EP1623248A1 - Radarsensor f r automobilanwendungen - Google Patents

Radarsensor f r automobilanwendungen

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Publication number
EP1623248A1
EP1623248A1 EP04725009A EP04725009A EP1623248A1 EP 1623248 A1 EP1623248 A1 EP 1623248A1 EP 04725009 A EP04725009 A EP 04725009A EP 04725009 A EP04725009 A EP 04725009A EP 1623248 A1 EP1623248 A1 EP 1623248A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radar sensor
layers
radar
structured
feed network
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04725009A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich Gotzig
Dirk Walz
Bernd Biehlmann
Uwe Papziner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Original Assignee
Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Schalter und Sensoren GmbH filed Critical Valeo Schalter und Sensoren GmbH
Publication of EP1623248A1 publication Critical patent/EP1623248A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • G01S7/032—Constructional details for solid-state radar subsystems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
    • H01Q1/3233—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/28—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements
    • H01Q19/30—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements the primary active element being centre-fed and substantially straight, e.g. Yagi antenna

Definitions

  • the invention relates to a radar sensor for automotive applications, which emits pulsed radiation.
  • the invention further relates to methods for producing such a radar sensor.
  • Such radar sensors are known per se. Applications such as parking assistance, blind spot monitoring, accident anticipation (pre-crash sensing), start / stop operation or driving operation with distance monitoring and / or distance control (cruise control support) are generally considered as automotive applications of radar sensors.
  • the radar sensors available on the market operate at approximately 76 gigahertz.
  • these frequencies have the disadvantage that, because of the short wavelength, which is in the microwave range, standard components can no longer be used.
  • the so-called ISM frequency range around 24 gigahertz is used for near-field monitoring, in which broadband may be broadcast.
  • a broadband signal is desirable because the local resolution of reflecting objects, i.e. the smallest possible distance, in which two separate objects are recognized as separate, improved with increasing bandwidth.
  • the radar sensors known per se are generally operated in a pulsed manner since the signal bandwidth increases as the pulse width becomes shorter.
  • the radar sensor known per se has planarly arranged, slot-coupled patch antennas, which are excited by a feed network of the radar sensor to emit electromagnetic waves via an assigned aperture in a metallic ground plane and via a dielectric arranged between the ground plane and the radiation surface.
  • the dimensions of the radar sensor known per se, with a length and width of a few centimeters and a depth of one to about 3 cm, are such that it can be integrated into conventional bumpers of motor vehicles.
  • the directional characteristic of the transmitting and receiving antennas is geometric using the interference principle and with the aid of signal phase differences or with signal transit time differences through approx. 4 to 6 patches (radiation areas) to 3 dB at an angle of approx. 15-25 degrees set in one direction and about 70 degrees in the other direction.
  • planar antenna structures over conventional antennas is that they can be manufactured in a cost-effective and compact lightweight construction using standard components and can be easily integrated with microstrip line circuits.
  • the object of the invention is to provide an inexpensive radar sensor for automotive applications which, in addition to the detection of close objects, also allows the detection of further objects using standard components with a single radar sensor, the geometric dimensions of which per se known radar sensor does not significantly exceed.
  • the radar sensor has an antenna with at least one layer-structured block which has metal layers arranged according to the Yagi principle, each of which is separated from one another by a dielectric intermediate layer, at least one of the Metal layers is excited by a feed network with a radar frequency.
  • an antenna of the radar sensor is at least produced as a layer-structured block with metal layers arranged according to the Yagi principle, which are each separated from one another by a dielectric intermediate layer, and at least one of the Metal layers with a feed network is coupled.
  • the object of the invention is completely achieved by these features.
  • the radar sensor according to the invention for automotive applications can be implemented in a cost-effective manner and can simultaneously detect objects that are close to or far away. Its size is comparable to that of the known radar sensor.
  • a Yagi antenna is known to be a longitudinal radiator made of several dipoles, in which the currents that are required for a desired directivity are generated by radiation coupling. By replacing metal patches of the radar sensor known per se with one or more layered block structures, a stronger directivity is achieved.
  • the dielectric intermediate layers each consist of ceramic with a dielectric constant between 5 and 50.
  • the relatively high dielectric value of the ceramic reduces the wavelength, so that relatively many layers can contribute to the Yagi principle without the block height of the block structures becoming too large. In this way, a remarkable directivity is achieved with a single layer-by-layer block with metal layers arranged according to the Yagi principle.
  • At least two of the metal layers are excited by the feed network in a phase-coupled manner by separate structures.
  • the individual layers of the block structured in layers are at least partially trough-shaped.
