal axis. The resulting offset of the antenna beams can in turn be used for angle estimation in elevation. This can be z. B. by the simple amplitude comparison of the two antenna columns 15h . 15i be performed. The principle proposed here corresponds to that of a frequency scanner, which is, however, used with minimal effort specifically for estimating the elevation angle.

Unterschiedliche (Speise-)Leitungslängen l zwischen den Antennenelementen 23h, 23i ergeben den folgenden Schwenkwinkel ϕ der Richtcharakteristik (Squint Δα) der ersten und zweiten Antennenspalte 15h, 15i:

Figure 00200001
wobei f1 die Mittenfrequenz bei Verstimmung, f0 die Modulationsfrequenz und d der Abstand Antennenelemente 23h, 23i zueinander ist.Different (feeder) line lengths l between the antenna elements 23h . 23i give the following tilt angle φ of the directional characteristic (squint Δα) of the first and second antenna gaps 15h . 15i :
Figure 00200001
where f 1 is the center frequency at detuning, f 0 is the modulation frequency and d is the distance antenna elements 23h . 23i to each other.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102004039743 A1 [0006] DE 102004039743 A1 [0006]
  • DE 10256524 A1 [0007] DE 10256524 A1 [0007]

Claims (12)

Planare Antenneneinrichtung (15.1, 15.2, 15.3, 15.4) für eine Radarsensorvorrichtung (12) mit mehreren vertikal ausgerichteten und in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Antennenspalten (15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g, 15h, 15i), welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Antennenelemente (23a, 23a', 23b, 23b', 23c, 23d, 23e, 23f, 23g, 23h, 23i), insbesondere Patch-Elemente, aufweisen, wobei die Phasenzentren der Antennenspalten (15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g, 15h, 15i) auf einer zu den Antennenspalten (15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g, 15h, 15i) senkrechten Geraden (g) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste Antennenspalte (15a, 15c, 15f, 15h) und wenigstens eine zweite Antennenspalte (15b, 15d, 15g, 15i) voneinander abweichende Richtcharakteristiken in vertikaler Richtung aufweisen, wobei die Phasendifferenz zwischen den Empfangsstrahlkeulen der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a, 15c, 15f, 15h) und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15b, 15d, 15g, 15i) im Wesentlichen nur von dem Azimutwinkel und das Amplitudenverhältnis zwischen den Empfangsstrahlkeulen der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a, 15c, 15f, 15h) und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15b, 15d, 15g, 15i) im Wesentlichen nur von dem Elevationswinkel der empfangenen Signale abhängig ist.Planar antenna device ( 15.1 . 15.2 . 15.3 . 15.4 ) for a radar sensor device ( 12 ) with a plurality of vertically oriented antenna columns arranged parallel to one another in a plane ( 15a . 15b . 15c . 15d . 15e . 15f . 15g . 15h . 15i ), each of which has at least two line-fed antenna elements ( 23a . 23a ' . 23b . 23b ' . 23c . 23d . 23e . 23f . 23g . 23h . 23i ), in particular patch elements, wherein the phase centers of the antenna columns ( 15a . 15b . 15c . 15d . 15e . 15f . 15g . 15h . 15i ) on one to the antenna columns ( 15a . 15b . 15c . 15d . 15e . 15f . 15g . 15h . 15i ) vertical straight lines (g) are arranged, characterized in that at least one first antenna column ( 15a . 15c . 15f . 15h ) and at least one second antenna column ( 15b . 15d . 15g . 15i ) have different directional characteristics in the vertical direction, wherein the phase difference between the received beam lobes of the at least one first antenna column ( 15a . 15c . 15f . 15h ) and the at least one second antenna column ( 15b . 15d . 15g . 15i ) substantially only from the azimuth angle and the amplitude ratio between the reception beam lobes of the at least one first antenna column ( 15a . 15c . 15f . 15h ) and the at least one second antenna column ( 15b . 15d . 15g . 15i ) is essentially dependent only on the elevation angle of the received signals. Planare Antenneneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Signalabgriff (25a, 25c) an der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a, 15c) in vertikaler Richtung versetzt von einem zweiten Signalabgriff (25b, 25d) an der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15b, 15d) angeordnet ist, wobei die wenigstens eine erste Antennenspalte (15a, 15c) und/oder die wenigstens eine zweite Antennenspalte (15b, 15d) derart gezielt verstimmt sind, dass sie jeweils eine Schwenkung ihrer Richtcharakteristik in vertikaler Richtung aufweisen.Planar antenna device according to claim 1, characterized in that a first signal tap ( 25a . 25c ) at the at least one first antenna column ( 15a . 15c ) offset in the vertical direction from a second signal tap ( 25b . 