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Die Erfindung betrifft ein Radarsystem, umfassend ein elektrisches Bauelement zum Senden und/oder Empfangen von Radarsignalen und ein Antennenelement, wobei das Antennenelement als Kunststoffkörper ausgebildet ist, in welchen Kanäle mit metallisierten Kanalwänden eingebracht sind, wobei die Kanäle Hohlleiter bilden.
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Ein derartiges Radarsystem ist beispielsweise aus der
US 2021/0183797 A1 bekannt. Radarsysteme der eingangs genannten Art werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt und bilden dort einen Bestandteil von Fahrerassistenzsystemen. Hierzu erfassen Radarsysteme die Umgebung und ermöglichen anhand der erfassten Daten eine automatische Reaktion eines Kraftfahrzeugs oder zumindest eine Information des Fahrers, insbesondere in Form einer Warnung. Dadurch ist es einerseits möglich, die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs auf eine von dem Fahrer vorgegebene Geschwindigkeit zu regeln, wenn die Verkehrssituation dies zulässt, wobei automatisiert eine Anpassung der Geschwindigkeit an die Verkehrssituation erfolgt. In Notsituationen, die durch das Radarsystem erfasst werden, beispielsweise hervorgerufen durch unerwartete Spurwechsel anderer Fahrzeuge, kann eine automatische Notbremsung veranlasst werden. In Fahrerassistenzsystemen und Systemen des autonomen Fahrens werden Radarsysteme häufig mit weiteren Sensoren, beispielsweise Radsensoren und Kamerasensoren kombiniert. Radarsysteme haben im Vergleich zu den anderen Systemen dabei den Vorteil, dass diese auch bei schlechten Wetterbedingungen zuverlässig sind. Darüber hinaus ist es möglich, neben der Erfassung von Abständen zu erfassten Fahrzeugen und Gegenständen, über die Nutzung des Dopplereffekts auch die Relativgeschwindigkeit zu anderen Fahrzeugen bestimmen zu können.
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Bei einem Radarsystem bildet das Antennenelement ein zentrales Element, welches die Funktionsfähigkeit des Radarsystems maßgeblich beeinflusst. Dabei ist es bekannt, das Antennenelement aus einem ein- oder mehrteiligen Kunststoffkörper auszubilden, wobei in das Antennenelement Kanäle eingebracht sind und wobei die Kanalwände der Kanäle elektrisch leitfähig ausgerüstet sind, welche Hohlleiter bilden. Das Antennenelement wird dabei in Wirkverbindung mit dem elektrischen Bauelement zum Senden und/oder Empfangen von Radarsignalen gebracht.
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Das elektrische Bauelement ist zumeist ein Mikrochip in Form eines Hochfrequenzchips, der auf einer Platine angeordnet ist. Dabei ist problematisch, dass während des Betriebs des Radarsystems eine nennenswerte Wärmeemission erfolgt, was insbesondere auf das Erfordernis der Bereitstellung von elektromagnetischen Wellen in einem für Radarwellen üblichen Spektrum mit ausreichender Reichweite zurückzuführen ist. Die Wärmeemission kann je nach Ausgestaltung des Radarsystems mehrere Watt betragen, was insbesondere bei kompakt ausgebildeten Radarsystemen mit einer hohen Wärmebelastung auf kleinem Raum einhergeht. Aus Kunststoff ausgebildete Antennenelemente sind dabei aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit nur bedingt geeignet, Wärme in geeigneter Form aus dem System abzuführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Radarsystem bereitzustellen, welches verbesserte thermische Eigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird mit dem Merkmal von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Das erfindungsgemäße Radarsystem umfasst ein elektrisches Bauelement zum Senden und/oder Empfangen von Radarsignalen und ein Antennenelement, wobei das Antennenelement aus Kunststoffkörper ausgebildet ist, in welchen Kanäle mit elektrisch leitfähig ausgerüsteten Kanalwänden eingebracht sind, wobei die Kanäle Hohlleiter bilden, wobei in das Antennenelement Wärmeleitelemente eingebracht sind.
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Erfindungsgemäß hat das Antennenelement neben den elektromagnetischen Eigenschaften auch thermische Eigenschaften und kann Wärme durch das Antennenelement, aber auch aus dem Antennenelement heraus transportieren. Beispielsweise ist es denkbar, dass das Antennenelement über die Wärmeleitelemente während der Fertigung eingebracht Wärme abzutransportieren. Dadurch ist während der Fertigung einerseits eine höhere Wärmezufuhr und andererseits auch eine Verkürzung der Abkühlzeit möglich. Des Weiteren ist es möglich, ein kompaktes Radarsystem auszubilden, welches robust ist und über einen langen Zeitraum betrieben werden kann.
