EP4302124A1 - Kaskadierbares radarelement mit sendeantenne und empfangsantenne - Google Patents

Kaskadierbares radarelement mit sendeantenne und empfangsantenne

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EP4302124A1
EP4302124A1 EP21709657.7A EP21709657A EP4302124A1 EP 4302124 A1 EP4302124 A1 EP 4302124A1 EP 21709657 A EP21709657 A EP 21709657A EP 4302124 A1 EP4302124 A1 EP 4302124A1
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EP
European Patent Office
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radar
cascadable
antenna
elements
digital
Prior art date
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Pending
Application number
EP21709657.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Welle
Levin Dieterle
Jörg Börsig
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Vega Grieshaber KG
Original Assignee
Vega Grieshaber KG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01S7/027—Constructional details of housings, e.g. form, type, material or ruggedness
    • G01S7/028—Miniaturisation, e.g. surface mounted device [SMD] packaging or housings
    • 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
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    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
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    • G—PHYSICS
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    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array

Definitions

  • the invention relates to the technical field of radar measurement technology, particularly in the field of process automation in industrial and private environments.
  • the invention relates to a cascadable radar element, set up for use in a radar measuring device for carrying out a digital beam conversion method, a radar measuring device with such a radar element, and specific uses.
  • multi-dimensional measuring i. H. two- or three-dimensional measuring radar systems are used.
  • New, advantageous applications have developed particularly in the area of process automation in the industrial and private environment and in the area of factory automation.
  • Three-dimensional radar systems can be used to survey bulk material heaps or for microwave barriers.
  • Integrated radar chips are also known, which have a large number of digital and analog components for converting a number of radar transmission channels (Tx) and/or radar reception channels (Rx).
  • Tx radar transmission channels
  • Rx radar reception channels
  • Tx radar transmission channels
  • Rx radar reception channels
  • a first aspect of the present disclosure relates to a cascadable radar element that is set up for use in a radar measuring device for carrying out a digital beam conversion method.
  • the cascadable radar element has one or more transmitting antennas, which are integrated in the cascadable radar element.
  • an input connection is provided in the sense of an input interface, set up to receive a first local oscillator signal, which is used to cascade several interconnected, cascadable radar elements, ie to form a radar measuring device from them, which can carry out digital beam conversion.
  • the cascadable radar element has an output connection in the form of an interface, which is set up to output a second local oscillator signal, which is used for cascading a plurality of cascadable radar elements connected to one another.
  • the at least one transmitting antenna and the at least one receiving antenna are set up to acquire measurement data (that is to say to transmit radar signals and to receive the reflected radar signals), which are provided for carrying out the digital beam shaping method.
  • concise means that the individual radar elements can be connected or chained to one another in order to form an array which has a large number of transmitting and/or receiving antennas.
  • interconnecting the radar elements By interconnecting the radar elements, a two-dimensional or three-dimensional beam control can take place with high resolution.
  • a cascadable radar element which is set up to acquire data for carrying out a digital beam shaping method, having at least one transmitting antenna, which is permanently embedded in the cascadable radar element, at least one receiving antenna, which is permanently embedded in the cascadable radar element is, at least one wired or wireless working connection for the output of a
  • local oscillator signal set up for cascading a plurality of radar elements, and at least one wired or wireless connection for inputting a local oscillator signal, set up for cascading a plurality of radar elements, the at least one transmitting antenna and the at least one receiving antenna being set up for acquiring data which is used to carry out a digital beam shaping method are usable.
  • the virtual antenna array of the radar element resulting from the arrangement of the transmitting and receiving antennas can be larger than the outer dimensions of the radar element and thus a direct and uninterrupted juxtaposition of the virtual antenna arrays is made possible by a corresponding arrangement of at least two radar elements.
  • the at least one transmitting antenna and the at least one receiving antenna are permanently embedded in the cascadable radar element. They are not separate components.
  • the at least one transmitting antenna and/or the at least one receiving antenna are arranged so close to the edge of the corresponding radar element that all adjacent transmitting antennas of two radar elements arranged next to one another (can) have the same distance from one another and/or all adjacent ones Receiving antennas of two radar elements arranged next to one another (can) have the same distance from one another.
