DE102020205946A1 - Radarsensor und Verfahren zum Herstellen eines Radarsensors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radarsensor, mit einer Antenneneinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, Radarstrahlung auszusenden und/oder reflektierte Radarstrahlung zu empfangen; und einem Radom, welches für die Radarstrahlung durchlässig ist und dazu ausgebildet ist, die Antenneneinrichtung vor äußeren Einwirkungen zu schützen; wobei das Radom zumindest teilweise aus geschäumtem Kunststoff besteht.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radarsensor und ein Verfahren zum Herstellen eines Radarsensors. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Radarsensor zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
• Stand der Technik
• Radome dienen dem Schutz von Radarsensoren vor äußeren Einwirkungen chemischer und physikalischer Art. Aus der DE 10350034 A1 ist eine Antennenanordnung insbesondere für Radaranwendungen bei Kraftfahrzeugen bekannt. Hierbei ist ein Antennenspeisesubstrat mit planaren Antennenstrahlelementen verbunden. Für die Antennenstrahlelemente ist ein fixierbares Aufnahmeteil vorgesehen, welches der Abschirmung des Antennenspeisesubstrats dienen kann.
• Ein Radom kann als Platte mit einer definierten Dicke und einem definierten Abstand zur Antenne ausgeführt sein. Für eine feste Frequenz der Radarstrahlung kann die Dicke hierzu derart ausgelegt sein, dass diese ein Vielfaches der entsprechenden halben Wellenlänge beträgt. Eine derartige Dicke ist optimal, da dadurch erreicht werden kann, dass das Radom für die Radarstrahlung im Wesentlichen transparent ist, d.h. die Reflexion minimiert wird.
• Bei einer Abweichung der Dicke das Radoms von der optimalen Dicke ändert sich die Eigenschaft der Radartransparenz jedoch relativ schnell, sodass hohe Anforderungen an die Toleranz der Dicke und an den Abstand des Radoms von den Antennenelementen gestellt werden muss.
• Zusätzlich zur Abhängigkeit von der Dicke ist die Radartransparenz weiter von dem Material des Radoms sowie von der genauen Frequenz der Radarstrahlung und dem Einfallswinkel der Radarstrahlung auf das Radom abhängig.
• Moderne Radarsensoren können in erweiterten Frequenzbereichen sowie in größeren Winkelbereichen betrieben werden. Mit einem dickenoptimierten Radom kann die gleichzeitige Erfüllung von Bandbreite und dem großen Winkelbereich jedoch nicht ohne Weiteres erreicht werden.
• Offenbarung der Erfindung
• Die Erfindung stellt einen Radarsensor und ein Verfahren zum Herstellen eines Radarsensors mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
• Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
• Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach einen Radarsensor mit einer Antenneneinrichtung und einem Radom. Die Antenneneinrichtung ist dazu ausgebildet, Radarstrahlung auszusenden und/oder reflektierte Radarstrahlung zu empfangen. Das Radom ist für die Radarstrahlung durchlässig und dazu ausgebildet, die Antenneneinrichtung vor äußeren Einwirkungen zu schützen. Das Radom besteht zumindest teilweise aus geschäumtem Kunststoff.
• Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Radarsensors. Eine Antenneneinrichtung wird bereitgestellt, welche dazu ausgebildet ist, Radarstrahlung auszusenden und/oder reflektierte Radarstrahlung zu empfangen. Weiter wird ein Radom ausgebildet, welches die Antenneneinrichtung vor äußeren Einwirkungen schützt, wobei das Radom für Radarstrahlung durchlässig ist. Das Radom wird zumindest teilweise aus geschäumtem Kunststoff ausgebildet.
• Vorteile der Erfindung
• Durch die Verwendung von geschäumtem Kunststoff können eine geringe Durchgangsdämpfung und Reflexion das Radoms erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Toleranzen in der Schichtdickendimensionierung im Wesentlichen unkritisch werden. Somit kann die Schichtdicke im Wesentlichen beliebig gewählt werden. So kann etwa durch die Verwendung dicker Schichten ein besserer Schutz geleistet werden. Zusätzlich wird die Herstellung vereinfacht, da bei der Dicke der Schicht weniger auf die Präzision geachtet werden muss.
