DE102017218823A1 - Antennenanordnung zum Abtasten eines Raumes mittels sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung - Google Patents

Antennenanordnung zum Abtasten eines Raumes mittels sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung Download PDF

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Abstract

Es wird eine Anordnung zum Abtasten eines Raumes mittels sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung beschrieben. Die Anordnung umfasst in einer ersten Variante ein bewegliches Element, eine Strahlenquelle und ein Umlenkelement entlang einer zentralen Achse. Das bewegliche Element umfasst einen MEMS Spiegel, der bezüglich der zentralen Achse rotierbar und/oder kippbar ist. Die Strahlenquelle ist zur Erzeugung von entlang der zentralen Achse in Richtung des Spiegels austretender sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung konfiguriert und das Umlenkelement ist entlang der zentralen Achse vom beweglichen Element aus betrachtet in Richtung der Strahlenquelle angeordnet, wobei die dem MEMS Spiegel zugewandte Oberfläche des Umlenkelements zumindest teilweise reflektierend ist. Hierbei sind der Spiegel, die Strahlenquelle und das Umlenkelement so zueinander angeordnet, dass aus der Strahlenquelle austretende sichtbare oder unsichtbare Strahlung zunächst von dem Spiegel und danach von einer ersten Oberfläche des Umlenkelements in den Raum reflektiert wird. Alternativ kann die Strahlenquelle in einer zweiten Variante in dem beweglichen Element integriert sein.

Description

  • Gegenstand der vorliegenden Schutzrechtsanmeldung ist eine Antennenanordnung, deren Strahlrichtung mit Hilfe eines beweglichen Elements geschwenkt werden kann um einen Raum mit sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung abzutasten.
  • Radarsensoren, die permanent die Fahrzeugumgebung überwachen, sind eine Schlüsselkomponente für Fahrerassistenzsysteme und Systeme für automatisiertes oder teilautomatisiertes Fahren. Weiterhin werden radarbasierte Sensoren im industriellen Umfeld z.B. für Füllstands-, Abstands- und Geschwindigkeitsmessung benötigt, oder auch im Bereich der zerstörungsfreien Materialprüfung. Ganzkörperscanner, wie sie z.B. vermehrt an Flughäfen eingesetzt werden, arbeiten ebenfalls nach dem Radarprinzip. Auch die sichere Mensch-Maschine Kollaboration im Rahmen von Industrie 4.0 erfordert Industrieroboter, die ihre Umwelt über einen großen Winkelbereich sicher erfassen können.
  • Hierbei ist ein räumliches Schwenken der Antennenkeule erforderlich, um z.B. Hindernisse in einem bestimmten Winkelbereich erfassen zu können, oder um Objekte zeilenweise abscannen zu können. Vielfach ist es dabei von Vorteil, wenn die Antennenkeule um einen Winkel von 360° schwenkbar ist, wenn z.B. Sensoren realisiert werden sollen, die über eine Rundumsicht verfügen.
  • Ein räumliches Schwenken der Strahlrichtung einer Antenne kann mechanisch mit Hilfe von Motoren durchgeführt werden, wie es z.B. bei Rundumsicht-Radaren zur Luftüberwachung in der Luftfahrt der Fall ist. Hierbei ist die eigentliche Antenne auf einer Achse, die von einem Motor angetrieben wird, drehbar gelagert. Die Drehraten derartiger Systeme betragen einige Umdrehungen pro Minute. Eine weitere Möglichkeit eine Rundumsicht zu erzeugen besteht in der Verwendung mehrerer Einzelantennen, die über einen Winkelbereich von 360° verteilt sind und deren Ansteuersignale entsprechend aufbereitet sind. Ein sehr schnelles Schwenken im Mikrosekundenbereich erlauben sogenannte phased array Antennensysteme, die aus einer Vielzahl von Einzelantennen (häufig planar aufgebaut) bestehen, und die jeweils über einen elektronisch einstellbaren Phasenschieber verfügen. Zur Erzielung einer Richtwirkung benötigen phased array Antennen mindestens zwei Einzelstrahler. Darüber hinaus ist ein kompliziertes Ansteuernetzwerk notwendig. Reine phased array Antennensysteme erlauben keine Schwenkung der Richtcharakteristik um 360°, sondern nur in Kombination mit einer motorischen mechanischen Ablenkung.
  • In US 2003/0034916 A1 wird eine Anordnung beschrieben in der eine elektronische und eine MEMS basierte mechanische Schwenkung der Antennenrichtcharakteristik vorgeschlagen wird. Hier wird jedes Antennenelement einer Arrayanordnung einzeln schwenkbar ausgeführt, und zusätzlich wird vorgeschlagen, die Ansteuerphase zu variieren.
  • Im Stand der Technik ist jedoch keine MEMS basierte Anordnung beschrieben, die das Schwenken um 360° erlaubt, insbesondere keine Anordnung, die das schnelle und effiziente Schwenken um 360° mit einer kleinen, kostengünstigen Anordnung beschreibt.
  • Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Schutzrechtsanmeldung eine kleine schwenkbare, vorzugsweise um 360° schwenkbare, effiziente Millimeterwellenantenne zu beschreiben, die kontinuierlich im Millisekunden-Bereich schwenkbar ist.
  • Gegenstand dieser Schutzrechtsanmeldung ist somit eine Antennenanordnung, deren Richtcharakteristik, bzw. Strahlenkeule, sehr schnell mechanisch mit Hilfe eines Mikro-Aktuator, beispielsweise eines Silizium basierten Mikro-Aktuators, räumlich um einen Winkel von 360° geschwenkt werden kann.
