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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Patchantenne mit einem flächigen Substrat, einem ersten Resonator, einem zweiten Resonator und einem ersten Patchelement, wobei der erste Resonator, der zweite Resonator und das erste Patchelement auf dem flächigen Substrat parallel zu einer Haupterstreckungsebene angeordnet sind, wobei das erste Patchelement zwischen dem ersten Resonator und dem zweiten Resonator angeordnet ist, sowie eine Patchantennenanordnung und einen Radarsensor.
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Die Antennenelemente von Fahrzeugradarsensoren weisen abhängig von der zu erreichenden Reichweite unterschiedliche Anordnungen von Patchelementen auf. Ein Antennenelement für Radarsensoren mit großer Reichweite, ein sogenanntes Long-Range Radar, benötigt eine stark gebündelte Abstrahlcharakteristik. Dies wird beim Long-Range Radar mit Hilfe eines Patchelements, das zentral gespeist wird und zwei parasitäre Patchelemente aufweist in Verbindung mit einer dielektrischen Linsenantenne erreicht. Ein Antennenelement für Radarsensoren mit mittlerer Reichweite, ein sogenanntes Mid-Range Radar, wird aus einem seriell gespeisten Array von Patchelementen realisiert. Dies ermöglicht einen hohen Antennengewinn in Azimutrichtung und/oder Elevationsrichtung.
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In der Schrift
US 2013/0169503 A1 wird eine Mikrostreifenleitungsantenne beschrieben, die jeweils zwei parasitäre Resonatoren aufweist, die neben jedem Patchelement angeordnet sind. Die parasitären Resonatoren weisen dabei keine elektrische Verbindung mit den Patchelementen auf, beeinflussen aber die Abstrahlcharakteristik des Patchelements.
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Die Schrift
US 5576718 beschreibt eine Arrayantenne, die auf einem dielektrischen Substrat ausgebildet ist. In dem Array sind aktive Patchelemente und parasitäre Resonatoren in einem alternierenden Muster angeordnet. Durch die Anordnung der aktiven Patchelemente und der parasitären Resonatoren wird die Charakteristik der Antenne beeinflusst.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antenne für Parkfunktionen eines Fahrzeugs bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Patchantenne, die ein flächiges Substrat, einen ersten Resonator, einen zweiten Resonator und ein erstes Patchelement aufweist. Der erste Resonator, der zweite Resonator und das erste Patchelement sind auf dem flächigen Substrat parallel zu einer Haupterstreckungsebene angeordnet. Das erste Patchelement ist dabei zwischen dem ersten Resonator und dem zweiten Resonator angeordnet. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass ein zweites Patchelement zwischen dem ersten Resonator und dem zweiten Resonator neben dem ersten Patchelement angeordnet. Der Vorteil ist hierbei, dass eine Bündelung der Abstrahlung in Elevationsrichtung erfolgt. Gleichzeitig weist die Abstrahlung in Azimutrichtung einen großen Öffnungswinkel auf. Vorteilhaft ist ebenfalls, dass durch die Verwendung zweier einzelner Patchelemente keine unerwünschten Resonanzen auftreten.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Patchantenne mit einem symmetrischen Leistungsteiler, insbesondere einem 3dB-Leistungskoppler, verbunden. Vorteilhaft ist hierbei, dass aufgrund der Speisung und den Abmessungen der Patchelemente, sowie der Resonatoren, keine zusätzlichen Anpassungsstrukturen wie Schlitze im Patchelement oder Lambda-Viertel-Transformationsleitungen notwendig sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen das erste Patchelement und das zweite Patchelement gleiche Abmessungen auf. Dabei ist eine erste Seite größer als eine zweite Seite, die rechtwinklig zu der ersten Seite angeordnet ist. Die erste Seite ist dabei die Seite des ersten Patchelements oder des zweiten Patchelements, die mit dem Leistungsteiler verbunden ist. Der Vorteil ist hierbei, dass die Abstrahlung der Antenne linear polarisiert und weitgehend symmetrisch ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weisen der erste Resonator und der zweite Resonator gleiche Abmessungen auf. Dabei weist eine Seite des ersten Resonators, die unmittelbar neben der zweiten Seite des ersten Patchelements angeordnet ist, eine gleiche Länge auf wie die zweite Seite des ersten Patchelements. Eine Seite des zweiten Resonators, die unmittelbar neben der zweiten Seite des zweiten Patchelements angeordnet ist, weist eine gleiche Länge auf wie die zweite Seite des zweiten Patchelements. Vorteilhaft ist hierbei, dass dadurch die Bandbreite der Antenne vergrößert wird.