• Das Radom aus geschäumtem Kunststoff ermöglicht die Verwendung des Radarsensors in erweiterten Frequenzbereichen, etwa im Bereich von 76 GHz bis 81 GHz. Weiter kann der Radarsensor bei großen Öffnungswinkelbereichen von bis zu +/- 90° ohne höhere Verluste verwendet werden. Besonders vorteilhaft sind Radarsensoren, welche sowohl einen erweiterten Frequenzbereich als auch größere Öffnungswinkelbereiche aufweisen.
• Als Kunststoff können beliebige elektrisch verlustarme Polymere verwendet werden, etwa alle technischen Kunststoff-Grundmaterialien, welche für den Kraftfahrzeugbereich zugelassen sind. Beispielsweise kann der geschäumte Kunststoff zumindest eines umfassen von Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polysulfon (PSU) und Polycarbonat (PC).
• Gemäß einer Ausführungsform des Radarsensors ist die relative Permittivität des geschäumten Kunststoffs kleiner als ε_r = 1,4. Dadurch ist die Reflexion typischerweise dickenunabhängig kleiner als -15 dB.
• Gemäß einer Ausführungsform des Radarsensors ist das Radom von der Antenneneinrichtung beabstandet. Das Radom kann etwa als Platte ausgebildet sein, wobei zwischen der Platte und der Antenneneinrichtung ein Luftspalt ausgebildet ist.
• Gemäß einer Ausführungsform des Radarsensors ist das Radom als Umschäumung der Antenneneinrichtung ausgebildet. Dadurch kann der Schutz der Antenneneinrichtung verbessert werden.
• Gemäß einer Ausführungsform des Radarsensors weist die Antenneneinrichtung eine Leiterplatte auf, wobei mindestens eine Antenne auf der Leiterplatte angeordnet ist, und wobei das Radom direkt auf der Leiterplatte angeordnet ist. Durch Verzicht auf einen Mindestabstand zwischen Antenneneinrichtung und Radom kann das Volumen des Radarsensors reduziert werden, was auch eine Verbesserung der Verbaumöglichkeiten nach sich zieht.
• Gemäß einer Ausführungsform des Radarsensors weist der geschäumte Kunststoff einen Luftanteil von mindestens 70 Prozent auf. Ein derartiger Luftanteil führt dazu, dass die Durchgangsdämpfung und Reflexion des Radoms im Wesentlichen unabhängig von der Dicke des Radoms hinreichend stark reduziert sind.
• Gemäß einer Ausführungsform des Radarsensors weist das Radom mindestens eine Schutzfolie auf. Beispielweise kann das Radom als umschäumtes Gehäuseteil ausgebildet sein, wobei im Fertigungsprozess eine harte Schutzschicht entstehen kann, welche etwa als Steinschlagschutz oder als sogenanntes Beauty-Cover ausgelegt sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch mindestens eine zusätzliche Schutzschicht vorgesehen werden, welche somit in einem separaten Verarbeitungsschritt ausgebildet wird. Die mindestens eine Schutzfolie kann etwa in der Fahrzeugfarbe lackiert sein.
• Gemäß einer Ausführungsform des Radarsensors ist die Dicke der Schutzfolie mindestens kleiner als 0,05 der Wellenlänge der von der Antenneneinrichtung ausgesendeten Radarstrahlung. Vorzugsweise ist bei einer Vielzahl von Schutzfolien die Gesamtdicke der Schutzfolien kleiner als 0,05 der Wellenlänge der von der Antenneneinrichtung ausgesendeten Radarstrahlung.
• Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Radarsensors wird das Radom durch Extrusionsschäumen ausgebildet.
• Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Radarsensors wird das Radom als Schaumspritzgussteil ausgebildet.
• Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird mindestens eine Schutzfolie während des Fertigungsprozessschrittes des Schäumens ausgebildet.
• Figurenliste
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Radarsensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
• 2 eine schematische Querschnittsansicht eines Radarsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
• 3 eine schematische Querschnittsansicht von verschiedenen Schichten zur Erläuterung der Bestimmung des Reflexionskoeffizienten;
