DE102021111253A1 - Lens antenna with integrated interference filter structure - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Linsenantenne (300), die eine in die Linsenantenne integrierte Interferenzfilterstruktur (310) umfasst. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung für Radarmessungen. Die Vorrichtung umfasst eine Transceiver-Schaltung für ein Radarsignal. Die Transceiver-Schaltung umfasst einen Frequenzvervielfacher, der ausgebildet ist, um aus einer fundamentalen Frequenz eine Mittenfrequenz des Radarsignals zu generieren. Die Vorrichtung umfasst ferner eine mit der Transceiver-Schaltung (124) gekoppelte Linsenantenne (300). Die Linsenantenne (300) umfasst eine in die Linsenantenne (300) integrierte Interferenzfilterstruktur (310) umfasst, die ausgebildet ist, Signalanteile des Radarsignals um die fundamentale Frequenz abzuschwächen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung einer Linsenantenne (300). Das Verfahren umfasst ein Einformen einer Interferenzfilterstruktur (310) in eine Linsenantenne (300).The present invention relates to a lens antenna (300) comprising an interference filter structure (310) integrated into the lens antenna. The present invention also relates to a device for radar measurements. The device includes a transceiver circuit for a radar signal. The transceiver circuit includes a frequency multiplier that is designed to generate a center frequency of the radar signal from a fundamental frequency. The device further includes a lens antenna (300) coupled to the transceiver circuitry (124). The lens antenna (300) includes an interference filter structure (310) integrated into the lens antenna (300), which is designed to attenuate signal components of the radar signal by the fundamental frequency. The present invention further relates to a method of manufacturing a lens antenna (300). The method includes molding an interference filter structure (310) into a lens antenna (300).
Description
Technisches Gebiettechnical field
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Linsenantenne mit einer in die Linsenantenne integrierten Interferenzfilterstruktur, insbesondere für Radarmessungen. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Linsenantenne.Exemplary embodiments relate to a lens antenna with an interference filter structure integrated into the lens antenna, in particular for radar measurements. Further exemplary embodiments relate to a method for producing a lens antenna.
Hintergrundbackground
Radarbasierte Messsysteme gewinnen zunehmend an Bedeutung in verschiedenen Industrie-, Sicherheits- und Automobilanwendungen. Besonders in Industrieanwendungen unter rauen Bedingungen, wie in Hochöfen oder zur Füllstanderfassung, oder für zerstörungsfreie Prüfungen, Abstandsmessungen und Messungen in Werkzeugmaschinen, sowie in der hochauflösenden Bildgebung und Materialcharakterisierung ersetzen radarbasierte Messsysteme immer häufiger konventionelle Messsysteme. Um die steigenden Anforderungen an Genauigkeit und Auflösung zu erfüllen, sind höhere Frequenzen mit großen Modulationsbandbreiten notwendig. In der Vergangenheit waren III-V-Technologien wie Galliumarsenid (GaAs) die einzige Möglichkeit, Betriebsfrequenzen über 200 GHz zu erreichen. III-V-Technologien gehen allerdings mit hohen Produktionskosten und einem geringen Integrationsgrad einher. Damit sind diese Technologien weitestgehend zu ineffizient und unwirtschaftlich für großvolumige, kostengünstige Messsysteme. Dank jüngster Fortschritte in der Silizium-Germanium-Technologie (SiGe), sind damit ebenfalls Frequenzen über 200 GHz möglich bei gleichzeitig hohem Integrationsgrad und geringem Energieverbrauch. Die Si-Ge-Technologie ermöglicht somit eine kostengünstige Massenproduktion.Radar-based measurement systems are becoming increasingly important in various industrial, security and automotive applications. Especially in industrial applications under harsh conditions, such as in blast furnaces or for level detection, or for non-destructive testing, distance measurements and measurements in machine tools, as well as in high-resolution imaging and material characterization, radar-based measuring systems are increasingly replacing conventional measuring systems. In order to meet the increasing demands on accuracy and resolution, higher frequencies with large modulation bandwidths are necessary. In the past, III-V technologies such as gallium arsenide (GaAs) were the only way to reach operating frequencies above 200 GHz. However, III-V technologies are associated with high production costs and a low level of integration. As a result, these technologies are largely too inefficient and uneconomical for large-volume, cost-effective measuring systems. Thanks to recent advances in silicon-germanium technology (SiGe), frequencies above 200 GHz are also possible with a high degree of integration and low energy consumption at the same time. The Si-Ge technology thus enables cost-effective mass production.
