DE102013220259A1

DE102013220259A1 - Radarsensor mit Radom

Info

Publication number: DE102013220259A1
Application number: DE201310220259
Authority: DE
Inventors: Juan Pontes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-04-09
Also published as: CN104515976A; US9859613B2; CN104515976B; US20150097730A1

Abstract

Radarsensor für Kraftfahrzeuge, mit einer Platine (10), die Masse- und Antennenstrukturen (14) des Radarsensors trägt, und mit einem die Platine (10) aufnehmenden Gehäuse (30), das auf einer Sende- und Empfangsseite des Radarsensors durch ein für Radarstrahlung durchlässiges Radom (32) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Radom (32) eine im wesentlichen ebene, schräg zur Platine (10) verlaufende Wand aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radarsensor für Kraftfahrzeuge, mit einer Platine, die Masse- und Antennenstrukturen des Radarsensors trägt, und mit einem die Platine aufnehmenden Gehäuse, das auf einer Sende- und Empfangsseite des Radarsensors durch ein für Radarstrahlung durchlässiges Radom gebildet wird. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Radarsensor.
Radarsensoren werden in Kraftfahrzeugen beispielsweise dazu eingesetzt, die Abstände und Relativgeschwindigkeiten von vorausfahrenden Fahrzeugen zu messen, so dass beispielsweise eine Kollisionswarnung und/oder eine automatische Abstandregelung ermöglicht wird. Der Radarsensor ist bei diesen Anwendungsfällen im Frontbereich der Fahrzeugkarosserie eingebaut. Das Radom hat den Zweck, die empfindlichen elektronischen Komponenten des Radarsensors gegen mechanische Einwirkung und Witterungseinflüsse zu schützen. Bei einigen bekannten Radarsensoren ist das Radom als Radarlinse ausgebildet, mit der zugleich eine Kollimation und Strahlformung des Radarstrahls erreicht wird. Bei anderen bekannten Radarsensoren erfolgt die Strahlformung allein durch die Geometrie und Ansteuerung der Antennenelemente, beispielsweise nach dem Prinzip einer Phased-Array-Antenne. In dem Fall kann das Radom einfach durch eine ebene Wand aus Kunststoff gebildet werden.
Da die Stoßfänger der Kraftfahrzeuge heute zumeist aus Kunststoff bestehen und somit für Radarstrahlung durchlässig sind, besteht häufig der Wunsch, den Radarsensor geschützt und verdeckt hinter dem Stoßfänger des Fahrzeugs einzubauen. Ein Problem besteht jedoch darin, dass der aus Kunststoff bestehende Stoßfänger für die Radarstrahlung zwar weitgehend durchlässig ist, aber doch ein gewisses Reflexionsvermögen aufweist. Da andererseits die einlaufenden Radarwellen, nachdem sie den Stoßfänger passiert haben, auch an den Massestrukturen der Platine reflektiert werden, kann es zu Mehrfachreflexionen zwischen der Platine und dem Stoßfänger des Fahrzeugs kommen. Diese Mehrfachreflexionen stellen bei der Auswertung des Radarsignals ein unerwünschtes Störsignal dar.
Besonders störend sind solche Mehrfachreflexionen bei winkelauflösenden Radarsensoren, bei denen mehrere Antennenelemente in Breitenrichtung des Fahrzeugs nebeneinander angeordnet sind, so dass durch Auswertung der Amplituden- und Phasenbeziehungen zwischen den von den verschiedenen Antennenelementen empfangenen Radarechos eine Messung oder zumindest Schätzung des Azimutwinkels des georteten Objekts ermöglicht wird. Durch die Mehrfachreflexionen können die Amplituden und Phasen so stark verfälscht werden, dass die Genauigkeit der Winkelmessung erheblich beeinträchtigt wird.
Eine mögliche Gegenmaßnahme besteht darin, dass der Stoßfänger so verkippt angeordnet wird, dass seine Reflexionsfläche nicht mehr parallel zur Ebene der Platine verläuft und somit die Radarwellen nach ein- oder mehrmaliger Reflexion nicht mehr auf die Antennenstrukturen treffen. Durch eine solche Verkippung des Stoßfängers wird jedoch die konstruktive Freiheit bei der Gestaltung des Stoßfängers und beim Einbau des Radarsensors eingeschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Radarsensor zu schaffen, der gegenüber Mehrfachreflexionen am Stoßfänger des Fahrzeugs weniger empfindlich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Radom eine im wesentlichen ebene, schräg zur Platine verlaufende Wand aufweist.