  • the layer is structured block tapers with increasing distance from the coupling to the dining network.
  • metal surfaces arranged near the feed of high-frequency electromagnetic energy are staggered more than metal surfaces arranged further away.
  • a further preferred embodiment is characterized in that several of the blocks structured in layers are combined to form an arrangement, the individual blocks being excited in a phase-coupled manner.
  • the directivity of an LTCC-Yagi block arrangement can be further increased by such an in-phase feeding of RF (radio frequency) energy into several blocks.
  • the radar sensor has a plurality of the arrangements mentioned and that the plurality of arrangements are excited in a phase-coupled manner.
  • This configuration also increases the directional effect of the antenna. It is also preferred that the radar frequency provided by the feed network is 24 gigahertz. This feature allows a combination of the broadband near-field monitoring known per se in the ISM frequency range with the detection of objects further away according to the invention by directional radiation.
  • the dielectric intermediate layers with embedded metal layers are produced as LTCC layers (Low Temperature Cofired Ceramics).
  • the LTCC technology is suitable for the production of monolithic ceramic multilayer systems in which electrically highly conductive material such as metallic layers are to be integrated.
  • Fig.l schematically shows an overall view of a radar sensor for motor vehicle applications
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of the radar sensor 1 with an internal structure, as is known from the prior art,
  • FIG. 3 shows a schematic sectional illustration of a block structured in layers, as it replaces the radiation surfaces (patches) of FIG. 2 in one exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a schematic sectional illustration of a block structured in layers according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a block structured in layers with different layer spacings
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a block structured in layers with a cross section tapering in the longitudinal direction.
  • FIG. 1 denotes the overall schematic view of a radar sensor with a housing 12 which is closed by a cover 14.
  • the dashed lines 15 indicate the alignment or arrangement of individual radiation elements within the housing 12.
  • Numeral 16 denotes a connection element via which a supply voltage is supplied to the radar sensor 10, for example, and / or via which the radar sensor 10 outputs signals to control units of a motor vehicle or receives signals from a control unit.
  • the arrow denoted by the number 17 indicates the direction of the longitudinal axis of the motor vehicle.
  • the orientation of the radar sensor 10 relative to the direction 17 the longitudinal axis represents a typical installation position of the radar sensor 10 in a motor vehicle application.
  • the invention is of course not limited to such a relative orientation of the radar sensor 10 to the direction 17 of the longitudinal axis of the motor vehicle.
  • FIG. 2 shows a known internal structure of the radar sensor 10 of Figure 1 in partial section.
  • the number 18 denotes a feed network which is connected to the connection element 16 from FIG. 1 and which is arranged on the first side 20 of a high-frequency substrate 22.
  • a metallic ground surface 24 is arranged on the second side 26 of the high-frequency substrate 22.
  • the radar sensor 10 also has at least one radiation surface 28 (patch), which is excited by the feed network 18 to emit electromagnetic waves via an aperture 30 in the metallic ground surface 24 and via a dielectric 32 arranged between the ground surface 24 and the radiation surface 28.
  • the radiation surface 28 is arranged on the dielectric 32 and is therefore supported and carried by the dielectric 32.
  • the dielectric 32 is generally realized as a hardening foam.
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a radiator with features of a radar sensor according to the invention.
  • Numeral 34 denotes a layer-structured block which has metal layers 36, 38, 40 and 42 arranged according to the Yagi principle.
  • the metal layers 36, 38, 40 and 42 are embedded in the dielectric layers 44, 46, 48, 50 and 52.
  • the arrangement of the metal layers 36, 38, 40 and 42 represents a Yagi arrangement.
  • a first metal layer 36 is via a first dielectric layer 24, the aperture 30 in the metallic ground surface 24 and the high-frequency substrate 22 with the feed network 18 coupled.
  • the feed network 18 excites electrical vibrations in the first metallic surface 36, which excite the further metallic surfaces 38, 40 and 42 via further dielectric layers 46, 48 and 50.
  • the Yagi arrangement strengthens the directivity of the electromagnetic waves emitted by the individual metallic surfaces.
  • the arrow 54 indicates the preferred direction of radiation.
  • further metallic layers can be coupled to the feed network 18.
  • a multiple feed is realized by the electrically conductive connection of a feed network connection 58 to a connection 56 on a further metal surface 38, which is additionally provided for coupling via the aperture 30.
  • the number 60 designates a phase-shifting element, for example a capacitance and / or an inductance and / or an optionally controllable network of capacitances and / or inductances.
  • Such a further connection is only to be understood as optional.
