DE102017129503A1

DE102017129503A1 - 2d-mimo radarantennen-anordnungsgeometrie und bemessungsverfahren

Info

Publication number: DE102017129503A1
Application number: DE102017129503.8A
Authority: DE
Inventors: Dani Raphaeli; Igal Bilik; Oded Bialer
Original assignee: Silantrix Ltd; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Silantrix Ltd; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2018-06-14
Also published as: US20180166794A1; CN108232468A

Abstract

Eine Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)-Antenne für ein Radarsystem beinhaltet eine Vielzahl von Senderantennen, die eine planare Senderantennenanordnung bilden, worin die Vielzahl von Senderantennen konfiguriert ist, um orthogonale Wellenformen zu emittieren, und eine Vielzahl von Empfängerantennen, die mindestens zwei Empfängerantennenanordnungen bilden, worin entlang einer ersten Achse ein Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Empfängerantennen in jeder Empfängerantennenanordnung bezüglich eines Zwischenelementabstandes zwischen der Vielzahl von Senderantennen dicht ist; und entlang einer zweiten Achse der Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Senderantennen bezüglich des Zwischenelementabstandes zwischen der Vielzahl von Empfängerantennen dicht ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf MIMO-Antennenanordnungen und insbesondere auf eine kompakte MIMO-Antennenanordnung, die das dreidimensionale räumliche Abstrahlverhalten optimiert und gleichzeitig ein optimales, gleichmäßiges virtuelles Array beibehält.
HINTERGRUND
Moderne Radarsysteme, die heutzutage im Einsatz sind, verwenden ein Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)-Konzept, das mehrere Antennen am Sender verwendet, um unabhängige (orthogonale) Wellenformen und mehrere Antennen am Empfänger zu senden, um die Radarechos zu empfangen. In einer „kollokierten“ MIMO-Radarkonfiguration sind die Antennen sowohl im Sender als auch im Empfänger so dicht beieinander angeordnet, dass jede Antenne den gleichen Aspekt eines Objekts betrachtet, so dass ein Punktziel angenommen wird. Im MIMO-Empfänger wird eine angepasste Filterbank verwendet, um die orthogonalen Wellenformkomponenten zu extrahieren. Wenn die orthogonalen Signale von verschiedenen Antennen übertragen werden, tragen die Echos der einzelnen Signale unabhängige Informationen über die erfassten Objekte und die verschiedenen Verbreitungswege. Phasenunterschiede, die durch unterschiedliche Sendeantennen verursacht werden, sowie Phasenunterschiede, die durch unterschiedliche Empfangsantennen verursacht werden, bilden mathematisch eine virtuelle Antennenanordnung, das eine größere virtuelle Apertur mit weniger Antennenelementen ermöglicht. Konzeptionell wird die virtuelle Anordnung durch Verschachtelung zwischen den einzelnen Antennenelementen des Senders T_x und des Empfängers R_x erzeugt, sodass die Elemente im virtuellen Array die Paare T_x-R_x für die jeweiligen Sender T_x und Empfänger R_x Antennen in der MIMO-Anordnung darstellen. Für kollokierte MIMO-Antennen erzeugt ein Sender-Array mit Sender-Antennen N_Tx und eine Empfängeranordnung mit N_Rx Empfängerantennen ein virtuelles Array mit N_TxN_Rx virtuellen Empfängerelementen. Mit anderen Worten, die orthogonalen Wellenformen werden von den angepassten Filtern am Empfänger extrahiert, so dass insgesamt N_TxN_Rx extrahierte Signale in einer virtuellen Anordnung vorhanden sind.
Viele MIMO-Radarsysteme, insbesondere diejenigen, die für Anwendungen im Automobilbereich verwendet werden, sind optimiert, um die Entfernung und den horizontalen oder Azimutwinkel zu einem Ziel oder Objekt zu bestimmen, sind jedoch in Bezug auf das Erfassen von Objekten im Höhenbereich begrenzt. Die räumliche Leistungsfähigkeit von Radargeräten in Azimut und Elevation wird durch die Anzahl der Sende- und Empfangsantennen beeinflusst, was auch die Systemkosten in die Höhe treibt. Mit anderen Worten, erfordert eine hohe Winkelauflösung im Allgemeinen eine große Apertur mit einer großen Anzahl von Antennenelementen, was die Kosten der Antenne erhöht. Daher wird bei kostenkritischen Anwendungen die Anzahl der Sende- und Empfangsantennen im Allgemeinen auf ein Minimum reduziert.
