DE102009030403A1 - Radarantennenanordnung, insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Radarantennenanordnung, insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen Download PDF

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Abstract

Bei einer Radarantennenanordnung ist zur Erzielung eines einfachen Aufbaus sowie eines guten Abstrahlverhaltens ein Wellenleiter (2) mit einer metallischen Fassung (8) vorgesehen, wobei die Fassung (8) einen Spalt (10) begrenzt und mehrere periodisch angeordnete Strukturelemente (15) aufweist, die sich in den Spalt (10) erstrecken. Der Spalt (10) ist mit einem dielektrischem Gas gefüllt, wodurch der Aufbau vereinfacht wird. Die Strukturelemente (15) dienen zum Verkürzen der Wellenlänge der Wellenleiter (2), wodurch ein gutes Abstrahlverhalten erzielt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Radarantennenanordnung, insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen.
  • Aus der WO 2006/039 896 A1 ist eine Radarantennenanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt, die einen Wellenleiter aus zwei zueinander beabstandeten metallischen Platten und einem dazwischen angeordneten dielektrischen Festkörper aufweist. Der dielektrische Festkörper weist eine im Vergleich zu Luft höhere Dielektrizitätskonstante auf, wodurch die Wellenlänge der in den Wellenleiter eingekoppelten elektromagnetischen Welle verkürzt wird. Dies wirkt sich positiv auf das Abstrahlverhalten aus, da insbesondere das Auftreten von sogenannten Grating Lobes wirkungsvoll unterbunden werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass der Aufbau des Wellenleiters aufwendig ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Radarantennenanordnung zu schaffen, die einen einfachen Aufbau und ein gutes Abstrahlverhalten aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Radarantennenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Aufbau der Radarantennenanordnung ohne eine Beeinträchtigung des Abstrahlverhaltens vereinfacht werden kann, wenn in dem von der metallischen Fassung begrenzten Spalt des Wellenleiters ein dielektrisches Gas, wie beispielsweise Luft, angeordnet ist und zusätzlich an der metallischen Fassung mehrere Strukturelemente periodisch angeordnet sind, die sich in den Spalt erstrecken. Dass anstelle des dielektrischen Festkörpers auch Luft in dem Wellenleiter angeordnet sein kann, ist prinzipiell bereits aus der WO 2006/039 896 A1 bekannt. Das bloße Ersetzen des dielektrischen Festkörpers durch Luft beeinträchtigt jedoch das Abstrahlverhalten in nicht akzeptabler Weise. Dadurch, dass die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle aufgrund der Verwendung von Luft gleich der Freiraumwellenlänge ist, wird die störende erste Grating Lobe bei der Hälfte des jeweiligen positiven Abstrahlwinkels abgestrahlt. Darüber hinaus ist die Führung der elektromagnetischen Welle in dem mit Luft gefüllten Spalt schlechter als in einem dielektrischen Festkörper. Durch das zusätzliche periodische Anordnen von Strukturelementen entlang der metallischen Fassung wird die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle verkürzt, was einer größeren Dielektrizitätskonstante entspricht. Diese Dielektrizitätskonstante ist größer als die des dielektrischen Gases selbst. Durch die Strukturelemente werden sogenannte Floquet Moden im Spalt angeregt, deren Wellenlänge abhängig von der Geometrie der Strukturelemente auf ein im Vergleich zur Freiraumwellenlänge erforderliches Maß verkürzt ist. Durch die effektive Verkürzung der Wellenlänge wird die erste Grating Lobe in den nicht sichtbaren Bereich geschoben, sodass sie nicht mehr störend ist. Auf diese Weise wird ein einfacher Aufbau der Radarantennenanordnung ohne eine Beeinträchtigung des Abstrahlverhaltens erzielt.
  • Eine Radarantennenanordnung nach Anspruch 2 weist einfach aufgebaute Strukturelemente in Form von Rippen auf.
