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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Senden und Empfangen von Radarstrahlung, bei der als Sende-
und Empfangselement mindestens eine Patchantenne vorgesehen
ist, die mit mindestens einem Mischerelement unmittelbar
verbunden ist.
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Stand der Technik
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Aus der EP 0685930 A1 ist eine Radarsende- und
Empfangsanordnung bekannt, bei der die Mikrowellenleistung
eines frequenzmodulierten Oszillators auf eine Sendeantenne
und einen Mischereingang ausgegeben wird und die
Mikrowellenleistung, die von dem Ziel reflektiert wurde und
von der Antenne empfangen wurde, auf einen zweiten
Mischereingang gegeben wird. Die Trennung der Sende- und
Empfangssignale geschieht bei dieser Anordnung über zwei
Ringleitungskoppler, die untereinander mittels zweier
Verbindungsleitungen verbunden sind.
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Kern und Vorteile der Erfindung
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Der Kern der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zum Senden und Empfangen von Radarstrahlung anzugeben, die
einfache Strukturen aufweist, einfach zu fertigen ist,
niedrige Herstellungskosten aufweist sowie eine hohe
Phasenrauschkorrelationsunterdrückung aufzeigt.
Erfindungsgemäß wird dieses durch die Merkmale des
unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es ist vorteilhaft, dass das Sende- und Empfangselement, das
als mindestens eine Patchantenne ausgebildet ist, mit
mindestens einem Mischerelement unmittelbar verbunden ist,
wobei das mindestens eine Mischerelement mit dem Zentrum der
Patchantenne verbunden ist. Das Zentrum der Patchantenne ist
in diesem Fall der Mittelpunkt der geometrischen Anordnung
mit l = (n + 1).λ/2 für n = 1, 2, 3, . . ., als welche die Patchantenne
ausgebildet ist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass an zwei
gegenüberliegenden Rändern der Patchantenne jeweils ein
Mischerelement angeordnet ist. In dem Fall, dass die
Patchantenne als Rechteck ausgebildet ist, ist es
vorteilhaft, die beiden Mischerelemente an zwei
gegenüberliegenden Kanten des Rechtecks anzubringen. Im
Fall, dass die Patchantenne als Kreis oder Ellipse
ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, die Mischerelemente an
zwei Randpunkten der Antenne so anzuordnen, dass sie sich
diametral gegenüberliegen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass als Sende- und
Empfangselemente vorteilhafter Weise 2 n Patchantennen mit
n = 0, 1, 2, . . . vorgesehen sind, wobei diese 2n
Patchantennen insbesondere in etwa auf einer gemeinsamen
Geraden angeordnet sind und die 2n Patchantennen mittels
symmetrischer 3 dB-Leistungsteiler mit dem Sendeoszillator
verbunden sind. Hierdurch ist es möglich, die Leistung des
Sendeoszillators mit möglichst einfachen Mitteln gleichmäßig
auf alle Patchantennen zu verteilen ohne dass hierbei
Verluste der Sendeoszillatorleistung auftreten.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Mischerelemente
Dioden sind. Durch die Ausführung der Mischerelemente in
Form von Mischerdioden wird eine preiswerte, einfach
herzustellende, sowie bezüglich der räumlichen Abmessungen
kompakte Bauform aufweisende Ausführung erreicht.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Abmessungen der
Vorrichtung zum Senden und Empfangen von
Mikrowellenstrahlung für den Frequenzbereich zwischen 75 und
80 GHz dimensioniert sind.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Vorrichtung zum
Senden und Empfangen von Radarstrahlung in einem
Kraftfahrzeugradarsystem zur adaptiven Abstands- und
Geschwindigkeitsregelung eingesetzt wird. Ein System zur
adaptiven Abstands- und Geschwindigkeitsregelung in einem
Kraftfahrzeug misst den Abstand sowie die
Relativgeschwindigkeit vorherfahrender Objekte und führt in
deren Abhängigkeit eine Geschwindigkeitsregelung im Sinne
einer Geschwindigkeitskonstantregelung bzw. einer
Abstandskonstantregelung durch.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren
der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle
beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in
beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung,
unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer
Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in
den Zeichnungen.
Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
von Zeichnungen erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 eine mögliche Ausführung der Vorrichtung zum Senden
und Empfangen von Radarstrahlung,
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Fig. 2 eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform der
Vorrichtung,
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Fig. 3 eine Detailansicht einer zweiten Ausführungsform,
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Fig. 4 eine Schnittdarstellung der Detailansicht einer
zweiten Ausführungsform,
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Fig. 5 eine Detailansicht einer dritten Ausführungsform
und
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Fig. 6 eine Schnittdarstellung der Detailansicht einer
dritten Ausführungsform.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer
Vorrichtung zum Senden und Empfangen von Radarstrahlung
dargestellt, die in diesem Fall beispielhaft über vier
Patchantennen verfügt. Zu erkennen ist der Sendeoszillator
1, der ein Sendesignal zur Verfügung stellt, das
vorteilhafter Weise im Bereich von etwa 77 GHz liegt und das
vorteilhafter Weise als frequenzmoduliertes
Dauerstrichsignal (FMCW) oder als Pulssignal moduliert sein
kann. Diese vom Sendeoszillator 1 bereitgestellte
Sendeleistung wird über mehrere 3 dB-Leistungsteiler auf
mehrere Antennenzuführungen 6 aufgeteilt. Dabei wird die
Anzahl der Patchantennen, die vorteilhafter Weise in etwa
auf einer gemeinsamen Geraden liegen, vorteilhafter Weise so
gewählt, dass diese über 3 dB-Leistungsteiler versorgt werden
können ohne dass hierbei Verluste entstehen. Dies bedeutet,
dass die Anzahl der Patchantennen vorteilhafter Weise zu 1,
2, 4, 8, . . . gewählt wird, was sich auch als 2n mit
n = 0, 1, 2, . . . schreiben lässt. Die
Sendeleistungszuführungen 6 münden in die Patchantennen 3,
die in Fig. 1 als rechteckige Antennenflecken dargestellt
sind und so verkippt wurden, dass in diesem Beispiel eine
Diagonalpolarisierung der ausgesandten Welle entsteht. Die
ausgesandte Radarwelle wird an Objekten im Erfassungsbereich
des Radarsystems reflektiert und in Richtung der Sende- und
Empfangsantennen 3 zurückreflektiert. Die Patchantennen 3,
die sowohl als Sende- als auch als Empfangsantennen
arbeiten, empfangen die reflektierte Radarstrahlung. Das
empfangene, elektrische Signal wird mit dem momentan
ankommenden Sendesignal auf dem Antennenpatch 3 gemischt und
mittels der Mischerelemente 4, die in diesem Fall als
Mischerdioden 4 ausgeführt sind, demoduliert. An den
Diodenausgängen 5 lässt sich somit direkt das demodulierte
Zwischenfrequenzsignal abgreifen. Gemäß dieser Ausführung
ist der jeweilige Mischer mit dem jeweiligen Antennenpatch
zusammengelegt, so dass möglichst kurze Wege entstehen und
ein Phasenrauschen, das aufgrund unterschiedlicher Weglängen
der Sende- und Empfangssignale entsteht, minimiert wird.
Durch diese Anordnung, die keinen Ringkoppler benötigt,
steht weiterhin an den Mischerelementen 4, die vorteilhafter
Weise als Mischerdioden 4 ausgeführt sind, genügend
elektrische Leistung zur Verfügung um auf eine Vorspannung
der Mischerelemente mittels einer Gleichspannung verzichten
zu können.
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In Fig. 2 ist eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen
Patchantenne dargestellt. Zu erkennen ist die Sendezuleitung
6, über die der Patchantenne vom Sendeoszillator 1 die
notwendige Sendeleistung zugeführt wird. Der Antennenpatch
3, der als Sende- und Empfangsantenne dient, weist an zwei
gegenüberliegenden Rändern des Antennenpatches zwei
Mischerelemente 4 auf, die beispielsweise als Mischerdioden
ausgeführt sein können. An diesen Mischerelementen 4
überlagert sich sowohl das Sendesignal als auch das von der
Antenne empfangene elektrische Empfangssignal und wird
aufgrund der Nichtlinearität der Mischerdiode 4 demoduliert
so dass am Ausgang 5 ein demoduliertes
Zwischenfrequenzsignal abgreifbar ist, das einer weiteren
Verarbeitung zugeführt werden kann. Deabei handelt es sich
beispielhafter Weise um mindestens einen Analog-Digital-
Wandler und eine Weiterverarbeitungseinrichtung in Form
einer Recheneinrichtung, die beispielsweise als
Mikrocontroller oder Signalprozessor ausgeführt sein kann.