  • Die hier beschriebene Anordnung zum Abtasten eines Raumes mittels sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung umfasst, entsprechend einer ersten Variante, ein bewegliches Element, eine Strahlenquelle, sowie ein Umlenkelement, die alle entlang einer zentralen Achse angeordnet sind.
  • Das bewegliche Element umfasst einen Reflektor, wie beispielsweie einen oder mehrere MEMS Spiegel mit reflektierender Oberfläche, wobei das bewegliche Element bezüglich der zentralen Achse rotierbar und/oder bezüglich der zentralen Achse und/oder mindestens einer weiteren Achse kippbar ist.
  • Die Strahlenquelle ist konfiguriert zur Erzeugung von entlang der zentralen Achse in Richtung der reflektierenden Oberfläche des Reflektors austretender sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung.
  • Das Umlenkelement ist angeordnet entlang der zentralen Achse vom beweglichen Element aus betrachtet in Richtung der Strahlenquelle, beispielsweise zwischen dem beweglichen Element und der Strahlenquelle, wobei die dem MEMS Spiegel zugewandte Oberfläche des Umlenkelements zumindest teilweise reflektierend ist.
  • Hierbei sind der Spiegel, die Strahlenquelle und das Umlenkelement so zueinander angeordnet, dass aus der Strahlenquelle austretende Strahlung zunächst von dem Reflektor so abgelenkt wird, dass die abgelenkte Strahlung auf das Umlenkelement trifft, und die durch den Reflektor abgelenkte Strahlung dann von einer ersten Oberfläche des Umlenkelements in den Raum reflektiert wird.
  • Hierbei sind vorzugsweise das Umlenkelement sowie die Strahlenquelle fest installiert bzw. unbeweglich zur Anordnung installiert, und nur der Reflektor, bzw. die Platte auf der der Reflektor angeordnet ist, ist beweglich. Um eine schwenkbare Antennenkeule zu realisieren muss somit nur das bewegliche Element bewegt werden, wodurch ein besonders kostengünstiger Aufbau und eine effiziente, schnelle, Schwenkung der Antennenkeule möglich ist.
  • Eine besonders vorteilhafte Anordnung sieht die hermetische Vakuum-Kapselung des MEMS Spiegels bzw. des MEMS-Aktuators vor. Damit kann die Dämpfung durch Gasmoleküle auf ein Minimum reduziert werden, was im Resonanzbetrieb, der im Folgenden noch näher beschrieben wird, einen deutlichen Amplitudengewinn zu erzielen erlaubt. Große Schwingungsamplituden sind von Vorteil, um mit kleiner Steuerspannung einen möglichst großen Raumwinkel erfassen zu können.
  • Weiterhin kann die Oberfläche der verwendeten MEMS Spiegel vorzugsweise plan, konkav sphärisch oder konkav parabolisch ausgeführt sein. Außerdem ist es möglich, dass die reflektierende Oberfläche aus einer Vielzahl von MEMS Spiegeln, beispielsweise 2×2 bis 32×32 oder mehr Elemente, bestehen kann. Auch kann ein Reflectarray verwendet werden. Bei einem Reflectarray wird ein Spiegel, auf dessen Oberfläche mehrere passive Strahler aufgebracht sind, verwendet, wobei die Anzahl der Strahler von der Wellenlänge der Strahlung und dem Durchmesser des Spiegels abhängt. Reflectarrays kommen insbesondere bei Millimeterwellenstrahlung zum Einsatz und dienen, ebenso wie ein parabolisch oder sphärisch geformter Spiegel zur Fokussierung der Strahlung. Ein Reflectarray kann insbesondere für Anwendungen, die eine hohe räumliche Auflösung benötigen, sinnvoll sein.
  • Der Durchmesser der verwendeten MEMS Spiegel liegt beispielsweise zwischen 0.7 cm und 15 cm, vorzugsweise zwischen 1 cm und 8 cm, besonders bevorzugt zwischen 1,5cm und 3cm. Außerdem hat der Reflektor beispielsweise eine Dicke zwischen 30 µm und 10mm, vorzugsweise zwischen 100 µm und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 725 µm und 2 mm. Je größer der Spiegel ist im Verhältnis zur Wellenlänge der reflektierten Strahlung, desto besser kann die Strahlung im Zusammenspiel mit den anderen Komponenten geformt werden. Das Reflektor-Substrat besteht vorzugsweise aus einkristallinem Silizium, Polysilizium, Glas oder Quarzglas.
  • Alternativ zu der oben beschriebenen Anordnung kann die Anordnung zum Abtasten des Raumes mittels sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung in einer zweiten Variante statt dem oben beschriebenen beweglichen Element mit Reflektor und der separaten Strahlenquelle auch eine Kombination aus beweglichem Element und Strahlenquelle umfassen.
  • Dabei umfasst das entlang der zentralen Achse angeordnete bewegliche Element die Strahlenquelle, wobei das bewegliche Element bezüglich der zentralen Achse rotierbar und/oder bezüglich der zentralen und/oder bezüglich mindestens einer weiteren Achse kippbar ist und die die Strahlenquelle zur Erzeugung von auf einer Oberseite der Strahlenquelle austretenden sichtbaren oder unsichtbaren Strahlung konfiguriert ist. Bei dieser alternativen Ausführung ist das Umlenkelement entlang der zentralen Achse von dem beweglichen Element aus in Richtung der Oberseite der Strahlenquelle angeordnet, wobei die der Strahlenquelle zugewandte Oberfläche des Umlenkelements zumindest teilweise reflektierend ist. Die Strahlenquelle und das Umlenkelement sind dabei so zueinander angeordnet, dass die aus der Strahlenquelle austretende sichtbare oder unsichtbare Strahlung von dem Umlenkelement in den Raum reflektiert wird.