1a veranschaulicht eine bekannte MIMO-Antennenkonfiguration 10 mit einer gleichmäßig verteilten Empfänger-Antennenanordnung 12, die sich linear entlang einer horizontalen Achse erstreckt, und zwei parallelen Sender-Antennenanordnungen 14, die sich entlang einer vertikalen Achse erstrecken. Die Empfänger-Antennenanordnung 12 beinhaltet N_Rx Empfängerantennen R_x, die einheitlich um einen Abstand d_R voneinander beabstandet sind, und die beiden Senderantennenanordnungen 14, die N_Tx-Senderantennen T_x beinhalten, worin die Senderantennen T_x um einen Abstand d_Tin der horizontalen und vertikalen Achse voneinander beabstandet sind. In diesem konkreten Beispiel sind die Anzahl der Empfängerantennen N_Rx und die Anzahl der Senderantennen N_Tx beide gleich 16, wobei der Abstand d_R zwischen den Empfängerantennen R_x 0,5λ und der Abstand d_T zwischen den Sendeantennen-Anordnungen 14 N_Rxd_R ist. Der Abstand d_T zwischen den Senderantennen T_x wird als N_Rxd_R gewählt, so dass die resultierende virtuelle Anordnung 16 einheitlich verteilte Elemente in einem Abstand d_R aufweist. Wie in 1b dargestellt, erzeugt die einheitliche virtuelle Anordnung 16 mit N_TxN_Rx virtuellen Antennenelementen 18, die sich aus der Antennenanordnung 10 ergeben, eine große virtuelle Apertur, die eine hohe Winkelauflösung in beiden Dimensionen liefert und einen gleichmäßigen Abstand in der horizontalen und vertikalen Achse aufweist. Da jedoch der vertikale Achsabstand d_T zwischen den Senderantennen T_x viel größer als 0,5λ ist, ergeben sich Mehrdeutigkeiten aufgrund von Gitterkeulen in der Elevation, und somit ist das 3-dimensionale räumliche Strahlmuster der virtuellen Anordnung 16, das durch die bekannte Antennenkonfiguration 10 erzeugt wird, nicht optimal in Bezug auf die Elevationsdomäne. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Antennenkonfiguration 10 in 1a nicht kompakt ist, so dass eine große Flächenverschwendung auf der Montagefläche entsteht. Es ist ebenfalls vorteilhaft, die MIMO-Antennen-Arrays auf einer Standard-Leiterplatte (PCB) herzustellen und die integrierten Schaltungen (IC) zu montieren, die von der Antenne auf derselben Leiterplatte gespeist werden oder gespeist werden sollen. Aufgrund der fehlenden Kompaktheit kann die in 1a bekannte Antennenkonfiguration 10 nicht auf einer Leiterplatte hergestellt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Multiple-Input-Multiple-Output-(MIMO)-Antenne) für ein Radarsystem vorgesehen, das eine Vielzahl von Senderantennen beinhaltet, die eine planare Senderantennenanordnung bilden, worin die Vielzahl von Senderantennen so konfiguriert ist, dass sie orthogonale Wellenformen aussenden. Die MIMO-Antenne beinhaltet ferner eine Vielzahl von Empfängerantennen, die mindestens zwei Empfängerantennen-Anordnungen bilden, worin entlang einer ersten Achse ein Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Empfängerantennen in jeder Empfängerantennenanordnung relativ zu einem Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Senderantennen kompakt ist; und entlang einer zweiten Achse der Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Senderantennen relativ zu dem Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Empfängerantennen kompakt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Multiple-Input-Multiple-Output-(MIMO)-Antenne für ein Radarsystem vorgesehen, das eine planare Senderantennenanordnung mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt beinhaltet, worin der erste Abschnitt eine erste Vielzahl von Senderantennen beinhaltet, die eine Vielzahl von äquidistanten Reihen bilden, die sich entlang einer ersten Achse erstrecken, und eine Vielzahl von äquidistanten Spalten, die sich entlang einer zweiten Achse erstrecken, und worin der zweite Abschnitt eine zweite Vielzahl von Senderantennen beinhaltet, die eine Reihe bilden, die sich entlang der ersten Achse erstreckt, worin der erste Abschnitt von dem zweiten Abschnitt entlang der zweiten Achse durch einen Versatz relativ zu einem Abstand der äquidistanten Reihen in dem ersten Abschnitt getrennt ist. Die MIMO-Antenne beinhaltet außerdem eine Vielzahl von Empfängerantennen, die mindestens zwei Empfängerantennenanordnungen bilden, worin ein Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Empfängerantennen in jeder Empfängerantennenanordnung entlang der ersten Achse einheitlich ist, und worin die mindestens zwei Empfängerantennenanordnungen entlang der zweiten Achse durch einen Abstand, der proportional zu einer Anzahl von Reihen im ersten Abschnitt und dem Abstand der äquidistanten Reihen im ersten Abschnitt ist, getrennt sind.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen des Eintrittswinkels einer einfallenden ebenen Welle unter Verwendung einer Multiple-Input Multiple-Output-(MIMO)-Antennenanordnung bereitgestellt, das konfiguriert ist, um eine virtuelle Anordnung mit mehreren sich überlappenden virtuellen Antennenelementen zu erzeugen. Das Verfahren beinhaltet das Empfangen einer Vielzahl von einfallenden Signalen, die von einem oder mehreren Objekten reflektiert werden, das Erhalten von Größen aus der Vielzahl von einfallenden Signalen für mindestens zwei der überlappenden virtuellen Antennenelemente in einer ausgewählten Höhe, das Berechnen einer Phase für einfallende Signale, die von den mindestens zwei überlappenden virtuellen Antennenelementen empfangen werden, worin die Phase auf einer erwarteten Phasendifferenz basiert, die den überlappenden virtuellen Antennenelementen zugeordnet ist, und Bestimmen des Eintrittswinkels durch Anwenden einer Auflösungsfunktion, um die erwartete Phasendifferenz zwischen den Signalen von zwei der überlappenden virtuellen Antennenelemente zu vergleichen.