Die einlaufenden Radarwellen, die den Stoßfänger des Fahrzeugs passiert haben, müssen, bevor sie die Platine erreichen, auch das Radom passieren, wobei ein geringer Anteil der Strahlungsenergie reflektiert wird. Nach Reflexion an der Platine werden die Radarwellen erneut am Radom reflektiert. Aufgrund der Schrägstellung des Radoms werden die reflektierten Wellen um einen Winkel abgelenkt, der das Zweifache des Winkels zwischen der Ebene des Radoms und der Ebene der Platine beträgt. Durch ausreichende Schrägstellung des Radoms lässt sich so erreichen, dass die reflektierten Wellen schon nach der ersten Reflexion, spätestens jedoch nach der zweiten oder dritten Reflexion nicht mehr auf die Antennenstrukturen treffen.
Ein gewisser Anteil der Wellen, die von der Platine zum Radom zurücklaufen, passiert das Radom und wird dann an dem Stoßfänger erneut reflektiert. Auch von diesen Wellen wird dann, wenn sie das Radom erneut passieren, wiederum ein gewisser Anteil reflektiert und abgelenkt. Aufgrund der zusätzlichen Reflexionsverluste am Radom werden insgesamt die Mehrfachreflexionen zwischen Platine und Stoßfänger wesentlich stärker gedämpft als bei einem Radarsensor, dessen Radom parallel zur Platine verläuft. Das erlaubt es, auch dann ein relativ störungsarmes Signal zu erhalten, wenn der Stoßfänger nicht oder nur wenig verkippt ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines Radarsensors ohne Radom, der hinter einem verkippten Stoßfänger eingebaut ist;
2 eine entsprechende Prinzipskizze für einen Radarsensor mit einem erfindungsgemäßen Radom; und
3–5 weitere Ausführungsbeispiele, die sich in der Geometrie des Radoms unterscheiden.
Von einem Radarsensor eines Kraftfahrzeugs ist in 1 schematisch eine Seitenansicht einer Platine 10 in der Form einer ebenen Platte gezeigt, die in vertikaler Orientierung im Frontbereich des nicht gezeigten Kraftfahrzeugs montiert ist. Die Platine 10 trägt Massestrukturen 12, die im gezeigten Beispiel die Form einer Metallisierung auf der Rückseite der Platine haben. Weiterhin trägt die Platine 10 auf der Vorderseite Antennenstrukturen 14, beispielsweise in der Form mehrerer vertikal angeordneter Spalten 16 von Antennenelementen 18. Eine einzelne dieser Spalten 16 ist in 1 schematisch auch im Grundriss dargestellt.
Die Antennenelemente 18 jeder Spalte werden seriell mit einem Hochfrequenzsignal eines nicht gezeigten Oszillators gespeist. Die Abmessungen der Antennenelemente 18 und die Abstände zwischen ihnen sind so gewählt, dass die in den einzelnen Antennenelementen 18 angeregten Resonanzschwingungen Phasen- und Amplitudenbeziehungen haben, die zu einer gewissen Strahlformung in der Elevation, genauer, zu einer Bündelung der im Fall eines Frontradars nach vorn in Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs (nach rechts in 1) emittierten Radarstrahlung führen.
Als Beispiel soll angenommen werden, dass es sich bei dem Radarsensor um einen Sensor mit einem monostatischen Antennensystem handelt. Das heißt, die Antennenelemente 18, mit denen das Radarsignal emittiert wird, dienen auch zum Empfang der von den georteten Objekten reflektierten Radarechos. Die empfangenen Radarechos werden in bekannter Weise für jede Spalte 16 gesondert ausgewertet.
