DE19755607A1 - Mikrowellen-Antennenanordnung für ein Kraftfahrzeug-Radarsystem - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrowellen- Antennenanordnung für ein Kraftfahrzeug-Radarsystem.

Aus zahlreichen Schriften ist mittlerweile bekannt, ein Kraftfahrzeug mit einem Radarsystem auszurüsten, welches beispielsweise zur Detektion von Hindernissen oder voraus­ fahrenden Fahrzeugen genutzt wird. Ein solches Radarsystem muß dabei an die besonderen Einbauumgebungen eines Kraft­ fahrzeugs angepaßt sein. Neben einer entsprechenden Resistenz gegenüber Temperaturschwankungen, Verschmutzungen oder Beschleunigungen spielt dabei auch die Baugröße des Radarsystems eine Rolle.

Aus der EP 498 524 A2 ist ein Kraftfahrzeug-Radarsystem bekannt mit zwei getrennten Mikrowellen-Antennenanordnungen für den Sende- und für den Empfangsweg. Beide Mikrowellen- Antennenanordnungen bestehen aus einem oder mehreren aktiven Speiseelementen sowie je einer dielektrischen Linse zur Fokussierung der Radarstrahlen. Die gesamte Anordnung ist in einem zweigeteilten Gehäuse untergebracht, welches in Strahlrichtung des Radarsystems jeweils durch die beiden dielektrischen Linsen abgeschlossen ist.

In der DE 44 12 770 A1 ist ein Kraftfahrzeug-Abstandswarn­ radar angegeben, das nur eine Mikrowellen-Linsenantennen­ anordnung sowohl für den Sende- als auch für den Empfangsweg benötigt. Auch in diesem Fall ist das Radarsystem in einem Gehäuse untergebracht, das in Strahlrichtung durch die dielektrische Linse der Mikrowellen-Antennenanordnung abge­ schlossen wird. Zur Erreichung einer geringen Bautiefe wird eine Linse mit kurzer Brennweite eingesetzt, die zur Ver­ ringerung der Linsendicke zudem als Stufenlinse ausgeführt ist.

In der US 5,455,589 ist ein kompaktes Mikro- und Millimeter­ wellenradar beschrieben, das ebenfalls für einen Einsatz in Kraftfahrzeugen vorgesehen ist. Bei diesem Radar wird, um eine geringe Baugröße zu erreichen, eine Antennenanordnung verwendet, bei der der Strahlengang der elektromagnetischen Wellen optisch "gefaltet" ist. Dazu ist eine Antennenan­ ordnung, bestehend aus einer fokussierenden Linse und einem Speiseelement, mit zwei reflektierenden Schichten versehen. Eine erste, als Transreflektor bezeichnete Schicht, ist vor oder hinter der Antennenlinse angeordnet. Sie läßt elektro­ magnetische Wellen einer bestimmten Polarisationsrichtung durch, während sie elektromagnetische Wellen der dazu senkrecht stehenden Polarisationsrichtung reflektiert. Eine zweite, als Twistreflektor bezeichnete Schicht ist um das Speiseelement angeordnet. Sie reflektiert auftreffende elektromagnetische Wellen, wobei sie die Wellen in ihrer Polarisationsrichtung um 90° dreht. Durch diese Anordnung werden Radarstrahlen sowohl beim Senden als auch beim Empfangen mehrfach zwischen den beiden genannten Schichten reflektiert. Aus diesem Grund kann der Abstand zwischen den Speiseelementen und der Antennenlinse auf eine Größe ver­ kürzt werden, die kleiner ist als die Brennweite der Antennenlinse allein.

Wenn sich insbesondere auch die US 5,455,589 und die DE 44 12 770 dem Problem widmen, ein kompaktes Kraftfahr­ zeug-Radarsystem vorzuschlagen, vermeidet jedoch keine der genannten Lösungen den Nachteil, daß der Bereich zwischen den Speiseelementen und der Antennenlinse leer und damit weitgehend ungenutzt verbleibt. Die Größe dieses Bereichs wird durch die notwendige Brennweite der verwendeten Antennenlinse bestimmt. Bei allen beschriebenen Lösungen nimmt dieser Raum einen Großteil des insgesamt von dem Radarsystem benötigten Raumes ein.