  • Hierbei kann die Strahlenquelle beispielsweise als Patch Antenne oder als eine Patch Array Anordnung ausgeführt sein.
  • Mit den beiden oben beschriebenen Anordnungen ist durch geeignet gewählte Winkel des beweglichen Elements sowie der Oberfläche des Umlenkelements eine Abstrahlung bzw. ein Abscannen des Raumes möglich. Durch die schnelle Rotation oder Schwingung des beweglichen Elements kann eine besonders schnelle Abtastung eines Raumes in 360° oder eines beliebigen Teilsegments des Umkreises erreicht werden. Bei beiden Varianten gibt es nur ein bewegliches Element, so dass die Abmessungen der Anordnung klein gehalten werden können und die Fehleranfälligkeit gering ist. Außerdem sind sowohl die einzelnen Komponenten als auch die Ansteuerung besonders einfach und kostengünstig realisierbar.
  • Die nachfolgend beschriebenen vorteilhaften Weiterentwicklungen beziehen sich, sofern nicht explizit anders spezifiziert, auf beide der zuvor beschriebenen Varianten der Anordnung zum Abtasten eines Raumes mittels sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung.
  • Vorzugsweise wird das bewegliche Element in zwei Achsen resonant bewegt, weil damit größere Auslenkungen und hohe Scanfrequenzen von einigen Hundert Hz bis zu einigen kHz möglich sind. Alternativ kann aber auch quasistatischer Betrieb in einer oder beiden Achsen angewandt werden.
  • Vorzugsweise kann das bewegliche Element resonant beweglich an zumindest einer ersten und einer zweiten Achse federnd aufgehängt sein, beispielsweise mittels Torsionsfedern, Biegefedern oder einer Kombination von Torsions- und Biegefedern. Die Federn bestehen vorzugsweise aus Silizium oder auch aus Quarz und/oder Glas.
  • Die Bewegung des beweglichen Elements kann mittels eines oder mehrerer Aktoren erreicht werden, wobei die Aktoren zum Bewegen des beweglichen Elements relativ zum Halteelement konfiguriert sind. Die Aktoren können zum Beispiel elektrostatischer, elektromagnetischer, piezoelektrischer und/oder thermischer Art sein. Besonders vorteilhaft sind Vakuum-gekapselte Resonanz-Feder-Masse-Systeme mit hohen Gütefaktoren von 10.000 bis 300.000. Alternativ zum resonanten Betrieb kann für manche Anwendungen auch ein nichtresonanter Betrieb gewünscht sein. Bei nicht-resonantem Betrieb erfolgt eine direkte Ansteuerung der Aktoren mit konkreter Vorgabe der Abstrahlrichtung. Dies kann vorteilhaft sein, wenn eine bestimmte Richtung eingehalten werden soll, beispielsweise bei der Kommunikation von Fahrzeugen. Bei einer derartigen „car-to-car“ oder „car-to-X“ Kommunikation kann daher eine geführte Bewegung zur dauerhaften Aufrechterhaltung einer Datenverbindung sinnvoll sein.
  • Das bewegliche Element kann, beweglich mit Hilfe der Aktoren oder fest voreingestellt, bezüglich einer senkrecht zur zentralen Achse stehenden Ebene eine mechanische Verkippung oder Auslenkung zwischen einem ersten Winkel α1 und einem zweiten Winkel α2 , beispielsweise zwischen +/-0,1° und +/-30°, vorzugsweise zwischen +/-1° und +/-20°, besonders bevorzugt zwischen +/-2° und +/-10° aufweisen. Die mechanische Verkippung kann vorzugsweise in mindestens zwei Richtungen, beispielsweise an zwei voreinander unabhängigen Achsen erfolgen.
  • Außerdem kann vorzugsweise die erste Oberfläche des kegelstumpfförmigen Umlenkelements einen festen Neigungswinkel β aufweisen, wobei α1 , α2 und β so gewählt sind, dass durch eine Taumelbewegung des beweglichen Elements ein Abtasten des Raumes innerhalb eines Abtastbereichs mittels der sichtbaren oder unsichtbaren Strahlung erreicht ist. Hierbei wird durch den Bereich zwischen α1 und α2 im Zusammenhang mit β ein vertikaler Bereich im Raum definiert, der für die Strahlung erreichbar ist.
  • Dabei kann die Verkippung des beweglichen Elements und die Neigung der ersten Oberfläche des Umlenkelements vorzugsweise derart gewählt sein, dass die Strahlung in einem Winkel zwischen 80° und 100° bezüglich der zentralen Achse, vorzugsweise in einem Winkel von 85° bis 95° bezüglich der zentralen Achse in den Raum reflektiert wird. Die Strahlenquelle und das Umlenkelement sind vorzugsweise unbeweglich bezüglich der Anordnung, während durch die Rotation und/oder Änderung des Neigungswinkels bezüglich einer oder mehrerer Achsen des beweglichen Elements die Strahlablenkung in den Raum variiert wird.
  • Insbesondere für den resonanten Betrieb des beweglichen Elements umfasst die Anordnung weiterhin vorzugsweise eine Kontrolleinheit, konfiguriert zum Erfassen der aktuellen Position des beweglichen Elements und zum präzisen Ermitteln einer Abstrahlrichtung aus der ermittelten Position. Das Erfassen der aktuellen Position kann durch entsprechende Sensoren, beispielsweise durch optische Sensoren, erfolgen, die die aktuelle Auslenkung des beweglichen Elements bezüglich einer oder mehrerer Achsen erfassen. Zur Erfassung der Positionen können beispielsweise kapazitive Sensoren, piezoresistive Sensoren, Dehnungsmessstreifen, piezoelektrische Sensoren, Magnetfeldsensoren oder optische Sensoren verwendet werden.
