DE102012107603A1

DE102012107603A1 - Zweidimensionale antennenarrays für strahlformungsanwendungen

Info

Publication number: DE102012107603A1
Application number: DE102012107603A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Feger; Stefan Scheiblhofer; Christoph Wagner; Christian Schmid; Andreas Stelzer; Erich Kolmhofer; Ziqiang Tong
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: US20130050022A1; DE102012107603B4; US8854264B2

Abstract

Ausführungsformen betreffen zweidimensionale Antennenarrays. Bei einer Ausführungsform umfasst ein Antennenarray unsymmetrisch gespeiste Patch-Antennen und symmetrisch gespeiste Patches. Die Feldpolarisation der emittierten und/oder empfangenen EM-Wellen ist für jeden verschiedenen Antennentyp um 90 Grad verschieden. Somit kann unter Verwendung einer orthogonalen Zuführungsrichtung für unsymmetrische und Differenz-Patches ein ausgerichtetes Polarisationsmuster erzielt werden. Ausführungsformen können in einem Radar- oder praktisch jedem beliebigen anderen 2D-Array-Antennensystem verwendet werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein Radarsysteme und insbesondere effiziente zweidimensionale Antennenarrays für Strahlformungsanwendungen.
STAND DER TECHNIK
Die Radartechnologie zur Objektdetektion und Objektentfernungsbestimmung ist in militärischen Spitzenanwendungen sehr gängig, hat aber in letzter Zeit in kommerziellen und industriellen Geräten an Bedeutung gewonnen. Der Entwurf von mehrkanaligen Radarsystemen, die in Kombination mit phasengesteuerten Gruppensendern und Strahlformungs-Signalverarbeitung verwendet werden, ermöglicht die Auflösung einer großen Anzahl von Zielen in verschiedenen Winkeln, auch wenn sich die Ziele in derselben Entfernung befinden. Der Entwurf des Antennensystems bei einer solchen Konfiguration, insbesondere für dreidimensionale Messanwendungen, bei denen die Radareinheit das Sichtfeld in der horizontalen und auch in der vertikalen Dimension scannen muss, ist schwierig.
Kostengünstige Anwendungen wenden gewöhnlich planare Patch-Antennenarrays an, wie etwa zweidimensionale (2D-)gleichförmige planare Arrays oder kreisförmige Konfigurationen. Die Antennenelemente (oder Patches), die in einer bestimmten gleichförmigen oder ungleichförmigen Struktur in zwei Dimensionen angeordnet werden, emittieren und/oder empfangen das elektromagnetische (EM-)Signal, das durch das Radar-Frontend in den freien Raum mit einer bestimmten Polarisation der EM-Welle erzeugt wird. Breitbandige Radarsysteme, die eine große EM-Signalbandbreite benutzen, um hohe Genauigkeit zu erzielen, verwenden gewöhnlich sogenannte linear polarisierte Antennenelemente, wobei die Polarisationsrichtung von dem Patch-Typ, Einspeisungspunkt und der Winkeldrehung des Patch auf dem Substratmaterial abhängt. Diese Antennen werden gewöhnlich auf mehrschichtigen Leiterplatten (PCB) hergestellt.
Für ordnungsgemäßen Betrieb der Radareinheit ist es in der Regel erforderlich, dass die Polarisationsrichtung aller Antennenelemente, Sender und auch Empfänger geometrisch ausgerichtet ist, da eine Fehlanpassung der Polarisationsebene zu Signalverlust und deshalb verringerter Systemleistungsfähigkeit führt. Zirkular polarisierte Antennenelemente, die gegenüber dem Drehwinkel unempfindlich sind, können oft nicht benutzt werden, da die Bandbreite dieses letzteren Antennentyps sehr begrenzt ist.
Ein zweites Problem ist die Tatsache, dass abhängig von dem Arraytyp die einzelnen Antennenelemente dicht beabstandet sein müssen, z.B. um die Hälfte einer Wellenlänge des gesendeten EM-Signals bei herkömmlichen gleichförmigen rechteckigen planaren Arrays.
Somit gibt es viele Schwierigkeiten beim Entwurf von planaren Arrays, darunter das Anordnen der Antennenelemente an dicht beabstandeten Positionen; Ausrichten der Antennen zur Erzielung ähnlicher EM-Feldpolarisation der einzelnen Patches; und Speisen der Antennenelemente aus dem Hochfrequenz-(HF-)Frontend unter Vermeidung von Zuführungsleitungsüberschneidungen. Widersprüche erscheinen beim Versuch, allen diesen Anforderungen gleichzeitig zu genügen, und beschränken oft stark die praktisch realisierbaren Konfigurationen zum Arrayentwurf.