  • the transmitting antennas of the radar elements form a fully occupied virtual array of n virtual ones in at least a first direction
  • n is a natural number
  • a core aspect of the present disclosure can be seen in proposing a novel radar element with integrated antennas, which is suitable, after interconnection with a predeterminable number of similar ones
  • the cascadable radar element can be in the form of a radar chip with integrated antennas and can be expanded to larger systems by appropriate arrangement on a carrier material. These can be used to create virtual antenna arrays with a large aperture.
  • the cascadable radar element has a first transmitting antenna and a second transmitting antenna which are arranged at a distance from one another which corresponds to the number of receiving antennas multiplied by the distance between two adjacent receiving antennas.
  • the cascadable radar element has a plurality of receiving antennas which are arranged at a distance from one another which corresponds to half the wavelength lambda (l) of the radar signal.
  • Receiving antennas arranged along lines that run parallel to each other.
  • Receiving antennas arranged along lines perpendicular to each other.
  • the cascadable radar element has a first transmitting antenna and a second transmitting antenna which are arranged at a distance from one another which corresponds to half the wavelength 1 of the radar signal.
  • the cascadable radar element has its own radar chip, which generates the radar signals.
  • the arrangement has cascadable radar elements with at least one transmitting and at least one receiving antenna, which are arranged in the chip or package (AoC or AiP), whose virtual individual arrays, at least in a first dimension, consist of n virtual antenna positions and one Distance from have, - consist of m virtual antenna positions at least in a second dimension and have a distance of d ra ⁇ ⁇ / 2 , the outer dimension of the radar element ⁇ ndn at least in a first dimension, ⁇ mdm at least in a second dimension, and which are set up to acquire data for performing a digital beamforming method, with at least two adjacent radar elements having a distance or lateral offset at least along a first dimension of nd n . have a distance or lateral offset of md m at least along a second dimension.
  • the cascadable radar element has a storage element for storing detected digital reflection values, a first digital interface set up for outputting data from the storage element, and a second digital interface set up for reading in digital data from a further radar element.
  • the cascadable radar element has a storage element for storing detected digital reflection values, an addressing unit, which assigns a defined digital address to the radar element, a digital bus interface, set up for connecting the radar element to a digital bus, and addressing logic for evaluating via the Address information transmitted on the digital bus, the radar element being set up to transmit data to and/or the memory element via the digital bus interface.
  • a further aspect of the present disclosure relates to a radar measuring device with a carrier and an arrangement of cascadable radar elements arranged on the carrier, in particular those as described above and below.
  • the receiving antennas of the radar elements form a fully occupied virtual array of m virtual antenna positions in at least one direction, where m is a natural number.
  • the transmitting antennas of the radar elements form a fully occupied virtual array of n virtual antenna positions in at least a first direction, where n is a natural number.
  • the radar measuring device is a filling level radar measuring device that is set up to determine the filling level in a container.
  • the radar measuring device is a distance or limit standard radar measuring device that is set up for process automation in an industrial or private environment.
  • the carrier has a square shape.
  • a further aspect of the present disclosure relates to the use of a radar measuring device described above and below or a multiplicity of interconnected, cascadable radar elements described above and below for level measurement or limit level measurement, for object monitoring or for a reflection microwave barrier. Further embodiments of the present disclosure are described below with reference to the figures. If the same reference symbols are used in the following description of the figures, then these denote the same or similar elements. The representations in the figures are schematic and not to scale. Short description of the figures
  • FIG. 1 shows a cascadable radar element according to an embodiment.
  • Fig. 2 shows an arrangement of two cascadable radar elements on a printed circuit board (carrier).
  • FIG. 3 shows a cascadable radar element according to a further embodiment.
  • FIG. 4 shows an electronic component of a radar measuring device according to an embodiment.
  • FIG. 5 shows a block diagram of the circuitry of a cascadable radar element according to an embodiment.
  • FIG. 6 shows the arrangement of transmitting and receiving antennas of a cascadable radar element according to an embodiment.
  • FIG 7 shows the arrangement of two cascadable radar elements according to one embodiment.
  • FIG. 8 shows a cascadable radar element according to an embodiment.
  • FIG 9 shows the arrangement of four cascadable radar elements according to one embodiment.
  • 10 shows the arrangement of four cascadable radar elements according to one embodiment.
  • 11 shows a further arrangement of cascadable radar elements according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a radar element 101.
  • the radar element 101 can be an electronic component 101 which comprises a housing (package) 102 in which at least one semiconductor chip 103 is integrated.