Figurenliste
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente bezeichnen, und worin:

1a veranschaulicht eine bekannte Konfiguration für ein MIMO-Antennenanordnung;
1b veranschaulicht eine virtuelle Antennenanordnung, die sich aus der bekannten MIMO-Antennenanordnung in 1a ergibt;
2 veranschaulicht eine exemplarische MIMO-Antennenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht eine weitere exemplarische MIMO-Antennenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 veranschaulicht eine virtuelle Anordnung, die durch die MIMO-Antennenanordnung von 3 gebildet wird; und
5 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Lösung von Mehrdeutigkeiten in Bezug auf die Elevationsdomäne darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Das nachfolgend beschriebene System und Verfahren ist auf eine kompakte MIMO-Antennenanordnung ausgerichtet, welche die räumliche Auflösung optimiert und gleichzeitig eine optimale, einheitliche virtuelle Anordnung beibehält. In einer Ausführungsform beinhaltet die Anordnung eine Vielzahl von Senderantennen, die als eine planare Anordnung konfiguriert sind, und eine Vielzahl von Empfängerantennen, die in mehreren linearen Reihen angeordnet sind. Die Anordnung der Sender- und Empfängerantennen ist so kompakt, dass die Anordnung für die Fertigung auf einer Standard-Leiterplatte geeignet ist. Die planare Senderanordnung und die lineare Empfängeranordnung sind selektiv so angeordnet, dass der MIMO-Betrieb in der Azimut- und Elevationsdomäne vermischt wird. Darüber hinaus ermöglicht die Anordnung der Sender- und Empfängerantennen, dass die den Antennen zugeordneten integrierten Schaltungen nahe jedes der Antennenelemente auf derselben Leiterplatte angeordnet werden können.
Um winklige Mehrdeutigkeiten im Zusammenhang mit Gitterkeulen, die in der Elevationsdomäne auftreten, zu beheben, ist eine Teilmenge der Vielzahl von Senderantennen der Auflösung von Mehrdeutigkeiten gewidmet. Die Teilmenge der Senderantennen wird an einem Versatz zu den anderen Senderantennen so positioniert, dass der Versatz eine Elementüberlappung in der Reaktion der virtuellen Anordnung erzeugt. Diese Überlappung von Elementen in der virtuellen Anordnung wird verwendet, um die Mehrdeutigkeiten im Eintrittswinkel eines einfallenden Signals aufzulösen.
2 veranschaulicht eine exemplarische MIMO-Antennenanordnung 20 gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Antennenanordnung 20 ist auf einer Fläche 22 mit Bezugsachsen in horizontaler (Azimut) und vertikaler (Elevation) Richtung angeordnet. In einer Ausführungsform ist die Oberfläche 22 eine Leiterplatte, welche die elektronischen Komponenten der Antennenanordnung 20 mechanisch unterstützt und elektrisch verbindet, indem sie Leiterbahnen, Pads und andere Merkmale verwendet, die aus Kupferblechen geätzt werden und auf einem nicht leitfähigen Substrat laminiert sind. Die Leiterplatten können einseitig, doppelseitig oder mehrschichtig ausgeführt sein. Leiter auf verschiedenen Schichten können mit durchkontaktierten Bohrungen, den sogenannten Vias, verbunden werden. Die elektronischen Komponenten können auf die Leiterplatte gedruckt werden und/oder Komponenten beinhalten, die in das Substrat eingebettet sind.
Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet die Antennenanordnung 20 eine Vielzahl von Senderantennenelementen T_x und eine Vielzahl von Empfängerantennen R_x, worin N_Tx die Anzahl der Senderantennenelemente T_x, und N_Rx die Anzahl der Empfängerantennenelemente R_x ist. Die Form des Antennenelements beeinflusst die Antennenreaktion, wie von Fachleuten verstanden wird. Die Antennenelemente in der veranschaulichten Ausführungsform sind in der horizontalen Achse schmal und in der vertikalen Achse lang, was einen engen Abstrahlwinkel in der vertikalen Achse und einen Weitwinkel in der horizontalen Achse erzeugt. Die Form der Antennenelemente in der veranschaulichten Ausführungsform ist jedoch nur exemplarisch und nicht einschränkend. Ein Durchschnittsfachmann versteht es, dass die hierin offenbarte Konfiguration der Anordnung auf jedes entsprechend geformte Antennenelement anwendbar sein kann. Darüber hinaus ist die Anzahl der Sender- und Empfängerantennenelemente in jedem der hierin präsentierten exemplarischen Anordnungen nur exemplarisch und kann je nach Anwendung variieren.
Die Vielzahl der Empfängerantennen R_x sind in mehrere lineare Empfängeranordnungen R_xa unterteilt, die in der vertikalen Achse durch einen Abstand d_Rxa getrennt sind, der, wie im Folgenden näher erläutert, relativ zur Konfiguration der Senderantennenelemente T_x ist. Die Empfänger-Antennenelemente R_x in jedem der Empfängeranordnungen R_xa sind durch einen Abstand d_R getrennt, der in einer Ausführungsform einheitlich und gleich .5λ ist, um ein einheitliches und eindeutiges Strahlungsverhalten in der Azimutdomäne aufrechtzuerhalten. Im nicht einschränkenden in 2 dargestellten Beispiel ist die Anzahl N_Tx der Senderantennenelemente T_x gleich 16 und die Anzahl Ni_Rxder Empfängerantennenelemente R_x gleich 16.
Die Vielzahl der Senderantennenelemente T_x sind als eine planare Sendeanordnung T_xa mit M_tN_t Senderantennen T_x angeordnet, wobei M_t die Anzahl der Senderantennenelemente in jeder Spalte und N_t die Anzahl der Senderantennenelemente in jeder Reihe ist. In einer Ausführungsform sind die angrenzenden Senderantennen T_x in einer beliebigen Spalte der Sendeanordnung T_xa äquidistant mit dem Zwischenelementabstand d_m in der vertikalen Achse und in einer beliebigen Reihe äquidistant mit dem Zwischenelementabstand d_n in der horizontalen Achse. In einer Ausführungsform ist der Zwischenelementabstand d_m = d_n = d_RN_Rx, um einen einheitlichen Abstand in der virtuellen Anordnung aufrechtzuerhalten. Während der Abstand d_m und d_n zwischen den Phasenzentren der Senderantennen T_x in der horizontalen und vertikalen Achse aufgrund der Geometrie der Antennenelemente gleich ist, ist der physikalische Abstand zwischen den Senderantennenelementen T_x in der horizontalen und vertikalen Achse unterschiedlich. Mit anderen Worten, erscheint der physikalische Abstand zwischen den Senderantennenelementen T_x in jeder Reihe entlang der horizontalen Achse größer als der physikalische Abstand zwischen den Senderantennenelementen T_x in jeder Spalte entlang der vertikalen Achse.