  • Eine Anordnung mit resonantem Betrieb des beweglichen Elements kann besonders klein und kostengünstig gefertigt werden, da lediglich eine Taumelbewegung des beweglichen Elements initiiert werden muss, aber keine kontrollierte Ansteuerung mit genauer Vorgabe einer Abstrahlrichtung notwendig ist.
  • Die Bewegung des beweglichen Elements, auch als MEMS-Aktuators bezeichnet, kann somit in der Spiegel bzw. Chip-Ebene stattfinden, oder aber auch senkrecht dazu. Es sind einachsige aber auch mehrachsige Aufhängungen realisierbar, die es ermöglichen, das bewegliche Element linienförmig (quasistatisch oder resonant), rasterförmig (eine Achse quasistatisch, eine Achse resonant), lissajous-förmig (beide Achsen resonant) oder vollkommen vektoriell (beide Achsen quasistatisch) zu bewegen. Welche Aufhängungsform und welche Betriebsart optimal ist, hängt dabei jeweils von der Anwendung ab. Kommunikations-Anwendungen können ein quasistatisches vektorielles Nachführen des beweglichen Elements erfordern, während Automobil-Radar-Systeme unter Umständen ein resonantes Abtasten eines möglichst großen Raumwinkel-Bereichs erfordern.
  • Die sichtbare oder unsichtbare Strahlung kann beispielsweise Millimeterwellenstrahlung, sichtbare optische Strahlung, beispielsweise durch einen Laser, oder unsichtbare optische Strahlung, beispielsweise durch infrarot, und/oder elektromagnetische Strahlung mit geringer Wellenlänge umfassen.
  • Ein Vorteil von Millimeterwellenstrahlung besteht darin, dass Millimeterwellenstrahlung beispielsweise Staub, Nebel, Schaum und auch Gewebe durchdringen kann, während bei optischer Strahlung eine hohe räumliche Auflösung möglich ist. Weiterhin ist eine Kombination aus optischer und Millimeterwellenstrahlung möglich, um den abgetasteten Bereich besser sichtbar zu machen und gleichzeitig die Vorteile der Millimeterwellenstrahlung zu nutzen, beispielsweise um Gegenstände, die unter der Kleidung versteckt sind zu erkennen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Frequenzen im Millimeterwellenbereich ist die Tatsache, dass durch geeignete Verarbeitung der Messdaten quasi abbildende Radarsysteme mit hoher Auflösung realisiert werden können.
  • Millimeterwellen Radarsysteme, die mit hohen Frequenzen von bis zu 240 GHz arbeiten, bieten den Vorteil, dass die Wellenausbreitung quasi optisch erfolgt, und somit auch eine Strahlablenkung quasi optisch vorgenommen werden kann.
  • Bei der Verwendung optischer Strahlung, sichtbar oder infrarot, wird eine sehr hohe räumliche Auflösung erreicht, allerdings kommt es bei optischer Strahlung auch zu einer höheren Dämpfung in staubiger, nebeliger Umgebung und optische Strahlung kann nicht in dielektrische Stoffe eindringen, wie oben beschrieben.
  • Allgemein funktioniert die Anordnung für alle Arten elektromagnetischer Strahlung, die durch eine metallische oder dielektrische Schicht reflektiert wird, und deren Wellenlängen sehr klein gegenüber den Abmessungen der Reflektoren (Spiegel und Umlenkelement) sind.
  • Weiterhin kann die beschriebene Anordnung vorzugsweise eine Detektiereinheit zum Empfangen von durch Objekte im Raum reflektierter Strahlung umfassen, sowie eine Bestimmungseinheit, die zum Bestimmen der Position und/oder weiterer Eigenschaften der Objekte im Raum aus der Abstrahlrichtung und der durch die Detektiereinheit empfangenen Strahlung.
  • Die Detektiereinheit kann beispielsweise die Amplitude und/oder Leistung der empfangenen Strahlung erfassen sowie eine Phase bzw. eine Zeitpunkt des Eintreffens der Strahlung auf dem Detektor. Die Bestimmungseinheit kann dann beispielsweise aus der jeweiligen Spiegelstellung in Kombination mit einer vorzugsweise vorkonfigurierten Information über die Krümmung der Oberfläche des Umlenkelements, die Richtung des im Raum detektierten Objekts ermitteln. Weiterhin kann die Bestimmungseinheit die Entfernung des im Raum detektierten Objekts aus der Laufzeit der Strahlung, also aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden und Empfangen der Strahlung ermitteln. Durch zeilenweises Abscannen der Umgebung, beispielsweise durch Ändern des Winkels des beweglichen Elements ist somit auch eine bildliche Darstellung von Objekten möglich.
  • Die Detektiereinheit kann hierbei vorzugsweise ebenfalls entlang der zentralen Achse angeordnet sein. Die Detektiereinheit kann im Falle der optischen Strahlung ein Photodetektor sein, im Falle der Mikrowellenstrahlung eine Antenne mit nachgeschaltetem Empfänger für Mikrowellenstrahlung.
  • Alternativ kann das Aussenden und Empfangen der reflektierten Strahlung durch zwei omnidirektional abtastende Einheiten realisiert sein. In dieser Variante übernimmt eine Einheit den Sendeweg und die zweite den Empfangsweg. Die beweglichen Elemente können hierbei synchronisiert, aber mit zeitlichem Versatz betrieben werden. Dadurch können Störechos ausgeblendet werden.