  • the invention also has its effects with the coupling of a metal surface 36 to the feed network 18.
  • Ceramic material is preferred for the manufacture of dielectric layers 44, 46, 48, 50 and 52 because the high dielectric constant of ceramic greatly reduces the wavelength of the electromagnetic waves transmitted within block 34. It follows that relative Many metal layer / ceramic alternating layers can be arranged one behind the other without the height of a block 34 becoming too large. In this way, an improved directivity is achieved with a single block 34.
  • a plurality of such Yagi blocks 34 can be coupled to one another in groups.
  • the individual blocks 34 within a group are driven in the correct phase, there is constructive interference of the electromagnetic waves emanating from the individual Yagi blocks 34, which leads to the improved directivity.
  • six or six Yagi blocks can be aligned along one or more lines 15 in FIG. 1.
  • Groups of patches can also be combined with groups of Yagi blocks. For example, a 3 6 arrangement with two outer rows of patches can be combined with a middle row of six Yagi blocks.
  • Each block 34 is preferably made using LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) technology.
  • a ceramic green sheet is first produced that contains an organic binder and has the glass ceramic.
  • Glass ceramic consists of a ceramic material and a glass material.
  • openings are created in the ceramic green sheet and filled with the later metallic layers.
  • the ceramic green foils with the metallic layers are stacked on top of one another and into one Laminated composite.
  • the composite is then sintered into a block with a monolithic multilayer structure.
  • the antenna made of the metallic layers 36, 38, 40 and 42 is embedded in the ceramic of the multilayer body of the block 34.
  • the dimension of the antenna depends on the (effective) dielectric constant of the ceramic. The higher the dielectric constant of the ceramic, the smaller the height of block 34.
  • a radar sensor shows a method for producing a radar sensor according to the invention.
  • a first step 62 at least one layer 34 structured in layers is produced with metal layers 36, 38, 40 and 42 arranged according to the Yagi principle, which are each separated from one another by a dielectric intermediate layer 46, 48 and 50.
  • the number of metal layers and separating ceramic intermediate layers is not limited to a specific number. The higher the number of layers, the 'better directivity will be. The number of layers can be limited by maintaining a certain height for the radar sensor 10.
  • This step 56 is preferably carried out using the LTCC technology mentioned above.
  • the block is coupled to a feed network 18 and embedded in a housing in a third step 66.
  • the coupling to the feed network 18 can take place via an aperture 30 in a ground plane 24, which is arranged on one side of a high-frequency substrate 22 opposite a feed network 18.
  • the coupling can also take place in another way, for example by galvanically coupling the first metal layer 36 to the feed network 18.
  • Fig. 5 shows a schematic sectional view of a Layer 34 structured block 34 according to a further embodiment of the invention.
  • This embodiment provides that the metal surfaces 36, 38, 40 and 42 and the associated ceramic layers 44, 46, 48, 50 and 52 are trough-shaped (concave). This configuration results in a further improvement in the directional effect.
  • FIG. 6 shows a block 34 structured in layers with metal layers 36, 38, 40 and 42 which are not embedded in the ceramic in an equidistant manner.
  • the closely spaced metal surfaces near the feed of high-frequency electromagnetic energy above the aperture 30 form a transition zone which improves the excitation of the metal surfaces further away.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a block 34 structured in layers with a cross section tapering in the longitudinal direction. This embodiment also improves the directional effect of the block 34.

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Abstract

Vorgestellt wird ein Radarsensor (10) für Automobilanwendungen, der gepulste Strahlung emittiert. Der Radarsensor zeichnet sich dadurch aus, dass der Radarsensor eine Antenne mit wenigstens einem schichtweise strukturierten Block (34) besitzt, der nach dem Yagi-Prinzip angeordnete Metallschichten (36, 38, 40, 42) aufweist, die jeweils durch eine dielektrische Zwischenschicht (46, 48, 50) voneinander getrennt sind, wobei wenigstens eine der Metallschichten (36, 38, 40, 42) durch ein Speisenetzwerk (18) mit einer Radarfrequenz erregt wird.

Description

Titel: Radarsensor für Automobilanwendungen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Radarsensor für Automobilanwendungen, der gepulste Strahlung emittiert. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung eines solchen Radarsensors .
Solche Radarsensoren sind per se bekannt. Als Automobilanwendungen von Radarsensoren werden im Allgemeinen Anwendungen wie Einparkhilfe, Totwinkelüberwachung, Unfall- Antizipierung (Pre-Crash Sensing) , Start/Stopp-Betrieb oder Fahrbetrieb mit Abstandsüberwachung und/oder Abstandsregelung (Cruise Control-Unterstützung) in Frage kommen.