  • Eine Radarantennenanordnung nach Anspruch 3 begünstigt das Abstrahlverhalten. Die Strukturelemente können untereinander verschiedene Strukturhöhen aufweisen.
  • Eine Radarantennenanordnung nach Anspruch 4 gewährleistet eine modenreine Anregung der Floquet Mode. Die Ausbildung von anderen störenden Moden wird wirkungsvoll verhindert.
  • Eine Radarantennenanordnung nach Anspruch 5 gewährleistet konstante Abstrahleigenschaften entlang des Wellenleiters.
  • Eine Radarantennenanordnung nach Anspruch 6 verbessert die Einkopplung der elektromagnetischen Welle in den Wellenleiter.
  • Eine Radarantennenanordnung nach Anspruch 7 begünstigt die modenreine Anregung der Floquet Mode.
  • Eine Radarantennenanordnung nach Anspruch 8 führt zu einer vorteilhaften Überhöhung der Feldstärke im gasgefüllten Spalt.
  • Eine Radarantennenanordnung nach Anspruch 9 ist einfach herstellbar.
  • Eine Radarantennenanordnung nach Anspruch 10 wirkt aufgrund der Axialnuten wie ein Bragg-Reflektor, wodurch eine vorteilhafte Feldüberhöhung erzielt wird.
  • Eine Radarantennenanordnung nach Anspruch 11 verbessert zusätzlich das Abstrahlverhalten. Da die störende erste Grating Lobe nur bei nicht negativen Abstrahlwinkeln auftritt, wird durch die Vorgabestruktur ein Auftreten unterdrückt. Positive Abstrahlwinkel werden über ein Reflektorsystem realisiert.
  • Eine Radarantennenanordnung nach Anspruch 12 ermöglicht eine symmetrische Abstrahlung in den positiven und den negativen Abstrahlwinkelbereich. Dies ist insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen erwünscht.
  • Ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 13 stellt eine vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Radarantennenanordnung dar.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
  • 1 eine Schnittdarstellung einer Radarantennenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine Seitenansicht der Radarantennenanordnung in 1,
  • 3 eine perspektivische Ansicht eines Wellenleiters der Radarantennenanordnung in 1,
  • 4 einen vergrößerten Ausschnitt des Wellenleiters in 3, und
  • 5 einen vergrößerten Ausschnitt des Wellenleiters einer Radarantennenanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend 4.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Eine Radarantennenanordnung 1, die insbesondere in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug zum Erkennen von Objekten in dessen Umgebung eingesetzt wird, weist einen sich in einer x-Richtung erstreckenden Wellenleiter 2 auf, der in einer y-Richtung einer Vorgabestruktur in Form einer Trommel 3 zur Vorgabe einer Abstrahlwinkel-Verteilung von Radarwellen benachbart ist.
  • Die Trommel 3 ist um eine parallel zu dem Wellenleiter 2 verlaufende Drehachse 4 drehantreibbar. An ihrer Oberfläche weist die Trommel 3 periodisch angeordnete Vorgaberillen 5 auf, deren Abstand p von dem Drehwinkel ϕ um die Drehachse 4 abhängig ist. Der Abstand p wird auch als azimutabhängige Rillenperiode p(ϕ) bezeichnet.
  • Der Abstrahlwinkel θ ist von der Rillenperiode p über die Gleichung
    Figure 00050001
    abhängig, wobei
    • p
    die Rillenperiode,
    λ0
    die Freiraumwellenlänge,
    λg
    die Wellenlänge der in den Wellenleiter 2 eingekoppelten elektromagnetischen Welle und
    n
    die Ordnung der Abstrahlrichtung sind.
  • Durch die azimutabhängige Rillenperiode p(ϕ) überstreicht die Abstrahlrichtung einen in einer x-y-Abstrahlebene liegenden Abstrahlwinkelbereich. Der Abstrahlwinkelbereich ist in 1 durch eine in der y-Richtung verlaufende Nullwinkellinie 6 und einen Pfeil 7 charakterisiert, der den maximalen negativen Abstrahlwinkel –θ markiert.