  • Alternativ dazu können die beweglichen Elemente der beiden omnidirektional abtastenden Einheiten derart synchronisiert arbeiten, so dass sie immer in den gleichen Raumwinkel „blicken“. Vorzugsweise definiert die erste Oberfläche des Umlenkelements zumindest einen Abschnitt einer Rotationsfläche um die zentrale Achse, vorzugsweise in Form eines in Richtung des beweglichen Elements zulaufenden Kegelstumpfs oder Kegelstumpfsegments. Insbesondere zur Erzeugung einer um 360° schwenkbaren Strahlenkeule ist eine umlaufende erste Oberfläche des Umlenkelements vorteilhaft. Es können aber auch selektiv Segmente der ersten Oberfläche des Umlenkelements fehlen, oder nicht-reflektierend ausgeführt sein oder aus einem absorbierenden Material ausgeführt sein, um eine Abtastung bestimmter Teile des Raums zu verhindern, beispielsweise wenn die Abtastanordnung in einer Ecke eines Raumes angeordnet ist.
  • Weiterhin kann die Anordnung optional eine Bündeleinrichtung umfassen, durch die eine Bündelung der sichtbaren oder unsichtbaren Strahlung erfolgt. Durch eine Bündelung der Strahlung kann eine präzisere Detektion von Objekten im Raum erreicht werden.
  • Zur Vermeidung von Strahlung in andere Richtungen können weiterhin optional Absorberelemente zum Absorbieren der Strahlung um die beschriebene Anordnung herum angeordnet werden, vorzugsweise entlang der zentralen Achse hinter dem beweglichen Element oder vor dem Umlenkelement.
  • Weitere Vorteilhafte Ausführungsformen der beschriebenen Vorrichtung sind nachfolgend anhand der Abbildungen beschrieben:
    • zeigt eine Millimeterwellen-Anordnung mit fixiertem Neigungswinkel des beweglichen Spiegels;
    • zeigt eine Variante der Anordnung aus mit flexibel wählbarem Neigungswinkel des beweglichen Spiegels;
    • zeigt Querschnitte verschiedener Ausführungsformen des beweglichen Spiegels;
    • zeigt eine Variante der Anordnungen aus oder mit zusätzlicher Hornantenne als Bündeleinrichtung;
    • zeigt eine weitere Variante der beschriebenen Anordnung mit einer dielektrischen Linse als Bündeleinrichtung;
    • zeigt eine Variante der beschriebenen Anordnung mit einer Einheit zur kombinierten Signalerzeugung, Signalbündelung und/oder Signaldetektion;
    • zeigt eine Detailansicht der kombinierten Einheit zur Signalerzeugung, Signalbündelung und/oder Signaldetektion aus im Querschnitt;
    • zeigt die zusätzliche Verwendung eines Absorbermaterials auf Seiten des beweglichen Spiegels;
    • zeigt die zusätzliche Verwendung von Absorbermaterialien sowohl auf Seiten des beweglichen Spiegels als auch auf Seiten des Umlenkelements;
    • zeigt eine Variante der Anordnung mit zusätzlich eingekoppelter optischer Strahlung;
    • zeigt eine schematische Draufsicht des Spiegels sowie der Aufhängung des Spiegels in einem Rahmen;
    • zeigt einen Querschnitt der Anordnung aus ;
    • zeigt ein Anordnung bei der der Spiegel selber als strahlende Antennenstruktur ausgeführt ist;
    • zeigt eine Variante der Anordnung aus , bei der der Spiegel als ein Patch Array ausgeführt ist.
  • In der anhand der Figuren zunächst beschriebenen Anordnung wird ein MEMS Spiegel in Verbindung mit einem omnidirektionalen, vorzugsweise konusförmigen Reflektor dazu verwendet, einen Radarstrahl um 360° zu schwenken. Die elektromagnetische Welle wird dazu zunächst mit einer Antenne, oder Linse oder anderweitig geeignet gebündelt, auf den Spiegel gestrahlt und von diesem auf den konusförmigen Reflektor gelenkt. Die geometrische Anordnung von Spiegel und Konusreflektor ist dabei derart, dass eine Taumelbewegung des um wenige Grad gekippten Spiegels, eine 360° Ablenkung des Millimeterwellenstrahls in horizontaler Richtung bewirkt. Zusätzlich zu der horizontalen Ablenkung kann durch Verändern des Kippwinkels des Spiegels in gewissen Grenzen eine vertikale Ablenkung des Radarstrahls bewirkt werden.
  • zeigt den prinzipiellen Aufbau der Antennenanordnung bestehend aus dem Konusreflektor 1, der eine die Millimeterwellenstrahlung gut reflektierende Oberfläche 2 aufweist. Durch eine obere Öffnung 3 des Konusreflektors tritt eine gebündelte Millimeterwellenstrahlung 5 ein, und verlässt diesen durch eine untere Öffnung 4. Die Strahlung trifft auf einen dreh- und kippbar aufgehängten MEMS-Spiegel 6, der um den Winkel α gegenüber der Horizontalen geneigt ist, und der um eine Drehachse 7 gedreht werden kann. Die Oberfläche des MEMS-Spiegels weist ebenfalls eine die Millimeterwellenstrahlung gut reflektierende Oberfläche auf.
  • Der Kippwinkel α des Spiegels und der Neigungswinkel β der Konusoberfläche gegenüber der Horizontalen sind so gewählt, dass die Millimeterwellenstrahlung die Anordnung in horizontaler Richtung verlässt. Eine 360° Rotation des Spiegels 6 um die Drehachse 7 bewirkt somit eine Rotation der Millimeterwellenstrahlung in horizontaler Ebene um ebenfalls 360°.
  • stellt die Anordnung aus dar mit zusätzlicher Variation des Kippwinkels α. Auf diese Weise kann der austretende Millimeterwellenstrahl auch in vertikaler Richtung geschwenkt werden, wodurch sich die Möglichkeit zum Abscannen eines Raumes verbessern und die bildliche Darstellung von Objekten im Raum ermöglicht wird.