  • the semiconductor chip can contain various circuit parts for generating and/or processing high-frequency signals.
  • the semiconductor chip 103 can be, in particular, a gallium arsenide semiconductor, a silicon-germanium semiconductor or a BiCMOS or HF-CMOS semiconductor, which is suitable for realizing circuits for processing high-frequency signals.
  • the package 102 can be implemented, for example, on the basis of a plastic material or some other dielectric molding compound.
  • the semiconductor chip 103 is connected via electrically conductive connections 108, for example bonding wire connections 108, to at least one antenna 104, 105 (AIP, antenna in package) which is also integrated in the housing 102 and which in turn is suitable for radiating 106 and/or detecting 107 radar signals.
  • the semiconductor chip 103 is connected via further electrically conductive connections 109, for example bonding wires 109, to contacting points 110 fitted on the outside of the radar element 101, for example the balls 110 of a BGA housing.
  • the module 101 has at least one contact option 111 for introducing an external local oscillator signal LO_IN with a frequency above 1 GHz, and at least one further contact option 112 for outputting an internal local oscillator signal LO_OUT, the frequency of which can be above 1 GHz. on.
  • the embodiment 101 can be used advantageously in particular for radar frequencies in the range up to 120 GHz, in particular also for radar frequencies in the range around 80 GHz.
  • a plurality of radar elements 101 of the same type can be cascaded by assembly, for example soldering onto a printed circuit board material.
  • FIG. 2 shows a corresponding arrangement.
  • the electronic components 203 , 204 both of which are of the radar element 101 type, are interconnected to form a cascaded radar system 200 in a further development on a suitable carrier material 201 , for example a printed circuit board material 201 . It is characteristic here that the two radar chips are operated together in one operating phase. In particular, provision is made here for radiating radar signals with a first element 203 and with a first element 203 and/or a second element 204 to receive again.
  • the synchronization of the two units 203, 204 required for this is carried out by forwarding a local oscillator signal used in the first radar chip 203, which is transmitted via an output contact LO_OUT 112 of the first component 203 and a conductor track 202, which can be applied to the circuit board 201, to an input point LO_IN 111 of the second component 204 can be forwarded.
  • FIG. 3 shows another embodiment of a radar element 301.
  • the second embodiment 301 shown can be a semiconductor chip 301 or a semiconductor wafer 301 which, in addition to the circuits for generating and/or processing radar signals, also has antennas integrated in or on the semiconductor wafer 301 or primary radiator 302, 303 (AoC, antenna on chip) for radiating 304 and/or detecting 305 radar signals.
  • the semiconductor chip 301 can in particular be a gallium arsenide semiconductor, a silicon-germanium semiconductor or a BiCMOS or HF-CMOS semiconductor, which is suitable for implementing circuits for processing high-frequency signals.
  • the semiconductor chip 301 is designed to be connected to other conductive surfaces or semiconductor chips via electrically conductive contacting surfaces 306, 307, 308, for example metallized surfaces 306, 307, 308 that can be contacted with bond connections.
  • the chip 301 has at least one contact option 306 for introducing an external local oscillator signal LO_IN with a frequency above 1 GHz, and at least one further contact option 308 for outputting an internal local oscillator signal LO_OUT, the frequency of which can be above 1 GHz. on.
  • This embodiment can be advantageously used in particular for radar frequencies in the range above 120 GHz, in particular also for radar frequencies in the range around 180 GHz or in the range around 240 GHz. It has been shown that the small structure widths and precision required for high frequencies can be implemented very easily and inexpensively within the framework of semiconductor production, in particular by etching processes. A multiplicity of radar elements can be cascaded by mounting a plurality of such semiconductor chips in a package.
  • FIG. 4 shows a corresponding structure.
  • the semiconductor chips 402, 403, both of which are of the semiconductor chip 301 type, are interconnected in a further development in a chip housing 401, for example a BGA housing, a QFN housing or other known housing forms, to form a cascaded radar system 400. It is characteristic here that the two radar chips 402, 403 are operated together in one operating phase. Provision is made in particular for radar signals 410 to be emitted with a first chip 402 via an antenna-on-chip element 409 and to be received again 411 with a first chip 402 and/or a second chip 403 via an antenna 412 integrated thereon.