Aus der DE 195 11 982 A1 ist eine Anordnung für ein bild­ gebendes Radar mit einem Sender und einem Empfänger bekannt. In einem Ausführungsbeispiel ist dargestellt, daß Wellen aus einem Hohlleiter über eine Kollimatorlinse durch ein Anten­ nenarray hindurch auf eine zweite Linse abgebildet werden. Das Antennenarray erhält somit die zu sendenden und die zu empfangenen Wellen und ist zwischen dem Hohleiter und der zweiten Linse angeordnet. Ziel dieser Anordnung ist jedoch nicht die Erreichung einer geringen Baugröße, sondern eine Anordnung, bei der ein lokaler Empfangsoszillator eingespart werden kann. Ganz wesentlich ist bei dieser Anordnung, daß das Antennenarray und auch gegebenenfalls auf ihm angeord­ nete Bauelemente zur Verarbeitung der zu sendenden und/oder zu empfangenen Signale vorgesehen sind. Eine Verkleinerung der Baugröße des Radars ist hierdurch nicht gegeben.

Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mikrowellen- Antennenanordnung anzugeben, mit der die Baugröße eines Sende- und/oder Empfangsystems, welches die Antennenanord­ nung beinhaltet, ergänzend oder alternativ zu bekannten Konstruktionen verkleinerbar ist. Diese Aufgabe wird durch eine Mikrowellen-Antennenanordnung gemäß dem Hauptanspruch gelöst, dem als Grundgedanke die Lehre zugrunde liegt, Bau­ elementträger, die im Rahmen der Antennenanordnung selbst keine Funktion haben, trotzdem in einem Raumbereich zwischen dem Speiselement und dem fokussierenden Mittel anzuordnen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den untergeordneten Ansprüchen.

Vorteil der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Antennenanordnung ist, daß der zur Verfügung stehende Raum innerhalb eines Gehäuses, in das das Sende- und/oder Empfangsystems ein­ gebaut ist, optimal ausgenutzt werden kann. Dementsprechend kann das Gehäuse durch die erfindungsgemäß verlagerte räumliche Anordnung von weiteren benötigten Baugruppen, wie zum Beispiel Signalverarbeitungs- oder Stromversorgungs­ schaltungen, bis auf die unmittelbar benötigte Größe reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erfindungsgemäß angeordnete Bauelementeträger und die auf ihm angeordneten Bauelemente zur Verarbeitung von Signalen vorgesehen sind, die in einem Frequenzbereich liegen, der niedriger ist als der Frequenzbereich der elektromagneti­ schen Wellen. Dies gewährleistet eine gute Entkopplung. Gegebenenfalls können die Bauelemente auf dem erfindungs­ gemäß angeordneten Bauelementeträger mit Abschirmblechen abgeschirmt sein. Im gleichen Sinne vorteilhaft ist es, wenn die Bauelemente zur Verarbeitung von digitalen Signalen vorgesehen sind oder Bestandteil einer Stromversorgungs­ schaltung sind.

Wird entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als weiteres fokussierendes Mittel eine Sublinse verwendet, kann die Brennweite der Antennenanordnung und damit die Baugröße des Sende- und/oder Empfangsystems noch weiter verringert werden. Darüber hinaus besitzt eine solche Vorfokussierung den Vorteil, daß die Mikrowellen exakter auf die eigentliche (Haupt-)Antennenlinse fokussiert werden. Dadurch wird ein Überstrahlen dieser Antennenlinse (spill­ over loss) vermindert. Vorteilhafterweise ist die Sublinse an dem Bauelementträger befestigt, wodurch die Montage wesentlich einfacher und weniger toleranzempfindlich ist als bei bekannte Anordnungen zur Verringerung oder Verhinderung einer Überstrahlung, wie beispielsweise bei sogenannten Stielstrahlern oder Polyrods. Alternativ kann als vorfokus­ sierendes Mittel auch ein dielektrischer Körper verwendet werden, dessen Abmessungen so gewählt sind, daß er für die verwendeten Wellen als Superstrate wirkt. Wie diese Abmes­ sungen gewählt werden müssen, ist beispielsweise in "Funda­ mental Superstrate (Cover) Effects on Printed Circuit Antennas" von Alexopoulos et. al. in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-32, no. 8, Seite 807-816 beschrieben.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1a einen Querschnitt eines Kraftfahrzeug-Radarsystems mit einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Antennenanordnung