25d ) at the at least one second antenna column ( 15b . 15d ), wherein the at least one first antenna column ( 15a . 15c ) and / or the at least one second antenna column ( 15b . 15d ) are deliberately detuned such that they each have a pivoting of their directional characteristic in the vertical direction. Planare Antenneneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur gezielten Verstimmung der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a, 15c, 15f) und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15b, 15d, 15g) ein konstanter Abstand (d) zwischen den wenigstens zwei Antennenelementen (23a, 23a', 23b, 23b', 23c, 23d, 23f, 23g) der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a, 15c, 15f) und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15b, 15d, 15g) vorgesehen ist, welcher ungleich der Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten (15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f, 15g) ist.Planar antenna device according to claim 2, characterized in that for the targeted detuning of the at least one first antenna column ( 15a . 15c . 15f ) and the at least one second antenna column ( 15b . 15d . 15g ) a constant distance (d) between the at least two antenna elements ( 23a . 23a ' . 23b . 23b ' . 23c . 23d . 23f . 23g ) of the at least one first antenna column ( 15a . 15c . 15f ) and the at least one second antenna column ( 15b . 15d . 15g ), which is not equal to the wavelength in the substrate of the antenna columns ( 15a . 15b . 15c . 15d . 15e . 15f . 15g ). Planare Antenneneinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Signalabgriff (25a, 25c) und der zweite Signalabgriff (25b, 25d) an jeweils abgewandten Enden der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a, 15c) und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15b, 15d) angeordnet sind.Planar antenna device according to claim 2 or 3, characterized in that the first signal tap ( 25a . 25c ) and the second signal tap ( 25b . 25d ) at respectively opposite ends of the at least one first antenna column ( 15a . 15c ) and the at least one second antenna column ( 15b . 15d ) are arranged. Planare Antenneneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Antennenspalte (15a, 15c, 15f) oder die wenigstens eine zweite Antennenspalte (15b, 15d, 15g) derart gezielt verstimmt ist, dass die wenigstens eine erste Antennenspalte (15a, 15c, 15f) und die wenigstens eine zweite Antennenspalte (15b, 15d, 15g) voneinander abweichende Schwenkungen ihrer Richtcharakteristiken in vertikaler Richtung aufweisen.Planar antenna device according to claim 1, characterized in that the at least one first antenna column ( 15a . 15c . 15f ) or the at least one second antenna column ( 15b . 15d . 15g ) is deliberately detuned such that the at least one first antenna column ( 15a . 15c . 15f ) and the at least one second antenna column ( 15b . 15d . 15g ) have different pivoting their directional characteristics in the vertical direction. Planare Antenneneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Antennenspalte (15f) und die wenigstens eine zweite Antennenspalte (15g) derart gezielt unterschiedlich verstimmt sind, dass sie voneinander abweichende Schwenkungen ihrer Richtcharakteristik in vertikaler Richtung aufweisen.Planar antenna device according to claim 1, characterized in that the at least one first antenna column ( 15f ) and the at least one second antenna column ( 15g ) are deliberately detuned so differently that they have different pivoting their directional characteristic in the vertical direction. Planare Antenneneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur unterschiedlichen Verstimmung der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15f) und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15g) ein erster konstanter Abstand (d1) zwischen den wenigstens zwei Antennenelementen (23f) der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15f) und ein zweiter konstanter Abstand (d2) zwischen den wenigstens zwei Antennenelementen (23g) der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15g) vorgesehen ist, wobei der erste Abstand (d1) von dem zweiten Abstand (d2) verschieden ist und wobei der erste Abstand (d1) und der zweite Abstand (d2) ungleich der Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten (15e, 15f, 15g) sind.Planar antenna device according to claim 6, characterized in that for different detuning of the at least one first antenna column ( 15f ) and the at least one second antenna column ( 15g ) a first constant distance (d 1 ) between the at least two antenna elements ( 23f ) of the at least one first antenna column ( 15f ) and a second constant distance (d 2 ) between the at least two antenna elements ( 23g ) the at least one second antenna column ( 15g ), wherein the first distance (d 1 ) is different from the second distance (d 2 ) and wherein the first distance (d 1 ) and the second distance (d 2 ) are different from the wavelength in the substrate of the antenna columns ( 15e . 