Dabei werden für die Fahrzeugumfeldüberwachung auf der einen Seite und die Detektion weiter entfernter Objekte auf der anderen Seite in der Regel verschiedene Sensoren eingesetzt, die mit verschiedenen Radarfrequenzen arbeiten. Bei der Nahfeldüberwachung kommt es auf eine hohe Ortsauflösung (Abstand und Winkel) an, während die Winkelinformation bei größeren Entfernungen weniger wichtig ist.
Für eine Abstandsüberwachung mit größeren Reichweiten wird bei auf dem Markt erhältlichen Radarsensoren mit etwa 76 Gigahertz gearbeitet. Diese Frequenzen bringen jedoch den Nachteil mit sich, dass wegen der kurzen Wellenlänge, die im Mikrowellenbereich liegt, keine Standardbauteile mehr verwendbar sind.
Für die Nahfeldüberwachung wird dagegen der sogenannte ISM- Frequenzbereich um etwa 24 Gigahertz benutzt, in dem breitbandig ausgestrahlt werden darf. Ein breitbandiges Signal ist wünschenswert, da sich die örtliche Auflösung reflektierender Objekte, also der kleinstmögliche Abstand, bei dem zwei getrennte Objekte als getrennt erkannt werden, mit zunehmender Bandbreite verbessert. Zur weiteren Bandbreitenerhöhung werden die per se bekannten Radarsensoren in der Regel gepulst betrieben, da sich die Signalbandbreite mit kürzer werdender Pulsbreite vergrößert.
Der per se bekannte Radarsensor weist planar angeordnete, schlitzgekoppelte Patchantennen auf, die über eine zugeordnete Apertur in einer metallischen Massefläche und über ein zwischen Massefläche und Strahlungsfläche angeordnetes Dielektrikum von einem Speisenetzwerk des Radarsensors zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen angeregt werden. Die Abmessungen des per se bekannten Radarsensors sind mit einer Länge und Breite von einigen Zentimetern und einer Tiefe von einem bis etwa 3 cm so, dass er sich in übliche Stoßfänger von Kraftfahrzeugen integrieren lässt .
Unter Anwendung von Triangulations-Algorithmen und mit Hilfe von mehreren Radarsensoren können Objekte in einem weiten Winkelbereich detektiert werden. Die Richtcharakteristik der Sende- and Empfangsantennen wird dabei mit Hilfe des Interferenzprinzips geometrisch und mit Hilfe von Signal- Phasenunterschieden bzw. mit Signal-LaufZeitunterschieden durch ca. 4 bis 6 Patches (Strahlungsflächen) auf 3 dB bei einem Winkel von ca. 15-25 Grad in der einen Richtung and ca. 70 Grad in der anderen Richtung eingestellt.
Ein Vorteil der planaren Antennenstrukturen gegenüber konventionellen Antennen liegt darin, dass sie sich in kostengünstiger und kompakter Leichtbauweise unter Benutzung von Standardbauteilen fertigen lassen und leicht mit Mikrostreifenleitungsschaltungen integriert werden können.
Für kleine Ob ekt-Detektions-Reichweiten ist dieses kostengünstige Prinzip ausreichend. Für große Entfernungen von z.B. 40 Metern zum Objekt, ist jedoch ein vergleichsweise stark gebündelter Strahl notwendig, da sich sonst Umgebungseinflüsse zu stark auswirken würden. Eine Realisierung eines stärker gebündelten Strahls mit der herkömmlichen planaren Antennentechnik auf der Bases des aktuellen Interferenzprinzips würde mehr Patches und damit einen höheren Platzbedarf erfordern. Die Antennen-Fläche würde dann die Größe des Sensors bestimmen, und die Größe der zukünftigen Sensoren würde die Größe der aktuellen Radarsensoren bei weitem überschreiten.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines preisgünstigen Radarsensors für Automobil- Anwendungen, der neben der Detektion von nahen Objekten auch die Detektion weiter entfernter Objekte unter Verwendung von Standardbauteilen mit einem einzigen Radarsensor erlaubt, dessen geometrische Abmessungen die Abmessungen des per se bekannten Radarsensors nicht wesentlich überschreitet.
Diese Aufgabe wird bei einem Radarsensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Radarsensor eine Antenne mit wenigstens einem schichtweise strukturierten Block besitzt, der nach dem Yagi-Prinzip angeordnete Metallschichten aufweist, die jeweils durch eine dielektrische Zwischenschicht voneinander getrennt sind, wobei wenigstens eine der Metallschichten durch ein Speisenetzwerk mit einer Radarfrequenz erregt wird.