Eine herkömmliche Lösung der obigen Schwierigkeiten wendet eine sogenannte “rückseitige” Speisung der Patch-Elemente. In diesem Fall werden die Antennenelemente, die sich auf der obersten Schicht der Antennen-PCB befinden, entweder aus einer Wellenleiterzuführungsstruktur oder einem herkömmlichen Ansatz einer vergrabenen Übertragungsleitung auf einer inneren PCB-Schicht von der Rückseite aus gespeist. Wellenleiterzuführungen sind zwar optimal in Bezug auf Verluste, aber sperrig und sehr kostspielig bei der Herstellung. Vergrabene Übertragungsleitungen sind dagegen günstig herzustellen, führen aber insbesondere bei hohen Betriebsfrequenzen (ohne eine separate Schicht aus kostspieligen Substratmaterialien) höhere Verluste ein.
Wenn Zuführungsleitungen auf der obersten Schicht der PCB verwendet werden, müssen die Orientierung der Patches und der Ort des Zuführungspunkts abgestimmt sein. Eine Lösung, um dies in einem dicht beabstandeten zweidimensionalen L-förmigen Array zu erzielen, besteht darin, eine 45-Grad-Orientierung der Patches zu verwenden. Dies verringert seinerseits die Beabstandung der Antennenelemente und führt deshalb zu stärkeren Koppeleffekten, was für die Gesamt-Array-Leistungsfähigkeit nachteilig ist.
Deshalb werden verbesserte Radarantennenarrays benötigt.
KURZFASSUNG
Ausführungsformen betreffen zweidimensionale Antennenarrays.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein zweidimensionales Antennenarray mindestens ein Differenz-Patch-Antennenelement, das entlang einer ersten Achse angeordnet ist und eine mit der ersten Achse parallele E-Ebenen-Polarisationsrichtung aufweist; und mindestens ein unsymmetrisch gespeistes Patch-Antennenelement, das entlang einer zu der ersten Achse orthogonalen zweiten Achse angeordnet ist und eine mit der ersten Achse parallele E-Ebene-Polarisationsrichtung aufweist.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Antennenarray mindestens ein Antennenelement, das entlang einer ersten Achse angeordnet ist und eine E-Ebenen-Polarisationsrichtung parallel mit der ersten Achse und eine senkrecht zu der ersten Achse angeordnete Zuführungsleitung aufweist; und mindestens ein Antennenelement, das entlang einer zu der ersten Achse senkrechten zweiten Achse angeordnet ist und eine E-Ebenen-Polarisationsrichtung und eine parallel mit der ersten Achse angeordnete Zuführungsleitung aufweist.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Anordnen mindestens eines Antennenelements eines ersten Typs entlang einer ersten Achse dergestalt, dass eine E-Ebenen-Polarisationsrichtung des mindestens einen Antennenelements des ersten Typs parallel mit der ersten Achse ist; und Anordnen mindestens eines Antennenelements eines von dem ersten Typ verschiedenen zweiten Typs entlang einer zweiten Achse dergestalt, dass eine E-Ebenen-Polarisationsrichtung des mindestens einen Antennenelements des zweiten Typs parallel mit der ersten Achse ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung verschiedene Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vollständiger verständlich werden. Es zeigen:
1 ein Diagramm von Patch-Antennen gemäß einer Ausführungsform;
2 ein Diagramm eines zweidimensionalen Patch-Antennenarrays gemäß einer Ausführungsform.
Obwohl bei der Erfindung verschiedene Modifikationen und alternative Formen möglich sind, wurden in den Zeichnungen Einzelheiten dieser als Beispiel gezeigt und werden ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Absicht nicht darin besteht, die Erfindung auf die konkreten beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil ist die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die in den durch die angefügten Ansprüche definierten Gedanken und Schutzumfang der Erfindung fallen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen betreffen effiziente zweidimensionale Antennenarrays für Strahlformungsanwendungen. Bei einer Ausführungsform umfasst ein Antennenarray unsymmetrisch gespeiste Patch-Antennen und symmetrisch gespeiste Patches. Die Feldpolarisation der emittierten und/oder empfangenen EM-Wellen ist für jeden verschiedenen Antennentyp um 90 Grad verschieden. Somit kann unter Verwendung einer orthogonalen Zuführungsrichtung für unsymmetrische und symmetrische Patches ein ausgerichtetes Polarisationsmuster erzielt werden. Ausführungsformen können in einem Radar- oder praktisch jedem beliebigen anderen 2D-Array-Antennensystem verwendet werden.