Fig. 1b eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Radarsystems entsprechend Fig. 1a und

Fig. 2 den Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeug-Radarsystems mit einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung.

Fig. 1a zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug-Radarsy­ stem mit einer entsprechenden Mikrowellen-Antennenanordnung im Querschnitt. Die Antennenanordnung, bestehend aus minde­ stens einem Speiseelement 10 und einer Antennenlinse 11, ist in einem Gehäuse 12 untergebracht. Dabei ist die Antennen­ linse 11 Bestandteil des Gehäuses 12, d. h. sie bildet gleichsam ein Fenster für die gesendete oder empfangene Mikrowellenstrahlung. Das mindestens eine Speiseelement 10 befindet sich auf einem ersten Bauelementeträger 13, der beispielsweise eine Microstrip-Schaltungsanordnung umfaßt. Das mindestens eine Speiseelement 10 ist dabei vorzugsweise ein hinreichend bekanntes Patchelement. Alternativ kann sich hier anstelle dieses ersten Bauelementeträgers 13 und eines oder mehrerer Patchelemente 10 beispielsweise auch eine Hohlleiteranordnung befinden. Zwischen dem mindestens einen Speiseelement 10 und der Antennenlinse 11 ist ein weiterer Bauelementeträger 14 angeordnet. Dieser weist eine Aus­ sparung 15 auf, durch die die von dem Speiseelement 10 gesendete oder empfangene Mikrowellenstrahlung hindurch­ treten kann. Zwei gestrichelte, V-förmige Linien 19 und 20 kennzeichnen beispielhaft Strahlengänge der Mikrowellen. Desweiteren sind auf dem Bauelementeträger 14 einzelne Bau­ elemente 16 und 17 skizziert. Diese Bauelemente sind zur Verarbeitung von anderen Signalen vorgesehen als den Signalen, die von dem mindestens einen Speiselement 10 auf­ genommen oder abgegeben werden. Der Bauelementeträger 14 beinhaltet vorzugsweise Signalverarbeitungs- und Signalaus­ werteschaltungen, die im Zwischenfrequenzbereich oder Basisband die Auswertung der empfangenen Signale durch­ führen. Als weiteres Beispiel seien Strom- oder Spannungs­ versorgungsschaltungen für das Radarsystem genannt.

Die Bauelementeträger 13 und 14 sind in diesem Ausführungs­ beispiel auf Stempeln 23 bzw. auf einem Gehäusevorsprung 24 montiert. Dies schließt jedoch andere Montagemöglichkeit nicht aus. Außerdem ist ebenfalls beispielhaft ein Stiel­ strahler (Polyrod) 21 oberhalb von dem Speiseelement 10 skizziert. Eine Linie 18 kennzeichnet die Hauptstrahlrich­ tung der Antennenanordnung.

Fig. 1b zeigt die Draufsicht des zuvor beschriebenen Kraft­ fahrzeug-Radarsystems gemäß der Ansichtslinie A-A. Zu sehen ist der weiter oben liegende Bauelementeträger 14 innerhalb des Gehäuses 12. Der Bauelementeträger 14 weist die bereits genannte Aussparung 15 auf, die vorzugsweise kreisförmig gestaltet ist und durch die gesendete oder empfangene elektromagnetischen Wellen hindurchtreten können. Weiterhin skizziert sind die beispielhaft angenommenen Bauelemente 16 und 17 sowie die Stempel 23, auf denen der Bauelementeträger 14 montiert ist. Eine Linie 25 gibt eine Symmetrie- oder Mittellinie des Bauelementeträgers 14 an.