Mit fortgesetztem Bezug auf 2 ist die Vielzahl der Empfängerantennen R_x als lineare Empfängeranordnungen R_xa konfiguriert, worin jedes angrenzenden Empfängerantennenelements R_x einen äquidistanten Zwischenabstand d_R aufweist. In einer Ausführungsform wird die Vielzahl der Empfängerantennen R_x in zwei lineare Empfängeranordnungen R_xa mit jeweils acht Empfängerantennen R_x unterteilt und durch den Abstand d_Rxa in der vertikalen Achse getrennt. Der Abstand d_Rxa zwischen den Empfängeranordnungen R_xa ist proportional zur Größe und Konfiguration der planaren Sendeanordnung 24. In einer Ausführungsform, d_Rxa = M_t d_m = M_t d_n, wobei M_t die Anzahl der Senderantennenelemente in jeder Spalte der Sendeanordnung T_xa ist, d_m der Zwischenelementabstand zwischen benachbarten Senderantennen T_x in einer gegebenen Spalte der Sendeanordnung T_xa ist, und d_n ist der Zwischenelementabstand zwischen benachbarten Senderantennen T_x in einer gegebenen Reihe der Sendeanordnung T_xa. Wie von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, kann die Anzahl der linearen Empfängeranordnungen abhängig von der Anzahl der Sender- und Empfängerantennen, der Größe der gesamten Antennenanordnung, der Größe der Montagefläche und/oder den MIMO-Antennenanordnungen variieren.
Die planare Sendeanordnung T_xa und die linearen Empfängeranordnungen R_xa der Antennenanordnung 20 sind selektiv so angeordnet, dass der MIMO-Betrieb zwischen Azimut- und Elevationsdomäne vermischt wird. Mit anderen Worten, sind die planare Sendeanordnung T_xa und die linearen Empfängeranordnung R_xa so angeordnet, dass die Dichte des Zwischenelementabstands in jeder der jeweiligen Anordnungen T_xa, R_xa sowohl hinsichtlich der horizontalen als auch der vertikalen Öffnungen der Antennenanordnung 20 vermischt wird. So ist beispielsweise aus der Perspektive der horizontalen Apertur der Antennenanordnung 20 der Abstand zwischen den Senderantennenelementen T_x in der planaren Sendeanordnung T_xa relativ gering (d. h.) im Vergleich zum vergleichsweise dichten Zwischenelementabstand zwischen den Empfängerantennenelementen R_x in den linearen Empfängeranordnungen R_xa. Umgekehrt ist aus der Perspektive der vertikalen Öffnung der Antennenanordnung 20 der Zwischenelementabstand zwischen den Senderantennenelementen T_x in der planaren Sendeanordnung T_xa verhältnismäßig dicht im Vergleich zu dem verhältnismäßig geringen Abstand zwischen den linearen Empfängeranordnungen R_xa. Anders ausgedrückt, in der horizontalen Öffnung, d_n > d_R, worin d_n der Zwischenelementabstand zwischen benachbarten Senderantennen T_x in der horizontalen Achse ist und d_R der Abstand zwischen den Empfängerantennenelementen R_x in jeder der Empfängeranordnungen R_xa ist. In der vertikalen Öffnung ist d_m < d_Rxa, worin d_m der Zwischenelementabstand zwischen benachbarten Senderantennen T_x in der vertikalen Achse und d_Rxa der Zwischenelementabstand zwischen den Empfängerantennenelementen R_x in den linearen Empfangsanordnungen R_xa in der vertikalen Achse ist.
Unter Verwendung der Funktionsprinzipien in Bezug auf MIMO ist die resultierende virtuelle Anordnung, die durch die Antennenanordnung 20 gebildet wird, eine 256-Element (N_TxN_Rx) Empfängeranordnung, die 32 gleichmäßig verteilte Elemente im Azimut und 8 gleichmäßig verteilte Elemente in der Elevation aufweist. Wie von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden wird, ist die Anzahl der virtuellen Empfängerantennen in der horizontalen Öffnung der virtuellen Anordnung, die durch eine kollokierte MIMO-Antennenanordnung gebildet wird, aufgrund des Betriebs einer MIMO-Antennenanordnung gleich N_TxhN_Rxh, wobei N_Txh die Anzahl der Senderantennenelemente T_x ist, die entlang der horizontalen Achse der Antennenanordnung 20 positioniert sind und N_Rxh die Anzahl der Empfängerantennenelemente R_x ist, die entlang der horizontalen Achse der Antennenanordnung 20 positioniert sind. Ähnlich ist die Anzahl der virtuellen Empfängerantennen in der vertikalen Apertur gleich N_TxvN_Rxv, wobei N_Txv die Anzahl der Senderantennenelemente T_x ist, die entlang der vertikalen Achse der Antennenanordnung 20 positioniert sind und N_Rxv die Anzahl der Empfängerantennenelemente R_x ist, die entlang der vertikalen Achse der Antennenanordnung 20 positioniert sind. Darüber hinaus ist bekannt, dass die virtuellen MIMO-Anordnungspositionen eine Zusammenführung traditioneller Positionen von Sende- und Empfangselementen sind.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Antennenanordnung 20 entgegengesetzt angeordnet sein, so dass die Senderelemente T_x mit dichtem Abstand in der Horizontalachse und mit größerem Abstand in der Vertikalachse angeordnet sind, und die Empfängerantennenelemente R_x in der Horizontalachse geringfügig voneinander getrennt und in der Vertikalachse dicht voneinander beabstandet sind.