• 4 eine schematische Darstellung der Reflexion in Abhängigkeit von der Permittivität und einer Plattendicke eines Radoms;
• 5 eine schematische Darstellung der Reflexion in Abhängigkeit von einer Dicke einer Schutzschicht und der Dicke eines Schaummaterials;
• 6 ein schematischer Verlauf der effektiven Permittivität in Abhängigkeit des Volumenanteils des Materials im ansonsten luftgefüllten Raum; und
• 7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Radarsensors.
• In den Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Radarsensors 1a. Der Radarsensor 1a umfasst eine Antenneneinrichtung 2, welche mindestens einen Sendepfad und/oder Empfangspfad mit einer oder mehreren Antennen aufweist, welche Radarstrahlung aussenden oder empfangen. Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Art von Antennen beschränkt. Insbesondere können Patch-Antennen, Waveguide-Antennen, Linsenantennen oder dergleichen vorgesehen sein.
• Bevorzugt kann die Antenneneinrichtung 2 dazu ausgebildet sein, Radarstrahlung in einem erweiterten Wellenlängenbereich auszusenden, etwa im Radarfrequenzbereich von 76 bis 81 Gigahertz. Die Antenneneinrichtung 2 ist somit vorzugsweise breitbandig ausgelegt.
• Weiter kann die Antenneneinrichtung 2 dazu ausgebildet sein, Radarstrahlung in einem großen Winkelbereich auszusenden, insbesondere bis zu +/- 90°. Die Antenneneinrichtung 2 kann somit für einen erweiterten Winkelbereich in der Richtcharakteristik des Antennendiagramms ausgelegt sein.
• Die Antenneneinrichtung 2 kann eine Leiterplatte umfassen, wobei die Antennenelemente auf der Leiterplatte angeordnet sind. In einem vorgegebenen Abstand von der Leiterplatte mit den Antennenelementen befindet sich ein Radom 3a, welches zwei Schichten 4, 5a umfasst. Die erste Schicht 5a ist der Antenneneinrichtung 2 zugewandt und besteht aus einem geschäumten Kunststoff. Der Volumenanteil von Luft betrifft vorzugsweise mindestens 70 Prozent.
• Der Kunststoff kann beispielsweise mindestens eines umfassen von Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polysulfon (PSU) und Polycarbonat (PC).
• Weiter umfasst das Radom 3a eine Schutzschicht 4, welche auf einer der Antenneneinrichtung 2 abgewandten Seite angeordnet ist. Die Schutzschicht 4 kann als Kratzschutz oder Beauty-Cover dienen. Die Schutzschicht 4 bildet eine dünne Folie und weist eine Dicke auf, welche vorzugsweise kleiner als 1/20-tel der Wellenlänge der Radarstrahlung ist, welche von Antenneneinrichtung 2 ausgesendet bzw. empfangen wird. Die Schutzschicht 4 ist vorzugsweise aus Vollmaterial ausgebildet.
• Das Radom 3a ist dazu vorgesehen, die Antenneneinrichtung 2 vor äußeren Einwirkungen, d.h. physikalischen und chemischen Einflüssen zu schützen. Die Schichten 4, 5a des Radoms 3a sind für Radarstrahlung durchlässig, sodass die Radarstrahlung das Radom 3a im Wesentlichen verlustfrei durchdringen kann.
• 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Radarsensors 1b. Der Radarsensor 1b unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Radarsensor 1a durch die Ausgestaltung des Radoms 3b. Dieses umfasst wiederum eine oben beschriebene Schutzfolie 4. Zusätzlich umfasst das Radom 3b eine Schicht aus geschäumtem Kunststoff 5b, welche als Umschäumung der Antenneneinrichtung 2 ausgebildet ist.
• Im Folgenden sollen die Reflexionseigenschaft der beschriebenen Radome 3a, 3b genauer erläutert werden.
• 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht von verschiedenen Schichten (Bereiche 1 bis 3) zur Erläuterung der Bestimmung des Reflexionskoeffizienten. Die Reflexions- und Transmissionseigenschaften einer Platte (Bereich 2) mit der Dicke d werden durch die Materialeigenschaften bestimmt, d.h. der relativen Permittivität ε_r.
• Die Reflexions- und Transmissionskoeffizienten Γ und T an der Grenzschicht lassen sich durch folgende Formel ausdrücken: $$\begin{array}{ccc}\mathrm{\Gamma }=\frac{\eta 2-\eta 1}{n2+\eta 1}& \text{T}=\frac{2\eta 2}{n2+\eta 1},& \mathrm{\eta }=\sqrt{\mu /\epsilon },\end{array}$$