  • the synchronization of the two required for this Semiconductor chips 402, 403 takes place by forwarding a local oscillator signal used in the first semiconductor chip 402, which can be forwarded via an output contact LO_OUT 308 of the first chip 402 via a conductive connection 404 to an input point LO_IN 306 of the second semiconductor chip 403.
  • the signals required for synchronization are transmitted wirelessly from a first semiconductor chip 402 to a second semiconductor chip 403 .
  • a waveguide structure 404 or a dielectric waveguide 404 can be used for this purpose, for example, with the first semiconductor chip 402 being set up at the connection 308 to couple an internal LO_OUT signal into the waveguide 404 or waveguide 404 and the second semiconductor chip 402 being set up to couple the LO_IN signal after decoupling from the waveguide 404 or waveguide 404 at the connection 306 to be detected and used internally for synchronization.
  • the electronic component 400 realized according to the scheme of FIG. 4 can thus have all antenna elements for beam shaping and can be further processed directly on a printed circuit board material.
  • provision can also be made to arrange a plurality of radar elements 400 on a circuit board 201 in order to enable further cascading (at a higher level) and thus bring about a further increase in the number of radar channels and thus a further increase in the angular resolution in digital beam formation.
  • the component 401 has at least one connection 406 for the external supply of a Local oscillator signal LO_IN, which is forwarded to a corresponding connection 306 of the first semiconductor chip 402 via a connection 405 .
  • the component has a further contacting option 408 which can provide an internal local oscillator signal LO_OUT to the outside via a connection 407 .
  • FIG. 4 shows a first exemplary embedding in a component housing 401, for example a chip housing 401.
  • a component housing 401 for example a chip housing 401.
  • Other arrangements with a large number of integrated (unhoused) radar chips 301 are also possible, depending on the application. Since the cascadable radar elements with integrated antennas 301 that can be used for this purpose are always technically identical, there is the advantage of being able to mass produce these radar chips or semiconductor chips very inexpensively. Different types of application-specific components 401 can nevertheless be derived therefrom through different forms of packaging.
  • FIG. 5 uses a block diagram to show a possible circuit implementation of a cascadable radar element 101, 301, which has both a transmitting antenna X 104 and a receiving antenna O 105 .
  • an external LO_IN signal can be supplied to the radar element 101 via a first contacting surface 111 , for example a ball 111 of a BGA housing, and an internal LO_OUT signal can be provided to the outside via a second contacting surface 112 .
  • the level of the LO signal can be amplified via the amplifier 504 . As a result, losses in the signal amplitude of an LO signal caused by the length of the LO line 202, 404 between two radar elements can be compensated for.
  • the selection switch 502 can be used to set whether the LO_IN signal is to be fed to the transmitting antenna X 104 via the multiplier 503 or whether a separate LO signal is to be generated by the chirp engine 501 and, after multiplication 503 , is to be emitted.
  • the further selection switch 505 can be used to set whether the local oscillator signal generated by the chirp engine 501 is to be fed to the reception mixer 506 or whether the external LO_IN signal of the contacting surface 111 is to be used instead.
  • the high-frequency signal received via the receiving antenna O 105 is converted into a low-frequency signal in the mixer 506 .
  • the signal can optionally be processed by the high-pass filter 507 and low-pass filter 508 and finally digitized by an A/D converter 509.
  • the sampled signal can be made available to the outside in digital form via one or more of the contacting options 510 . Provision can in particular be made to provide a cascadable radar element which can be used to acquire data for carrying out a digital beam shaping method.
  • Various antenna arrangements are known in the prior art, which make it possible to carry out a digital beam shaping method.
  • antennas In such a way that they result in a virtual antenna array whose elements are ideally arranged in an equidistant grid, with the distances between the elements corresponding to a maximum distance of less than or equal to half the wavelength of the radar signal used.
  • Figure 6 shows an example of a suitable arrangement of two transmitting antennas X 601, 602 and four receiving antennas O 603, 604, 605, 606 on the top of a cascadable radar element 600.
  • the radar element 600 has a first contacting surface LO_IN 111 and a second contacting surface LO_OUT 112, which allow several radar elements 600 to be interconnected.
  • the four receiving antennas are arranged along a first dimension X1 609 at a distance 607 which corresponds to half the wavelength lambda of the radar signal used.