Die Anordnung der Antennenanordnung 20 beinhaltet ferner eine oder mehrere elektronische Vorrichtungen 24, die der Vielzahl von Sender- und Empfangerantennenelementen T_x, R_x zugeordnet sind. Die elektronischen Vorrichtungen 24 können ohne Einschränkung Komponenten und/oder Vorrichtungen beinhalten, die Sender- und Empfängerschaltungen umfassen, wie zum Beispiel Leistungsteiler, Verstärker, Wandler, Filter usw., wie sie in der Technik bekannt sind. In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die elektronischen Vorrichtungen 34 integrierte Schaltungen, die auf der Oberfläche 22 der Leiterplatte angeordnet sind, die nahe jeder der Sender- und Empfängerantennen T_x, R_x angeordnet ist.
Das MIMO-Antennenanordnung 20 in 2 ist als kompakte Antennenanordnung konfiguriert, die für die Fertigung auf einer Standard-Leiterplatte geeignet ist. Die Anordnung der Antennenelemente in der Antennenanordnung 20 maximiert die Ausnutzung der verfügbaren Fläche auf der Leiterplatte und erzeugt ein optimales 3-dimensionales räumliches Abstrahlverhalten. Darüber hinaus weist die resultierende virtuelle Anordnung eine große virtuelle Öffnung auf, die eine hohe Winkelauflösung sowohl in der Azimut- als auch in der Elevationsdomäne ermöglicht. Unter Berücksichtigung des Abstandes zwischen den Senderantennenelementen T_x, die zur Aufrechterhaltung einer einheitlichen virtuellen Anordnung (z. B d_m = d_n = d_RN_Rx), ist der Abstand d_m zwischen den Senderantennenelementen T_x in der Vertikalachse im Allgemeinen viel größer als .5λ. Infolgedessen weist die virtuelle Anordnung, die durch die Antennenanordnung 20 gebildet wird, eine Mehrdeutigkeit in der Elevationsdomäne auf, die durch die Gitterkeulen verursacht wird. Diese Mehrdeutigkeiten werden durch eine modifizierte Version der Antennenanordnung 20, wie nachfolgend beschrieben, behoben.
3 veranschaulicht eine weitere exemplarische MIMO-Antennenanordnung 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ähnlich der Antennenanordnung 20 in 2, beinhaltet die Antennenanordnung 30 eine Vielzahl von Senderantennenelementen T_x, die als planare Sendeanordnung T_xa angeordnet sind, und eine Vielzahl von Empfängerantennen R_x, die in zwei lineare Empfängeranordnungen R_xa unterteilt sind, die durch den Abstand d_Rxa in der vertikalen Achse getrennt sind. Der Abstand d_Rxa = M_t d_m, wobei M_t die Anzahl der Senderantennenelemente in jeder Spalte der Sendeanordnung T_xa und d_m der Zwischenelementabstand zwischen angrenzenden Senderantennen T_x in einer gegebenen Spalte der Sendeanordnung T_xa ist. Jede der angrenzenden Empfängerantennen R_x weist einen äquidistanten Zwischenelementabstand d_R auf, der in einer Ausführungsform .5λ ist, um ein eindeutiges Strahlungsverhalten im Azimut aufrechtzuerhalten.
Die Anordnung der Antennenanordnung 30 beinhaltet ferner eine oder mehrere elektronische Vorrichtungen 24, die den Sender- und Empfängerantennen T_x, R_x zugeordnet sind. Die elektronischen Vorrichtungen 24 können ohne Einschränkung Komponenten und/oder Vorrichtungen beinhalten, die Sender- und Empfängerschaltungen umfassen, wie zum Beispiel Leistungsteiler, Verstärker, Wandler, Filter usw., wie sie in der Technik bekannt sind. In der in 3 dargestellten Ausführungsform sind die elektronischen Vorrichtungen 24 integrierte Schaltungen, die auf der Oberfläche 22 der Leiterplatte angeordnet sind, die nahe jeder der Sender- und Empfängerantennen T_x, R_x angeordnet ist.
Die Antennenanordnung 30 bewahrt die dichte Anordnung, die in 2 in Bezug auf die Antennenanordnung 20 beschrieben ist. Insbesondere sind die planare Sendeanordnung Txa und die linearen Empfängeranordnungen R_xa so angeordnet, dass der MIMO-Betrieb zwischen den Azimut- und Elevationsdomänen vermischt wird, wie vorstehend in Bezug auf die Antennenanordnung 20 erläutert wurde. Darüber hinaus sind die angrenzenden Senderantennen T_x in einer gegebenen Spalte der Sendeanordnung T_xa in der horizontalen Achse äquidistant mit dem Zwischenelementabstand d_n, worin d_n = d_RN_Rx ist, um einen gleichmäßigen Abstand in der horizontalen virtuellen Öffnung aufrechtzuerhalten. Während jedoch die Gesamtzahl N_Tx der Senderantennenelemente T_x in der Antennenanordnung 30 gleich derjenigen in der Antennenanordnung 20 bleibt, wird die Anordnung der Senderantennenelemente T_x in der Antennenanordnung 30, wie nachfolgend beschrieben, geändert, um die Auflösung der winkligen Mehrdeutigkeiten in der Elevationsdomäne zu erleichtern.