Ein ultrakompakter, hochauflösender und hochgenauer SiGe-Transceiver für Radarmessungen kann beispielsweise zusammen mit On-Chip-Antennen auf einem MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) integriert sein. Eine Linsenantenne kann zusätzlich an dem MMIC angebracht sein, die das Radarsignal kollimiert und fokussiert. Um hohe Ausgangsfrequenzen in solchen MMICs zu erzeugen, wird etwa eine Multiplikationsstufe eingesetzt, die ein Grundsignal mit niedrigerer Frequenz, einer sogenannten fundamentalen Frequenz, vervielfacht. Das Grundsignal wird etwa in einem spannungsgesteuerten Oszillator erzeugt. Die Multiplikationsstufe kann das Grundsignal unterdrücken, was aber nur begrenzt möglich ist. Es ist schwer, auf dem MMIC Filterstrukturen zu implementieren. Push-Push-Verdoppler können die fundamentale Frequenz in einer hohen Güte zumindest abschwächen. Dennoch kommt es teilweise zu einem Durchsprechen des Grundsignals im Ausgangssignal des Radarsensors. Bei einem FMCW-Betrieb des Radarmesssystems (Frequency Modulated Continuous Wave) kann dies wiederum zu Falschzielen im Empfangsspektrum des Radarsensors führen. Aufgrund von Mehrfachreflexionen in der Linsenantenne kann sich das Falschziel im Empfangsspektrum so überlagern, dass es vom tatsächlichen Ziel nicht zu unterscheiden ist. Ein Durchsprechen des Grundsignals bei Mischer-Konzepten kann auch die Signalqualität reduzieren. Meist sind die niederfrequenten harmonischen Frequenzanteile des Grundsignals in der Abstrahlungsleistung höher und erschweren oder verhindern unter Umständen eine behördliche Zulassung des Messsystems oder eine Einhaltung von EMV-Richtlinien (Elektromagnetische Verträglichkeit). So gelten beispielsweise für die Abstrahlung im Frequenzbereich um 240 GHz andere Zulassungsregularien als für 60 GHz oder 120 GHz.For example, an ultra-compact, high-resolution, and highly accurate SiGe transceiver for radar measurements can be integrated on an MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) together with on-chip antennas. A lens antenna can also be attached to the MMIC that collimates and focuses the radar signal. In order to generate high output frequencies in such MMICs, a multiplication stage is used, for example, which multiplies a basic signal with a lower frequency, a so-called fundamental frequency. The basic signal is generated in a voltage-controlled oscillator. The multiplication stage can suppress the basic signal, but this is only possible to a limited extent. It is difficult to implement filter structures on the MMIC. Push-push doublers can at least attenuate the fundamental frequency to a high degree. Nevertheless, the basic signal sometimes speaks through in the output signal of the radar sensor. In FMCW operation of the radar measurement system (Frequency Modulated Continuous Wave), this can in turn lead to false targets in the reception spectrum of the radar sensor. Due to multiple reflections in the lens antenna, the false target can overlap in the reception spectrum in such a way that it cannot be distinguished from the actual target. In the case of mixer concepts, speaking through the basic signal can also reduce the signal quality. In most cases, the low-frequency harmonic frequency components of the basic signal are higher in the radiated power and, under certain circumstances, make it difficult or even prevent official approval of the measuring system or compliance with EMC guidelines (electromagnetic compatibility). For example, different approval regulations apply to radiation in the frequency range around 240 GHz than to 60 GHz or 120 GHz.
Daher kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrachtet werden, ein verbessertes Filterkonzept, etwa für Radaranwendungen, zu schaffen.It can therefore be regarded as an object of the present invention to create an improved filter concept, for example for radar applications.
Zusammenfassungsummary
Die obengenannte Aufgabe kann mithilfe der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Offenbarung gelöst werden. Abhängige Ansprüche der vorliegenden Offenbarung können vorteilhafte Ausführungsbeispiele angeben.The above object can be achieved with the help of the independent claims of the present disclosure. Dependent claims of the present disclosure may specify advantageous embodiments.
Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Linsenantenne, umfassend eine in die Linsenantenne integrierte Interferenzfilterstruktur.According to a first aspect, the present invention relates to a lens antenna, comprising an interference filter structure integrated into the lens antenna.
Die Linsenantenne kann Teil eines Radarmesssystems sein. Die Interferenzfilterstruktur dient beispielweise einer Filterung unerwünschter Frequenzanteile eines Radarsignals. Die Linsenantenne kann Teil eines Empfänger- und/oder Sendersystems für elektromagnetische Wellen, etwa im Radio- und/oder Terahertzbereich, sein.The lens antenna can be part of a radar measurement system. The interference filter structure is used, for example, to filter undesired frequency components of a radar signal. The lens antenna can be part of a receiver and/or transmitter system for electromagnetic waves, for example in the radio and/or terahertz range.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Interferenzfilterstruktur Materialabschnitte unterschiedlicher Permittivität.In some exemplary embodiments, the interference filter structure includes material sections of different permittivity.
Da sich beispielweise das Radarsignal mit verschiedenen Geschwindigkeiten in den Materialabschnitten unterschiedlicher Permittivität ausbreitet, können die Materialabschnitte ausgebildet sein, eine Phasenverzögerung von 180° bei den unerwünschten Frequenzanteilen hervorzurufen.Since, for example, the radar signal propagates at different speeds in the material sections of different permittivity, the material sections can be designed to cause a phase delay of 180° in the undesired frequency components.
In manchen Ausführungsbeispielen weisen erste Materialabschnitte der Interferenzfilterstruktur ein erstes Dielektrikum und zweite Materialabschnitte der Interferenzfilterstruktur ein zweites Dielektrikum auf.In some embodiments, first portions of material of the interference filter structure include a first dielectric and second material cuts the interference filter structure on a second dielectric.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Interferenzfilterstruktur Erhöhungen und fluidgefüllte Vertiefungen in einem Material der Linsenantenne.In some embodiments, the interference filter structure includes ridges and fluid-filled valleys in a material of the lens antenna.