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In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsvariante dargestellt,
die wiederum die Sendezuleitung 6 sowie den Antennenpatch 3
aufweist. Über die Sendezuleitung 6 wird der Antenne die
Sendeleistung des Sendeoszillators 1 zugeführt und durch die
Antenne 3 abgestrahlt. Die an Objekten im Erfassungsbereich
des Radarsystems reflektierte Sendewelle wird als
Empfangswelle durch die Antenne 3 empfangen und in ein
elektrisches Signal gewandelt. Zur Mischung und Demodulation
ist in diesem Ausführungsbeispiel im Zentrum des
Antennenpatches ein Mischerelement 4, das wiederum als
Mischerdiode ausgeführt sein kann, angeschlossen. Hierzu
kann im Zentrum des Antennenpatches 3 eine leitfähige
Durchkontaktierung durch das Substrat, auf dem die
Patchantenne 3 aufgebracht ist, vorgesehen sein und auf der
Unterseite des Substrats das notwendige Mischerelement 4
aufgebracht werden. Hierzu ist in Fig. 3 ein Schnitt A-A'
vorgesehen, dessen Schnittdarstellung in Fig. 4 näher
erläutert ist.
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In Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung der
Ausführungsvariante gemäß Fig. 3 entlang der Linie A-A'
dargestellt. Zu erkennen ist wiederum die Patchantenne 3,
die auf einem Substrat 8, das beispielsweise als
Leiterplatte oder als Keramik ausgeführt sein kann,
aufgebracht ist. Im Zentrum der Patchantenne 3 ist im
Substrat 8 eine Durchkontaktierung 7 vorgesehen, so dass das
Mischerelement 4 auf der Unterseite des Substrats 8 mit der
Patchantenne 3 verbunden werden kann. Die unmittelbare
Verbindung des Mischerelementes 4 mit der Patchantenne 3
bezieht sich hierbei auf die unmittelbare elektrische
Verbindung dieser beiden Elemente. Zusätzlich ist auf der
Unterseite des Substrats 8 eine Massefläche 10 vorgesehen,
die den Bereich um das Mischerelemenet 4 und den
Zwischenfrequenzausgang 5 bedeckt.
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In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, bei der das
Mischerelement 4 auf der gleichen Seite des Substrats 8
vorgesehen ist, wie die Patchantenne 3. Hierzu ist im
Zentrum der Patchantenne 3 eine Aussparung vorgesehen, in
der die Durchkontaktierung 7 durch das Substrat positioniert
ist. Das Mischerelement 4 stellt nun eine elektrische
Verbindung zwischen der Patchantenne 3 und der
Durchkontaktierung 7 her, so dass auf der Unterseite des
Substrats das Zwischenfrequenzsignal direkt abgreifbar ist.
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In Fig. 6 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie
B-B' der Ausführungsvariante gemäß Fig. 5 dargestellt. Zu
erkennen ist wiederum das Substrat 8, die Patchantenne 3,
die im Bereich der Durchkohtaktierung 7 entlang der Linie B-
B' die Aussparung 9 aufweist sowie das Mischerelement 4, das
die Patchantenne 3 mit der Durchkontaktierung 7 verbindet.
An der Unterseite des Substrates 8 kann an der leitenden
Schicht 5 das demodulierte Zwischenfrequenzsignal zur
Weiterverarbeitung abgegriffen werden. Zusätzlich ist auf
der Unterseite des Substrats 8 eine Massefläche 10
vorgesehen, die den Bereich um die Durchkontaktierung 7 und
den Zwischenfrequenzausgang 5 bedeckt.