Das so beschriebene Kraftfahrzeug-Radarsystem mit der erfin­ dungsgemäßen Mikrowellen-Antennenanordnung arbeitet nach allgemein bekannten Radarverfahren, beispielsweise als FMCW- Radar oder auch als Pulsradar. Darüber hinaus kann eine solche Mikrowellen-Antennenanordnung natürlich auch bei sämtlichen anderen Mikrowellenanwendungen, beispielsweise Richtfunk, verwendet werden.

Ein bekanntes Problem bei gattungsgemäßen Antennenanord­ nungen mit mindestens einem Speiseelement und einem fokus­ sierenden Mittel ist, daß aufgrund einer üblicherweise geringen eigenen Richtwirkung der Speiseelemente ein Anteil abgegebener Mikrowellenstrahlung an dem fokussierenden Mittel vorbeigeht. Dies wiederum hat zwei nachteilige Wirkungen zur Folge. Zum einen wird dieser Anteil dann natürlich nicht von dem fokussierenden Mittel bzw. der Antennenlinse 11 in der gewünschten Richtung fokussiert, was die Leistungsbilanz der Antennenanordnung insgesamt ver­ schlechtert. Zum anderen wird dieser, die Antennenlinse 11 überstrahlende Anteil von den Innenwänden des Gehäuses 12 reflektiert. Dies hat zur Folge, daß sich innerhalb des Gehäuses 12 unerwünschterweise Mikrowellenstrahlung aus­ breitet, die möglicherweise störend auf die Bauelemente 16 oder 17 einwirkt. Zur Unterdrückung dieser Reflexionen ist beispielsweise aus der genannten DE 44 12 770 A1 bekannt, die Innenwände des Gehäuses 12 mit einem absorbierenden Material zu versehen. Auf diese Weise kann zumindest die störende Wirkung der die Antennenlinse 11 überstrahlenden Mikrowellen verringert werden. Um darüber hinaus jedoch auch die Leistungsbilanz der Antennenanordnung zu verbessern, ist bekannt, die Speiseelemente 10 mit sogenannten Stielstrah­ lern (Polyrods) 21 zu versehen, d. h. solche Stielstrahler vor den Speiseelementen 10 anzuordnen. Ein Strahlengang gesendeter Mikrowellen ohne Verwendung von Polyrods 21 ist in Fig. 1a mit der V-förmigen Linie 20, ein Strahlengang mit Verwendung von Polyrods 21 ist mit der V-förmigen Linie 19 skizziert. Problematisch ist dabei jedoch eine exakte Montage der Polyrods 21, insbesondere wenn als Speise­ elemente 10 sogenannte Patchantennen verwendet werden. Bereits eine geringe Schiefstellung der nur wenige Milli­ meter großen Polyrods 21 führt wiederum zu einer Überstrah­ lung der Antennenlinse 11. Auch müssen solche Polyrods 21 nur einige Mikrometer oberhalb von solchen Patchelementen positioniert werden, was ebenfalls, insbesondere bei einer Großserienfertigung problematisch ist.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt eines Kraftfahrzeug-Radar­ systems mit einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Antennenan­ ordnung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die sich insbesondere den gerade geschilderten Schwierigkeiten widmet. Der grundsätzliche Aufbau entspricht dabei dem in Fig. 1a skizzierten Radarsystem, so daß gleiche Bezugszeichen auch gleiche Elemente bezeichnen. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Aussparung 15 in dem Bauelementeträger 14 mit einer weiteren Antennenlinse (Sublinse) 22 ausgefüllt ist. Alter­ nativ könnte die Sublinse 22 auch über oder unter der Aus­ sparung 15 montiert sein oder es kann anstelle des linsen­ förmigen dielektrischen Körpers ein Superstrate Verwendung finden. Selbstverständlich sind verschiedene Linsenformen oder dielektrischen Materialien verwendbar. Durch die fokus­ sierende Wirkung der Sublinse 22 werden eine Überstrahlung der Antennenlinse 11 sowie die damit verbundenen, beschrie­ benen Nachteile vermieden. Außerdem verkleinert sich durch die Verwendung eines Mehrfach-Linsensystems die Brennweite der gesamten Antennenanordnung, so daß auch aus diesem Grund die Baugröße des Radarsystems noch weiter verkleinert werden kann. Die Montage der Sublinse 22 ist dabei im Vergleich zu der Montage von Polyrods 21 wesentlich weniger empfindlich gegenüber Toleranzen. Selbstverständlich können jedoch, wenn es einem Fachmann sinnvoll erscheint, zusätzlich noch Poly­ rods 21 verwendet werden.