  
• Hierbei gilt: $$\epsilon ={\mathrm{\epsilon }}_0\cdot {\mathrm{\epsilon }}_{\text{r}},\mu ={\mathrm{\mu }}_0\cdot {\mathrm{\mu }}_{\text{r}},{\mathrm{\mu }}_{\text{r}}\cong 1$$

  
• In obiger Formel bezeichnet ε_0 die Permittivität im Vakuum, µ_0 die magnetische Feldkonstante, und µ_r die relative Permeabilität. n_1 und n_2 sind die Brechungsindizes der jeweiligen Bereiche.
• Der gesamte Reflexionskoeffizient Γ_in wird bestimmt durch die Reflektion an den einzelnen Grenzschichten sowie durch die Ausbreitung im Material mit der Ausreitungskonstanten β $$\beta =\frac{2\mathrm{\pi }}{\lambda }\cdot \sqrt{{\epsilon }_r}$$

  
• Hierbei bezeichnet λ die Wellenlänge der ausgesendeten Radarstrahlung.
• Der gesamte Reflexionskoeffizient Γ_in lässt sich anhand der 3 wie folgt darstellen: $$\begin{array}{l}{\mathrm{\Gamma }}_{\text{in}}\left(z=-d^{-}\right)={\mathrm{\Gamma }}_{12}+T_{12}{\mathrm{\Gamma }}_{23}{T}_{21}{e}^{-j2\theta }+T_{12}{\mathrm{\Gamma }}_{21}{\mathrm{\Gamma }}_{23}^2{T}_{21}{e}^{-j4\theta }+\dots \\ {\mathrm{\Gamma }}_{\text{in}}\left(z=-d^{-}\right)={\mathrm{\Gamma }}_{12}+T_{12}{\mathrm{\Gamma }}_{23}{T}_{21}{e}^{-j2\theta }\left[1+{\mathrm{\Gamma }}_{21}{\mathrm{\Gamma }}_{23}^{}{e}^{-j2\theta }+{\left({\mathrm{\Gamma }}_{21}{\mathrm{\Gamma }}_{23}^{}{e}^{-j2\theta }\right)}^2+\dots \right]\end{array}$$

  
• Hierbei bezeichnen Γ_ij und T_ij die jeweiligen Reflexions- und Transmissionskoeffizienten beim Übergang von Schicht i zu Schicht j, mit i, j = 1,2,3, wobei: $$\theta =\beta \cdot d$$

  
• In 3 sind mögliche Reflexions- und Transmissionsprozesse eines einfallenden Radarstrahls abgebildet.
• Mittels der Formel für die geometrische Reihe ergibt sich folgender Ausdruck: $${\mathrm{\Gamma }}_{\text{in}}\left(z=-d^{-}\right)={\mathrm{\Gamma }}_{12}+\frac{T_{12}{T}_{21}{\mathrm{\Gamma }}_{23}{e}^{-j2\theta }}{1-{\mathrm{\Gamma }}_{21}{\mathrm{\Gamma }}_{23}{e}^{-j2\theta }}$$

  
• Für verlustlose Materialien kann die Transmission T aus der Reflexion Γ ermittelt werden: $${\text{T}}^2=1-{\mathrm{\Gamma }}^2$$

  
• 4 zeigt eine schematische Darstellung der Reflexion in Abhängigkeit von der relativen Permittivität ε_r und einer Plattendicke d des Radoms 3a, 3b in Millimetern. Eingezeichnet sind Grenzlinien von -15 dB, welche vorzugsweise einzuhalten sind. Wie man 4 entnehmen kann, ist für ein Vollmaterial von Polycarbonat mit ε _r = 2,8 eine Dicke von etwa 2,4 mm für eine geringe Reflexion erforderlich. Bei Abweichungen von dieser Dicke nimmt die Reflexion stark zu. Für Materialien mit einem kleinen relativen Permittivitätswert von unter ε_r = 1,4 ist die Reflexion dickenunabhängig unter dem Wert von -15 dB. Dies lässt sich durch Verwendung geschäumter Materialien mit geeignetem Luftanteil erreichen.
• 5 zeigt eine schematische Darstellung der Reflexion für geschäumtem Materialien in Abhängigkeit von einer Dicke d_1 einer Schutzschicht 4 in Millimetern und der Dicke d_2 eines Schaummaterials 5a, 5b in Millimetern. Für den Fall eines Radoms 3b, welches die Antenneneinrichtung 2 umschäumt, wird die Dicke d_2 hierbei von der Antennenrichtung 2 zur Oberfläche des Radoms 3b gemessen. Wiederum ist die Grenzlinie von -15 dB eingezeichnet. Die Grenzlinie weist Maxima im Bereich der halben Wellenlänge im Material auf. Das Schaummaterial 5a, 5b weist hierbei einen relativen Permittivitätswert von ε_r = 1,3 auf. Wie zu erkennen ist, ist die Reflexion für Dicken d_1 der Schutzschicht 4 von etwa unter 0,1 mm unter dem Wert von -15 dB. Die Dicke d_1 der Schutzschicht 4 ist somit vorzugsweise klein genug gewählt, sodass der Einfluss auf das Reflexionsverhalten gering ist. Besonders bevorzugt wird die Dicke d_1 der Schutzschicht 4 derart gewählt, dass diese kleiner als etwa 1/20-tel der Wellenlänge der verwendeten Radarstrahlung ist.
• Durch die Mischung zweier Stoffe beim Schäumen, d.h. Luft und ein Kunststoffmaterial, ergibt sich eine effektive Permittivität, welche auf Basis folgender Mischungsformel gegeben ist: $${\epsilon }_{eff}={\left(v_0\cdot {\epsilon }_0^{\frac{1}{3}}+v_1\cdot {\epsilon }_1^{\frac{1}{3}}\right)}^3.$$