Wenn ein Radarecho von einem Objekt eintrifft, dessen Sichtlinie nicht genau rechtwinklig zur Ebene der Platine 10 verläuft, also von einem Objekt, das einen von 0° verschiedenen Azimutwinkel hat, so ergeben sich aufgrund der unterschiedlichen Signallaufzeiten charakteristische Amplituden- und Phasenunterschiede zwischen den Signalen, die in den verschiedenen, in Querrichtung des Fahrzeugs in Abstand zueinander angeordneten Antennenspalten empfangen werden. Anhand dieser charakteristischen Unterschiede ist es möglich, den Azimutwinkel des georteten Objekts zumindest näherungsweise zu bestimmen.
In dem in 1 gezeigten Beispiel ist der Radarsensor verdeckt hinter einem Stoßfänger 20 des Kraftfahrzeugs eingebaut. Von dem Stoßfänger 20 ist in 1 lediglich schematisch ein gewisser Abschnitt einer Wand des Stoßfängers im Querschnitt gezeigt. Diese Wand des Stoßfängers wird durch eine oder mehrere Lagen aus Kunststoffmaterialien gebildet und ist im gezeigten Beispiel um einen gewissen Winkel α gegenüber der Vertikalen und somit auch gegenüber der Ebene der Platine 10 verkippt.
In 1 ist schematisch ein einlaufender Radarstrahl 22 gezeigt, der (nach Reflexion an einem nicht gezeigten Objekt) durch den Stoßfänger 20 hindurchtritt und am äußersten unteren Rand auf die Platine 10 trifft. Der Elevationswinkel des Radarstrahls 22 beträgt 0°, d.h., der Strahl trifft in Elevation rechtwinklig auf die Platine 10. An der Platine 10, insbesondere an deren Massestrukturen 12, wird der Radarstrahl 22 nahezu vollständig reflektiert, so dass ein reflektierter Strahl 24 zum Stoßfänger 20 zurück läuft und unter einem Einfallswinkel α, der gleich der Verkippung des Stoßfängers ist, auf die Innenfläche des Stoßfängers 20 auftrifft. Ein gewisser Anteil der Strahlung wird hier erneut reflektiert und bildet einen mehrfach reflektierten Strahl 26 erster Ordnung, der mit einem gewissen vertikalen Versatz x erneut auf die Platine 10 trifft. Hier wird der Strahl erneut reflektiert, so dass ein reflektierter Strahl 28 zweiter Ordnung wieder zum Stoßfänger 20 zurückläuft. Dieser Prozess kann sich im Prinzip mehrfach wiederholen, so dass man eine Kaskade von Mehrfachreflexionen erhält, deren Intensität jedoch aufgrund der bei jeder Reflexion eintretenden Verluste exponentiell abklingt.
Wenn die mehrfach reflektierten Stahlen erster und höherer Ordnung in der Zone auf die Platine 10 treffen, in der sich die Spalten 16 der Antennenelemente 18 befinden, so werden die mehrfach reflektierten Strahlen von den Antennenelementen empfangen, und sie bilden ein Störsignal, das die Amplituden- und Phasenbeziehungen zwischen den in den verschiedenen Spalten 16 empfangenen Signalen verfälscht und so die Messung des Azimutwinkels erschwert.
In dem in 1 gezeigten Beispiel führt die Verkippung des Stoßfängers 20 um den Winkel α dazu, dass nur der mehrfach reflektierte Strahl 26 erster Ordnung auf die Antennenstrukturen 14 trifft, während mehrfach reflektierte Strahlen zweiter und höherer Ordnung bereits so weit nach oben abgelenkt werden, dass sie nicht mehr auf die Antennenstrukturen treffen.
Wenn der Stoßfänger 20 um einen größeren Winkel α verkippt wird, lässt sich erreichen, dass auch der mehrfach reflektierte Strahl 26 erster Ordnung nicht mehr auf die Antennenstrukturen 14 trifft (selbst dann nicht, wenn der einlaufende Strahl 22 wie in 1 am äußersten unteren Rand auf die Platine 10 auftrifft).