Die Erhöhungen können eine von den Vertiefungen verschiedene Permittivität aufweisen.The elevations can have a different permittivity than the depressions.
In manchen Ausführungsbeispielen verläuft die Interferenzfilterstruktur entlang einer Ellipsoidoberfläche um einen Speisepunkt für die Linsenantenne.In some embodiments, the interference filter structure runs along an ellipsoidal surface around a feed point for the lens antenna.
Dadurch kann ein am Speisepunkt abgestrahltes Signal, wie das Radarsignal, gleichförmig auf die Interferenzfilterstruktur auftreffen. In anderen Worten können Bereiche einer Wellenfront des Signals phasengleich auf die Interferenzfilterstruktur auftreffen. Das Signal breitet sich etwa kugelförmig ausgehend vom Speisepunkt aus. Der Speisepunkt ist beispielweise ein Abstrahlpunkt einer Patch-Antenne für das Radarsignal.As a result, a signal radiated at the feed point, such as the radar signal, can impinge uniformly on the interference filter structure. In other words, areas of a wave front of the signal can impinge on the interference filter structure in phase. The signal propagates approximately spherically, starting from the feed point. The feed point is, for example, a radiation point of a patch antenna for the radar signal.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Interferenzfilterstruktur entlang der Ellipsoidoberfläche Materialabschnitte unterschiedlicher Permittivität.In some exemplary embodiments, the interference filter structure includes material sections of different permittivity along the ellipsoid surface.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Interferenzfilterstruktur auf der Ellipsiodoberfläche beabstandete Erhöhungen.In some embodiments, the interference filter structure includes ridges spaced apart on the ellipsoid surface.
In manchen Ausführungsbeispielen sind die Erhöhungen zumindest teilweise ringförmig ausgebildet.In some exemplary embodiments, the elevations are at least partially ring-shaped.
In manchen Ausführungsbeispielen sind die Erhöhungen rotationssymmetrisch ausgebildet.In some exemplary embodiments, the elevations are designed to be rotationally symmetrical.
In manchen weiteren Ausführungsbeispielen sind die Erhöhungen spiegelymmetrisch ausgebildet sind.In some further exemplary embodiments, the elevations are mirror-symmetric.
In manchen Ausführungsbeispielen sind Zwischenräume zwischen den Erhöhungen mit Luft gefüllt.In some embodiments, spaces between the ridges are filled with air.
In manchen Ausführungsbeispielen entspricht eine Höhe der Erhöhungen
Die Erhöhungen und Zwischenräume können somit eine Phasenverzögerung von 180° zwischen Teilen des unerwünschten Frequenzanteils, die auf den Erhöhungen auftreffen, und Teilen des unerwünschten Frequenzanteils, die auf den Zwischenräumen auftreffen, hervorrufen. Dadurch kann die Interferenzfilterstruktur eine destruktive Interferenz hervorrufen und den unerwünschten Frequenzanteil filtern.The ridges and gaps can thus introduce a 180° phase lag between parts of the unwanted frequency component that impinge on the ridges and parts of the unwanted frequency component that impinge on the gaps. As a result, the interference filter structure can cause destructive interference and filter the unwanted frequency component.
In manchen Ausführungsbeispielen weist die Linsenantenne und/oder die Interferenzfilterstruktur Teflon, Harz und/oder ein Polymer auf.In some embodiments, the lens antenna and/or the interference filter structure comprises Teflon, resin and/or a polymer.
Harz oder Polymer können als Druckmaterialien eines additiven Fertigungsverfahren verwendet werden. Aufgrund des additiven Fertigungsverfahrens kann die Interferenzfilterstruktur mit Harz oder Polymer präziser geformte Konturen als mit Teflon aufweisen.Resin or polymer can be used as printing materials of an additive manufacturing process. Due to the additive manufacturing process, the interference filter structure can have more precisely shaped contours with resin or polymer than with Teflon.
Teflon kann mit herkömmlichen Fertigungsverfahren wie Drehen oder Fräsen bearbeitet werden. Teflon kann bessere Frequenzeigenschaften als Harz oder Polymer hinsichtlich der Verluste, auch zu höheren Frequenzen hin, aufweisen.Teflon can be machined using conventional manufacturing processes such as turning or milling. Teflon can have better frequency properties than resin or polymer in terms of losses, even towards higher frequencies.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die Interferenzfilterstruktur ausgebildet, einen unerwünschten Frequenzanteil eines Signals im Radio- und/oder Terahertzbereich zu dämpfen.In some exemplary embodiments, the interference filter structure is designed to attenuate an unwanted frequency component of a signal in the radio and/or terahertz range.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der unerwünschte Frequenzanteil eine fundamentale Frequenz eines Oszillators, wobei der Oszillator Teil einer Transceiverschaltung ist, die das Signal für die Linsenantenne bereitstellt.In some embodiments, the unwanted frequency component comprises a fundamental frequency of an oscillator, where the oscillator is part of a transceiver circuit that provides the signal for the lens antenna.