Ferner wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Antenne des Radarsensors als wenigsten ein schichtweise strukturierter Block mit nach dem Yagi-Prinzip angeordneten Metallschichten hergestellt wird, die jeweils durch eine dielektrische Zwischenschicht voneinander getrennt sind und wobei wenigstens eine der Metallschichten mit einem Speisenetzwerk gekoppelt wird.
Durch diese Merkmale wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst. Der erfindungsgemäße Radarsensor für Automobil-Anwendungen ist in einer kostengünstigen Weise realisierbar und kann gleichzeitig nahe and ferne Objekte detektieren. Seine Größe ist mit der des bekannten Radarsensors vergleichbar. Eine Yagi-Antenne stellt bekanntlich einen Längsstrahler aus mehreren Dipolen dar, bei dem die Ströme, die für eine gewünschte Richtwirkung erforderlich sind, durch Strahlungskopplung erzeugt werden. Durch das Ersetzen von Metall-Patches des per se bekannten Radarsensors durch eine oder mehrere geschichtete Blockstrukturen wird eine stärkere Richtwirkung erzielt.
Es ist bevorzugt, dass die dielektrischen Zwischenschichten jeweils aus Keramik mit einer Dielektrizitätskonstante zwischen 5 und 50 bestehen.
Der relativ hohe Dielektrizitätswert der Keramik verringert die Wellenlänge, so dass relativ viele Lagen zum Yagi-Prinzip beitragen können, ohne dass die Blockhöhe der Blockstrukturen zu groß wird. Auf diese Weise wird bereits mit einem einzelnen schichtweise strukturierten Block mit nach dem Yagi-Prinzip angeordneten Metallschichten eine beachtliche Richtwirkung erreicht.
Es ist ferner bevorzugt, dass wenigstens zwei der Metallschichten von dem Speisenetzwerk durch separate Strukturen phasengekoppelt erregt werden.
Bevorzugt ist auch, dass die einzelnen Schichten des schichtweise strukturierten Blocks wenigstens bereichsweise muldenförmig ausgestaltet sind.
Bevorzugt ist ferner, dass sich der schichtweise strukturierte Block sich mit zunehmender Entfernung von der Ankopplung an das Speisenetzwerk verjüngt.
Auch diese Ausgestaltungen erhöhen die Richtwirkung eines schichtweise strukturierten Blocks mit nach dem Yagi-Prinzip angeordneten Metallschichten weiter. Das gilt sowohl für jede Einzelmaßnahme als auch für jede Kombination dieser Maßnahmen.
Ferner ist bevorzugt, dass nahe der Einspeisung hochfrequenter elektromagnetischer Energie angeordnete Metallflächen dichter gestaffelt sind als weiter entfernt angeordnete Metallflächen.
Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Anregung der weiter außen liegenden Metallflächen verbessert wird. Auch diese Maßnahme ist mit den vorstehend offenbarten bevorzugten Ausgestaltungen kombinierbar.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere der schichtweise strukturierten Blöcke zu einer Anordnung zusammengefasst sind, wobei die einzelnen Blöcke phasengekoppelt erregt werden.
Durch ein solches phasenrichtig erfolgendes Einspeisen von HF- (Hochfrequenz) -Energie in mehrere Blöcke kann die Richtwirkung einer LTCC-Yagi-Block-Anordnung weiter erhöht werden.
Weiter ist bevorzugt, dass der Radarsensor mehrere der genannten Anordnungen aufweist und dass die mehreren Anordnungen phasengekoppelt erregt werden.
Auch diese Ausgestaltung erhöht die Richtwirkung der Antenne weiter. Bevorzugt ist auch, dass die vom Speisenetzwerk bereitgestellte Radarfrequenz 24 Gigahertz beträgt. Dieses Merkmal erlaubt eine Kombination der an sich bekannten breitbandigen Nahfeldüberwachung im ISM-Frequenzbereich mit der erfindungsgemäß erzielten Detektion weiter entfernter Objekte durch gerichtete Abstrahlung.
Mit Blick auf Verfahren ist bevorzugt, dass die dielektrischen Zwischenschichten mit eingebetteten Metallschichten als LTCC-Schichten (Low Temperature Cofired Ceramics) erzeugt werden.