  • the two transmission antennas X 601 , 602 are arranged along a first dimension X1 609 at a distance 608 which results from the number of reception antennas multiplied by the distance between two adjacent reception antennas.
  • one-dimensional beam-shaping radar systems in particular can be implemented in a simple manner.
  • the at least one transmitting antenna 601, 602 and/or the at least one receiving antenna 603, 604, 605, 606 are arranged so close to the edge 580, 581 of the corresponding radar element that all adjacent transmitting antennas of two radar elements 702, 703 can have the same distance from one another and/or all mutually adjacent receiving antennas of two radar elements 702, 703 arranged next to one another can have the same distance from one another.
  • FIG. 7 shows the use of a radar element 600 to construct a one-dimensional sensor 700 covered by the present disclosure, for example for area monitoring.
  • the area monitoring sensor 700 is designed for digital beam formation along a first dimension X1 609 .
  • the two radar elements 702, 703 are synchronized with one another via a connecting line 202, for example a printed circuit board line 202. So that the radar elements 702, 703 are protected from environmental influences, it can also be provided that they are protected by an additional installation of a cover (radome), not shown here.
  • a cover radome
  • the respective mounting position of the radar elements 702, 703 relative to one another is selected in such a way that, using the transmitting antennas 704 and the receiving antennas 705, a virtual antenna array can be synthesized in a manner known to those skilled in the art, which in a particularly advantageous embodiment has equidistant antenna positions with full occupation, i.e in particular has no aperture gaps.
  • the mounting positions of the two radar elements 702, 703 must not be too far apart for this purpose.
  • the maximum permissible distance d 706 to be realized here between at least two adjacent radar elements 702, 703 must be less than or equal to the extent D 707 of a radar element along the first axis X1 609.
  • a virtual array generated by an antenna arrangement can be at most twice as large as the physical extent of the underlying antenna arrangement. If this is taken into account, the virtual arrays of at least two adjacent radar elements can be lined up without gaps and thus aperture gaps, which can impair the result of beam shaping, can be avoided.
  • the relationships mentioned above apply regardless of the specific positioning of the transmitting antennas 704 and the receiving antennas 705. Provision can also be made for the contacting areas for LO_IN 111 and LO_OUT 112 to be positioned on opposite sides of radar element 600 . As a result, with a linear cascading of a plurality of radar elements 600, a particularly short line routing 202 for the LO signal can be achieved.
  • Figure 8 shows an example of another arrangement of transmitting antennas X 801, 802 and receiving antennas O 803, 804 on the top of a radar element 800.
  • the embodiment 800 shown here can be used in contrast to the embodiment of Figure 6 for detecting signals, based on which a digital beamforming can be carried out in two dimensions, ie in particular along a first dimension X1 609 and along a second dimension X2 803.
  • the embodiment 800 can have two contacting areas LO_IN 111 which are spaced apart from one another and which can be functionally identical. Provision can furthermore be made for the radar element 800 to be provided with two further ones which are spaced apart from one another
  • Equip contact surfaces LO_OUT 112 which in turn can be functionally identical to one another.
  • provision can also be made for the contacting areas LO_IN 111 to be arranged on two adjacent outer edges of the radar element 800 and for the contacting areas LO_OUT 112 to be arranged on two different but nevertheless adjacent outer edges of the radar element 800 .
  • a particularly advantageous cascading of several radar elements 800 can thereby take place.
  • the radar element 800 has four transmitting antennas X 801 , 802 , a first group of transmitting antennas 801 along a first dimension X1 609 being at a distance 805 from a second group of transmitting antennas 802 which is less than or equal to the wavelength of the radar signals used.
  • the receiving antennas O 803, 804 are arranged in such a way that they maintain a minimum distance 806 of a quarter of the wavelength of the radar signals used from the transmitting antennas X 801, 802 along a first dimension X1.
  • the four receiving antennas O 803, 804 are arranged along a second dimension X2 807 such that a first group of receiving antennas 803 has a distance 808 from a second group of receiving antennas 804 which is less than or equal to the wavelength of the radar signals used.
  • the transmitting antennas X 801, 802 are arranged in such a way that they maintain a minimum distance 809 of a quarter of the wavelength of the radar signals used from the receiving antennas O 803, 804 along a second dimension X2.
  • FIG. 9 shows the use of a radar element 800 for constructing a two-dimensional sensor 900 that is also covered by the present disclosure, for example for detecting a topology when measuring the filling level.
