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Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung für einen Radarsensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Antennenvorrichtung für einen Radarsensor.
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Stand der Technik
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In den letzten Jahrzehnten ist die Verbreitung von Radarsensoren im Automobilbereich signifikant gestiegen und steigert sich noch weiter. Die ersten Sensorgenerationen hatten als Ziel, die Umwelt des Fahrzeugs lediglich in einem begrenzten Winkelbereich vor dem Fahrzeug auf Entfernungen bis zu ca. 250 m zu erfassen. Diese als Frontsensoren bekannten Sensoren stellen auch in den heutigen und zukünftigen Radarsystemen einen essentiellen Bestandteil der Umwelterfassung des Automobils dar. Allerdings sind die Anforderungen hinsichtlich zu detektierender Objekte in den letzten Jahren deutlich gestiegen und in Anbetracht des aufkommenden automatisierten bzw. autonomen Fahrens wird die Anforderung an die Umwelterfassung weiter steigen.
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Neben Objekten, die sich direkt vor dem Fahrzeug befinden, wird es zunehmend wichtiger, auch Objekte unter deutlich größeren Winkelablagen zu detektieren. So müssen aktuelle und zukünftige Fahrzeuge z.B. in der Lage sein, kreuzende Ziele wie beispielsweise Fußgänger, Fahrräder, Motorräder, usw. zu erfassen. Diese Funktionalität soll mit sich in den vorderen Ecken des Fahrzeugs verbauten Sensoren, die als „Cornersensoren“ oder „Ecksensoren“ bezeichnet werden, bereitgestellt werden. Des Weiteren wird die Anzahl von Sensoren, die im Fahrzeughinterbau angeordnet sind, ebenfalls zunehmen. Unter Zuhilfenahme dieser Sensoren ist unter anderem eine Abdeckung eines toten Winkels, die Erfassung von schnellen überholenden Fahrzeugen und ebenfalls kreuzenden Objekten bei rückwärtigem Ausparken möglich. Anhand der genannten Beispiele wird deutlich, dass der Trend zur vollständigen Abdeckung des Sichtbereichs des LKWs mittels Radar gegeben ist.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antenne für einen Radarsensor bereitzustellen, wobei die Antenne insbesondere für einen Einsatz in Ecksensoren eines Kraftfahrzeugs geeignet sein soll.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einer Antennenvorrichtung für einen Radarsensor, aufweisend:
- – wenigstens eine auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnete erste Antennengruppe aufweisend eine seriell verschaltete definierte Anzahl von planaren Antennenelementen;
- – wenigstens eine auf der Oberfläche des Substrats angeordnete zweite Antennengruppe aufweisend eine seriell verschaltete definierte Anzahl von planaren Antennenelementen;
- – eine Speiseleitung, die mit den beiden Antennengruppen jeweils mittig verschaltet ist;
wobei mittels der Speiseleitung ein Speisesignal in die Antennengruppe derart einspeisbar ist, dass der ersten Antennengruppe ein gegenüber der zweiten Antennengruppe um 180 Grad phasenverschobenes Speisesignal zuführbar ist.