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Bei mehrteiligen Antennenelemente werden die einzelnen Elemente häufig über ein Lötverfahren miteinander verbunden. Die Wärmezufuhr erfolgt dabei zumeist über einen Luftstrom, der beidseitig auf das Antennenelement aufgebracht wird. Die Wärmeleitelemente verbessern den Transport der Warmluft und es verbessert Wärme besser in das Innere der Elemente transportiert werden kann. Dadurch kann der Fügeprozess beschleunigt werden, gleichzeitig ergibt sich eine Lötverbindung mit verbesserter Qualität.
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Die Wärmeleitelemente können Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen umfassen, die in den Kunststoffkörper eingebracht sind. Dabei sind die Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen unabhängig von den die Hohlleiter bildenden Kanälen in den Kunststoffkörper eingebracht. Als Kunststoff für das Antennenelement kommen insbesondere temperaturbeständige Polymere wie Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI), Polyphenylenether (PPE), Polyamid (PA), flüssigkristallines Polymer (LCP), Polycarbonat (PC), Polyphthalamid (PPA), Polyetheretherketon (PEEK) oder Mischungen der vorgenannten Polymere in Betracht.
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Die Wärmeleitfähigkeit kann durch eine Beschichtung der Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen mit wärmeleitfähigem Material verbessert werden. Vorteilhafte Materialien für die Beschichtung sind beispielsweise Metalle wie Nickel, Chrom, Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold. Diese Materialien sind auch für eine elektrische leitfähige Ausrüstung der Kanalwände geeignet. Über die Beschichtung der Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen erfolgt eine Wärmeleitung parallel zu dem Material des Antennenelemente, so dass sich Wärmeleitfähigkeit insgesamt verbessert. Eine typischer Wärmeleitkoeffizient für Kunststoff beträgt beispielsweise etwa 0,3 W/m×K und für Kupfer etwa 300 W/m×K.
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Die Schichtdicke der Beschichtung beträgt vorzugsweise zwischen 0,5 µm und 40 µm. Eine derartige Beschichtung ist kostengünstig und weist eine gute thermische Leitfähigkeit auf.
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Die Ausnehmungen können dabei beispielsweise in Form von Sacklöchern oder Durchgangslöchern ausgebildet sein. Dabei ist denkbar, die Ausnehmungen kreisförmig auszugestalten. Besonders bevorzugt weisen die Ausnehmungen oder Durchbrechungen aber eine von der Kreisform abweichende Gestalt auf. Dabei ist vorteilhaft, dass sich die Mantelfläche der Ausnehmungen beziehungsweise Durchbrechungen vergrößert, was wiederum die Wärmeleitfähigkeit erhöht. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Wandung der Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen mit wärmeleitfähigem Material beschichtet ist. Beispielsweise können die Ausnehmungen beziehungsweise Durchbrechungen in der Draufsicht betrachtet kleeblattförmig ausgebildet sein.
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Die Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen können Kanäle bilden. Dabei ragen die Ausnehmungen in den Kunststoffkörper hinein, beziehungsweise durchgreifen den Kunststoffkörper im Fall der Durchbrechungen. Dadurch ist es möglich, Wärme durch den Kunststoffkörper hindurch aus dem Radarsystem abzuführen.
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Der Wärmfluss durch das Antennenelement steigt mit der Anzahl der Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen je Flächeneinheit an. Vorzugsweise bezieht sich die Flächeneinheit dabei auf die Oberfläche des Antennenelementes die dem elektrischen Bauelement zugewandt ist. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn je cm2 dem elektrischen Bauelement zugewandter Oberfläche zwischen 10 und 50 Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen vorgesehen sind. Die Ausnehmungen und Durchbrechungen können verschiedenste geometrische Formen aufweisen, wobei die geometrische Gestalt und insbesondere die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche die Wärmeübertragung beeinflusst. Insbesondere die Ausnehmungen können im Bereich der dem elektrischen Bauelement zugewandten Oberfläche angeordnet sein. Die Durchbrechungen sind vorzugsweise so ausgebildet, dass diese das Antennenelement durchgreifen.