Die Transceiverschaltung ist beispielsweise Teil eines Radarmesssystems und ausgebildet, ein Radarsignal zu senden und zu empfangen. Andere Komponenten der Transceiverschaltung, etwa ein Frequenzvervielfacher, können die fundamentale Frequenz des Oszillators aufbereiten, also etwa verdoppeln.The transceiver circuit is part of a radar measurement system, for example, and is designed to transmit and receive a radar signal. Other components of the transceiver circuit, such as a frequency multiplier, can condition the fundamental frequency of the oscillator, i.e. double it.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die Interferenzfilterstruktur ausgebildet, für einen unerwünschten Frequenzanteil eine destruktive Interferenz hervorzurufen.In some exemplary embodiments, the interference filter structure is designed to cause destructive interference for an unwanted frequency component.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Linsenantenne ferner einen ersten Teil und einen vom ersten Teil abnehmbaren zweiten Teil. Die Interferenzfilterstruktur kann mit dem ersten Teil einstückig ausgebildet sein und von dem ersten und zweiten Teil in einem zusammengesetzten Zustand umschlossen werden.In some embodiments, the lens antenna further includes a first part and a second part detachable from the first part. The interference filter structure may be integral with the first part and enclosed by the first and second parts in an assembled state.
Somit kann bei einer Fertigung der Linsenantenne die Interferenzfilterstruktur einfach in die Linsenantenne integriert werden.Thus, when manufacturing the lens antenna, the interference filter structure can be easily integrated into the lens antenna.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Linsenantenne ferner mindestens einen Befestigungsstift, der ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Teil der Linsenantenne miteinander formschlüssig zu verbinden.In some exemplary embodiments, the lens antenna further comprises at least one fastening pin which is designed to positively connect the first and the second part of the lens antenna to one another.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Interferenzfilterstruktur in einer radialen Richtung ausgehend von einem Speisepunkt für die Linsenantenne verschiedene dielektrische Materialschichten umfasst.In some exemplary embodiments, the interference filter structure comprises different dielectric material layers in a radial direction starting from a feed point for the lens antenna.
Beispielweise umfasst die Interferenzfilterstruktur damit einen Bragg-Filter, der einen unerwünschten Frequenzanteil eines Sendesignals filtern kann.For example, the interference filter structure thus includes a Bragg filter that can filter an unwanted frequency component of a transmission signal.
Gemäß einem zweiten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung für Radarmessungen, die eine Transceiver-Schaltung für ein Radarsignal umfasst. Die Transceiver-Schaltung umfasst einen Frequenzvervielfacher, der ausgebildet ist, um aus einer fundamentalen Frequenz eine Mittenfrequenz des Radarsignals zu generieren. Die Vorrichtung umfasst ferner eine mit der Transceiver-Schaltung gekoppelte Linsenantenne. According to a second aspect, the present invention relates to a device for radar measurements, comprising a transceiver circuit for a radar signal. The transceiver circuit includes a frequency multiplier that is designed to generate a center frequency of the radar signal from a fundamental frequency. The device further includes a lens antenna coupled to the transceiver circuitry.
Die Linsenantenne umfasst eine in die Linsenantenne integrierte Interferenzfilterstruktur, die ausgebildet ist, Signalanteile um die fundamentale Frequenz abzuschwächen.The lens antenna includes an interference filter structure integrated into the lens antenna, which is designed to attenuate signal components around the fundamental frequency.
Der Frequenzvervielfacher ist beispielweise Teil einer Multiplikationsstufe zur Frequenzaufbereitung des Radarsignals. Der Frequenzvervielfacher kann die fundamentale Frequenz etwa verdoppeln. Für die Radarmessungen kann das Radarsignal in einer Frequenzbandbreite um die Mittenfrequenz moduliert werden.The frequency multiplier is, for example, part of a multiplication stage for frequency processing of the radar signal. The frequency multiplier can roughly double the fundamental frequency. For the radar measurements, the radar signal can be modulated in a frequency bandwidth around the center frequency.
Gemäß einem dritten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Linsenantenne. Das Verfahren umfasst ein Einformen einer Interferenzfilterstruktur in eine Linsenantenne.According to a third aspect, the present invention relates to a method of manufacturing a lens antenna. The method includes molding an interference filter structure into a lens antenna.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Einformen ein Anwenden eines additiven Fertigungsverfahren.In some embodiments, molding includes applying an additive manufacturing process.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst das additive Fertigungsverfahren Stereolithografie und/oder selektives Lasersintern.In some embodiments, the additive manufacturing process includes stereolithography and/or selective laser sintering.
Weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung und des Verfahrens können verschiedene der im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Linsenantenne umfassen.Further embodiments of the apparatus and method may include various of the lens antenna embodiments described above.
Figurenlistecharacter list
Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt einer herkömmlichen Radarvorrichtung; -
2 einen Querschnitt einer herkömmlichen dielektrischen Filterplatte; -
3 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Linsenantenne; -
4a, b eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäße Linsenantenne in zwei weiteren Ausführungsformen; -
5a-d dielektrische Eigenschaften der Materialien FLGPCL03 und PA2200; -
6a, b einen Richtfaktor über verschiedene Abstrahlwinkel für eine Linsenantenne aus FLGPCL03 beziehungsweise PA2200; -
7a-c einen Spannungspegel eines empfangenen Radarsignals über verschiedene Entfernungen für eine Referenzantenne, eine Linsenantenne aus FLGPCL03 beziehungsweise PA2200.