Die LTCC-Technologie ist zur Herstellung monolithischer keramischer Mehrschichtsysteme geeignet, in die elektrisch sehr gut leitendes Material wie metallische Schichten zu integrieren sind.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig.l schematisch eine Gesamtansicht eines Radarsensors für Kraftfahrzeuganwendungen;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung des Radarsensors nach Fig. 1 mit einem inneren Aufbau, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist,
Fig.3 eine schematische Schnittdarstellung eines schichtweise strukturierten Blocks, wie er bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Strahlungsflächen (Patches) der Fig. 2 ersetzt;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens ,-
Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung eines schichtweise strukturierten Blockes nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines schichtweise strukturierten Blocks mit verschiedenen Schichtabständen, und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines schichtweise strukturierten Blocks mit sich in Längsrichtung verjüngendem Querschnitt.
Die Ziffer 10 in der Figur 1 bezeichnet die schematische Gesamtansicht eines Radarsensors mit einem Gehäuse 12, das von einem Deckel 14 abgeschlossen wird. Die gestrichelten Linien 15 geben die Ausrichtung oder Anordnung von einzelnen Strahlungselementen innerhalb des Gehäuses 12 an. Die Ziffer 16 bezeichnet ein Anschlusselement, über das dem Radarsensor 10 beispielsweise eine VersorgungsSpannung zugeführt wird und/oder über das der Radarsensor 10 Signale an Steuergeräte eines Kraftfahrzeugs ausgibt oder von einem Steuergerät Signale erhält. Der mit der Ziffer 17 bezeichnete Pfeil gibt die Richtung der Längsachse des Kraftfahrzeugs an.
Die Orientierung des Radarsensors 10 relativ zur Richtung 17 der Längsachse stellt eine typische Einbaulage des Radarsensors 10 bei einer Kraftfahrzeug-Anwendung dar. Die Erfindung ist aber selbstverständlich nicht auf eine solche relative Ausrichtung des Radarsensors 10 zur Richtung 17 der Längsachse des Kraftfahrzeugs beschränkt .
Figur 2 zeigt einen bekannten inneren Aufbau des Radarsensors 10 nach Figur 1 im Teilschnitt. In der Figur 2 bezeichnet die Ziffer 18 ein Speisenetzwerk, das mit dem Anschlusselement 16 aus Figur 1 in Verbindung steht und das auf der ersten Seite 20 eines Hochfrequenzsubstrates 22 angeordnet ist. Eine metallische Massefläche 24 ist auf der zweiten Seite 26 des Hochfrequenzsubstrates 22 angeordnet. Der Radarsensor 10 weist ferner wenigstens eine Strahlungsfläche 28 (Patch) auf, die über eine Apertur 30 in der metallischen Massefläche 24 und über ein zwischen der Massefläche 24 und der Strahlungsfläche 28 angeordnetes Dielektrikum 32 von dem Speisenetzwerk 18 zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen angeregt wird. Bei dem bekannten Radarsensor ist die Strahlungsfläche 28 auf dem Dielektrikum 32 angeordnet und wird daher von dem Dielektrikum 32 gestützt und getragen. Das Dielektrikum 32 ist bei dem bekannten Radarsensor in der Regel als aushärtender Schaum realisiert.
Fig. 3 stellt eine erste Ausgestaltung eines Strahlers mit Merkmalen eines erfindungsgemäßen Radarsensors dar. Die Ziffer 34 bezeichnet einen schichtweise strukturierten Block, der nach dem Yagi-Prinzip angeordnete Metallschichten 36, 38, 40 und 42 aufweist. Die Metallschichten 36, 38, 40 und 42 sind in dielelektrische Schichten 44, 46, 48, 50 und 52 eingebettet. Die Anordnung der Metallschichten 36, 38, 40 und 42 stellt eine Yagi-Anordnung dar.
Eine erste Metallschicht 36 ist über eine erste dielektrische Schicht 24, die Apertur 30 in der metallischen Massefläche 24 und das Hochfrequenzsubstrat 22 mit dem Speisenetzwerk 18 gekoppelt. Das Speisenetzwerk 18 regt elektrische Schwingungen in der ersten metallischen Fläche 36 an, die über weitere dielektrische Schichten 46, 48, und 50 die weiteren metallischen Flächen 38, 40 und 42 anregen. Durch die Yagi-Anordnung wird die Richtwirkung der von den einzelnen metallischen Flächen abgestrahlten elektromagnetischen Wellen verstärkt. Der Pfeil 54 gibt die bevorzugte Abstrahlrichtung an.