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Je nach Ausgestaltung der Ausnehmungen und/oder Durchbrechungen kann es ausreichend sein, wenn je cm2 dem elektrischen Bauelement zugewandter Oberfläche zwischen 3 bis 15 Ausnehmungen oder Durchbrechungen vorgesehen sind, wenn die Ausnehmungen oder Durchbrechungen länglich ausgebildet sind und insbesondere eine Länge von mehr als 10 mm aufweisen. Bei mäandrierenden Strukturen können 1 bis 10 je cm2 dem elektrischen Bauelement zugewandter Oberfläche ausreichend sein. Mäandrierende Strukturen sind insbesondere bei oberflächennahen Ausnehmungen vorteilhaft. Insgesamt ist bei dieser Ausgestaltung eine gute Wärmeleitung durch das Antennenelement hindurch gegeben, insbesondere während der Herstellung und der damit verbundenen Fügevorgänge. Gleichzeitig ist die Funktionsfähigkeit des Antennenelementes nicht beeinträchtigt.
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Die Wärmeleitelemente können Ausnehmungen in Form von Oberflächenstrukturierungen umfassen. Beispielsweise können in die Oberfläche des Kunststoffkörpers Oberflächenstrukturierungen in Form von Rippen oder Nuten eingebracht werden, wobei die Oberflächenstrukturen die Oberfläche des Kunststoffkörpers vergrößern, was wiederum mit einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit einhergeht. Dabei ist insbesondere denkbar, die Oberflächenstrukturierung in den Bereichen des Kunststoffkörpers einzubringen, die nicht im Zusammenhang mit den die Hohlleiter bildenden Kanälen stehen. Eine vorteilhafte Wärmeabgabe über die Oberflächenstrukturen ergibt sich, wenn je cm2 dem elektrischen Bauelement zugewandter Oberfläche 3 bis 15 Strukturen in Form von Rippen oder Nuten vorgesehen sind. Dies gilt insbesondere, wenn die Strukturen länglich ausgebildet sind und eine Länge von mehr als 10 mm aufweisen. Bei mäandrierenden Strukturen können 1 bis 10 Ausnehmungen je cm2 dem elektrischen Bauelement zugewandter Oberfläche ausreichend sein.
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In das Antennenelement können Wärmeleitkörper eingebettet sein. Wärmeleitkörper weisen dabei einen höheren Wärmeleitkoeffizienten auf als das Material des Kunststoffkörpers. Dadurch kann besonders schnell und effektiv Wärme über die Wärmeleitkörper nach außen transportiert werden.
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Die Wärmeleitkörper können aus metallischem Werkstoff bestehen. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere denkbar, die Wärmeleitkörper als Formteile auszubilden, beispielsweise in Form von zylindrischen Elementen, wie Hülsen oder Drähte. Denkbar ist auch, die Wärmeleitkörper in Form von Blechen auszubilden. Als Material für die Wärmeleitkörper kommen insbesondere wärmeleitende Materialien aus metallischen Werkstoffen wie Kupfer oder Aluminium in Betracht.
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Die Wärmeleitkörper können aus thermisch leitfähigem Kunststoff bestehen. Dabei sind die Wärmeleitkörper so ausgebildet, dass die thermische Leitfähigkeit größer ist als die des Materials des Kunststoffkörpers. In diesem Zusammenhang ist es insbesondere denkbar, die Wärmeleitkörper in Form von flexiblen Leiterbahnen oder aus Vorspritzlingen auszubilden. Diese weisen zwar im Vergleich zu Wärmeleitkörpern aus metallischen Werkstoffen eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf, vorteilhaft ist aber, dass aus Kunststoffen Wärmeleitkörper in komplexen Geometrien realisiert werden können. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit komplexen Hohlleiterstrukturen vorteilhaft.
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Das Antennenelement kann mehrschichtig ausgebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, innerhalb des Kunststoffkörpers besonders komplex ausgebildete Kanäle auszubilden und/oder Wärmeleitelemente anzuordnen.
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Die Wärmeleitelemente können aufgedruckte Strukturen umfassen. Beispielsweise ist es denkbar, außenseitig auf den Kunststoffkörper ein thermisch leitfähiges Material aufzudrucken.
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Das Antennenelement kann durch ein Radom abgedeckt sein. Das Radom schützt das Antennenelement vor äußeren Einflüssen.
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Einige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Radarsystems werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Radarsystem im Schnitt;
- 2 ein Antennenelement in räumlicher Ansicht von schräg oben;
- 3 ein Antennenelement in räumlicher Ansicht von schräg unten;
- 4 eine Antennenelement in der Draufsicht;
- 5 ein Diagramm, welches die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit der Anzahl der Wärmeleitelement illustriert.