  • the topology sensor 900 is designed for digital beam shaping along a first dimension X1 609 and along a second dimension X2 807.
  • it has four cascadable, identically designed radar elements 902, 903, 904, 905 on its antenna surface 901, both of which are in the form of the radar element 800 should be executed.
  • 902, 903, 904, 905 are synchronized with one another via connecting lines 202, for example printed circuit board lines 202. So that the radar elements 902,
  • the respective mounting position of the radar elements 902, 903, 904, 905 relative to one another is selected such that a virtual antenna array can be synthesized in a manner known to those skilled in the art using the transmitting antennas 801, 802 and the receiving antennas 803, 804, which in a particularly advantageous embodiment has equidistant antenna positions with at least partially full occupation, so in particular has no aperture gaps.
  • the mounting positions of the radar elements 902, 903, 904, 905 must not be too far apart for this purpose.
  • the maximum permissible distance d1 806 to be taken into account here between at least two radar elements 902, 903 and 904, 905 that are adjacent along a first dimension X1 609 must be less than or equal to Extension D1 807 of a radar element 800 along the first axis X1 609 be.
  • the maximum permissible distance d2 808 between at least two radar elements 902, 904 and 903, 905 that are adjacent along a second dimension X2 807 is less than or equal to the extension D2 809 of a radar element 800 along the second axis X2 807.
  • the contacting surfaces for LO_IN 111 are duplicated and on adjacent sides of the radar element 800 and LO_OUT 112 are duplicated and on adjacent sides of the radar element, with LO_IN 111 and LO_OUT 112 being arranged on different sides of the radar element.
  • a particularly short line routing 202 for the LO signal between two adjacent radar elements 800 can be achieved in the case of a chessboard-like arrangement of a plurality of radar elements 800 .
  • radar elements 900 can be added in a two-dimensional, chessboard-like arrangement according to the diagram in FIG.
  • the antenna arrangements described are only to be regarded as exemplary embodiments, since a virtual antenna array without aperture gaps can be generated by a large number of different arrangements of radar elements.
  • a cascading of radar elements can be achieved in a simple manner with the disclosures made so far, with the data detected by individual elements 101 , 301 using at least one analog/digital converter 509
  • Received data from each radar element 101, 301 must be transmitted to an evaluation module, for example a processor, via suitable digital interfaces.
  • an evaluation module for example a processor
  • suitable digital interfaces On the part of available processors, however, there is the problem of a limited number of physically available interfaces, especially when a large number of radar elements are to be cascaded, for example according to the scheme in FIG.
  • FIG. 10 shows a corresponding exemplary embodiment.
  • the system in FIG. 10 may have four cascaded radar elements 1001, for example.
  • radar elements 1001 use at least one analog/digital converter 509 to capture digital measured values which are related to the captured reflections of at least one radar receiving channel 105, 506, 507, 508.
  • the recorded digital reflection values are stored in a memory element 1006 of the radar chip. Since all radar elements can be operated at the same time, the data are stored in digital form in the memory elements 1006 of the radar chips after a radar measurement has been completed.
  • a processor 1002 can read out the memory element 1006 of the first radar chip via a first digital interface 1004 .
  • the radar chips 1001 are designed to convert the memory 1006 into a readout mode, which in particular implements a shift register mode, with the elements of the shift register that become free being filled with new values, which are read out via a second digital interface 1005 can be read in from the outside, in particular by a further radar chip 1001.
  • the processor 1002 can use its interface 1003 for as long Read in values up to the sequence of zeros is detected, which indicates that all data from all radar elements could be read. From this point in time, the actual digital beam formation can be started in different angular directions along a first dimension (see Fig. 7) and/or along a second dimension (Fig. 9), for example in processor 1002.
  • FIG. 10 provides cascadable radar elements 1001 which make it possible to provide systems of any size with a large number of cascaded radar elements 1001, regardless of the number of interfaces 1003 of a processor.
  • the radar elements 1001 can be equipped with a digital address, which can be provided by an addressing unit 1102 .
  • additional addressing pins 1102 can be provided for this purpose.
  • Figure 11 shows a corresponding example.
  • the pins 1102 are connected by appropriately specified, external wiring (high/low) 1103, 1104 so that each radar element 1001 is assigned a unique address.