  • Der Wellenleiter 2 hat eine metallische Fassung 8, die zwei Fassungsteile 9 aufweist. Die Fassungsteile 9 sind spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet und relativ zu einer x-y-Symmetrieebene symmetrisch und in einer z-Richtung beabstandet zueinander angeordnet, sodass diese in der z-Richtung einen Spalt 10 begrenzen. In dem Spalt 10 ist ein dielektrisches Gas, wie beispielsweise Luft, angeordnet.
  • Die Fassungsteile 9 sind in der y-Richtung stufenförmig mit einer ersten Stufe 11 und einer zweiten Stufe 12 ausgebildet, sodass sich der Spalt 10 zu der Trommel 3 hin verjüngt. Der Spalt 10 weist dementsprechend einen engen ersten Spaltabschnitt 13 und einen weiten zweiten Spaltabschnitt 14 auf.
  • An den ersten Stufen 11 der Fassungsteile 9 sind eine Vielzahl von Strukturelementen 15 in Form von Rippen angeordnet. Die einzelnen Rippen 15 verlaufen in der y-Richtung und sind in der x-Richtung periodisch hintereinander angeordnet. Jede Rippe 15 weist entlang ihrer Erstreckung in y-Richtung eine konstante Strukturhöhe H auf, wobei die Strukturhöhen H der Rippen 15 untereinander unterschiedlich sein können. Die Rippen 15 erstrecken sich somit in den ersten Spaltabschnitt 13 hinein.
  • In einem Einspeisebereich E des Wellenleiters 2 ist innerhalb des ersten Spaltabschnitts 13 ein dielektrischer Festkörper 16 angeordnet. Der dielektrische Festkörper 16 verjüngt sich in x-Richtung derart, dass seine Abmessung in z-Richtung abnimmt. In dem Einspeisebereich E weisen die Rippen 15 in x-Richtung eine ansteigende Strukturhöhe H auf. Außerhalb des Einspeisebereichs E, der als Abstrahlbereich A bezeichnet wird, weisen die Rippen 15 untereinander in x-Richtung konstante Strukturhöhen H auf.
  • Zum Ausrichten des Abstrahlwinkelbereichs weist die Radarantennenanordnung 1 ein Reflektorsystem 17 auf. Das Reflektorsystem 17 weist einen Subreflektor 18 und einen Hauptreflektor 19 auf. Der Subreflektor 18 ist in y-Richtung von dem Wellenleiter 2 beabstandet. Der Subreflektor 18 ist aus einem dielektrischen Material und weist an der dem Wellenleiter 2 zugewandten Seite ein metallisches Gitter 20 auf. Der Subreflektor 18 arbeitet als Polarisator. Der Abstrahlwinkel in einer y-z-Abstrahlebene relativ zu der Nullwinkellinie 6 wird mit δ bezeichnet. Der Hauptreflektor 19 ist als sogenanntes Reflect-Array ausgebildet. Der Hauptreflektor 19 umfasst eine dielektrische Platte 21, die an einer dem Subreflektor 18 zugewandten Seite Metallstrukturen 22 und an einer dem Subreflektor 18 abgewandten Seite eine durchgehende Metallschicht 23 aufweist. Die Metallstrukturen 22 bewirken eine Polarisationsdrehung der Radarwellen um 90 Grad und ein Ausrichten in der x-y-Abstrahlebene, sodass der Abstrahlwinkelbereich in der x-y-Abstrahlebene relativ zu der Nullwinkellinie 6 symmetriert wird. Die symmetrische Ausrichtung ist in 1 durch die Pfeile 24 charakterisiert, die nach der Ausrichtung den maximalen negativen Abstrahlwinkel –θ/2 und den maximalen positiven Abstrahlwinkel +θ/2 charakterisieren.