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Die Figuren zeigen ein Radarsystem 1, welches Bestandteil eines Fahrerassistenzsystems eines Fahrzeugs ist. Das Radarsystem 1 umfasst ein elektrisches Bauelement 2 zum Senden und/oder Empfangen von Radarsignalen und ein Antennenelement 3, welches auf dem elektrischen Bauelement 2 angeordnet ist. Das Bauelement 2 ist in Form eines integrierten Schaltkreises ausgebildet und auf einer Platine 6 angeordnet. Das Antennenelement 3 ist über eine Klebeverbindung stoffschlüssig mit dem Bauelement 2 verbunden.
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Das Antennenelement 3 ist als aus Polyetheretherketon (PEEK) bestehender Kunststoffkörper ausgebildet, wobei der das Antennenelement 3 bildende Kunststoffkörper mehrschichtig ausgebildet ist und aus mehreren übereinander gestapelten Platten ausgebildet ist. In den Kunststoffkörper sind mehrere Kanäle 4 mit metallisierten Kanalwänden eingebracht sind, wobei die Kanäle 4 Hohlleiter bilden. Die Hohlleiter stehen mit den Sende-/Empfangseinheiten des elektrischen Bauelementes 2 in Wirkverbindung. Das Antennenelement ist durch ein Radom abgedeckt.
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In das Antennenelement 3 sind Wärmeleitelemente 5 eingebracht, welcher bei der vorliegenden Ausgestaltung Ausnehmungen und Durchbrechungen umfassen. Die Ausnehmungen und Durchbrechungen bilden Kanäle. Dabei sind die Ausnehmungen auf der dem Bauelement 2 zugewandten Seite so ausgebildet, dass sich dort Oberflächenstrukturierungen ausbilden. In die Ausnehmungen sind Wärmeleitkörper eingebettet, welche aus metallischem Werkstoff, vorliegend Aluminium, ausgebildet sind. In einer alternativen Ausgestaltung sind die Wärmeleitkörper aus thermisch leitfähigem Kunststoff ausgebildet. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung umfassen die Wärmeleitelemente 5 aufgedruckte Strukturen
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1 zeigt das zuvor beschriebene Radarsystem 1 im Schnitt. 2 zeigt ein Antennenelement 3 in räumlicher Ansicht von schräg oben und 3 zeigt ein Antennenelement 3 in räumlicher Ansicht von schräg unten mit Wärmeleitelementen 5 in Form von mäandrierenden Durchbrüchen und Ausnehmungen. Die Wandungen der Ausnehmungen und Durchbrechungen sind mit einem wärmeleitfähigen Material beschichtet.
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4 zeigt in der Draufsichtung eine Ausgestaltung eines Antennenelementes 3, bei welchem die Wärmeleitelemente 5 in Form von Durchbrechungen ausgebildet sind, welche das Antennenelement 3 durchdringen. Die Querschnittsform der Durchbrechungen ist bei dieser Ausgestaltung kleeblattförmig. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich bezogen auf die Querschnittsfläche der Ausnehmung, welche den Platzbedarf einer Durchbrechung repräsentiert, eine größere Fläche der Kanalwände und damit eine Verbesserung der Wärmleitung.
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Die Kanalwände sind mit einer Beschichtung aus metallischem Material, vorliegend Aluminium, versehen. Die Schichtdicke der Beschichtung beträgt 20 µm. In das Antennenelement sind bei der vorliegenden Ausgestaltung je cm2 dem elektrischen Bauelement 2 zugewandter Oberfläche 24 Ausnehmungen eingebracht.
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5 zeigt ein Diagramm einer Simulationsrechnung, welchem entnehmbar ist, dass der Wärmefluss mit der Anzahl der Durchbrechungen ansteigt. Auf der Abszisse ist die Anzahl der Durchbrüche von 0 bis 12 und auf der Ordinate der Wärmefluss bei 40 Kelvin von 0 Watt bis 3 Watt aufgetragen. Der Berechnung liegt zugrunde, dass in einen Würfel bestehend aus Polyamid mit einer Kantenlänge von 25 mm längliche Durchbrechungen mit einer Länge von 23 mm Länge und einer Breite von 1,2 mm eingebracht sind. Die Oberfläche des Würfels ist mit einer Gold-Beschichtung mit einer Schichtdicke von 10 µm versehen. In Richtung der Durchbrechungen wird eine Temperaturdifferenz erzeugt, welche in derselben Richtung einen Wärmefluss bewirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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