EP2229711A1

EP2229711A1 - Bistatische arrayantenne sowie verfahren

Info

Publication number: EP2229711A1
Application number: EP08856810A
Authority: EP
Inventors: Thomas Binzer; Dirk Steinbuch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2008-10-13
Publication date: 2010-09-22
Also published as: WO2009071368A1; DE102007058236A1; US20100271278A1

Abstract

Bei einer bistatischen Arrayantenne erfolgt eine Strahlbündelung in Vorzugsrichtungen der Arrayantenne mittels eines Fokussiermittels (9) derart, dass sowohl eine Strahlbündelung in einer ersten Vorzugsrichtung für die Arrayelemente (1) des Sendebetriebs, als auch in einer anderen zweiten Vorzugsrichtung für die Arrayelemente (2) des Empfangsbetriebs erfolgt.

Description

Beschreibung

Titel

Bistatische Arrayantenne sowie Verfahren

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer bistatischen Arrayantenne mit einem Fokussiermit- tel zur Strahlbündelung aus. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antenne.

Für einen Radarsensor mit digitaler Strahlformung benötigt man große Anten- nenarrays, insbesondere dann, wenn schmale Strahlen (Beams) wie beim Long Range Radar benötigt werden. Dies steht jedoch im Konflikt mit dem Wunsch einen in der Fläche möglichst kleinen Sensor herzustellen. Alternativ kann man ei- ne (Zylinder-) Linse verwenden, die zu einer Verschmälerung der Beams in einer

Ebene führt (Elevation) und die Anzahl der Antennenelemente in Elevation vermindert, beispielsweise gemäß der WO 2006/048352 A2. Die geometrischen Abmessungen in Azimuth- Richtung ändern sich dadurch jedoch nicht.

Eine andere Alternative wäre ein monostatisches Radarsystem, bei dem zum

Senden und Empfangen die gleiche Antenne verwendet wird, beispielsweise gemäß der WO 2006/029926A1. Dies bedeutet aber, dass Sende- und Empfangscharakteristik nicht unabhängig voneinander gewählt werden können.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Mit der bistatischen Arrayantenne gemäß Anspruch 1, bei der ein Fokussiermittel für eine Strahlbündelung in Vorzugsrichtungen der Arrayantenne derart ausgebil- det und angeordnet ist, dass sowohl eine Strahlbündelung in einer ersten Vorzugsrichtung für die Arrayelemente des Sendebetriebs, als auch in einer anderen zweiten Vorzugsrichtung für die Arrayelemente des Empfangsbetriebs erfolgt, lässt sich mit für Sendebetrieb und Empfangsbetrieb getrennten Arrayelementen eine Strahlbündelung mit einem sehr geringen Flächenbedarf, insbesondere in

Elevation erreichen.

Außerdem ist bei der Ausgestaltung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 zusätzlich eine digitale Strahlformung mit schmalen Strahlungskeulen und Winkel- Schätzungen, insbesondere in Azimuth- Richtung ebenfalls mit sehr geringem Flächenbedarf zu erreichen.

Bei Verwendung eines Fokussiermittels in Form einer bifokalen Linse, insbesondere einer bifokalen Zylinderlinse, wird eine Strahlbündelung in einer Ebene er- reicht, in der keine digitale Strahlformung stattfindet, vorzugsweise in Elevation.

Die Strahlbündelung in Vorzugsrichtungen für Elevation lässt sich so optimal und unabhängig vom Azimuth getrennt nach den Arrayelementen für Sendebetrieb und Empfangsbetrieb einstellen.

Vorzugsweise werden die Arrayelemente gegenüber dem Fokussiermittel/der bifokalen Zylinderlinse so angeordnet, dass sich der Phasenquellpunkt der Arrayelemente für Empfangsbetrieb und für Sendebetrieb in jeweils einem Brennpunkt des Fokussiermittels/der bifokalen Linse befindet. Damit können die Arrayelemente für Empfangsbetrieb und für Sendebetrieb in Elevation getrennt überein- ander angeordnet werden, statt wie bei herkömmlichen Lösungen nebeneinander. Dies führt zu einem erheblich geringeren Flächenbedarf. Die Strahlbündelung erfolgt vorzugsweise in Elevation durch Arrayelemente auf einem Substrat und dem Fokussiermittel/bifokalen Linse und in Azimuth nur durch die Arrayelemente auf dem Substrat. Für die Strahlbündelung/digitale Strahlformung in Azi- muth steht die gesamte Basisbreite des Antennenarrays zur Verfügung und gestattet so eine weite Strahlschwenkung in Azimuth im Sendebetrieb sowie eine zuverlässige Auswertung im Empfangsbetrieb.