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Auf diese Weise werden mit der Antennenvorrichtung zwei mittig angespeiste Gruppen von Patchelementen realisiert, die zwei symmetrisch zueinander ausgebildete Maxima realisieren, deren Hauptstrahlrichtung um einen definierten Winkel gegeneinander geneigt ist. Mit der Antennenvorrichtung kann ein Radarsensor realisiert werden, der vorteilhaft in Eckbereichen eines Kraftfahrzeugs verwendbar ist, weil eine Abstrahl- bzw. Richtcharakteristik durch eine entsprechende Anordnung des Radarsensors relativ zum Kraftfahrzeug festgelegt werden kann. Eine Verwendung des Radarsensors ist dabei sowohl für die vorderen als auch für die hinteren Ecken des Kraftfahrzeugs möglich.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Antennenvorrichtung für einen Radarsensor, aufweisend die Schritte:
- – Anordnen einer seriell verschalteten definierten Anzahl von planaren Antennenelementen einer ersten Antennengruppe auf einem Substrat;
- – Anordnen einer seriell verschalteten definierten Anzahl von planaren Antennenelementen einer zweiten Antennengruppe auf dem Substrat; und
- – Anordnen einer Speiseleitung, die mit den beiden Antennengruppen jeweils mittig verschaltet ist, auf dem Substrat, wobei die Speiseleitung derart ausgebildet wird, dass der ersten Antennengruppe ein gegenüber der zweiten Antennengruppe um 180 Grad phasenverschobenes Speisesignal zuführbar ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Antennenvorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Antennenvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antennengruppen bezogen auf die Speiseleitung zueinander funktional punktsymmetrisch ausgebildet sind. Auf diese Weise wird für die Antennenvorrichtung ein technisch einfaches Realisierungskonzept bereitgestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Antennenvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass
- – die erste Antennengruppe eine erste Antennenhalbgruppe und eine zweite Antennenhalbgruppe aufweist;
- – dass die zweite Antennengruppe eine erste Antennenhalbgruppe und eine zweite Antennenhalbgruppe aufweist;
- – dass ein Phasenverschiebungselement in der zweiten Antennenhalbgruppe der ersten Antennengruppe angeordnet ist;
- – dass ein Phasenverschiebungselement in der ersten Antennenhalbgruppe der zweiten Antennengruppe angeordnet ist; und
- – dass mittels jeweils eines Verbindungselements die Speiseleitung mit einem Verbindungspunkt der ersten und zweiten Antennenhalbgruppen der ersten Antennengruppe und mit einem Verbindungspunkt der ersten und zweiten Antennenhalbgruppen der zweiten Antennengruppe verschaltet ist.
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Damit wird eine 180 Grad Phasenverschiebung des Speisesignals in den beiden Antennengruppen realisiert, wobei ein Phasenverschiebungselement in der Speiseleitung vorteilhaft nicht erforderlich ist. Im Ergebnis ist dadurch eine flächensparende, kompakte Bauform der Antennenvorrichtung und damit des gesamten Radarsensors möglich. Durch die mittige Speisung der Antennenvorrichtung ist vorteilhaft eine „robuste“ Nullstelle im Antenenndiagramm realisierbar, weil Strahlungsvariationen in der xz-Ebene gering ausfallen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Antennenvorrichtung sieht vor, dass die Verbindungselemente der Speiseleitung zu den Antennengruppen unsymmetrisch ausgebildet sind. Auf diese Weise lässt sich vorteilhaft ein Grad einer Ausbildung einer Nullstelle zwischen den beiden Maxima dimensionieren. Vorteilhaft lassen sich dadurch Anforderungen an eine Abstrahlcharakteristik designtechnisch realisieren.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Antennenvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine definierte Anzahl an weiteren Antennengruppen aufweist, wobei jeweils Untergruppen mit jeweils zwei weiteren Antennengruppen mit wenigstens einer der Antennengruppen verschaltet sind. Auf diese Weise wird eine Gruppenantenne bereitgestellt, die definierte Strahlungseigenschaften aufweist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Antennenvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von mit der ersten Antennengruppe verschalteten weiteren Antennengruppen identisch zu einer Anzahl von mit der zweiten Antennengruppe verschalteten weiteren Antennengruppen ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung oder in den Figuren sowie unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt, gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen.
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Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die Antennenvorrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend das Verfahren zum Herstellen einer Antennenvorrichtung ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
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1 Verbaupositionen von Radarsensoren in einem Kraftfahrzeug;
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2 eine prinzipielle Darstellung eines Patchantennengruppe;
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3 eine prinzipielle Darstellung einer mittigen Anspeisung einer Patchantennengruppe;
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4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung;
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5 eine mit der vorgeschlagenen Antennenvorrichtung realisierte Gruppenantenne;
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6 eine Strahlungscharakteristik der vorgeschlagenen Antennenvorrichtung;
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7 Strahlungscharakteristiken der vorgeschlagenen Antennenvorrichtung und der Gruppenantenne; und
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8 ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Antennenvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in einer Draufsicht ein Kraftfahrzeug mit mehreren Radarsensoren 200, wobei jeweils ein Radarsensor 200 in einem der vier Eckbereiche des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Ein nach vorne strahlender und sensierender Frontsensor ist nicht dargestellt. Die Radarsensoren 200 sind vorgesehen, eine Sende-/Empfangsleistung von Sende- und Empfangsantennen zu fokussieren, wobei definierte Sensierreichweiten realisiert werden. Die Radarsensoren 200 weisen jeweils eine Antennenvorrichtung (nicht dargestellt) auf, wobei die Antennenvorrichtung jeweils eine definierte Anzahl von rechteckförmigen oder quadratischen planaren Antennenelementen („Patchelemente“) aufweist, die auf einem Substrat angeordnet sind und auf diese Weise an sich bekannte Patchantennen realisieren.