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1 a cross section of a conventional radar device; -
2 a cross section of a conventional dielectric filter plate; -
3 a cross section of a lens antenna according to the invention; -
4a, b an exploded view of the lens antenna according to the invention in two further embodiments; -
5a-d dielectric properties of materials FLGPCL03 and PA2200; -
6a, b a directivity factor over different beam angles for a lens antenna from FLGPCL03 or PA2200; -
7a-c a voltage level of a received radar signal over different distances for a reference antenna, a lens antenna from FLGPCL03 and PA2200, respectively.
Beschreibungdescription
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.Various embodiments will now be described in more detail and with reference to the accompanying drawings, in which some embodiments are illustrated.
Obwohl Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden können, sind Ausführungsbeispiele in den Figuren als Beispiele dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es sei jedoch klargestellt, dass nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die jeweils offenbarten Formen zu beschränken, sondern Ausführungsbeispiele vielmehr sämtliche funktionale und/oder strukturelle Möglichkeiten, Äquivalente und Alternativen, die im Bereich der Erfindung liegen, abdecken sollen.Although example embodiments can be modified and altered in various ways, example embodiments are illustrated in the figures and are described in detail herein. It should be understood, however, that example embodiments are not intended to be limited to the precise forms disclosed, but rather that example embodiments are intended to cover all functional and/or structural possibilities, equivalents, and alternatives falling within the scope of the invention.
Eine Transceiver-Schaltung für ein Radarsignal kann einen Frequenzvervielfacher umfassen, der aus einem Grundsignal mit einer fundamentalen Frequenz eines Oszillators der Schaltung das Radarsignals generiert. Die Frequenz des Radarsignals kann ein Vielfaches der fundamentalen Frequenz betragen. Eine Linsenantenne kann an die Transceiver-Schaltung gekoppelt sein, um das Radarsignal, das etwa von On-Chip-Antennen oder anderen Antennenstrukturen abgestrahlt wird, zu fokussieren. Es kann notwendig sein, eine Abstrahlung unerwünschter Frequenzanteile des Radarsignals, etwa des Grundsignals des Oszillators, zu vermeiden, da sie zu Falschzielen oder Problemen bei der Frequenzzulassung und Einhaltung von EMV-Richtlinien führen kann. Daher kommen üblicherweise Filterstrukturen zum Einsatz.A transceiver circuit for a radar signal can include a frequency multiplier, which generates the radar signal from a basic signal with a fundamental frequency of an oscillator of the circuit. The frequency of the radar signal can be a multiple of the fundamental frequency. A lens antenna may be coupled to the transceiver circuitry to receive the radar signal, such as from on-chip antennas or other antennas structures is radiated to focus. It may be necessary to avoid emitting unwanted frequency components of the radar signal, such as the oscillator's fundamental signal, as they can lead to false targets or problems with frequency approvals and compliance with EMC guidelines. Therefore, filter structures are usually used.
Bekannt sind Hohlleiter, in die das Radarsignal eingekoppelt ist, und etwa durch Übertragungseigenschaften des Hohlleiters (Cut-Off-Frequenz) das Radarsignal auf gewünschte Weise anpassen. Zusätzlich können gängige Filterstrukturen in den Hohlleiter eingebracht sein. Außerdem sind Interferenzfilterplatten unterschiedlicher Permittivität oder mit geeigneter Strukturierung bekannt, die vor die On-Chip-Antenne oder die verwendete Antennenstruktur platziert werden. Durch Interferenz filtern sie die unerwünschten Frequenzanteile heraus. Die erwähnten Filterstrukturen können allerdings sperrig, kostenintensiv und schwer auszurichten sein.Waveguides are known, into which the radar signal is coupled and which adjust the radar signal in a desired manner, for example through the transmission properties of the waveguide (cut-off frequency). In addition, common filter structures can be introduced into the waveguide. In addition, interference filter plates of different permittivity or with a suitable structure are known, which are placed in front of the on-chip antenna or the antenna structure used. They use interference to filter out unwanted frequency components. However, the mentioned filter structures can be bulky, expensive and difficult to align.
Daher kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrachtet werden, ein verbessertes Konzept zur Filterung unerwünschter Frequenzanteile bereitzustellen.It can therefore be seen as an object of the present invention to provide an improved concept for filtering unwanted frequency components.