  • the processor 1002 can first transmit a destination address to a digital bus interface (1106) of the radar element via the digital interface 1003.
  • An addressing logic 1105 integrated in the radar element 1101 uses the digital module address stored in the addressing unit 1102, which is specified by the external circuitry 1103 in the present case, first to check whether the data should be output by its own radar element. If this is the case, the data are then placed on the digital bus and output using the digital bus interface (1106). Otherwise, the query is forwarded to the outside via the second digital interface 1005 and processed in the same way by the cascaded radar elements. In this way, random access can be implemented when reading out data from a selected radar element 1101, which can bring advantages in particular when carrying out a digital beam forming method in processor system 1002, since the data only have to be read into the memory of processor system 1002 when they are also needed there.
  • digital addresses can also be transmitted from the processor 1002 to a specific radar element 1101. These can be intermediate results, preprocessed by the processor system 1002, in the digital beamforming. In this way it can be achieved that the processor can use the memory modules 1006 of the radar chips as a buffer. This results in the particular advantage that the processor 1002 does not have to grow with the number of radar elements, also with regard to its main memory. Instead, it is automatically expanded with further memory areas by adding further radar elements, and is thus able to carry out larger evaluation calculations.
  • the additional addressing pins 1102 are a preferred embodiment of an addressing unit, which in general has the task of assigning a defined digital address to the radar chip, via which it can be addressed in a bus system. Alternatively or additionally, other forms of address assignment can also be implemented in the addressing unit 1102, for example programmable addressing units.
  • the radar elements 1101 can also have specialized hardware units, for example for carrying out a fast Fourier transformation, which can be controlled by the processor system 1002 in a targeted manner. In this way, the performance of the resulting digital signal processing hardware also increases with each additional radar element 1101.
  • the radar elements can be connected to the processor system with a defined address bus and a separate data bus. This also allows random access when writing data to a specific radar element or when reading data from a specific radar element.
  • FIG. 12 shows a radar measuring device 1000 which has an arrangement of cascadable radar elements with an antenna surface 901 .
  • process automation in the industrial environment can be understood as a sub-area of technology that includes measures for the operation of machines and systems without human intervention.
  • Process automation is to automate the interaction of individual components of a plant in the chemical, food, pharmaceutical, petroleum, paper, cement, shipping or mining sectors.
  • a large number of sensors can be used for this purpose, which are particularly adapted to the specific requirements of the process industry, such as mechanical stability, insensitivity to contamination, extreme temperatures and extreme pressures. Measured values from these sensors are usually transmitted to a control room, in which process parameters such as fill level, limit level, flow rate, pressure or density can be monitored and settings for the entire plant can be changed manually or automatically.
  • a sub-area of process automation in the industrial environment relates to the logistics automation of plants and the logistics automation of supply chains.
  • processes inside or outside a building or within a single logistics facility are automated in the field of logistics automation.
  • Typical applications are found, for example, in systems for logistics automation in the area of baggage and freight handling at airports, in the area of traffic monitoring (toll systems), in retail, in parcel distribution or in the area of building security (access control).
  • presence detection in combination with precise measurement of the size and position of an object is required by the respective application.
  • Sensors based on optical measuring methods using lasers, LEDs, 2D cameras or 3D cameras, which record distances according to the transit time principle (time of flight, ToF), can be used for this purpose.
  • factory/manufacturing automation Another sub-area of process automation in the industrial environment relates to factory/manufacturing automation. Use cases for this can be found in the different industries such as automobile manufacturing, food production, pharmaceutical industry or generally in the field of packaging.
  • the aim of factory automation is to automate the production of goods using machines, production lines and/or robots, ie to run it without human intervention.
  • the sensors used here and the specific requirements with regard to the measurement accuracy when detecting the position and size of an object are comparable to those in the previous example of logistics automation.

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Abstract

Kaskadierbares Radarelement (600), eingerichtet zum Einsatz in einem Radarmessgerät zur Durchführung eines digitalen Strahlumformungsverfahrens mit zumindest einer Sendeantenne (601,602) und zumindest einer Empfangsantenne (603-606), welche in dem Radarelement integriert sind, sowie einem Eingangsanschluss (111) und einem Ausgangsanschluss (112) für Lokaloszillatorsignale.