  
• Hierbei bezeichnen v_0 und v_1 den jeweiligen Volumenanteil und ε_1, ε_2 die jeweiligen Permittivitätswerte.
• 6 zeigt ein schematischer Verlauf der effektiven Permittivität ε_eff in Abhängigkeit des Volumenanteils P von Luft. Mit einem Volumenanteil von mindestens 70 Prozent Luft ist die effektive Permittivität ε_eff kleiner als etwa 1,4, sodass der oben beschriebene Grenzwert von -15 dB eingehalten wird.
• 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Radarsensors.
• In einem ersten Schritt S1 wird eine Antenneneinrichtung 2 bereitgestellt, welche Radarstrahlung aussendet und/oder reflektiert. Hierzu können beispielsweise Antennen auf einer Leiterplatte angeordnet werden.
• Weiter wird in einem zweiten Schritt S2 ein Radom 3a, 3b zum Schützen der Antenneneinrichtung 2 vor äußeren Einwirkungen ausgebildet. Das Radom 3a, 3b ist für Radarstrahlung durchlässig. Das Radom 3a, 3b besteht zumindest fallweise aus geschäumtem Kunststoff.
• Das Radom 3a, 3b kann mindestens eine Schicht 5a, 5b aus geschäumtem Kunststoff umfassen. Darüber hinaus können weitere Schichten ausgebildet werden. Insbesondere kann eine Schutzschicht 4 als dünne Folie vorgesehen sein, welche dem Kratzschutz bzw. Steinschlagschutz dient.
• Das Radom 3a, 3b kann durch Extrusionsschäumen ausgebildet werden. Weiter kann auch vorgesehen sein, das Radom 3a, 3b als Schaumspritzgussteil auszubilden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 10350034 A1 [0002]

Claims (11)

1. Radarsensor (1a; 1b), mit: einer Antenneneinrichtung (2), welche dazu ausgebildet ist, Radarstrahlung auszusenden und/oder reflektierte Radarstrahlung zu empfangen; und einem Radom (3a; 3b), welches für die Radarstrahlung durchlässig ist und dazu ausgebildet ist, die Antenneneinrichtung (2) vor äußeren Einwirkungen zu schützen; wobei das Radom (3a; 3b) zumindest teilweise aus geschäumtem Kunststoff besteht.
2. Radarsensor (1a; 1b) nach Anspruch 1, wobei das Radom (3a; 3b) als Umschäumung der Antenneneinrichtung (2) ausgebildet ist.
3. Radarsensor (1a; 1b) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Antenneneinrichtung (2) eine Leiterplatte umfasst, wobei mindestens eine Antenne auf der Leiterplatte angeordnet ist, und wobei das Radom (3a; 3b) direkt auf der Leiterplatte angeordnet ist.
4. Radarsensor (1a; 1b) nach Anspruch 1, wobei das Radom (3a; 3b) von der Antenneneinrichtung (2) beabstandet ist.
5. Radarsensor (1a; 1b) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der geschäumte Kunststoff einen Luftvolumenanteil von mindestens 70 Prozent aufweist.
6. Radarsensor (1a; 1b) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Radom (3a; 3b) mindestens eine Schutzfolie (4) aufweist.
7. Radarsensor (1a; 1b) nach Anspruch 6, wobei eine Dicke der mindestens einen Schutzfolie (4) kleiner als 0,05 der Wellenlänge der von der Antenneneinrichtung (2) ausgesendeten Radarstrahlung ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines Radarsensors (1a; 1b), mit den Schritten: Bereitstellen (S1) einer Antenneneinrichtung (2), welche dazu ausgebildet ist, Radarstrahlung auszusenden und/oder reflektierte Radarstrahlung zu empfangen; und Ausbilden (S2) eines Radoms (3a; 3b) zum Schützen der Antenneneinrichtung (2) vor äußeren Einwirkungen, wobei das Radom (3a; 3b) für Radarstrahlung durchlässig ist; wobei das Radom (3a; 3b) zumindest teilweise aus geschäumtem Kunststoff ausgebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Radom (3a; 3b) durch Extrusionsschäumen ausgebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Radom (3a; 3b) als Schaumspritzgussteil ausgebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei mindestens eine Schutzfolie (4) während des Schäumens ausgebildet wird.

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