  • Zum Erzeugen von Radarwellen wird in den Wellenleiter 2 über den dielektrischen Festkörper 16 eine elektromagnetische Welle eingekoppelt, die in x-Richtung ausbreitungsfähig ist. Durch die Fassung 8 mit den periodisch angeordneten blendenförmigen Rippen 15 wird in dem Spalt 10 eine sogenannte Floquet Mode angeregt, deren Wellenlänge λg im Vergleich zu der Freiraumwellenlänge λ0 verkürzt ist. Die Verkürzung der Wellenlänge λg ist abhängig von der Geometrie der Rippen 15. Dadurch, dass die als Blendenstruktur wirkenden Rippen 15 langsam in x-Richtung anwachsen und der dielektrische Festkörper 16 sich im Querschnitt gleichzeitig langsam verringert, wird eine modenreine Anregung der Floquet Mode erzielt.
  • Durch die Verjüngung des Spaltes 10 wird eine Überhöhung der Feldstärke in dem gasgefüllten Spalt 10 erzielt.
  • Die Floquet Mode hat im umgebenden Luftraum transversal evaneszente Felder. Die Positionierung der aus einem leitfähigen Material bestehenden Trommel 3 mit den periodischen Vorgaberillen 5 führt zu einer Kopplung der Floquet Mode in mindestens eine andere Mode, die gezielt nicht auf dem Wellenleiter 2 ausbreitungsfähig ist und deshalb in den freien Raum abgestrahlt wird. Die Abstrahlrichtung θ ist von Rillenperiode p(ϕ) abhängig und ergibt sich nach Gleichung (1). Durch Drehen der Trommel 3 wird der Abstrahlwinkel θ über den Abstrahlwinkelbereich in der x-y-Abstrahlebene verschwenkt.
  • Ohne die blendenförmigen Rippen 15 würde es zu einer Abstrahlung der ersten Greating Lobe bei der Hälfte des jeweiligen Abstrahlwinkels θ kommen. Dies hat folgenden Hintergrund:
    Aufgrund des geforderten Abstrahlwinkelbereichs wird die Rillenperiode p(ϕ) groß genug, dass es außer zu einer Abstrahlung in der gewünschten und durch n1 = 1 in Gleichung (1) definierten Abstrahlrichtung θ1 zu mindestens einer weiteren unerwünschten Abstrahlung in den durch ni > 1 mit i = 2, 3, ... in Gleichung (1) definierten Richtungen kommt. Diese Richtungen charakterisieren die sogenannten Grating Lobes.
  • Den Zusammenhang zwischen den Abstrahlwinkeln θ1 und θ2 unterschiedlicher Ordnungen n1 = 1 und n2 = 2 erhält man durch Gleichsetzen der Rillenperioden p(ϕ). Es gilt:
    Figure 00090001
  • Von Interesse ist der Abstrahlwinkel θ1 erster Ordnung gerade beim Auftreten der ersten Grating Lobe beim Abstrahlwinkel θn2 = –90°. Man erhält:
    Figure 00090002
  • Wenn gilt, dass die Wellenlänge λg auf dem Wellenleiter 2 gleich der Freiraumwellenlänge λ0 ist, wie dies bei einem luftgefüllten Wellenleiter 2 ohne die Rippen 15 der Fall wäre, so tritt die erste Grating Lobe bei allen nicht negativen Abstrahlwinkeln θ1 auf. Bei einem symmetrischen Abstrahlwinkelbereich wird dann die erste störende Grating Lobe bei der Hälfte des jeweiligen positiven Abstrahlwinkels θ abgestrahlt.
  • Die periodischen Rippen 15 führen zu einer effektiven Verkürzung der Wellenlänge λg. Die Wellenlänge λg ist somit stets kleiner als die Freiraumwellenlänge λ0. Je kleiner der Wert von λg ist, desto größer ist die Dielektrizitätskonstante des Wellenleiters 2, wodurch das Auftreten der Grating Lobe weiter in den Bereich positiver Abstrahlwinkel θ1 geschoben wird.
