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Die Erfindung betrifft einen Radarsensor für Kraftfahrzeuge, mit einer Antennenanordnung, die mehrere linear und in gleichmäßigen Abständen längs einer Anschlussleitung angeordnete Antennenelemente aufweist, wobei der Abstand zwischen je zwei benachbarten Antennenelementen gleich der Hälfte der mittleren Wellenlänge λ des gesendeten Radarsignals ist und die Anordnung mindestens ein Tripel von benachbarten Antennenelementen aufweist, bei dem die beiden in dem Tripel außen liegenden Antennenelemente einerseits und das dazwischen liegende Antennenelement andererseits in entgegengesetzten Richtungen von der Anschlussleitung ausgehen.
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Stand der Technik
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Bei herkömmlichen Radarsensoren dieser Art sind die Antennenelemente abwechselnd auf entgegengesetzten Seiten der Anschlussleitung angeordnet. Da der Abstand von Antennenelement zu Antennenelement λ/2 beträgt, sind die eingespeisten Signale an den Orten zweier benachbarter Antennenelemente gegenphasig. Da die Antennenelemente jedoch auf entgegengesetzten Seiten der Anschlussleitung angeordnet sind, ergibt sich für sämtliche Antennenelemente eine positive Amplitudenbelegung.
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Die Antennenelemente und die Anschlussleitung können in Mikrostreifenleitertechnik ausgebildet sein. Bei anderen Radarsensoren kann die Antennenanordnung jedoch auch durch Hohlleiter- oder SIW-Antennen (Substrate Integrated Waveguide) gebildet werden. Wenn die Antennenelemente in Mikrostreifenleitertechnik ausgebildet sind, kann durch Variieren der Breite und Länge der einzelnen Antennenpatches die Amplitudenbelegung der Antennenelemente so eingestellt werden, dass Nebenkeulen in der Richtcharakteristik der Antennenanordnung weitgehend unterdrückt werden. Das gilt sowohl für die abgestrahlte Leistung bei Sendeantennen als auch für die richtungsabhängige Empfindlichkeit bei Empfangsantennen.
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Auch bei guter Nebenkeulenunterdrückung haben die Radarsensoren jedoch ein relativ unscharf begrenztes Gesichtsfeld, da die emittierte Leistung und die Empfindlichkeit als Funktion des Richtungswinkels an den Rändern des Sichtbereiches nur allmählich abfallen. In bestimmten Anwendungsfällen kann es dadurch zu unerwünschten Effekten kommen, beispielsweise zu Störsignalen aufgrund von Reflexionen von irrelevanten Objekten am Rand des Gesichtsfelds.
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Bei autonomen Fahrsystemen für Kraftfahrzeuge steigen generell die Anforderungen an die Sensorik, und es wird häufig eine größere Anzahl von Radarsensoren in einem einzelnen Fahrzeug verbaut. Dabei wird es zunehmend schwierig, für diese Radarsensoren geeignete Montageorte am Fahrzeug zu finden, bei denen das Signal nicht durch Fahrzeugstrukturen in der Umgebung des Sensors gestört wird, beispielsweise durch Teile von Stoßfängern, auf den Stoßfängern angebrachte Embleme und dergleichen. Durch die unscharfe Begrenzung der Gesichtsfelder der Radarsensoren wird die Empfindlichkeit gegenüber solchen Störquellen erhöht.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Radarsensor mit schärfer begrenztem Gesichtsfeld zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Antennenanordnung mindestens ein Paar von Antennenelementen aufweist, die in entgegengesetzten Richtungen von der Anschlussleitung ausgehen und deren Abstand ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ ist, so dass eines dieser Antennenelemente in Bezug auf die Antennenelemente des Tripels eine negative Amplitudenbelegung hat.
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Da die in diese beiden Antennenelemente eingespeisten Signale gleichphasig sind, ergibt sich durch die gegenständige Anordnung der Antennenelemente eine negative Amplitudenbelegung. Durch die Möglichkeit, solche negativen Amplitudenbelegungen zu realisieren, wird zusätzlicher Spielraum für die Strahlformung geschaffen.