15f . 15g ) are. Planare Antenneneinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste konstante Abstand (d1) größer als die Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten (15e, 15f, 15g) ist und dass der zweite konstante Abstand (d2) kleiner als die Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten (15e, 15f, 15g) ist.Planar antenna device according to claim 7, characterized in that the first constant distance (d 1 ) is greater than the wavelength in the substrate of the antenna columns ( 15e . 15f . 15g ) and that the second constant distance (d 2 ) is smaller than the wavelength in the substrate of the antenna columns ( 15e . 15f . 15g ). Planare Antenneneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungslängen der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15h) und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15i) derart, insbesondere durch eine unterschiedliche Verlängerung der Leitungslängen auf ein Vielfaches der Wellenlänge in dem Substrat der Antennenspalten (15e, 15h, 15i), jeweils auf unterschiedliche Mittenfrequenzen (f1, f2) abgestimmt sind, dass sie jeweils eine unterschiedliche Schwenkung ihrer Richtcharakteristik in vertikaler Richtung aufweisen. Planar antenna device according to claim 1, characterized in that the line lengths of the at least one first antenna column ( 15h ) and the at least one second antenna column ( 15i ), in particular by a different extension of the line lengths to a multiple of the wavelength in the substrate of the antenna columns ( 15e . 15h . 15i ), in each case to different center frequencies (f 1 , f 2 ) are tuned that they each have a different pivoting of their directional characteristic in the vertical direction. Planare Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die in vertikaler Richtung voneinander abweichenden Richtcharakteristiken der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a, 15c, 15f, 15h) und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15b, 15d, 15g, 15i), sich die Amplitudenverläufe (27a, 27b, 32, 33) der Empfangsstrahlkeulen der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a, 15c, 15f, 15h) und der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15b, 15d, 15g, 15i) in vertikaler Richtung voneinander unterscheiden, wodurch mittels eines Vergleichs des Amplitudenverlaufs (27a, 32) der Empfangsstrahlkeule der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a, 15c, 15f, 15h) mit dem Amplitudenverlauf (27b, 33) der Empfangsstrahlkeule der wenigstens einen zweiten Antennenspalte (15b, 15d, 15g, 15i) in vertikaler Richtung ein Elevationswinkel wenigstens eines erfassten Objekts bestimmbar ist.Planar antenna device according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the at least one first antenna column (16) is formed by the directional characteristics deviating from one another in the vertical direction ( 15a . 15c . 15f . 15h ) and the at least one second antenna column ( 15b . 15d . 15g . 15i ), the amplitude curves ( 27a . 27b . 32 . 33 ) of the reception beam lobes of the at least one first antenna column ( 15a . 15c . 15f . 15h ) and the at least one second antenna column ( 15b . 15d . 15g . 15i ) in the vertical direction, whereby by means of a comparison of the amplitude curve ( 27a . 32 ) of the reception beam lobe of the at least one first antenna column ( 15a . 15c . 15f . 15h ) with the amplitude curve ( 27b . 33 ) of the reception beam lobe of the at least one second antenna column ( 15b . 15d . 15g . 15i ) in the vertical direction an elevation angle of at least one detected object can be determined. Radarsensorvorrichtung (12) mit wenigstens einer planaren Antenneneinrichtung (15.1, 15.2, 15.3, 15.4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.Radar sensor device ( 12 ) with at least one planar antenna device ( 15.1 . 15.2 . 15.3 . 15.4 ) according to one of claims 1 to 10. Vorrichtung, insbesondere Fahrerassistenzsystem (11) eines Kraftfahrzeugs (10) mit wenigstens einer Radarsensorvorrichtung (12) gemäß Anspruch 11 zur Detektion von Objekten in einem Umfeld des Kraftfahrzeugs (10), und einer Steuereinrichtung (14), welche mit der wenigstens einen Radarsensorvorrichtung (12) verbunden ist.Device, in particular driver assistance system ( 11 ) of a motor vehicle ( 10 ) with at least one radar sensor device ( 12 ) according to claim 11 for the detection of objects in an environment of the motor vehicle ( 10 ), and a control device ( 14 ) associated with the at least one radar sensor device ( 12 ) connected is.
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