  • Durch die Wahl der Rillenperiode p(ϕ) auf der Trommel 3 wird der Abstrahlwinkelbereich zu negativen Abstrahlwinkeln –θ hin verschoben und mittels des Reflektorsystems 17 in den gewünschten Abstrahlwinkelbereich ausgerichtet. Das Reflektorsystem 17 ist insbesondere derart ausgebildet, dass die abgestrahlten Radarwellen relativ zu der Nullwinkellinie 6 symmetrisch ausgerichtet werden.
  • Die Trommel 3 kann insbesondere auch derart ausgebildet sein, dass die Radarwellen nur mit negativen Abstrahlwinkeln –θ abgestrahlt werden. Darüber hinaus kann der Wellenleiter 2 im Einspeisebereich E auch ohne den die elektrischen Festkörper 16 ausgebildet sein.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten a. Die Fassungsteile 9a der Fassung 8a weisen im Bereich der zweiten Stufen 12a in der x-Richtung verlaufende Axialnuten 25 auf. Die Axialnuten 25 wirken wie ein Bragg-Reflektor, wodurch eine vorteilhafte Feldüberhöhung erzielt wird. Hinsichtlich der weiteren Funktionsweise wird auf das vorangegangene Ausführungsbeispiel verwiesen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2006/039896 A1 [0002, 0004]

Claims (13)

  1. Radarantennenanordnung (1; 1a), insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, – mit einem sich in einer x-Richtung erstreckenden Wellenleiter (2; 2a) zum Abstrahlen von Radarwellen, wobei – der Wellenleiter (2; 2a) eine metallische Fassung (8; 8a) umfasst, – die in einer z-Richtung einen Spalt (10; 10a) begrenzt und – mehrere in der x-Richtung periodisch angeordnete und sich in den Spalt (10; 10a) erstreckende Strukturelemente (15) aufweist, – in dem Spalt (10; 10a) ein dielektrisches Gas angeordnet ist, und – mit einer in einer y-Richtung zu dem Wellenleiter (2; 2a) beabstandeten Vorgabestruktur (3) zur Vorgabe einer Abstrahlwinkel-Verteilung der von dem Wellenleiter (2) ausgehenden Radarwellen.
  2. Radarantennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (15) als in der y-Richtung verlaufende Rippen ausgebildet sind.
  3. Radarantennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Strukturelement (15) eine konstante Strukturhöhe (H) aufweist.
  4. Radarantennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (15) in einem Einspeisebe reich (E) des Wellenleiters (2; 2a) in der x-Richtung ansteigende Strukturhöhe (H) aufweisen.
  5. Radarantennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (15) außerhalb eines Einspeisebereichs (E) des Wellenleiters (2; 2a) in der x-Richtung konstante Strukturhöhen (H) aufweisen.
  6. Radarantennenanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Einspeisebereich (E) ein dielektrischer Festkörper (16) innerhalb des Spaltes (10; 10a) angeordnet ist.
  7. Radarantennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Festkörper (16) sich in der x-Richtung verjüngt.
  8. Radarantennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Spalt (10; 10a) zu der Vorgabestruktur (3) hin verjüngt.
  9. Radarantennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Fassung (8; 8a) zur Verjüngung des Spaltes (10; 10a) stufenförmig ausgebildet ist.
  10. Radarantennenanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Fassung (8a) in der x-Richtung verlaufende Axialnuten (25) aufweist.
  11. Radarantennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabestruktur (3) derart ausgebil det ist, dass die Abstrahlwinkel-Verteilung der Radarwellen in einer x-y-Abstrahlebene relativ zu einer in der y-Richtung verlaufenden Nullwinkellinie (6) zu negativen Abstrahlwinkeln (–θ) verschoben ist.
  12. Radarantennenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektorsystem (17) derart angeordnet ist, dass die Abstrahlwinkel-Verteilung relativ zu der Nullwinkelline (6) symmetrisch ausrichtbar ist.
  13. Kraftfahrzeug mit einer Radarantennenanordnung (1; 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Erkennung von Objekten in der Umgebung des Kraftfahrzeuges.
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