  • Bei den Ausführungsformen gemäß und kann die Spiegeloberfläche plan ausgeführt sein, oder günstiger eine konkave sphärische oder parabolische Form aufweisen.
  • stellt einen Querschnitt durch den Spiegel in verschiedenen Variationen dar, wobei Variation a einen Spiegel mit planer Oberfläche, Variation b einen Spiegel mit konkaver sphärischer Oberfläche und Variation c einen Spiegel mit konkaver parabolischer Oberfläche darstellen.
  • Alternativ kann die plane Spiegeloberfläche als Reflectarray ausgeführt sein, was eine zusätzliche Strahlformung, insbesondere bei planer Speigeloberfläche, erlaubt.
  • zeigt die Antennenanordnung, bei der die Bündelung der Millimeterwellenstrahlung durch den Einsatz einer Hornantenne 8 erreicht wird. Bei der Hornantenne handelt es sich vorzugsweise um eine konische Hornantenne, die so in den Reflektor eingebracht wird, dass Ihre Öffnung mit der Öffnung 4 des Konusreflektors 1 übereinstimmt. Die Halbwertsbreite der Strahlungskeule der Hornantenne, der Abstand der Öffnung der Hornantenne zum Spiegel sowie der Spiegeldurchmesser müssen geeignet gewählt werden, damit der Spiegel optimal ausgeleuchtet wird, und weder der Spiegel überstrahlt wird, noch die Spiegeloberfläche nicht voll ausgenutzt wird.
  • zeigt die Antennenanordnung, wobei die Strahlbündelung mit Hilfe einer in die untere Öffnung 4 des Konusreflektors eingebrachten dielektrischen Linse 9 erfolgt. Linsenform und -durchmesser sind dabei so zu wählen, dass eine geeignete Strahlbündelung erreicht wird. Einige mögliche Linsenformen sind dabei: Kugelform, plankonvex, bikonvex mit unterschiedlichen Krümmungsradien, etc. Anstelle einer Einzellinse kann auch ein Linsensystem aus mehreren Linsen verwendet werden. Bei Millimeterwellenstrahlung können insbesondere auch Linsen, welche für optische Strahlung nicht transparent sind, zum Einsatz kommen.
  • Der den Radarstrahl ablenkende MEMS-Spiegel kann dabei, kardanisch aufgehängt sein oder aber auch z.B. mit einer in zwei Achsen beweglichen Dreibein-Aufhängung ausgestattet sein. Bei letzterer sind Biegefedern jeweils um 120° rotatorisch gegeneinander versetzt an der Spiegelplatte angebracht und verbinden die Spiegelplatte beweglich mit dem starren Chiprahmen, so dass die Spiegelplatte in zwei zueinander senkrechten Achsen verkippt werden kann.
  • Vorzugsweise wird ein derartiger MEMS-Scanner in beiden Achsen resonant bewegt, weil damit größere Auslenkungen und hohe Scanfrequenzen von einigen Hundert Hz bis zu einigen kHz möglich sind. Alternativ kann aber auch quasistatischer Betrieb in einer oder beiden Achsen angewandt werden. Von besonderem Interesse ist wie gesagt der Resonanzbetrieb in beiden Achsen. Mit Hilfe von einer zusätzlichen Detektionseinheit lässt sich in jedem Moment die Position des MEMS-Spiegels in beiden Achsen präzise erfassen und verfolgen. Dadurch kann in Kombination mit der omnidirektionalen Reflektor-Einrichtung genau auf die räumliche Abstrahlrichtung rückgeschlossen werden.
  • Der in beiden Achsen resonant bewegte zweiachsige MEMS-Scanner kann auf verschiedene Weisen ausgelegt werden. Wählt man die beiden Resonanzfrequenzen so, dass f1 (Resonanzfrequenz der ersten Achse) und f2 (Resonanzfrequenz der zweiten Achse) identisch bzw. überlappend sind, dann lassen sich Kreisbahnen und Ellipsen erzeugen, die einander reproduzieren und in Folge dessen nach Reflektion am omnidirektionalen Reflektor dazu führen, dass die Abstrahlung immer in die gleichen Raumwinkel erfolgt. Eine Vergrößerung des auf diese Weise abgetasteten Raumwinkelbereichs kann allerdings erzielt werden, wenn die Schwingungs-Amplituden der beiden Achsen des MEMS-Scanners gezielt beeinflusst werden.
  • Werden f1 und f2 jedoch so gewählt, dass diese sich gezielt unterscheiden, dann ruft die zweiachsige Strahlablenkung keine geschlossene Ellipsen- oder Kreisbahn mehr hervor, sondern tastet lissajous-förmig eine rechteckige Fläche ab. Diese Art der zweiachsigen Ablenkung führt in Kombination mit dem omnidirektionalen konusförmigen Reflektor dazu, dass nicht mehr zwingend eine in sich geschlossene und dadurch reproduzierende räumliche Trajektorie abgetastet wird, sondern eine komplexere Trajektorie resultiert, die neben der azimutalen Ablenkung (horizontal) auch eine Variation der Inklination (vertikal) bewirkt. Die Raumrichtung dieses Abtastvorgangs kann mit Hilfe der Positionserfassung des MEMS-Scanners kontinuierlich zeitaufgelöst ermittelt werden. Für die abtastende Radar-Messaufgabe ergibt sich daher eine eindeutige Zuordnung von zweiachsiger MEMS-Scanner-Position und Raumrichtung des momentanen Radarstrahls.
  • Durch gezielte Veränderung der Schwingungs-Amplituden des zweiachsigen MEMS-Scanners kann der abgetastete Raumwinkelbereich gezielt vergrößert oder verkleinert werden.