In Übereinstimmung mit der Antennenanordnung 20 in 2 beinhaltet die planare Sendeanordnung T_xa der Antennenanordnung 30 M_tt_Nt_t Senderantennen T_x, wobei M_t die Anzahl der Senderantennenelemente in jeder Spalte ist und Nt die Anzahl der Senderantennenelemente in jeder Reihe. Um die in der Elevationsdomäne entstandenen winkelförmigen Mehrdeutigkeiten zu beheben, wird jedoch eine Reihe T_rs der Senderantennenelemente T_x in der Vertikalachse um einen Versatz d_o gegenüber dem einheitlichen Zwischenelementabstand d_m zwischen den angrenzenden Senderantennen T_x in einer beliebigen gegebenen Spalte der Sendeanordnung T_xa verschoben. Mit anderen Worten, ist der Abstand d_mo zwischen der verschobenen Reihe T_rs der Senderantennenelemente T_x und der benachbarten Reihe in der Sendeanordnung T_xa gleich dem Zwischenelementabstand d_m + dem Versatz d_o. In einer Ausführungsform ist der Versatz d_o, um den die Reihe T_rs der Senderantennenelemente T_x verschoben wird, gleich pλ, worin p ein Verschiebungsfaktor und λ die Wellenlänge des übertragenen Signals ist. Der Verschiebungsfaktor p wird empirisch basierend auf elektromagnetischen Simulationen ermittelt, um den besten Kompromiss zwischen dem Niveau der Gitterkeulen und der Möglichkeit zur Auflösung von Mehrdeutigkeiten in der Elevation zu finden. Der Zwischenelementabstand d_m zwischen den verbleibenden Reihen in der Sendeanordnung T_xa bleibt gleich d_RN_Rx. In der in 3 dargestellten nicht einschränkenden Ausführungsform ist die verschobene Reihe T_rs die oberste Reihe der Sendeanordnung T_xa. Durch Verschieben der Reihe T_rs der Senderantennenelemente T_x entsteht eine Überlappung in der vertikalen Öffnung der virtuellen Anordnung, die durch die Antennenanordnung 30 gebildet wird. Wie im Folgenden detailliert dargelegt, wird diese Überlappung verwendet, um Mehrdeutigkeiten in der Elevationsdomäne aufzulösen.
4 veranschaulicht eine virtuelle Anordnung 40, die aus der in 3 dargestellten Antennenanordnung 30 gemäß bekannten Verfahren gebildet wird. Herkömmlicherweise ist für eine Antennenanordnung 30 mit N_Tx Senderantennenelementen T_x und N_Rx Empfängerantennenelemente R_x die maximale Anzahl virtueller Elemente R_v gleich dem Produkt aus der Anzahl der Sender- und Empfängerantennen (d. h. N_TxN_Rx). Wenn sich jedoch aufgrund der Anordnungsredundanz zwei virtuelle Elemente aus den kollinearen T_x-R_x Paaren innerhalb der resultierenden zweidimensionalen virtuellen Apertur räumlich überlappen, ist die Gesamtzahl der virtuellen Elemente effektiv kleiner als N_TxN_Rx. Der Versatz d_o, um den die Reihe T_rs von Senderantennenelementen T_x in der Antennenanordnung 30 verschoben wird, erzeugt diese Redundanz und erstellt eine Überlappung R_o von Elementen in der Elevationsdomäne. Als solches ist die Anzahl N_vm der virtuellen Elemente in der virtuellen Anordnung 40 effektiv 192 anstatt 256 für die virtuelle Anordnung, die durch die Antennenanordnung 20 in 2 erzeugt wird. Die Geometrie der virtuellen Anordnung 40 hat sich ebenfalls dahingehend geändert, dass nun 32 einheitlich verteilte Elemente im Azimut, aber nur 6 nicht voneinander unterscheidbare virtuelle Elemente in der Elevation vorhanden sind. Anstatt eine planare 4 × 4 (M_t × N_t) Sendeanordnung aufzuweisen, wird die planare Sendeanordnung T_xa wie in der Antennenanordnung 20, die planare Sendeanordnung T_xa in der Antennenanordnung 30 im MIMO-Betrieb effektiv auf eine 3 × 4 Anordnung reduziert, worin die Anzahl M_t von Senderantennenelementen in jeder Spalte 3 und die Anzahl Nt von Senderantennenelementen in jeder Reihe 4 ist. Die Signale, die von den sich überlappenden Elementen empfangen werden, sind daher nicht voneinander zu unterscheiden. Diese Überlappung wird verwendet, um Mehrdeutigkeiten in der Elevationsdomäne zu aufzulösen, wie in 5 beschrieben.
Die Reduzierung der effektiven Elemente in der Sendeanordnung T_xa durch den Versatz d_o wirkt sich auch auf den Abstand d_Rxa zwischen den linearen Empfängeranordnungen R_xa aus. Obgleich die Beziehung gleich bleibt (d. h. d_Rxa = M_td_m), verringert sich der Wert des Abstands mit abnehmender Anzahl M_t der Senderantennenelemente T_x in jeder Spalte der Sendeanordnung T_xa.