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Wenn ein scharf begrenztes Gesichtsfeld erwünscht ist, so hat die Kurve, die die Richtcharakteristik, also die Winkelabhängigkeit des Antennengewinns beschreibt, eine annährend rechteckförmige Gestalt. Innerhalb eines begrenzten Winkelbereiches um die 0°-Richtung herum ist der Antennengewinn annähernd konstant, während er dann an den Rändern des Sichtbereiches scharf abfällt. Der Zusammenhang zwischen der Richtcharakteristik und der Amplitudenbelegung des Antennenarrays ist im Prinzip durch eine Fouriertransformation gegeben. Die Fourier-Transformierte einer Rechteckfunktion hat ein oszillierendes Verhalten, so dass in der Amplitudenbelegung neben positiven auch negative Koeffizienten auftreten. Da sich solche negativen Amplitudenbelegungen sich mit der erfindungsgemäßen Antennenanordnung darstellen lassen, kann eine Richtcharakteristik erreicht werden, die einer Rechteckform angenähert ist.
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Die ist sowohl bei Sendeantennen als auch bei monostatischen Antennenkonzepten, bei denen die Antennenelemente sowohl senden als auch empfangen, und ebenso bei reinen Empfangsantennen anwendbar, auch wenn im letzteren Fall ist die Anschlussleitung eine Empfangsleitung, während sie in den anderen Fällen eine Speiseleitung ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen angegeben.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Antennenanordnung in einem erfindungsgemäßen Radarsensor;
- 2 Richtcharakteristiken für zwei unterschiedliche Antennenanordnungen;
- 3 idealisierte Darstellungen von Richtcharakteristiken eines herkömmlichen Radarsensors und eines erfindungsgemäße Radarsensors; und
- 4 ein Beispiel für eine Einbausituation eines Radarsensors in einem Kraftfahrzeug.
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In 1 ist ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Antennenanordnung in einem Radarsensor gezeigt. Die Antennenanordnung ist in diesem Beispiel in Mikrostreifenleitertechnik auf einem nicht gezeigten Substrat ausgebildet und umfasst eine Vielzahl von Antennenelementen 10, 12, die zumindest in einem zentralen Bereich der Antennenanordnung abwechselnd auf entgegengesetzten Seiten einer geradlinig verlaufenden Anschlussleitung 14 angeordnet sind. Über die Anschlussleitung 14 werden die Antennenelemente 10, 12 seriell mit Mikrowellenenergie gespeist.
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Im gezeigten Beispiel ist das in 1 linke Ende der Anschlussleitung 14 an eine nicht gezeigte Signalquelle angeschlossen. Das von dieser Signalquelle ausgehende Signal wird am in 1 rechten Ende der Anschlussleitung reflektiert, so dass sich in der Anschlussleitung eine stehende Welle 16 ausbildet, die in der Zeichnung gestrichelt dargestellt ist. Die Wellenlänge λ dieser Welle ist durch die Frequenz des zu sendenden Radarsignals bestimmt. In der Praxis wird die Frequenz des Radarsignals zumeist innerhalb eines gewissen Frequenzbandes moduliert. Die Antennenanordnung ist für eine Frequenz ausgelegt, die der Mitte dieses Frequenzbandes entspricht. Der Abstand zwischen einem Antennenelement 10 auf der einen Seite der Anschlussleitung 14 und dem nächsten Antennenelement 12 auf der gegenüberliegenden Seite der Anschlussleitung entspricht jeweils der Hälfte der Wellenlänge λ.