  • Der oben geschilderte zweiachsige Ablenkvorgang mit f1 ungleich f2 erlaubt somit eine Abtastung der Umgebung über einen größeren Raumwinkelbereich als bei f1=f2 solange die Amplituden von f1 und f2 konstant sind.
  • zeigt die Antennenanordnung mit einer Einheit 10, die Signalerzeugung und -detektion sowie Strahlbündelung integriert.
  • Abbbildung 7 zeigt eine Detailansicht der Einheit 10. Die Einheit 10 besteht aus einer Trägerplatte 11 aus einem geeigneten dielektrischen Material, das für den Aufbau von Mikrowellenschaltungen geeignet ist, z.B. Al2O3 Keramik. Die Erzeugung des Millimeterwellensignals und die Detektion des vom Ziel reflektierten Signals findet in einem integrierten Schaltkreis 12 statt. Die Bündelung des Strahls erfolgt durch eine geeignete dielektrische Linse 13, die auf der Trägerplatte 11 befestigt ist.
  • Der integrierte Schaltkreis 12 beinhaltet somit eine Detektiereinheit zum Empfangen von durch Objekte im Raum reflektierter Strahlung. Aus der Abstrahlrichtung und der durch die Detektiereinheit empfangenen reflektierten Strahlung kann dann die Position und/oder weiterer Eigenschaften der Objekte im Raum durch eine Bestimmungseinheit bestimmt werden.
  • Die Detektiereinheit erfasst hierbei die Amplitude und Leistung der empfangenen reflektierten Strahlung erfassen sowie einen Zeitpunkt des Eintreffens der Strahlung auf dem Detektor. Die Bestimmungseinheit kann dann aus der jeweiligen Spiegelstellung in Kombination die Richtung des im Raum detektierten Objekts ermitteln. Außerdem kann die Entfernung des im Raum detektierten Objekts aus der Laufzeit der Strahlung ermittelt werden. Durch Zeilenweises Abscannen der Umgebung, beispielsweise durch Ändern des Winkels des beweglichen Elements ist somit auch eine bildliche Darstellung von Objekten möglich.
  • zeigt eine Anordnung nach , bei der die am Mikrospiegel vorbeilaufende Millimeterwellenstrahlung durch ein geeignetes Absorbermaterial 14, welches unterhalb des Spiegels angebracht wird, unterdrückt wird. Auf diese Weise kann die Unterdrückung unerwünschter Nebenkeulen im Strahlungsdiagramm erhöht werden.
  • zeigt eine Anordnung nach , mit zwei zusätzlichen Absorberschichten 14 oberhalb und unterhalb der gesamten Anordnung zur weiteren Unterdrückung der Nebenkeulen im Strahlungsdiagramm.
  • zeigt eine Anordnung nach , bei der zusätzlich parallel zur Millimeterwellenstrahlung 5 eine optische Strahlung 15 in die Struktur eingekoppelt wird. Die optische Strahlung kann z.B. von einem Laser stammen und eine Wellenlänge aufweisen, die je nach Anwendung im für das menschliche Auge sichtbaren oder unsichtbaren Bereich liegt. Liegt diese zusätzliche optische Strahlung im sichtbaren Bereich, so kann sie z.B. als Ausrichthilfe der Anordnung dienen (Pilotlaser).
  • Als weitere Anwendung wäre z.B. ein kombiniert optisches/ Millimeterwellenradar denkbar. Auf diese Weise könnte die hohe räumliche Auflösung des optischen Radars kombiniert werden mit der Eigenschaft von Millimeterwellen, in dielektrische Stoffen einzudringen. Eine derartige Kombination von optischem und Millimeterwellenradar könnte z.B. für sicherheitstechnische Anwendungen wie z.B. Körperscannern vorteilhaft sein.
  • zeigt eine erläuternde Darstellung einer möglichen Ausführung des Spiegels mit Halteelement (Chiprahmen). Die Spiegelplatte 6 wird durch Federelemente 17 mit dem Halteelement 16 verbunden. Der Spiegel kann über Aktoren 18 relativ zum Halteelement bewegt werden und zwar um die beiden Drehachsen 19 und 20. In einer alternativen Ausführung werden drei um 120° gegeneinander versetzt angeordnete Federelemente verwendet. Durch gezielte Ansteuerung der Aktoren mit Frequenzen f1 und f2 und gezielter Einstellung der Schwingungsamplitude kann ein definierter Raumwinkelbereich abgetastet werden.
  • zeigt einen Schnitt durch die Anordnung nach .
  • Bei einer alternativen Anordnung wird die abzulenkende Mikrowellenstrahlung nicht zunächst gebündelt und dann auf dem MEMS Spiegel gestrahlt, sondern der Spiegel selbst ist als strahlformende Antennenstruktur ausgeführt.
  • zeigt eine derartige alternative Anordnung der Antennenstruktur, bei der der Spiegel selbst als strahlende Antennenstruktur ausgeführt ist. In der Variante in ist der Strahler als Patch Antenne 21 auf einem Siliziumträger 22 ausgeführt. Als mögliche Strahler kommen Strukturen in Betracht, die vorzugsweise senkrecht zum Siliziumträger strahlen. Insbesondere können z.B. auch Patch Array Anordnungen verwendet werden, wenn eine stärkere Bündelung des Strahls gefordert ist.