Mit Bezug auf 1 sind strahlende Patch-Antennenelemente 102 und 104 abgebildet. Das Patch-Antennenelement 102 ist eine symmetrisch gespeiste Einzelpatchantenne und die Patch-Antenne 104 ist eine unsymmetrisch gespeiste Einzelpatchantenne. Die Fernfeld-Polarisationsrichtung der E-Ebene für jede Antenne 102 und 104 ist mit doppelendigem Pfeil angegeben. Die Richtungen zwischen den beiden Antennen 102 und 104 sind aufgrund der verschiedenen Zuführungsstrukturen orthogonal.
Mit Bezug auf 2 können die Patch-Antennenelemente 102 und 104 in einem zweidimensionalen (2D-)planaren Array 110 konfiguriert werden. Bei der Ausführungsform von 2 ist das Array 110 L-förmig und umfasst vier Antennenelemente 102, 104 in jeder Antennenrichtung, wobei unsymmetrisch gespeiste Patch-Antennen (104) in der horizontalen Dimension und symmetrisch gespeiste Patch-Antennen (102) in der Vertikalen angeordnet sind. Andere Ausführungsformen können mehr oder weniger Patch-Antennen und/oder andere zweidimensionale Layouts umfassen. Die orthogonal orientierten Zuführungspunkte der Patch-Antennenelemente 102 und 104 an den Patch-Rändern gewährleisten eine einheitliche Polarisation der emittierten und/oder empfangenen EM-Welle, wie durch die doppelendigen Pfeile abgebildet. Das Array 110 ermöglicht die Verwendung von einfachen Zuführungsnetzwerken selbst für dicht beabstandete Antennen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen ist keine rückseitige Zuführung notwendig. In dem Array 110 können die Elemente 102 und 104 jeweils von der Schicht der PCB aus gespeist werden, in der sie angebracht sind.
Ausführungsformen sind nicht auf einfache Einzelpatchantennen beschränkt. Bei anderen Ausführungsformen können komplementäre Antennenstrukturen mit orthogonalen Zuführungspunkten in Bezug auf die EM-Feldpolarisation verwendet werden. Ferner können auch Ausführungsformen implementiert werden, die Biegungen in den Zuführungsleitungen aufweisen, obwohl solche Ausführungsformen erhöhte Verluste aufweisen können.
Ausführungsformen sind auf Radar- und andere 2D-Array-Antennensysteme anwendbar. Beispiele wären Automotive- und Azimuth- und Höhenanwendungen neben anderen und für Fachleute erkenntlich.
Es wurden hier verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Einrichtungen und Verfahren beschrieben. Diese Ausführungsformen werden lediglich als Beispiel angegeben und sollen den Schutzumfang der Erfindung nicht beschränken. Darüber hinaus versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben wurden, auf verschiedene Weisen kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsformen zu produzieren. Obwohl verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Konfigurationen und Orte usw. zur Verwendung mit offenbarten Ausführungsformen beschrieben wurden, können außerdem neben den offenbarten andere benutzt werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Durchschnittsfachleute auf den relevanten Gebieten werden erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale umfassen kann, als in irgendwelchen oben beschriebenen einzelnen Ausführungsformen dargestellt sind. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sollen keine erschöpfende Darstellung der Arten und Weisen sein, auf die die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Dementsprechend sind die Ausführungsformen nicht sich gegenseitig ausschließende Kombinationen von Merkmalen; stattdessen kann die Erfindung eine Kombination verschiedener einzelner Merkmale umfassen, die aus verschiedenen einzelnen Ausführungsformen ausgewählt werden, wie für Durchschnittsfachleute erkennbar ist.
Jede Aufnahme von Schriften durch Bezugnahme im Obigen ist dergestalt beschränkt, dass kein Gegenstand aufgenommen wird, der der vorliegenden expliziten Offenbarung widerspricht. Jede Aufnahme von Schriften durch Bezugnahme im Obigen ist ferner dergestalt beschränkt, dass keine in den Schriften enthaltenen Ansprüche hier durch Bezugnahme aufgenommen werden. Jede Aufnahme von Schriften durch Bezugnahme im Obigen ist weiterhin dergestalt beschränkt, dass jegliche in den Schriften angegebenen Definitionen hier nicht durch Bezugnahme aufgenommen werden, wenn es nicht ausdrücklich hier vorgesehen ist.
Zur Interpretation der Ansprüche der vorliegenden Erfindung ist ausdrücklich beabsichtigt, dass die Bestimmungen von Abschnitt 112, sechster Paragraph, von 35 U.S.C. nicht anzuwenden sind, solange nicht die spezifischen Ausdrücke “Mittel zum” oder “Schritt zum” in einem Anspruch angeführt sind.