In 1 ist mit "a" der vertikale Abstand zwischen dem unteren Rand der Platine 10 und dem unteren Rand der Antennenstrukturen 14 bezeichnet, mit "b" ist die Höhe der Antennenstrukturen 14 bezeichnet, und "c" gibt den Abstand zwischen dem oberen Rand der Antennenstrukturen 14 und dem oberen Rand der Platine 10 an. Die Bedingung, dass auch der mehrfach reflektierte Strahl 26 erster Ordnung nicht auf die Antennenstrukturen 14 treffen soll, lässt sich dann als Ungleichung x > a + b (1) ausdrücken. Der einlaufende Strahl 22, der mehrfach reflektierte Strahl 26 und der Abschnitt der Platine 10, der die Höhe x hat, bilden ein rechtwinkliges Dreieck. Aufgrund des Reflexionsgesetzes (Einfallwinkel gleich Ausfallwinkel) hat der Winkel, der der Seite des Dreiecks mit der Länge x gegenüberliegt, den Wert 2α. Es gilt also: tan(2α) = x/h (2) wobei h der Abstand zwischen der Platine 10 und dem Stoßfänger 20 in Höhe des einlaufenden Strahls 22 ist.
Anhand dieser Beziehungen lässt sich der Winkel α bestimmen, um den der Stoßfänger 20 mindestens verkippt sein sollte, um störende Mehrfachreflexionen zu vermeiden. In praktischen Ausführungsformen beträgt der Winkel α zumeist 18° oder mehr. Es gibt jedoch Einbausituationen und Fahrzeugkonzeptionen, in denen ein derart großer Verkippungswinkel des Stoßfängers unerwünscht ist.
2 illustriert in einer Darstellung analog zu 1 einen Radarsensor gemäß der Erfindung, bei dem sich die störenden Mehrfachreflexionen unabhängig vom Verkippungswinkel des Stoßfängers weitgehend unterdrücken lassen.
Bei diesem Radarsensor ist die Platine 10 (wie an sich üblich) in einem schützenden Gehäuse 30 untergebracht, das auf der Seite, nach der die Radarstrahlung emittiert wird, durch eine für die Radarstrahlung durchlässige Wand aus Kunststoff, ein sogenanntes Radom 32 begrenzt ist. Die Besonderheit besteht hier darin, dass das Radom 32 gegenüber der Platine 10 um einen bestimmten Winkel β verkippt ist.
Der einlaufende Strahl 22 muss nun nicht nur den Stoßfänger 20 passieren, sondern auch das Radom 32, wobei wiederum ein gewisser Reflexionsverlust auftritt (Strahl 34), der jedoch die Empfindlichkeit des Radarsensors nicht signifikant herabsetzt.
Auch der reflektierte Strahl 24 muss das Radom 32 passieren, mit der Folge, dass ein gewisser Strahlungsanteil (Strahl 36) bereits am Radom reflektiert wird. Der Winkel β ist im gezeigten Beispiel so gewählt, dass der mehrfach reflektierte Strahl 36 erster Ordnung nicht auf die Antennenstrukturen 14 trifft. Der dazu erforderliche Winkel β der Verkippung des Radoms lässt sich anhand der oben für den Winkel α angegebenen Beziehungen (1) und (2) berechnen, indem man α durch β ersetzt und h durch den Abstand zwischen der Platine 10 und dem Radom 32.
Der größere Teil des reflektierten Strahls 24 wird das Radom 32 passieren und auf den Stoßfänger 20 treffen, wodurch ein weiterer mehrfach reflektierter Strahl 38 entsteht. Dieser Strahl 38 könnte zwar bei ungehinderter Ausbreitung auf die Antennenstrukturen 14 treffen, muss jedoch erneut das Radom 32 passieren, wobei wieder ein gewisser Anteil der Strahlung reflektiert wird (Strahl 40). Der reflektierte Strahl 40 ist dabei von den Antennenstrukturen 14 weg gerichtet. Der Anteil des mehrfach reflektierten Strahls 38 erster Ordnung, der letztlich auf die Antennenstrukturen auftrifft, ist deshalb durch zwei zusätzliche Reflexionen am Radom 32, zusätzlich zu der Reflexion am Stoßfänger 20, erheblich geschwächt, so dass das Nutzsignal weniger verfälscht und gestört wird. Bei Mehrfachreflexionen höherer Ordnung führen die zusätzlichen Reflexionsverluste zu einem deutlich schnelleren Abklingen der Strahlintensität, so dass sich letztlich der störende Einfluss der Mehrfachreflexionen auch dann wirksam unterdrücken lässt, wenn der Winkel α, um den der Stoßfänger 20 verkippt ist, relativ klein oder gar 0° ist.