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Eine derartige bekannte Antennengruppe ist im Prinzip in einer Draufsicht in 2 dargestellt. Planare Antennenelemente 10 realisieren bei optimaler Ansteuerung ein Abstrahlungsmaximum orthogonal zum Substrat. Bekannte Automobilsensoren basieren auf planaren, seriell gespeisten Patchantennenarrays bzw. -gruppen. Ein Nachteil der seriellen Speisung ist, dass sich das Antennendiagramm über Materialschwankungen, insbesondere Permittivitätsschwankungen und über eine Variation des Frequenzbereichs ändern kann. Dies führt nachteilig dazu, dass das Antennendiagramm in Elevationsrichtung „schielt“ und somit das Maximum der Strahlungscharakteristik nicht mehr in die gewünschte Richtung zeigt, wodurch ein Reichweitenverlust resultiert. Eine mögliche Abhilfemaßnahme, die zu einer erhöhten Stabilität des Richtdiagramms führt, ist eine mittig gespeiste Antennenanordnung, auf die weiter unten näher eingegangen wird.
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Ausgehend von diesem Grundelement werden die eigentlichen Gruppenantennen für die jeweiligen Sensoren (Front, Corner, Rear) abgeleitet. Die Rear- und Cornersensoren sind jeweils in den Ecken des Fahrzeugs verbaut und sollen jeweils einen symmetrischen Winkelbereich von ca. 90° Richtung bedienen. Eine Leistungsverteilung ist hierbei allerdings nicht gleichverteilt, vielmehr liegt der Fokus darauf, die Strahlungsleistung in den äußeren Ecken zu fokussieren. Hierfür wird in der Antennenauslegung eine Strahlschwenkung der jeweiligen Sendeantenne vorgesehen. Dies hat allerdings den Nachteil, dass die Stabilität des Antennendiagramms von „schielenden“ Antennen begrenzt ist und sich insbesondere das Nebenkeulenverhalten als auch die Abstrahlungsrichtung über den Frequenzbereich und Materialvariationen ändert.
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3 zeigt eine bekannte Mittenanspeisung einer derartigen Antennengruppe 20 mit zwei Antennenhalbgruppen 20a, 20b, wobei der Strang der ersten Antennenhalbgruppe 20a ein Phasenverschiebungselement bzw. Phasenverzögerungselement 11 aufweist. Mittels des Phasenverschiebungselements 11 wird eine Weglänge für ein über die Speiseleitung 12 eingespeistes elektrisches Speisesignal realisiert, wodurch eine definierte Phasenverschiebung des Speisesignals in den beiden Antennenhalbgruppen 20a, 20b erzeugt wird. Im Ergebnis ist auf diese Weise in der ersten Antennenhalbgruppe 20a im Vergleich zur zweiten Antennenhalbgruppe 20b eine Phasenverschiebung von 180° generierbar, die es erlaubt, eine Strahlungscharakteristik in der xz-Ebene gleichmäßig und im Wesentlichen unbeeinflusst von Frequenzschwankungen bzw. Materialvariationen zu halten.
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Die genannte mittige Antennenspeisung führt nämlich dazu, dass bei einer Änderung von Materialeigenschaften, insbesondere von Permittivität bzw. einer Frequenzverschiebung die beiden Antennenhalbgruppen 20a, 20b in der xz-Ebene in entgegengesetzte Richtungen schielen, wodurch sich die Schieleffekte in Summe wieder kompensieren. Mittels des Phasenverschiebungselements 11 resultiert vorteilhaft also eine erhöhte Stabilität des Antennendiagramms.