Ergänzend können weitere metallische Schichten mit dem Speisenetzwerk 18 gekoppelt sein. Bei phasenrichtiger Einspeisung von hochfrequenter elektromagnetischer Energie an mehreren in Abstrahlrichtung hintereinander liegenden Metallflächen 36, 38 wird die Richtwirkung eines Blocks 34 erhöht. In der Fig. 3 wird eine solche Mehrfacheinspeisung durch die zusätzlich zur Kopplung über die Apertur 30 vorhandene elektrisch leitende Verbindung eines Speisenetzwerkanschlusses 58 mit einem Anschluss 56 an einer weiteren Metallfläche 38 realisiert. Die Ziffer 60 bezeichnet ein phasenverschiebendes Element, beispielsweise eine Kapazität und/oder eine Induktivität und/oder ein gegebenenfalls steuerbares Netzwerk aus Kapazitäten und/oder Induktivitäten. Eine solche weitere Verbindung ist lediglich optional zu verstehen. Die Erfindung entfaltet ihre Wirkungen auch bereits mit der Ankopplung einer Metallfläche 36 an das Speisenetzwerk 18.
In der Fig. 3 sind die Metallschichten äquidistant in die Keramik eingebettet. Diese Anordnung ist jedoch nicht zwingend, wie weiter unten näher erläutert wird.
Für die Herstellung der dielektrischen Schichten 44, 46, 48, 50 und 52 wird Keramikmaterial bevorzugt, da die hohe Dielektrizitätskonstante von Keramik die Wellenlänge der innerhalb des Block 34 übertragenen elektromagnetischen Wellen stark verringert. Daraus ergibt sich, dass relativ viele Metallschicht/Keramik-Wechsellagen hintereinander angeordnet werden können, ohne dass die Höhe eines Blocks 34 zu groß wird. Auf diese Weise wird bereits mit einem einzigen Block 34 eine verbesserte Richtwirkung erzielt.
Zur weiteren Verbesserung der Richtwirkung können mehrere solcher Yagi-Blöcke 34 miteinander zu Gruppen gekoppelt werden. Bei phasenrichtiger Ansteuerung der einzelnen Blöcke 34 innerhalb einer Gruppe ergibt sich eine konstruktive Interferenz der von den einzelnen Yagi-Blöcken 34 ausgehenden elektromagnetischen Wellen, was zu der verbesserten Richtwirkung führt. So können beispielsweise sechs oder je sechs Yagi-Blöcke längs einer oder mehrerer Linien 15 in Fig. 1 ausgerichtet sein.
Weiter kann die Richtwirkung dadurch erhöht werden, dass mehrere solcher phasengekoppelten Gruppen konstruktive Interferenzen erzeugen. Dabei können auch Gruppen von Patches mit Gruppen von Yagi-Blöcken zusammengefasst werden. So kann beispielsweise eine 3 6 Anordnung mit zwei äußeren Reihen von Patches mit einer mittleren Reihe von sechs Yagi-Blöcken kombiniert werden.
Jeder Block 34 wird bevorzugt mit der LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) Technologie hergestellt.
Diese Technologie ist besonders gut zur Herstellung monolithischer Strukturen aus Keramik mit integrierten Metallschichten geeignet. Im Rahmen der LTCC-Technologie wird zunächst eine Keramikgrünfolie hergestellt, die einen organischen Binder enthält und die Glaskeramik aufweist. Glaskeramik besteht aus einem Keramikmaterial und einem Glasmaterial. Anschließend werden Öffnungen in der Keramikgrünfolie erzeugt und mit den späteren metallischen Schichten gefüllt. Dann werden die Keramikgrünfolien mit den metallischen Schichten übereinandergestapelt und zu einem Verbund laminiert . Der Verbund wird dann zu einem Block mit monolithischem Vielschichtaufbau gesintert.
Nach dem Sinterprozess ist die Antenne aus den metallischen Schichten 36, 38, 40 und 42 in der Keramik des Mehrschichtkörpers des Blocks 34 eingebettet. Die Abmessung der Antenne hängt von der (effektiven) Dielektrizitätskonstante der Keramik ab. Je höher die Dielektrizitätskonstante der Keramik ist, desto kleiner ist die Höhe des Blocks 34.
Fig. 4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Radarsensors. Dabei wird in einem ersten Schritt 62 wenigstens ein schichtweise strukturierter Block 34 mit nach dem Yagi-Prinzip angeordneten Metallschichten 36, 38, 40 und 42 hergestellt, die jeweils durch eine dielektrische Zwischenschicht 46, 48, und 50 voneinander getrennt sind. Die Zahl der Metallschichten und trennenden keramischen Zwischenschichten ist nicht auf eine bestimmte Zahl festgelegt. Je höher die Zahl der Schichten ist,' desto besser wird die Richtwirkung sein. Die Zahl der Schichten kann dadurch beschränkt sein, dass eine bestimmte Bauhöhe für den Radarsensor 10 einzuhalten ist.