Als Arrayelemente können alternativ Patch-, Schlitzelemente oder Patch- Elemente mit Polyrod auf einem Substrat verwendet werden. In Elevation können mehrere Arrayelemente bzw. Zeilen von Arrayelementen verwendet werden, um eine optimale Nebenkeulenunterdrückung zu gewährleisten.

Beschreibung der Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Aufsicht auf ein Antennenarray mit getrennten Bereichen von Arrayelementen für Sende- und Empfangsbetrieb,

Figur 2 einen Schnitt durch eine Bifokallinse,

Figur 3 eine Seitenansicht des Antennenarrays mit vorgelagerter bifokaler Linse.

Ausführungsformen der Erfindung

Bei der Erfindung ist ein Fokussiermittel vorgesehen für eine Strahlbündelung in zwei Vorzugsrichtungen einer Radar-Arrayantenne für den bistatischen Betrieb, d. h. für einen Sendebetrieb sind jeweils andere Arrayelemente vorgesehen als für einen Empfangsbetrieb. Das Fokussiermittel bewirkt eine Strahlbündelung in einer ersten Vorzugsrichtung der Elevation für den Sendebetrieb und eine Strahlbündelung in einer anderen zweiten Vorzugsrichtung der Elevation für den Empfangsbetrieb. Im Weiteren wird als Fokussiermittel eine bifokale Linse beschrieben, insbesondere eine bifokale Zylinderlinse mit zwei unterschiedlichen Brennpunkten. Anstelle einer solchen bifokalen Zylinderlinse können auch entspre- chende Gitterstrukturen oder andere dielektrische Strukturen eingesetzt werden, die ebenfalls zwei Brennpunkte bzw. Brennlinien aufweisen.

Figur 1 zeigt die Anordnung der Arrayelemente 1 für den Sendebetrieb und die Arrayelemente 2 für den Empfangsbetrieb. In Bezug auf die Elevationsrichtung 3 liegen die Arrayelemente 1 für den Sendebetrieb und 2 für den Empfangsbetrieb erfindungsgemäß übereinander. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 sind jeweils drei Arrayzeilen in Elevation 3 und jeweils 24 Arrayspalten in Azimuth 5 angeordnet. Als Arrayelemente 1 und 2 sind Patch- Elemente, Schlitz- Elemente o- der Patch- Elemente mit Polyrod auf bzw. in einem Substrat 4 vorgesehen. Die Ansteuerung der Arrayelemente 1 für den Sendebetrieb erfolgt von einem Hochfrequenzoszillator 6 aus. Die einzelnen Arrayelemente 1 sind zu Gruppen von jeweils 3x3 Elementen in Elevation und Azimuth zusammengeschaltet. In Azimuth 5, d. h. in einer weiteren Vorzugsrichtung, die sowohl den Arrayelementen 1 für den Sendebetrieb als auch den Arrayelemente 2 für den Empfangsbetrieb gemein ist, erfolgt die Ansteuerung über Phasenschieber 11, um eine gewünschte Richtcharakteristik der Strahlungskeulen einstellen zu können und gegebenenfalls auch umschalten zu können. Für den Empfangsbetrieb sind die Arrayelemente ebenfalls zu Gruppen von jeweils 3x3 Elementen zusammengeschaltet. Natürlich kann diese Konfiguration auch anders gewählt werden. Jeweils zwei dieser Gruppen von Arrayelementen 2 werden auf eine Mischeinrichtung 7 geführt, die jeweils zwei Mischer auf einem Chip aufweist. Bei Verwendung einer homodynen Mischung, wie etwa bei der WO 2006/029926A1 wird von dem Signal des Oszillators 6, der das zu sendende Signal erzeugt, ein Teil abgezweigt und als Lokaloszillatorsignal verwendet, so dass das gesendete Signal und das Signal des lokalen Oszillators die gleiche Frequenz haben. Die Zwischenfrequenz entspricht dann dem Frequenzunterschied zwischen dem Lokaloszillatorsignal und dem empfangenen Signal und ist bei einem Dopplerradar von der Dopplerverschiebung abhängig. Bei einem FMCW-Radar wir die Frequenz des gesendeten Signals und folglich auch die Lokaloszillatorfrequenz rampenförmig moduliert. Die Zwischenfrequenz ist dann auch von der Signallaufzeit und damit vom Abstand des georteten Objekts abhängig und liegt in einer Größenordnung von 0 bis wenige 100 KHz.