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Mittels der Mittenanspeisung ist eine robuste Nullstelle im Antennendiagramm erzeugbar, die im Wesentlichen unabhängig von Materialschwankungen der Antennenvorrichtung und von Frequenzschwankungen der Speisequelle ist. Dadurch ist es möglich, robuste Antennendiagramme zu generieren, die für die Verwendung zukünftiger Rear- und Cornersensoren notwendig sind. Für die Auslegung einer derart mittig gespeisten Antenne ist somit ein 180° Phasenverschiebungselements erforderlich, um eine konstruktive Überlagerung der beiden Antennenhalbgruppen 20a, 20b zu erzielen. Für die Generierung einer Nullstelle in Azimut, d.h. bezogen auf eine Anwendung im KFZ im Wesentlichen parallel zu einer Fahrbahnoberfläche, sind zwei Antennengruppen erforderlich.
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Hierbei muss eine Anspeisung der beiden Antennengruppen um 180° zueinander verschoben sein. Dies kann vorteilhaft mit einer Anordnung gemäß 4 erreicht werden.
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4 zeigt eine erste Ausführungsform einer vorgeschlagenen Antennenvorrichtung 100 für einen Radarsensor. Die Antennenvorrichtung 100 weist eine erste Antennengruppe 20 und eine zweite Antennengruppe 30 auf, die jeweils zwei Antennenhalbgruppen 20a, 20b, 30a, 30b aufweisen. Die beiden Antennenhalbgruppen 20, 30 werden mittels einer Speiseleitung 12 in Mittenanspeisung gespeist bzw. angeregt, wobei die Speiseleitung 12 T-förmig mit zwei kurzen Verbindungselementen 12a, 12b zu den Antennengruppen 20, 30 ausgebildet ist. Bezogen auf einen Kreuzungspunkt der T-förmigen Speiseleitung 12 ist die Anordnung somit funktional punktsymmetrisch ausgebildet.
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Dies wird dadurch erreicht, dass in der ersten Antennenhalbgruppe 20b und in der zweiten Antennenhalbgruppe 30a jeweils ein Phasenverschiebungselement 11 angeordnet ist. Mittels einer derartigen Konfiguration können bezogen auf die yz-Ebene zwei symmetrische Hauptmaxima einer Strahlungscharakteristik erzeugt werden. Dies bedeutet, dass bezogen auf die yz-Ebene eine Charakteristik mit zwei gegeneinander geneigten Strahlungsmaxima gebildet wird. Dies ist für die Verwendung in den sogenannten oben genannten Rear- und Cornersensoren von automotiven Radarsensoren besonders vorteilhaft, weil dort zueinander verschwenkte Abstrahlmaxima sehr nützlich sind.
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Die Funktionalität der Phasenverschiebungselemente 11 kann alternativ auch mit anderen als den dargestellten geometrischen Formen realisiert werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Phasenverschiebungselemente 11 auch anders ausgerichtet sind, kreisförmig ausgebildet sind, usw.
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Erkennbar ist, dass die die kurzen Querbalken bzw. Verbindungselemente 12a, 12b der Speiseleitung 12 unsymmetrisch ausgebildet sind und dadurch im Ergebnis einen Leistungsteiler realisieren. Es kann dadurch erreicht werden, dass ein ungleiches Ausmaß an elektrischer Leistung in die beiden Antennengruppen 20, 30 eingespeist wird. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, ein Minimum zwischen den zwei genannten Hauptmaxima stärker oder schwächer auszubilden, wobei das Minimum umso stärker ausgebildet ist, je symmetrischer die beiden Verbindungselemente 12a, 12b ausgebildet sind. Die Antennenvorrichtung 100 generiert auf diese Weise in der Mitte eine Leistungsabsenkung, und strahlt elektromagnetische Leistung definiert winkelversetzt ab, wodurch die Anwendung in den genannten Ecksensoren von Kraftfahrzeugen sehr günstig ist. Das beschriebene Antennenkonzept ist auch gut für eine MIMO-Gruppenantennenauslegung (engl. multiple input multiple output) geeignet.