Ein Grundsignal der Radarvorrichtung 100 wird beispielweise von einem spannungsgesteuerten Oszillator (nicht gezeigt) erzeugt, der eine fundamentale Frequenz von 112 GHz (Gigahertz) aufweist. Das Grundsignal kann auf zwei Pfade aufgeteilt werden, die jeweils einen Frequenzvervielfacher, hier ein Frequenzverdoppler, für einen TX- beziehungsweise RX-Pfad speisen. Da eine Ausgangsfrequenz des Radarsignals bis zu 250 GHz betragen kann, kann diese zu hoch sein, um die dazugehörigen Pfade über Bonddrähte anzuschließen. Daher kann es notwendig sein, die zwei Patch-Antennen 126 zum Senden und Empfangen des Radarsignals direkt auf dem Chip 124 zu integrieren. Die Linsenantenne 110 kann einer Fokussierung des Radarsignals dienen.A fundamental signal of the
Der PLL-stabilisierte Modulationsbereich (Phase-Locked Loop; Phasenregelschleife) des FMCW-Radar-Transceiver 120 kann von 198 GHz bis 250 GHz reichen, was zu einer FMCW-Rampenbandbreite von 52 GHz führt - geeignet für hochauflösende Radarmessungen. Durch eine Integration von HF-Komponenten auf dem SiGe-Transceiver-MMIC 124 kann es notwendig sein, lediglich niederfrequente Signalpfade über Bonddrähte zu verbinden. Dies kann einen Einbau des SiGe-Transceiver-MMIC 124 in das QFN-Gehäuse 122 ermöglichen, das wiederum auf der Leiterplatte 130 angebracht ist, beispielsweise eine Standard-FR-4-Leiterplatte.The phase-locked loop (PLL) stabilized modulation range of the
Die Leiterplatte 130 kann ein Frontend mit analoger Signalstabilisierung und einer ZF-Schaltung (Zwischenfrequenz-Schaltung) umfassen. Das Frontend kann mit einem Backend verbunden sein, das einen Referenz-Quarzoszillator, eine Stromversorgungsschaltung und einen Mikrocontroller umfassen kann. Der Mikrocontroller dient etwa einer Konfiguration, Datenverarbeitung und Datenübertragung von Messdaten. Dazu kann der Mikrocontroller abgetastete ZF-Daten über eine USB-Schnittstelle an einen Computer weitergeben. Der Mikrocontroller kann zusätzlich für eine Konfiguration von PLL-Chips zuständig sein.The
Die Radarvorrichtung 100 kann also ein Ausgangssignal mit einer Mittenfrequenz von 224 GHz erzeugen, indem ein Frequenzverdoppler ein Grundsignal eines spannungsgesteuerten Oszillators mit einer fundamentalen Frequenz von 112 GHz verdoppelt. Dieses Konzept zur Signalerzeugung kann unter einem parasitären Durchsprechen des Grundsignals durch die Frequenzverdoppler leiden. Dann kann neben dem gewünschten, verdoppelten Ausgangssignal das Grundsignal mit abgestrahlt werden. Somit kann für ein echtes Ziel der Radarmessungen ein Falschziel auf der halben Distanz im Reichweitenspektrum auftauchen, was zu einer Mehrdeutigkeit bei einer Entfernungsbestimmung führen kann. Da das Durchsprechen nicht allein auf Chipebene, etwa durch eine bessere Frequenzverdoppler-Topologie und -Schaltung, vollständig unterdrückt werden kann, kann eine externe Filterstruktur Abhilfe schaffen.That is, the
Wie in
Die vorliegende Erfindung kann also als Ziel haben, eine Alternative zu den oben beschriebenen Konzepten zu bieten.The present invention may therefore aim to offer an alternative to the concepts described above.
Die Interferenzfilterstruktur 310 kann sich zumindest teilweise über eine Ebene im Inneren der Linsenantenne 300 erstrecken. Die Interferenzfilterstruktur 310 kann Materialabschnitte aus verschiedenen Dielektrika und/oder Verbundstoffen aufweisen. Die Interferenzfilterstruktur 310 kann entlang einer Ellipsoidoberfläche um den Speisepunkt 320 gekrümmt sein. Die Interferenzfilterstruktur 310 kann entlang der Ellipsoidoberfläche die verschiedenen Materialabschnitte aufweisen. Die verschiedenen Materialabschnitte können als verschiedene Materialstärken ausgebildet sein, das heißt, als Erhöhungen und Vertiefungen in einem oder mehreren Materialien der Interferenzfilterstruktur 310. Alternativ oder zusätzlich dazu können die Materialabschnitte etwa als verschiedene dielektrische Schichten entlang einer Achse 340 durch den Speisepunkt 320 und Brennpunkt 330 der Linsenantenne 300 ausgebildet sein. Die Interferenzfilterstruktur 310 kann eine Phasenverzögerung bei unerwünschten Frequenzanteilen des Signals hervorrufen, sodass sich ein mehr phasenverzögerter Teil der unerwünschten Frequenzanteile mit einem weniger phasenverzögerten Teil der unerwünschten Frequenzanteilen destruktiv überlagern und somit die unerwünschten Frequenzanteile abgeschwächt werden. Beispielweise können die verschiedenen Materialabschnitte aufgrund unterschiedlicher Permittivitäten der Materialabschnitte die Phasenverzögerung zumindest eines Teils der unerwünschten Frequenzanteile hervorrufen.The
Die Interferenzfilterstruktur 310 kann näher am Speisepunkt 320 oder davon weiter entfernt als in
Während die konventionelle Linsenantenne 110 aus einem massiven PTFE-Körper gefräst sein kann, kann die Linsenantenne 300 mit den integrierten Interferenzfilterstrukturen 310a, 310b zu komplex für ein mechanisches Fertigungsverfahren sein. Daher kann es von Vorteil sein, die Interferenzfilterstrukturen 310a, 310b mittels additiver Fertigungsverfahren, etwa Stereolithografie oder Selektivem Lasersintern, herzustellen.While the
Additive Fertigungsverfahren sind eine Umschreibung für Fertigungsverfahren, bei dem ein Werkstück Schicht für Schicht aufgebaut wird. Im Gegensatz zu den konventionellen Fertigungsverfahren, bei denen das Werkstück durch selektives Entfernen von Material aus einem Rohling gefertigt wird, wird bei additiven Fertigungsverfahren Material selektiv hinzugefügt. Dies kann die Herstellung sehr komplexer Formen ermöglichen.Additive manufacturing processes are a description of manufacturing processes in which a workpiece is built up layer by layer. In contrast to conventional manufacturing processes, in which the workpiece is manufactured by selectively removing material from a blank, additive manufacturing processes add material selectively. This can enable the production of very complex shapes.