In Erweiterung oder Fortführung des bisher Beschriebenen können natürlich auch mehrere Bauelementeträger 14 in dem Bereich zwischen dem oder den Speiselementen 10 und dem fokussierenden Mittel 11 angeordnet werden.

Darüber hinaus fallen auch Ausführungsbeispiele unter die Erfindung, bei denen die "Ausparung" des Bauelementeträgers 14 "so groß" ist, daß der hier einstückig dargestellte Bau­ elementeträger 14 aus zwei getrennten Teilen besteht, die beide jeweils im Raumbereich zwischen dem fokussierenden Mittel und dem Speiseelement angeordnet sind und zwischen denen die elektromagnetischen Wellen hindurchtreten können.

Claims (8)

1. Mikrowellen-Antennenanordnung für ein Kraftfahrzeug- Radarsystem,

• - mit mindestens einem fokussierenden Mittel (11), vorzugsweise einer dielektrischen Linse,
• - und mindestens einem Speiseelement (10), welches elektromagnetische Wellen, die von dem fokussierenden Mittel fokussiert werden, aufnimmt und/oder abgibt,
• - wobei in einem Raumbereich zwischen dem fokussierenden Mittel (11) und dem mindestens einen Speiseelement (10) ein Bauelementeträger (14) angeordnet ist,
• - wobei der Bauelementeträger in etwa quer zur Haupt­ strahlrichtung (18) der Antennenanordnung angeordnet ist,
• - wobei auf dem Bauelementeträger (14) elektronische oder elektrische Bauelemente (16, 17) angeordnet sind und
• - wobei der Bauelementeträger (14) sowohl von dem mindestens einen Speiseelement (10) als auch von dem fokussierenden Mittel (11) beabstandet ist,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß der Bauelementeträger (14) eine Aussparung (15) zum Durchtritt der elektromagnetischen Wellen aufweist und
• - daß die elektronischen oder elektrischen Bauelemente (16, 17) auf dem Bauelementeträger (14) zur Verarbei­ tung von anderen Signalen vorgesehen sind, als den Signalen, die von dem mindestens einen Speiseelement (10) aufgenommen oder abgegeben werden.

2. Mikrowellen-Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauelementeträger (14) und die elektronischen oder elektrischen Bauelemente (16, 17) zur Verarbeitung von Signalen vorgesehen sind, die in einem Frequenzbereich liegen, der niedriger ist als der Fre­ quenzbereich der elektromagnetischen Wellen.

3. Mikrowellen-Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen oder elektrischen Bauelemente (16, 17) überwiegend zur Ver­ arbeitung von digitalen Signalen vorgesehen sind.

4. Mikrowellen-Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen oder elektrischen Bauelemente (16, 17) Bestandteil einer Strom- oder Spannungsversorgungsschaltung sind.

5. Mikrowellen-Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Speiseelement und dem fokussierenden Mittel mindestens ein weiteres fokussie­ rendes Mittel (22) angeordnet ist, welches an dem Bau­ elementeträger (14) befestigt ist

6. Mikrowellen-Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere fokussierende Mittel eine dielektrische Linse (22) ist, die in, über oder unter der Ausparung des Bauelementeträgers angeordnet ist.

7. Mikrowellen-Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere fokussierende Mittel ein dielektrischer Körper ist, dessen Abmessungen so gewählt sind, daß er für die elektromagnetischen Wellen als Superstrate wirkt.

8. Verwendung einer Mikrowellen-Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einem Kraftfahr­ zeug-Radarsystem.