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Die Antennenelemente 10, 12 befinden sich jeweils in der Position der Schwingungsbäuche der stehenden Welle 16. Aufgrund des Abstands von λ/2 sind die Signale an den Positionen der Antennenelemente 10 auf der einen Seite gegenphasig zu den Signalen an den Positionen der Antennenelemente 12 auf der gegenüberliegenden Seite. Da jedoch die Antennenelemente 10 und 12 in entgegengesetzten Richtungen von der Anschlussleitung 14 ausgehen, sind die oszillierenden Dipolmomente und dementsprechend die emittierten Radarwellen in Phase. Somit haben die Koeffizienten, die die Amplitudenbelegung der Antennenelemente 10, 12 beschreiben, das gleiche Vorzeichen. Beispielsweise sind alle Amplitudenbelegungen für die Antennenelemente 10 und 12 positiv. In der Zeichnung ist dies daran zu erkennen, dass das Muster der Antennenelemente 10, 12 grob die Elongation der stehenden Welle 16 abbildet.
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Je zwei der Antennenelemente 10 und das dazwischenliegende Antennenelement 12 bilden ein Tripel, bei dem die äußeren Antennenelemente 10 in der einen Richtung von der Anschlussleitung ausgehen und das mittlere Antennenelement 12 in der entgegengesetzten Richtung. Das gleiche gilt auch für Tripel aus zwei Antennenelementen 12 und ein dazwischen liegendes Antennenelement 10. Die in 1 gezeigte Antennenanordnung weist in ihrem mittleren Bereich mehrere solcher Tripel auf.
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Erfindungsgemäß wird dieses Muster jedoch im Bereich der Enden der Antennenanordnung durchbrochen. Dort gibt es Antennenelemente 18, die auf der gleichen Seite der Anschlussleitung 14 liegen wie die Antennenelemente 10, deren Abstand zu den Antennenelementen 12 auf der gegenüberliegenden Seite jedoch jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ beträgt. Ebenso gibt es Antennenelemente 20, die auf der gleichen Seite liegen wie die Antennenelemente 12, deren Abstand zu den Antennenelementen 10 auf der gegenüberliegenden Seite jedoch ebenfalls ein ganzzahliges Vielfaches von λ beträgt. Für diese Antennenelemente 18, 20 ist die Amplitudenbelegung negativ, was in der Zeichnung daran zu erkennen ist, dass die Richtung, in der diese Antennenelemente 18, 20 von der Anschlussleitung 14 ausgehen, der Richtung der Elongation der stehenden Welle 16 entgegengesetzt ist. Durch diese nicht durchgehend positive Amplitudenbelegung wird eine eher rechteckförmige Richtcharakteristik erreicht.
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Im gezeigten Beispiel befinden sich die Antennenelemente 18, 20 mit negativer Amplitudenbelegung an den entgegengesetzten Enden der Antennenanordnung und ihr gegenseitiger Abstand beträgt λ/2.
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Wie weiterhin in 1 zu erkennen ist, haben die Antennenelemente 10, 12, 18, 20 unterschiedliche Längen und Breiten. Durch diese Variationen der Länge und Breite werden die Beträge der Amplituden in bekannter Weise so modifiziert, dass Nebenkeulen in der Richtcharakteristik weitgehend unterdrückt werden.
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Die oben beschriebene Antennenanordnung lässt sich nicht nur bei Sendeantennen verwenden, sondern auch bei monostatischen Antennenkonzepten, bei denen die Antennenelemente 10, 12, 18, 20 sowohl senden als auch empfangen, und auch bei reinen Empfangsantenne.