Bei der Stereolithografie (SLA) kommt ein UV-Licht-empfindliches Flüssigharz als Basismaterial zum Einsatz. Ein UV-Laser mit einer spiegelbasierten Abtasteinheit bearbeitet das Basismaterial mittels selektiver Photopolymerisation. Der UV-Laser tastet eine Oberfläche des Werkstücks entlang eines Pfades auf einer Plattform ab. Der Pfad wird mit einer Slicer-Software vorgegeben. Sobald ein Laserstrahl des UV-Lasers auf das Flüssigharz trifft, erstarrt es sofort. Wenn eine Schicht des Werkstücks vollständig polymerisiert ist, wird sie aus dem Flüssigharz herausgenommen. Nach einem vollständigen Fertigen aller Schichten des Werkstücks wird es in eine UV-Kammer gelegt, um es auszuhärten. In Geometrien des Werkstücks, die sich von einem Grundkörper des Werkstücks weg erstrecken, also in überhängenden Komponenten des Werkstücks, treten während der Polymerisation Spannungen auf. Damit die Spannungen keine Verformungen und Bröckelungen in dem erstarrten Harz hervorrufen, werden Stützstrukturen verwendet, die in einem Nachbearbeitungsschritt wieder entfernt werden.In stereolithography (SLA), a UV light-sensitive liquid resin is used as the base material. A UV laser with a mirror-based scanning unit processes the base material using selective photopolymerization. The UV laser scans a surface of the workpiece along a path on a platform. The path is specified using slicer software. As soon as a laser beam from the UV laser hits the liquid resin, it solidifies immediately. When a layer of the workpiece is fully polymerized, it is taken out of the liquid resin. After all layers of the workpiece are fully fabricated, it is placed in a UV chamber to cure it. In geometries of the workpiece that extend away from a base body of the workpiece, ie in overhanging components of the workpiece, stresses occur during the polymerization. So that the stresses do not cause deformations and crumbling in the solidified resin, support structures are used, which are removed again in a post-processing step.
Beim Selektiven Lasersintern (SLS) wird im Gegensatz zur SLA ein Polymerpulver mithilfe eines Blade Coaters über eine Plattform verteilt. Eine Infrarot-Wärmelampe erwärmt das Pulver bis knapp unterhalb der Schmelztemperatur. Ein Kohlendioxidlaser verschmilzt Partikel des Pulvers, indem er sie selektiv über den Schmelzpunkt erhitzt. Ein Prozessschritt wird durch Absenken der Plattform um eine Schicht abgeschlossen. Dann kommt ein nächster Prozessschritt und der Prozesszyklus wiederholt sich, bis alle Schichten des Werkstücks aufgebaut sind. Das fertige Werkstück wird entnommen und von unbearbeitetem Pulver gereinigt. SLS kann den Vorteil haben, dass das Werkstück in das unbearbeitete Pulver eingearbeitet wird und folglich keine Stützstrukturen für überhängende Komponenten des Werkstücks erforderlich sind.In contrast to SLA, in selective laser sintering (SLS) a polymer powder is distributed over a platform using a blade coater. An infrared heat lamp heats the powder to just below the melting point. A carbon dioxide laser fuses particles of the powder by selectively heating them above the melting point. A process step is completed by lowering the platform by one layer. Then comes a next process step and the process cycle repeats itself until all layers of the workpiece have been built up. The finished workpiece is removed and cleaned of unprocessed powder. SLS can have the advantage of incorporating the workpiece into the raw powder and consequently eliminating the need for support structures for overhanging components of the workpiece.