Claims

Zweidimensionales Antennenarray, umfassend: mindestens ein Differenz-Patch-Antennenelement, das entlang einer ersten Achse angeordnet ist und eine mit der ersten Achse parallele E-Ebenen-Polarisationsrichtung aufweist; und mindestens ein unsymmetrisch gespeistes Patch-Antennenelement, das entlang einer zu der ersten Achse orthogonalen zweiten Achse angeordnet ist und eine mit der ersten Achse parallele E-Ebenen-Polarisationsrichtung aufweist.
Array nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Differenz-Patch-Antennenelement und das mindestens eine unsymmetrisch gespeiste Patch-Antennenelement auf einer ersten Schicht einer Leiterplatte (PCB) angebracht sind.
Array nach Anspruch 2, wobei eine Zuführungsleitung jedes des mindestens einen Differenz-Patch-Antennenelements und des mindestens einen unsymmetrisch gespeisten Patch-Antennenelements auf der ersten Schicht der PCB angeordnet ist.
Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner eine Vielzahl von Differenz-Patch-Antennenelementen und eine Vielzahl von unsymmetrisch gespeisten Patch-Antennenelementen umfasst.
Antennenarray, umfassend: mindestens ein Antennenelement, das entlang einer ersten Achse angeordnet ist und eine mit der ersten Achse parallele E-Ebenen-Polarisationsrichtung und eine senkrecht zu der ersten Achse angeordnete Zuführungsleitung aufweist; und mindestens ein Antennenelement, das entlang einer zu der ersten Achse senkrechten zweiten Achse angeordnet ist und eine E-Ebenen-Polarisationsrichtung und eine parallel mit der ersten Achse angeordnete Zuführungsleitung aufweist.
Array nach Anspruch 5, wobei das mindestens eine entlang der ersten Achse angeordnete Antennenelement ein Differenz-Antennenelement umfasst.
Array nach Anspruch 5 oder 6, wobei das mindestens eine entlang der zweiten Achse angeordnete Antennenelement ein unsymmetrisch gespeistes Antennenelement umfasst.
Array nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Antennenelemente Patch-Antennenelemente umfassen.
Array nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Antennenelemente auf einer Schicht einer Leiterplatte (PCB) angeordnet sind.
Array nach Anspruch 9, wobei die Zuführungsleitungen der Antennenelemente auf der Schicht der PCB angeordnet sind.
Array nach einem der Ansprüche 5 bis 10, das ferner eine Vielzahl von entlang der ersten Achse angeordneten Antennenelementen und eine Vielzahl von entlang der zweiten Achse angeordneten Antennenelementen umfasst.
Verfahren mit den folgenden Schritten: Anordnen mindestens eines Antennenelements eines ersten Typs entlang einer ersten Achse dergestalt, dass eine E-Ebenen-Polarisationsrichtung des mindestens einen Antennenelements des ersten Typs mit der ersten Achse parallel ist; und Anordnen mindestens eines Antennenelements eines von dem ersten Typ verschiedenen zweiten Typs entlang einer zweiten Achse dergestalt, dass eine E-Ebenen-Polarisationsrichtung des mindestens einen Antennenelements des zweiten Typs mit der ersten Achse parallel ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Anordnen mindestens eines Antennenelements des ersten Typs das Anordnen mindestens eines symmetrisch gespeisten Patch-Antennenelements umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Anordnen mindestens eines Antennenelements des zweiten Typs das Anordnen mindestens eines unsymmetrisch gespeisten Patch-Antennenelements umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, das ferner das Anordnen des mindestens einen Antennenelements des ersten Typs und des mindestens einen Antennenelements des zweiten Typs auf einer ersten Schicht einer Leiterplatte (PCB) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Anordnen mindestens eines Antennenelements eines ersten Typs das Anordnen einer Zuführungsleitung des mindestens einen Antennenelements des ersten Typs senkrecht zu der ersten Achse auf der ersten Schicht der PCB umfasst und wobei das Anordnen mindestens eines Antennenelements eines zweiten Typs das Anordnen einer Zuführungsleitung des mindestens einen Antennenelements des zweiten Typs parallel mit der ersten Achse auf der ersten Schicht der PCB umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, das ferner das Senden eines Signals durch ein durch das mindestens eine Antennenelement des ersten Typs und das mindestens eine Antennenelement des zweiten Typs gebildete Array umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, das ferner das Empfangen eines Signals durch ein durch das mindestens eine Antennenelement des ersten Typs und das mindestens eine Antennenelement des zweiten Typs gebildete Array umfasst.