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Mit der beschriebenen Konfiguration ist es durch das kompakte und verhältnismäßig verlustarme Speisenetzwerk in Form der Speiseleitung 12 möglich, einen im Vergleich zu konventionellen Ansätzen geringen Flächenbedarf für die Antennenvorrichtung 100 zu realisieren. Dies lässt sich dadurch begründen, dass ein für die Erzeugung einer 180° Phasenverschiebung notwendiges Phasenverschiebungselement nicht in den vergleichsweise kurzen Verbindungselementen 12a, 12b der Speiseleitung 12 angeordnet ist, sodass die beiden Antennengruppen 20, 30 parallel zueinander ausgerichtet platzsparend gebaut werden können.
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5 zeigt eine vorteilhafte Verwendung der genannten Antennenvorrichtung 100 für eine Gruppenantenne. Man erkennt eine Gruppenantenne mit insgesamt sechs Antennengruppen 20...70 wobei die beiden Antennengruppen 20, 30 mittig angespeist sind und wobei mit den beiden genannten Antennengruppen 20, 30 jeweils weitere Antennengruppen 40, 50 bzw. 60, 70 oberhalb und unterhalb verschaltet sind. Auf diese Weise kann eine definierte Abstrahlcharakteristik einer Gruppenantenne realisiert werden.
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6 zeigt ein Strahlungsdiagramm der Ausführungsform von 4, wobei auf ein Verlauf einer dimensionslos dargestellten Reichweite R über einem in Grad angegebenen Azimuthwinkel φ aufgetragen ist. Man erkennt, dass bei ungefähr 0° ein Minimum der Antennenvorrichtung 100 auftritt. Zwei Antennenmaxima treten bei Azimuthwinkeln von ca. +45º und ca. –45° auf, was im Ergebnis eine um ca. 90° verschwenkte Abstrahlcharakteristik realisiert und eine Anwendung in den genannten Ecksensoren von Kraftfahrzeugen vorteilhaft macht. Eine Absenkung des mittleren Minimums lässt sich durch die oben genannte Dimensionierung der Verbindungselemente 12a, 12b realisieren. 7 zeigt in einem gestrichelten Verlauf einen ähnlichen Verlauf der Strahlungscharakteristik von 6 und in einem durchgezogenen Verlauf den Verlauf einer Strahlungscharakteristik der Gruppenantenne von 5. Man erkennt auch hier, dass jeweils zwei Hauptmaxima bei ca. +45º und bei ca. –45º ausgebildet sind, die ungefähr eine Ausleuchtung eines Radarsensors von ca. 90° realisieren.
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8 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform zum Herstellen einer Antennenvorrichtung 100.
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In einem Schritt 300 wird ein Anordnen einer seriell verschalteten definierten Anzahl von planaren Antennenelementen 10 einer ersten Antennengruppe 20 auf einem Substrat 1 durchgeführt.
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In einem Schritt 310 wird ein Anordnen einer seriell verschalteten definierten Anzahl von planaren Antennenelementen 10 einer zweiten Antennengruppe 30 auf dem Substrat 1 durchgeführt.
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In einem Schritt 320 wird ein Anordnen einer Speiseleitung 12, die mit den beiden Antennengruppen 20, 30 jeweils mittig verschaltet ist, auf dem Substrat 1 durchgeführt, wobei die Antennengruppen 20, 30 und die Speiseleitung 12 derart ausgebildet werden, dass der ersten Antennengruppe 20, 30 ein gegenüber der zweiten Antennengruppe 30 um 180 Grad phasenverschobenes Speisesignal zuführbar ist.
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Zusammenfassend werden mit der Erfindung eine Antennenvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Antennenvorrichtung für einen Radarsensor vorgeschlagen, womit ein insbesondere in Eckbereichen des Kraftfahrzeugs zu verwendender, robuster Radarsensor mit definierten Strahlungseigenschaften realisiert werden kann.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit vorgehend auch nicht realisierte oder teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