5 veranschaulicht ein exemplarisches Verfahren 100 zum Bestimmen eines Eintrittswinkels für ein Störsignal und zum Auflösen von Mehrdeutigkeiten im Zusammenhang mit der in 3 dargestellten Antennenanordnung 40. Wie von Fachleuten verstanden wird, kann die Richtung einer einfallenden planaren Welle zu einer Antennenanordnung (d. h. der Einfallswinkel θ) basierend auf den Punkten bestimmt werden, an denen Maxima in einer Antennenanordnung auftreten. So tritt beispielsweise in einer Antennenanordnung ohne Mehrdeutigkeit ein einzelnes Maximum in Bezug auf die Größe des Abstrahlverhaltens einer Antenne in der Richtung (d. h. Winkel) auf, in der sich der Großteil der abgestrahlten Leistung bewegt (d. h. die Hauptstrahlkeule). In diesem Fall kann der Einfallswinkel θ einer einfallenden planaren Welle bestimmt werden, wenn die Phasendifferenz Ψ zwischen den von angrenzenden Antennenelementen empfangenen Signalen auf einen Wert von gleich Null gesetzt wird. In einer Ausführungsform kann die Phasendifferenz Ψ als 2πd/λ(sin θ) ausgedrückt werden, wobei der Einfallswinkel θ von der Breitseite (eine Achse senkrecht zur Ebene der Anordnung) bezogen wird und im Winkel von π/2 bis -π/2 (90° bis -90°) reicht, wobei d der Abstand zwischen jedem Antennenelement und λ die Wellenlänge des Signals ist. Mehrdeutigkeiten entstehen jedoch, wenn mehrere Maxima in einer Reaktion der Anordnung auftreten. Diese zusätzlichen Maxima, die als Gitterkeulen bezeichnet werden, entstehen durch Strahlung in unbeabsichtigte Richtungen und sind in ihrer Größe mit den Hauptstrahlkeulen identisch oder nahezu identisch. Da jedes dieser Maxima einem anderen Einfallswinkel entspricht, ist das Radarsystem nicht in der Lage, zwischen dem Einfallswinkel, welcher der Hauptkeule entspricht, und den Einfallswinkeln, die den Gitterkeulen entsprechen, zu unterscheiden.
Unter Bezugnahme auf 5 geht das offenbarte Verfahren 100 davon aus, dass der Einfallswinkel des einfallenden Signals innerhalb der Azimutdomäne eindeutig ist und separat erhalten wird. Daher wird das Verfahren 100 hierin nur in Bezug auf das Auflösen der Mehrdeutigkeit und das Bestimmen des Einfallswinkels des einfallenden Signals in der Elevationsdomäne beschrieben. Das Verfahren 100 beginnt bei Schritt 102, indem es eine Vielzahl von einfallenden Signalen empfängt, die von einem Objekt im Raum reflektiert werden. Die Vielzahl der einfallenden Signale wird von der Antennenanordnung 40 und insbesondere von der Vielzahl der Empfängerantennen R_Tx empfangen. Bei Schritt 104 wird eine Anordnungsreaktion gemäß bekannten Techniken basierend auf der Vielzahl der einfallenden Signale, die auf die Vielzahl der Empfängerantennen 26 auftreffen, bestimmt. In einer Ausführungsform ist die Anordnungsreaktion der Antennenanordnung 30 (nicht dargestellt), worin d_R = .5λ, N_Tx = 16, und λ = 4mm, eine Mehrdeutigkeit im Einfallswinkel θ ungefähr alle 16° hervorruft, da der Abstand zwischen den Elementen d_n gleich 4λ ist (d. h. d_RN_Rx).
Bei Schritt 106 werden die Werte Z1 und Z2 für zwei empfangene Signalgrößen bei einem bestimmten Azimut von zwei der sich überlappenden Empfängerantennen R_o in der virtuellen Anordnung 40 erhalten. Basierend auf Z1 und Z2 sind aufgrund der Mehrdeutigkeit der Anordnung mehrere mögliche Winkellösungen für jede angenommene Elevation (d. h. Einfallswinkel) möglich.
Bei Schritt 108 wird eine Auflösungsfunktion R verwendet, um die Mehrdeutigkeiten in der Elevation aufzulösen. In einer Ausführungsform ist die Auflösungsfunktion R = 10log(|(z1-z2*exp(-jψ))/ (z1+z2*exp(-jψ))|), worin ψ = 2πpsin(θ) die zu erwartende Phasendifferenz zwischen zwei sich überlappenden Empfängerantennen R_o in der virtuellen Anordnung 40 aufgrund des Versatzes d_o ist, und worin p der Verschiebungsfaktor ist. Die Auflösungsfunktion R bewirkt den Vergleich der relativen Phasenverschiebung zwischen den Signalen Z1 und Z2. Genauer gesagt, wird in diesem speziellen Beispiel die Phasenverschiebung von Z2 relativ zu Z1 genommen. Alternativ kann die Phasenverschiebung von Z1 relativ zu Z2 genommen werden, da nur die relative Phasenverschiebung berücksichtigt wird.
Der korrekte Einfallswinkel θ wird bestimmt, wenn die Phasen von Z1 und Z2 gleich sind und keine Phasenverschiebung zwischen Z1 und Z2 angezeigt wird. Bei allen anderen Vergleichen zwischen den überlappenden Antennenelementen sind die Phasen der empfangenen Signale unterschiedlich. Anders ausgedrückt, wenn die Auflösungsfunktion R grafisch dargestellt und auf null gesetzt werden sollte, um keine Phasenverschiebung darzustellen, dann ist die Auflösungsfunktion R = -∞dB. Ein Durchschnittsfachmann erkennt, dass andere Funktionen verwendet werden können, welche die Phase von Z1 und Z2*exp(-jψ) vergleichen. Insbesondere erkennt ein Durchschnittsfachmann, dass die vorgenannte Funktion der Winkelauflösung lediglich exemplarisch ist und dass die Winkelauflösungsgleichung, die Variablen der Gleichung und die Beziehung zwischen diesen Variablen abhängig von der Geometrie der Antennenanordnung und anderen anwendungsspezifischen Kriterien variieren können. Der Verschiebungsfaktor p, der in diesem Beispiel gleich 0,8 ist, ergibt sich aus der Optimierung dieser Funktion hinsichtlich der Tiefe und Breite des Nullpunktes. Ein größerer Verschiebungsfaktor p würde zu einem stärkeren Nullpunkt mit geringerer Dämpfung in der Tiefe führen und umgekehrt.