In einer Auswerteeinrichtung 8 werden die gemischten verschiedenen Emp- fangssignale (Zwischenfrequenzsignale) der Mischeinrichtungen 7 zeitsynchron abgetastet (digitalisiert) und einer bekannten digitalen Strahlformung (DBF, Digital Beam Forming) unterzogen. Aufgrund der festen Phasen- und Amplitudenbeziehung der einzelnen Empfangssignale in Azimuth, kann neben der Entfernung auch die Winkelinformation von Radarzielen extrahiert werden. Vor der Ebene des Substrates 4 auf dem sich die Arrayelemente 1 und 2 befinden, wird eine bifokale Zylinderlinse 9, deren Schnitt Figur 2 zeigt, angeordnet. In der Seitenansicht gemäß Figur 3 ist ersichtlich, dass sich die Arrayelemente 1 für Sendebetrieb und die Arrayelemente 2 für Empfangsbetrieb jeweils in einem Brennpunkt der bifokalen Zylinderlinse 9 befinden bzw. die Phasenquellpunkte der Sende- und Empfangsarrayflächen befinden sich jeweils in einem Brennpunkt der Bifokallinse 9. Die Strahlenbündelung der bistatischen Arrayantenne erfolgt demnach in Elevation durch die Arrayelemente 1 und 2 auf dem Substrat 4 und der Bifokallinse 9 und in Azimuth nur durch die Arrayelemente auf dem Substrat 4 mittels digitaler Strahlformung.

Wenn in Elevation, wie in Figur 1 dargestellt, mehrere Zeilen von Arrayelementen vorgesehen sind, kann eine optimale Nebenkeulenunterdrückung gewährleistet werden.

Claims

Ansprüche

1. Bistatische Arrayantenne, wobei ein Fokussiermittel (9) für eine Strahlbündelung in Vorzugsrichtungen der Arrayantenne derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sowohl eine Strahlbündelung in einer ersten Vorzugrichtung für die Arrayelemente (1) des Sendebetriebs, als auch in einer anderen zweiten Vorzugsrichtung für die Arrayelemente (2) des Empfangsbetriebes erfolgt.

2. Bistatische Arrayantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine insbesondere digitale Strahlformung in einer weiteren Vorzugsrichtung

(5) vorgesehen ist, die den Arrayelementen (1) für den Sendebetrieb wie auch den Arrayelementen (2) für den Empfangsbetrieb gemein ist.

3. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussiermittel (9) eine bifokale Linse, insbesondere eine bifokale

Zylinderlinse, ist.

4. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Vorzugsrichtung Elevationsrichtungen bezüg- lieh der Ebene des Antennenarrays sind.

5. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vorzugsrichtung eine Azimuth- Richtung bezüglich der Ebene des Antennenarrays ist.

6. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Phasenquellpunkt der Arrayelemente (2) für Empfangsbetrieb wie auch der Phasenquellpunkt der Arrayelemente für Sendebetrieb (1) in jeweils einem Brennpunkt der Fokussiermittel/bifokalen Linse (9) befindet.

7. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arrayelemente für den Empfangsbetrieb (2) und die Arrayelemente für den Sendebetrieb (1) in Elevation getrennt übereinander angeordnet sind.

8. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Arrayelemente (1, 2) Patch- Elemente auf einem Substrat (4) angeordnet sind.

9. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Arrayelemente (1, 2) Schlitze in einem Substrat (4) angeordnet sind.

10. Verfahren zum Betreiben einer bistatischen Arrayantenne mit einem Fokus- siermittel (9) für eine Strahlbündelung, wobei das Fokussiermittel (9) derart ausgebildet und vor den Arrayelementen (1, 2) angebracht wird, dass jeweils eine Strahlbündelung in einer ersten Vorzugsrichtung für Arrayelemente (1) im Sendebetrieb, als auch in einer anderen zweiten Vorzugsrichtung für Arrayelemente (2) im Empfangsbetrieb eintritt.