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In 2 sind Beispiele für Richtcharakteristiken unterschiedlicher Antennenanordnungen gezeigt. Die in 2 in durchgezogenen Linien eingezeichnete Kurve 22 gibt die Richtcharakteristik für die in 1 gezeigte Antennenanordnung an. Dabei ist die Richtcharakteristik gegeben durch den Antennengewinn (in dB) als Funktion des Winkels θ unter dem die Radarstrahlung emittiert bzw. empfangen wird, wobei die 0°-Richtung die Richtung senkrecht zur Anschlussleitung 14 ist, senkrecht zur Zeichenebene in 1. Zum Vergleich gibt eine gestrichelt eingezeichnete Kurve 24 die Richtcharakteristik einer herkömmlichen Antennenordnung an, bei der sich das Muster der abwechselnd auf entgegengesetzten Seiten liegenden Antennenelemente 10 und 12 über die gesamte Länge der Antennenanordnung fortsetzt. Man erkennt, dass die Kurve 24 für die herkömmliche Antennenanordnung ein deutliches Maximum bei 0° hat und schon bei relativ kleinen Winkeln nach beiden Seiten hin deutlich abfällt. Bei der Kurve 22 für die erfindungsgemäße Antennenanordnung ist dagegen das Maximum flacher. Bei 0° ist der Antennengewinn etwas kleiner als bei der Kurve 24, er bleibt jedoch in einem Winkelbereich von bis zu etwa +/- 10° annähernd konstant. Bei größeren Winkeln fällt dagegen die Kurve 22 relativ steil ab, während die Kurve 24 hier wesentlich langsamer abklingt. Nebenkeulen bei Winkeln in der Nähe von +/- 30° sind bei beiden Kurven etwa gleich gut unterdrückt.
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Die Kurve 22 für die erfindungsgemäße Antennenanordnung kommt einer gewünschten Rechteckform deutlich näher als die Kurve 24 für die herkömmliche Antennenanordnung.
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In 3 ist idealisiert die Winkelabhängigkeit der Reichweite R für einen Radarsensor mit einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung (Kurve 26) und für einen herkömmlichen Radarsensor (Kurve 28) dargestellt. Der erfindungsgemäße Radarsensor hat in einer Kernzone II eine annähernd konstante Reichweite, während beim Übergang in die Randzonen I und III die Reichweite abrupt abnimmt. Die Breite der Kernzone II wird in der Praxis so gewählt, dass sie den für die Fahrzeugführung relevanten Winkelbereich abdeckt. Da aus den Randzonen I und III kaum Radarechos empfangen werden, werden Störsignale aus diesen Randzonen weitgehend ausgeblendet, wodurch die Auswertung und Interpretation des Radarsignals erleichtert wird. Im Zuge einer Entwicklung, in der immer mehr Fahrzeuge mit Radarsensoren ausgerüstet werden, kommt als weiterer Vorteil hinzu, dass weniger Störsignale für die Radarsensoren entgegenkommender Fahrzeuge verursacht werden.
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Bei dem herkömmlichen Radarsensor (Kurve 28) ist dagegen die Reichweite auch in den Randzonen I und III noch relativ hoch, so dass die Anzahl der Störsignale entsprechend größer ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Antennenanordnung werden im Sendebetrieb die Randzonen I und III nicht ausgeleuchtet, und die dadurch frei werdende Energie wird genutzt, eine höhere und gleichbleibende Empfindlichkeit in der Kernzone II zu erreichen. In der 0°-Richtung ist die Reichweite dieses erfindungsgemäßen Radarsensors zwar etwas kleiner als die des herkömmlichen Sensors, doch kann diese geringfügige und auf einen sehr engen Winkelbereich beschränkte Reduktion der Reichweite ohne weiteres in Kauf genommen werden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antennenanordnung und der dadurch erreichten Richtcharakteristik ist in 4 illustriert. Hier ist eine Einbausituation gezeigt, bei der ein Radarsensor 30 so in einem Kraftfahrzeug verbaut ist, dass er zwischen zwei anderen Komponenten 32 des Kraftfahrzeugs liegt. Diese anderen Komponenten 32 bilden Reflexionsflächen, die einen Teil der eintreffenden Radarechos reflektieren und unter einem relativ großen Winkel auf den Radarsensor 30 lenken. Die auf diese Weise reflektierten Radarsignale 34 bilden unterwünschte Störsignale. Bei dem erfindungsgemäßen Radarsensor liegen diese reflektierten Signale 34 jedoch in den Randzonen I und III, in denen die Empfindlichkeit null oder sehr klein ist, so dass die Störsignale automatisch ausgeblendet werden. Auf diese Weise wird insbesondere bei dem Einbau einer Vielzahl von Radarsensoren in ein Kraftfahrzeug eine größere konstruktive Freiheit hinsichtlich der Positionierung der Radarsensoren erreicht.