Diese zwei additiven Fertigungsverfahren können verwendet werden, um die Linsenantenne 300 mit integrierter Interferenzfilterstruktur 310a, 310b zu fertigen. Zunächst können elektromagnetische Eigenschaften der jeweiligen Materialien der additiven Fertigungsverfahren bestimmt werden. Um Materialparameter zu bestimmen, kann etwa eine MCK-Messvorrichtung der Firma Swissto12 SA verwendet werden. Eine messtechnische Auswertung kann auf einer quasi-geführten Freiraumwellenmethode basieren. Der dementsprechende Messaufbau umfasst zwei Hohlleiter und einen flachen Prüfling aus dem jeweiligen Material. Eine Riffelung an Innenwänden der Hohlleiter kann eine ebene Wellenfront erzeugen, so dass eine ausgekoppelte Welle am Ende des Hohlleiters die gesamte Oberfläche des Prüflings phasengleich abdeckt. Der Prüfling kann dabei eine gesamte Apertur des Hohlleiters abdecken. Eine Dielektrizitätskonstante und ein dielektrischer Verlust der Prüflinge können anhand von gemessenen Streuparametern mit einem Kurvenanpassungsalgorithmus bestimmt werden. Die Dielektrizitätskonstante kann für eine gegebene Probendicke des Prüflings so lange variiert werden, bis Transmissions- und Reflexionskurven möglichst übereinstimmen. Da die Materialien nicht magnetisch sind, kann eine Permeabilität der Materialien als 1 angenommen werden. Für SLA und SLS können Standardmaterialien wie klares Harz „FLGPCL03“ beziehungsweise „PA2200“ (PA12) verwendet werden. In anderen Ausführungsbeispielen wird die Linsenantenne 300 aus einem anderen Material als die hier angeführten Materialien gefertigt. Die Linsenantenne 300 kann auch aus Teflon gefertigt werden und mit eine herkömmlichen Fertigungsverfahren bearbeitet werden, um die Interferenzfilterstruktur, etwa Interferenzfilterstruktur 310a oder 310b, in die Linsenantenne 300 zu integrieren.These two additive manufacturing methods can be used to manufacture the
In Hauptstrahlrichtung (bei 0°) schneidet in diesem Beispiel die Interferenzfilterstruktur 310a am besten ab, allerdings treten außerhalb der Hauptstrahlrichtung größere Nebenkeulen auf als bei der Interferenzfilterstruktur 310b. In diesem Beispiel liegt aber für PA2200 der Richtfaktor in den Nebenkeulen mit -5 dB bei Interferenzfilterstruktur 310a und mit -15 dB bei Interferenzfilterstruktur 310b unter dem Hauptkeulenrichtfaktor der Referenzantenne 610. In diesem Beispiel liegt für FLGPCL03 der Richtfaktor in den Nebenkeulen mit -5 dB bei Interferenzfilterstruktur 310a und -12 dB bei Interferenzfilterstruktur 310b ebenfalls unter dem Hauptkeulenrichtfaktor der Referenzantenne 620.In the main beam direction (at 0°), the
Um den oben beschriebenen Ansatz zu validieren, wurden Radarmessungen mit einem festen Reflektor als Ziel durchgeführt. Im Folgenden wird die Radarmessung beschrieben, was Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nicht auf die angegebenen Werte für eine Länge der Antenne oder Verluste beschränken soll. Der Reflektor wurde in 0,6 m (Meter) Abstand vor dem Radar-Transceiver 120 platziert.
Je nach Konzept der Signalerzeugung können moderne Radarsensoren unter einem Durchsprechen des Grundsignals um eine fundamentale Frequenz leiden. Dies kann zu Falschzielen im Entfernungsspektrum und damit zu einer Mehrdeutigkeit bei der Zielerfassung führen. Die vorliegende Erfindung schlägt daher eine Linsenantenne mit einer in die Linsenantenne integrierten Interferenzfilterstruktur vor. Die Interferenzfilterstruktur kann unerwünschte Signalanteile herausfiltern und damit Falschziele vermeiden, was zuverlässige und robuste Messungen in industriellen Messanwendungen ermöglicht. Zwei Ausführungsbeispiele der Interferenzfilterstruktur wurden beispielhaft demonstriert. Bei der Wahl der Interferenzfilterstruktur kann es notwendig sein, einen Kompromiss zwischen Durchlassunterdrückung und Höhe der Nebenkeulen zu finden. Außerdem wurde vorgeschlagen, die gezeigten Interferenzfilterstrukturen mittels additiver Fertigungsverfahren zu drucken. In den beschriebenen Messungen zeigte sich, dass Polyamid für den SLS-Druck die bessere Wahl bezüglich dielektrischer Verluste im Vergleich zum Photopolymer-Harz des SLA-Drucks sein kann, wobei letzteres hingegen die günstigere Wahl sein kann.Depending on the concept of signal generation, modern radar sensors can suffer from the fundamental signal leaking through at a fundamental frequency. This can lead to false targets in the range spectrum and thus to an ambiguity in target acquisition. The present invention therefore proposes a lens antenna with an interference filter structure integrated into the lens antenna. The interference filter structure can filter out unwanted signal components and thus avoid false targets, which enables reliable and robust measurements in industrial measurement applications. Two embodiments of the interference filter structure have been demonstrated by way of example. When choosing the interference filter structure, it may be necessary to find a compromise between transmission rejection and sidelobe levels. It was also proposed to print the interference filter structures shown using additive manufacturing processes. The measurements described showed that polyamide for SLS printing can be the better choice in terms of dielectric losses compared to the photopolymer resin of SLA printing, whereas the latter can be the cheaper choice.
Die Aspekte und Merkmale, die zusammen mit einem oder mehreren der vorher detaillierten Beispiele und Figuren beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden, um ein gleiches Merkmal des anderen Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das andere Beispiel zusätzlich einzuführen.The aspects and features described together with one or more of the previously detailed examples and figures can also be combined with one or more of the other examples to replace a same feature of the other example or to add the feature to the other example to introduce
Die folgenden Ansprüche werden hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Ferner ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen bezieht - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hiermit explizit vorgeschlagen, sofern nicht im Einzelfall angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt als abhängig von diesem anderen unabhängigen Anspruch definiert ist.The following claims are hereby incorporated into the Detailed Description, with each claim being able to stand on its own as a separate example. It should also be noted that although a dependent claim in the claims refers to a particular combination with one or more other claims, other examples may also include a combination of the dependent claim with the subject-matter of any other dependent or independent claim. Such combinations are hereby explicitly proposed, unless it is stated in individual cases that a specific combination is not intended. Furthermore, features of a claim are also intended to be included for any other independent claim, even if that claim is not directly defined as dependent on that other independent claim.
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