  • zeigt eine Anordnung nach bei der anstelle einer Einzelpatchantenne ein Patcharray 23 bestehend aus einer Vielzahl von auf einer in einem Rahmen 16 beweglich aufgehängten Trägerplatte 22 verwendet wird. In dieser Variante kann das Array aktiv, selber strahlen, oder passiv als Reflectarray ausgeführt sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2003/0034916 A1 [0005]

Claims (15)

  1. Anordnung zum Abtasten eines Raumes mittels sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung, umfassend: - eine zentrale Achse (7), - ein bewegliches Element umfassend einen MEMS Spiegel (6) mit mindestens einer reflektierenden Oberfläche, wobei das bewegliche Element bezüglich der zentralen Achse (7) rotierbar und/oder bezüglich der zentralen Achse (7) und/oder bezüglich mindestens einer weiteren Achse (7) kippbar ist, - eine Strahlenquelle zur Erzeugung von entlang der zentralen Achse (7) in Richtung der reflektierenden Oberfläche des MEMS Spiegels (6) austretender sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung (5), - ein Umlenkelement (1), angeordnet entlang der zentralen Achse (7) vom beweglichen Element aus betrachtet in Richtung der Strahlenquelle, wobei die dem MEMS Spiegel (6) zugewandte erste Oberfläche (2) des Umlenkelements (1) zumindest teilweise reflektierend ist, wobei der MEMS Spiegel (6), die Strahlenquelle und das Umlenkelement (1) so zueinander angeordnet sind, dass aus der Strahlenquelle austretende sichtbare oder unsichtbare Strahlung (5) zunächst von dem MEMS Spiegel (6) und danach von der ersten Oberfläche (2) des Umlenkelements (1) in den Raum reflektiert wird.
  2. Anordnung zum Abtasten eines Raumes mittels sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung, umfassend:, - eine zentrale Achse (7), - ein bewegliches Element (22) umfassend eine Strahlenquelle (21), das bezüglich der zentralen Achse (7) rotierbar und/oder bezüglich der zentralen Achse (7) und/oder bezüglich mindestens einer weiteren Achse kippbar ist, zur Erzeugung von auf einer Oberseite der Strahlenquelle (21) austretenden sichtbaren oder unsichtbaren Strahlung, - ein Umlenkelement (1), angeordnet entlang der zentralen Achse (7) von dem beweglichen Element aus betrachtet in Richtung der Oberseite der Strahlenquelle (21), wobei die der Strahlenquelle (21) zugewandte erste Oberfläche (2) des Umlenkelements (1) zumindest teilweise reflektierend ist, wobei die bewegliche Strahlenquelle (21) und das Umlenkelement (1) so zueinander angeordnet sind, dass aus der Strahlenquelle (21) austretende sichtbare oder unsichtbare Strahlung von der ersten Oberfläche (2) des Umlenkelements (1) in den Raum reflektiert wird.
  3. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend - ein Halteelement (16), an dem das bewegliche Element resonant beweglich an zumindest einer ersten und einer zweiten Achse (19, 20) federnd aufgehängt ist; und - einen oder mehrere Aktoren (18) konfiguriert zum Bewegen des beweglichen Elements relativ zum Halteelement.
  4. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Kontrolleinheit, konfiguriert zum Erfassen der aktuellen Position des beweglichen Elements und zum präzisen Ermitteln einer Abstrahlrichtung aus der erfassten Position.
  5. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend - eine Detektiereinheit, zum Empfangen von durch Objekte im Raum reflektierter Mikrowellenstrahlung, - eine Bestimmungseinheit konfiguriert zum Bestimmen der Position und/oder weiterer Eigenschaften der Objekten im Raum aus der Abstrahlrichtung und der durch die Detektiereinheit empfangenen Mikrowellenstrahlung.
  6. Anordnung gemäß Anspruch 5, wobei die Detektiereinheit entlang der zentralen Achse angeordnet ist.
  7. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Oberfläche des Umlenkelements zumindest einen Abschnitt einer Rotationsfläche um die zentrale Achse definiert.
  8. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Oberfläche des Umlenkelements die Form eines in Richtung des beweglichen Elements zulaufenden Kegelstumpfs aufweist.
  9. Anordnung gemäß Anspruch 8, wobei das bewegliche Element in mindestens zwei Richtungen in einem Bereich zwischen einem ersten Winkel α1 und einem zweiten Winkel α2 auslenkbar ist, vorzugsweise im Bereich zwischen +/- 0,1° und +/- 30°, und die erste Oberfläche des kegelstumpfförmigen Umlenkelements einen festen Neigungswinkel β aufweist, wobei α1, α2 und β so gewählt sind, dass durch eine Taumelbewegung des beweglichen Elements ein Abtasten des Raumes innerhalb eines Abtastbereichs mit der sichtbaren oder unsichtbaren Strahlung erreicht ist.
  10. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sichtbare oder unsichtbare Strahlung zumindest eine der folgenden Strahlungsarten umfasst: Millimeterwellenstrahlung, sichtbare oder unsichtbare optische Strahlung und/oder elektromagnetische Strahlung mit geringer Wellenlänge.
  11. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Bündeleinrichtung (8; 9; 13) zur Bündelung der sichtbaren oder unsichtbaren Strahlung, wobei die Bündeleinrichtung vorzugsweise eine Hornantenne (8) oder eine dielektrische Linse (9) ist.
  12. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens ein entlang der zentralen Achse hinter dem beweglichen Element oder vor dem Umlenkelement (1) angeordnetes Absorberelement (14) zum Absorbieren von Strahlung.
  13. Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei der MEMS Spiegel hermetisch Vakuum-gekapselt ist und/oder der Durchmesser des MEMS Spiegels zwischen 0,7cm und 15cm beträgt.
  14. Anordnung gemäß Anspruch 1, wobei die Oberfläche des MEMS Spiegels plan, konkav sphärisch, konkav parabolisch und/oder als ein Reflectarray ausgeführt ist.
  15. Anordnung nach Anspruch 2, wobei die Strahlenquelle eine Patch Antenne oder eine Patch Array Anordnung (23) ist.
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