Es versteht sich, dass das Vorstehende eine Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung ist. Die Erfindung ist nicht auf die besondere(n) hierin offenbarte(n) Ausführungsform(en) beschränkt, sondern ausschließlich durch die folgenden Patentansprüche definiert. Darüber hinaus beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung gemachten Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkungen des Umfangs der Erfindung oder der Definition der in den Patentansprüchen verwendeten Begriffe zu verstehen, außer dort, wo ein Begriff oder Ausdruck ausdrücklich vorstehend definiert wurde. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen an der/die ausgewiesene Ausführungsform(en) sind für Fachleute offensichtlich. Alle diese anderen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sollten im Geltungsbereich der angehängten Patentansprüche verstanden werden.
Wie in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet, sind die Begriffe „zum Beispiel“, „beispielsweise“, „wie“ und „gleich“ und die Verben „umfassen“, „aufweisen“, „enthalten“ und ihre anderen Verbformen bei ihrer Verwendung mit einer Auflistung einer oder mehrerer Komponenten oder anderen Gegenständen jeweils als offen anzusehen, was bedeutet, dass die Auflistung nicht so zu verstehen ist, als dass sie andere, zusätzliche Komponenten oder Elemente ausschließt. Andere Begriffe sind in deren weitesten vernünftigen Sinn auszulegen, es sei denn, diese werden in einem Kontext verwendet, der eine andere Auslegung erfordert.

Claims

Multiple-Input Multiple Output-(MIMO)-Antenne für ein Radarsystem, die Antenne umfassend: eine Vielzahl von Senderantennen, die eine planare Senderantennenanordnung bilden, wobei die Vielzahl von Senderantennen konfiguriert sind, um orthogonale Wellenformen zu emittieren; und eine Vielzahl von Empfängerantennen, die mindestens zwei Empfängerantennenanordnungen bilden; worin entlang einer ersten Achse ein Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Empfängerantennen in jeder Empfängerantennenanordnung relativ zu einem Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Senderantennen dicht ist; und entlang einer zweiten Achse der Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Senderantennen relativ zu dem Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Empfängerantennen dicht ist.
MIMO-Antenne nach Anspruch 1, worin der Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Senderantennen entlang der ersten und zweiten Achse einheitlich ist und der Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Empfängerantennen in jeder Empfängerantennenanordnung entlang der ersten Achse einheitlich ist.
MIMO-Antenne nach Anspruch 1, worin der Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Senderantennen gleich dem Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Empfängerantennen in jeder Empfängerantennenanordnung mal einer Anzahl an Empfängerantennen in jeder Empfängerantennenanordnung ist.
MIMO-Antenne nach Anspruch 1, worin die mindestens zwei Empfängerantennenanordnungen entlang der zweiten Achse durch einen Abstand, der proportional zu einer Senderantenne in jeder Spalte der planaren Senderantennenanordnung ist, und durch den Abstand der Zwischenelemente zwischen den mehreren Senderantennen entlang der zweiten Achse voneinander getrennt sind.
MIMO-Antenne nach Anspruch 1, worin die planare Senderantennenanordnung eine Vielzahl äquidistanter Reihen und eine Vielzahl äquidistanter Spalten aufweist, und worin eine Reihe der Vielzahl von Reihen von der anderen verbleibenden Vielzahl äquidistanter Reihen in der planaren Senderantennenanordnung entlang der zweiten Achse um einen Versatz verschoben ist.
MIMO-Antenne nach Anspruch 5, worin ein Abstand zwischen der verbleibenden Vielzahl äquidistanter Reihen in der planaren Sendeantennenanordnung entlang der zweiten Achse gleich dem Zwischenelementabstand zwischen der Vielzahl von Empfängerantennen in jeder Empfängerantennenanordnung mal einer Anzahl an Empfängerantennen in jeder Empfängerantennenanordnung ist.
MIMO-Antenne nach Anspruch 6, worin die mindestens zwei Empfängerantennenanordnungen entlang der zweiten Achse durch einen Abstand getrennt sind, der proportional zu einer Anzahl der verbleibenden Vielzahl von äquidistanten Reihen in der planaren Senderantennenanordnung und dem Abstand zwischen den verbleibenden mehreren äquidistanten Reihen in der planaren Senderantennenanordnung ist.
MIMO-Antenne nach Anspruch 5, worin die planare Senderantennenanordnung und die mindestens zwei Empfängerantennenanordnungen konfiguriert sind, um eine zweidimensionale virtuelle Empfängeranordnung zu bilden, worin der Versatz in der verschobenen Reihe eine Überlappung von einem oder mehreren virtuellen Empfängerelementen in jeder Spalte der virtuellen Anordnung erzeugt.
MIMO-Antenne nach Anspruch 5, worin der Versatz gleich einem Verschiebungsfaktor mal der Wellenlänge des von der Vielzahl von Senderantennen übertragenen Signals ist.
MIMO-Antenne nach Anspruch 9, worin ein Abstand zwischen der verschobenen Reihe und einer angrenzenden Reihe in der verbleibenden Vielzahl äquidistanter Reihen in der planaren Senderantennenanordnung gleich dem Offset plus dem Abstand zwischen der verbleibenden Vielzahl äquidistanter Reihen in der planaren Senderantennenanordnung ist.