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Die Patchantennenanordnung mit einer ersten Patchantenne und einer zweiten Patchantenne ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass die erste Patchantenne und die zweite Patchantenne spiegelsymmetrisch auf dem flächigen Substrat parallel zur Haupterstreckungsebene angeordnet sind. Dabei weisen die erste Patchantenne und die zweite Patchantenne einen geringen Abstand auf. Der Vorteil ist hierbei, dass die Patchantennenanordnung optimal für Parkfunktionen ausgelegt ist, da mit dieser Patchantennenanordnung ein begrenzter Öffnungswinkel in Elevationsrichtung von ungefähr 30° bis 45° und ein Öffnungswinkel in Azimutrichtung von mehr als 120° realisiert wird.
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Der Radarsensor weist zwei erfindungsgemäße Patchantennenanordnungen auf, die als Empfangsantennen fungieren. Sie sind dabei mit einer ersten integrierten Hochfrequenzschaltung verbunden. Des Weiteren sind zwei erfindungsgemäße Patchantennen vorgesehen, die als Sendeantennen fungieren und mit einer zweiten integrierten Hochfrequenzschaltung verbunden sind. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Radarsensor für alltägliche Parksituationen im Nahbereich, d. h. in einem Abstand kleiner 20 cm zum Fahrzeug, verwendet werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Patchantenne mit zwei Patchelementen und zwei Resonatoren,
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2 ein typisches Abstrahldiagramm der erfindungsgemäßen Patchantenne,
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3 eine erfindungsgemäße Patchantennenanordnung und
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4 ein erfindungsgemäßes Antennensystem für einen Radsensor.
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1 zeigt eine Patchantenne 1 mit einem flächigen Substrat 16, einem ersten Resonator 14, einem zweiten Resonator 15, einem ersten Patchelement 12 und einem zweiten Patchelement 13. Der erste Resonator 14, der zweite Resonator 15, das erste Patchelement 16 und das zweite Patchelement 17 sind parallel zu einer Haupterstreckungsebene des flächigen Substrats 16 angeordnet. Das erste Patchelement 12 und das zweite Patchelement 13 sind zwischen dem ersten Resonator 14 und dem zweiten Resonator 15 unmittelbar nebeneinander angeordnet. Das erste Patchelement 12 und das zweite Patchelement 13 sind rechteckig ausgestaltet und weisen die gleichen Abmessungen auf. Das erste Patchelement 12 und das zweite Patchelement 13 weisen jeweils eine erste Seite auf, wobei die erste Seite elektrisch ankoppelbar ist. Rechtwinklig zu dieser ersten Seite ist eine zweite Seite angeordnet. Die zweite Seite ist dabei kürzer als die erste Seite. Der erste Resonator 14 und der zweite Resonator 15 sind ebenfalls rechteckig ausgestaltet und weisen die gleichen Abmessungen auf. Dabei weist eine Seite des ersten Resonators, die unmittelbar neben der zweiten Seite des ersten Patchelements 12 angeordnet ist, die gleiche Länge auf wie die zweite Seite des ersten Patchelements. Die erste Seite des ersten Patchelements 12 ist mit einem ersten Zweig des Leistungsteilers 11 elektrisch verbunden. Die erste Seite des zweiten Patchelements 13 ist mit einem zweiten Zweig des Leistungsteilers 11 elektrisch verbunden. Der Leistungsteiler 11 ist dabei beispielsweise ein 3dB-Leistungskoppler. Das flächige Substrat 16 besteht beispielsweise aus Teflon. Der erste Resonator 14 und der zweite Resonator 15 sind weder mit dem ersten Patchelement 12 noch mit dem zweiten Patchelement 13 elektrisch verbunden. Sie wirken als parasitäre Elemente.