Dieser Schritt 56 erfolgt bevorzugt nach der oben genannten LTCC-Technologie. In einem zweiten Schritt .64 wird der Block mit einem Speisenetzwerk 18 gekoppelt und in einem dritten Schritt 66 in ein Gehäuse eingebettet. Die Kopplung mit dem Speisenetzwerk 18 kann über eine Apertur 30 in einer Massefläche 24 erfolgen, die auf einer Seite eines HochfrequenzSubstrats 22 gegenüber einem Speisenetzwerk 18 angeordnet ist. Die Kopplung kann jedoch auch auf andere Weise, beispielsweise durch eine galvanische Kopplung der ersten Metallschicht 36 mit dem Speisenetzwerk 18 erfolgen.
Fig. 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines schichtweise strukturierten Blockes 34 nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung. Diese Ausgestaltung sieht vor, dass die Metallflächen 36, 38, 40 und 42 sowie die zugehörigen Keramikschichten 44, 46, 48, 50 und 52 muldenförmig (konkav) ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung ergibt eine weitere Verbesserung der Richtwirkung.
In der Fig. 6 ist ein schichtweise strukturierter Block 34 mit Metallschichten 36, 38, 40 und 42 dargestellt, die nicht äquidistant in die Keramik eingebettet sind. Die nahe der Einspeisung hochfrequenter elektromagnetischer Energie über der Apertur 30 dichter gestaffelten Metallflächen bilden eine Übergangszone, die die Anregung der weiter außen liegenden Metallflächen verbessert.
Fig. 7 stellt eine schematische Darstellung eines schichtweise strukturierten Blocks 34 mit .sich in Längsrichtung verjüngendem Querschnitt dar. Auch diese Ausgestaltung verbessert die Richtwirkung des Blockes 34.

Claims

Patentansprüche
1. Radarsensor (10) für Automobilanwendungen, der gepulste Strahlung emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass der Radarsensor (10) eine Antenne mit wenigstens einem schichtweise strukturierten Block 34 besitzt, der nach dem Yagi-Prinzip angeordnete Metallschichten (36, 38, 40, 42) aufweist, die jeweils durch eine dielektrische Zwischenschicht (46, 48, 50) voneinander getrennt sind, wobei wenigstens eine der Metallschichten (36, 38, 40, 42) durch ein Speisenetzwerk 18 mit einer Radarfrequenz erregt wird.
2. Radarsensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die dielektrischen Zwischenschichten (46, 48, 50) eine Dielektrizitätskonstante zwischen 5 und 50 besitzen.
3. Radarsensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Metallschichten (36, 38, 40, 42) von dem Speisenetzwerk (18) durch separate Strukturen (30, 56) phasengekoppelt erregt werden .
4. Radarsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten (36, 38, 40, 42, 46, 48, 50) des schichtweise strukturierten Blocks ' (34) wenigstens bereichsweise muldenförmig ausgestaltet sind.
5. Radarsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der schichtweise strukturierte Block (34) sich mit zunehmender Entfernung von der Ankopplung an das Speisenetzwerk (18) verjüngt.
6. Radarsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nahe der Einspeisung hochfrequenter elektromagnetischer Energie angeordnete Metallflächen (36, 38) dichter gestaffelt sind als weiter entfernt angeordnete Metallflächen (40, 42) .
7. Radarsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der schichtweise strukturierten Blöcke (34) zu einer Anordnung zusammengefasst sind und die schichtweise strukturierten Blöcke phasengekoppelt erregt werden.
8. Radarsensor (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Radarsensor (10) mehrere der Anordnungen nach Anspruch 5 aufweist und dass die mehreren Anordnungen phasengekoppelt erregt werden.
9. Radarsensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Speisenetzwerk (18) bereitgestellte Radarfrequenz 24 Gigahertz beträgt.
10. Verfahren zur Herstellung eines Radarsensors (10) für Automobilanwendungen, der gepulste Strahlung emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antenne des Radarsensors als wenigsten ein schichtweise strukturierter Block (34) mit nach dem Yagi-Prinzip angeordneten Metallschichten (36, 38, 40, 42) hergestellt wird, die jeweils durch eine dielektrische Zwischenschicht (46, 48, 50) voneinander getrennt sind, wobei wenigstens eine der Metallschichten (36, 38, 40, 42) durch ein Speisenetzwerk (18) mit einer Radarfrequenz erregt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Zwischenschichten (46, 48, 50) als LTCC-Schichten erzeugt werden.
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