Der Effekt des Radoms 32 lässt sich ggf. noch dadurch steigern, dass die Rückseite des Radoms 32, die der Platine 10 zugewandt ist, durch eine geeignete Beschichtung "verspiegelt" wird, so dass sie für die Radarstrahlung mit der Frequenz des Radarsensors und mit dem Einfallswinkel β ein besonders hohes Reflexionsvermögen hat und dementsprechend die Intensität des reflektierten Strahls 36 auf Kosten des durchgelassenen Strahls 24 erhöht wird.
Während in dem in 2 gezeigten Beispiel das Radom 32 so verkippt ist, dass sein unterer Rand der Platine 10 näher liegt als der obere Rand, sind selbstverständlich auch Ausführungsformen möglich, bei denen das Radom 32 in entgegengesetzter Richtung verkippt ist. Zur Bestimmung des Winkels β, bei dem der mehrfach reflektierte Strahl 36 erster Ordnung nicht mehr auf die Antennenstrukturen 14 trifft, ist dann in der obigen Ungleichung (1) die Größe "a" durch die Größe "c" zu ersetzen. Ein in dieser Weise gestaltetes Radom 32' ist in 3 gezeigt.
Wahlweise kann der Radarsensor auch ein dachförmig gestaltetes Radom 32'' aufweisen, wie in 4 gezeigt ist. Dieses Radom weist zwei asymmetrische Dachflächen 42, 44 auf. Eine solche Anordnung kann beispielsweise dann zweckmäßig sein, wenn auch die Antennenstrukturen 14 auf der Platine 10 asymmetrisch in Bezug auf die Ränder der Platine angeordnet sind (a ≠ c).
5 zeigt schließlich als weiteres Beispiel ein Radom 32''' mit symmetrischer Dachform. Diese Anordnung ist besonders zweckmäßig, wenn der Stoßfänger nur eine relativ kleine oder keine Verkippung aufweist, und ermöglicht es, die Bauhöhe des Radoms zu verringern, so dass auch der Abstand zwischen dem Radarsensor und dem Stoßfänger 20 entsprechend kurz sein kann.

Claims

Radarsensor für Kraftfahrzeuge, mit einer Platine (10), die Masse- und Antennenstrukturen (12, 14) des Radarsensors trägt, und mit einem die Platine (10) aufnehmenden Gehäuse (30), das auf einer Sende- und Empfangsseite des Radarsensors durch ein für Radarstrahlung durchlässiges Radom (32; 32'; 32'', 32''') gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Radom (32; 32'; 32'', 32''') eine im wesentlichen ebene, schräg zur Platine (10) verlaufende Wand aufweist.
Radarsensor nach Anspruch 1, bei dem die Wand des Radoms mit der Platine (10) einen Winkel β bildet, der so gewählt ist, dass für alle senkrecht auf die Platine (10) einfallenden Strahlen (22) ein zugehöriger mehrfach reflektierter Strahl (36) erster Ordnung, der nach Reflexion an der Platine (10) erneut am Radom reflektiert wird, so weit abgelenkt wird, dass er nicht mehr auf die Antennenstrukturen (14) auf der Platine trifft.
Radarsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Radom (32; 32'; 32'', 32''') mit der Ebene der Platine (10) in Elevation einen Winkel β bildet.
Radarsensor nach Anspruch 3, bei dem die Antennenstrukturen (14) mehrere vertikal orientierte und nebeneinander angeordnete Spalten (16) von Antennenelementen (18) umfassen.
Radarsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Radom (32; 32') ein pultförmiges Dach des Gehäuses (30) bildet.
Radarsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Radom (32''; 32''') ein Spitzdach des Gehäuses (30) bildet.
Radarsensor nach Anspruch 6, bei dem das Radom (32''') ein symmetrisches Spitzdach bildet.
Kraftfahrzeug mit einem Radarsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, der hinter einem Stoßfänger (20) des Fahrzeugs eingebaut ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, bei dem der Radarsensor hinter einer Wand des Stoßfängers (20) eingebaut ist, die gegenüber der Ebene der Platine (10) des Radarsensors um weniger als 15° verkippt ist.