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die erste Seite des ersten Patchelements 12 mittig mit dem ersten Zweig des Leistungsteilers 11 elektrisch verbunden und die erste Seite des zweiten Patchelements 13 mittig mit dem zweiten Zweig des Leistungsteilers 11 elektrisch verbunden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel betragen die Länge der ersten Seite des ersten Patchelements 12 und die Länge der ersten Seite des zweiten Patchelements 13 jeweils 1300 μm. Die Länge der zweiten Seite des ersten Patchelements 12 und die Länge der zweiten Seite des zweiten Patchelements 13 betragen 950 μm. Eine Seite des Resonators, die senkrecht zu der Seite verläuft, die der zweiten Seite des ersten Patchelements unmittelbar benachbart ist weist eine Länge von 650 μm auf. Der Abstand zwischen Speiseleitung 10 und erster Seite des ersten Patchelements 12 bzw. erster Seite des zweiten Patchelements 13 beträgt 750 μm. Die Breite des ersten Zweigs des Leistungsteilers 11 und die Breite des zweiten Zweigs des Leistungsteilers 11 betragen jeweils 100 μm. Der Abstand zwischen dem ersten Patchelement 12 und dem zweiten Patchelement 13 beträgt 100 μm und der Abstand zwischen dem ersten Patchelement 12 und dem ersten Resonator 14, sowie der Abstand zwischen dem zweiten Patchelement 13 und dem zweiten Resonator 15 beträgt jeweils 150 μm. Die Patchantenne weist eine Mittenfrequenz von ungefähr 79 GHz auf und eine Bandbreite von mindestens 4 GHz auf. Dadurch wird eine hohe Auflösung bzw. Trennfähigkeit erzielt wird.
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2 zeigt ein typisches Abstrahldiagramm der erfindungsgemäßen Patchantenne, wobei die Patchelemente vertikal übereinander angeordnet sind. Durch die vertikale Anordnung der Elemente werden die Antenneneigenschaften dahingehend beeinflusst, dass die Abstrahlung 22 in Elevationsrichtung gebündelt ist und die Abstrahlung 21 in Azimutrichtung einen großen Öffnungswinkel aufweist.
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Im Verlauf der Eingangsanpassung der Patchantenne wird durch den ersten Resonator und den zweiten Resonator eine zusätzliche Resonanzstelle erzeugt. Dadurch weist die Patchantenne eine hohe Bandbreite auf. Aufgrund der Auslegung der Speisung und den optimierten Abmessungen der Patchelemente werden keine zusätzlichen Anpassstrukturen wie Schlitze in den Patchelementen oder Lambda-Viertel-Transformationsleitungen benötigt. Die Patchantenne ist im Anpassverhalten robust gegenüber auftretenden Fertigungstoleranzen, beispielsweise der Patchelemente, der Resonatoren oder der Abstände zwischen Patchelement und Resonator oder dem Abstand zwischen erstem Patchelement und zweitem Patchelement.
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3 zeigt eine Patchantennenanordnung 40 einer ersten erfindungsgemäßen Patchantenne 41 und einer zweiten erfindungsgemäßen Patchantenne 42. Die erste Patchantenne 41 und die zweite Patchantenne 42 sind dabei spiegelsymmetrisch auf dem flächigen Substrat angeordnet. Der Abstand zwischen der ersten Patchantenne 41 und der zweiten Patchantenne 42 beträgt beispielsweise 0.68·Lambda, wobei Lambda die Wellenlänge der Mittenfrequenz beschreibt. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Mittenfrequenz ungefähr 79 GHz. Durch die symmetrische Auslegung der Patchantennenanordnung 40 werden die Winkelgebungseigenschaften zur Richtungsschätzung optimiert, insbesondere bei der Deterministic Maximum Likelihood-Methode.
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4 zeigt ein Patchantennensystem 50 für einen Radarsensor mit zwei Patchantennenanordnungen 51 und 52, die als Empfangsantennen fungieren und zwei einzelnen Patchantennen 53 und 54, die als Sendeantennen fungieren. Des Weiteren ist ein erstes SMD-Bauelement 55 vorgesehen, das eine erste Hochfrequenzschaltung zum Ansteuern der ersten Patchantennenanordnung 51 und der zweiten Patchantennenanordnung 52 umfasst. Das Patchantennensystem 50 weist ein zweites SMD-Bauelement 56 auf, das mit den Sendeantennen verbunden ist und diese ansteuert. Aufgrund der gewählten Antennengeometrie ist eine symmetrische Anordnung der Empfangsantennen im Sensor möglich. Die beiden SMD-Bauelemente 55 und 56 können auch zu einem gemeinsamen Bauelement zusammengefasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0169503 A1 [0003]
- US 5576718 [0004]