Description

Kaskadierbares Radarelement mit Sendeantenne und Empfangsantenne Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Radarmesstechnik, insbesondere im Bereich der Prozessautomatisierung im industriellen und privaten Umfeld. Insbesondere betrifft die Erfindung ein kaskadierbares Radarelement, eingerichtet zum Einsatz in einem Radarmessgerät zur Durchführung eines digitalen Strahlumformungsverfahrens, ein Radarmessgerät mit einem solchen Radarelement, sowie bestimmte Verwendungen.
Technischer Hintergrund
In der Füllstandmessung können mehrdimensional messende, d. h. zwei- oder dreidimensional messende Radarsysteme verwendet werden. Insbesondere im Bereich der Prozessautomatisierung im industriellen und privaten Umfeld und im Bereich der Fabrikautomatisierung haben sich neue, vorteilhafte Anwendungen herausgebildet. So können dreidimensional messende Radarsysteme für die Vermessung von Schüttguthalden oder für Mikrowellenschranken verwendet werden.
Bekannt sind weiterhin integrierte Radarchips (RSoC’s), welche eine Vielzahl an Digital- und Analogkomponenten zur Umsetzung von mehreren Radarsendekanälen (Tx) und/oder Radarempfangskanälen (Rx) aufweisen. Auf Basis dieser RSoC’s, welche eingerichtet sind zum externen Anschließen mehrerer Sendeantennen und/oder Empfangsantennen, lassen sich durch geschickte Positionierung der Einzelantennen größere virtuelle Arrayantennen synthetisieren, deren Signale wiederum Grundlage für die Durchführung einer digitalen Strahlformung sind.
Frequenzen oberhalb von 80 Ghz stellen dabei hinsichtlich der Positioniergenauigkeit und Synchronisierung eine große Herausforderung dar.
Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Radarmessgerät mit großer Apertur zu realisieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein kaskadierbares Radar element, das zum Einsatz in einem Radarmessgerät zur Durchführung eines digitalen Strahlumformungsverfahrens eingerichtet ist. Das kaskadierbare Radarelement weist eine oder mehrere Sendeantennen auf, welche im kaskadierbaren Radarelement integriert sind.
Darüber hinaus weist es ein oder mehrere Empfangsantennen auf, welche ebenfalls im kaskadierbaren Radarelement integriert sind. Es ist ein Eingangsanschluss im Sinne einer Eingangsschnittstelle vorgesehen, eingerichtet zur Entgegennahme eines ersten Lokaloszillatorsignals, welches dazu dient, mehrere miteinander verschalteter kaskadierbarer Radarelemente zu kaskadieren, also aus ihnen ein Radarmessgerät zu bilden, welches eine digitale Strahlumformung durchführen kann.
Darüber hinaus weist das kaskadierbare Radarelement einen Ausgangsanschluss in Form einer Schnittstelle auf, der zur Ausgabe eines zweiten Lokaloszillatorsignals eingerichtet ist, welches zur Kaskadierung mehrerer miteinander verschalteter kaskadierbarer Radarelemente eingesetzt wird. Die zumindest eine Sendeantenne und die zumindest eine Empfangsantenne sind eingerichtet zur Erfassung von Messdaten (also zum Senden von Radarsignalen und zum Empfangen der reflektierten Radarsignale), welche zur Durchführung des digitalen Strahlumformungsverfahrens vorgesehen sind.
„Kaskadierbar“ bedeutet im Rahmen der vorliegenden Offenbarung, dass die einzelnen Radarelemente miteinander verschaltet bzw. verkettet werden können, um ein Array auszubilden, welches eine Vielzahl an Sende- und/oder Empfangsantennen aufweist. Durch die Verschaltung der Radarelemente miteinander kann eine zwei- oder dreidimensionale Strahlsteuerung mit hoher Auflösung erfolgen.
Die Begriffe „Eingangsanschluss“ und „Ausgangsanschluss“ sind breit auszulegen. Somit ist, gemäß einer Ausführungsform, ein kaskadierbares Radarelement angegeben, welches eingerichtet ist zur Erfassung von Daten zur Durchführung eines digitalen Strahlformungsverfahrens, aufweisend zumindest eine Sendeantenne, wobei diese im kaskadierbaren Radarelement fest eingebettet ist, zumindest eine Empfangsantenne, wobei diese im kaskadierbaren Radarelement fest eingebettet ist, zumindest einen drahtgebundenen oder drahtlos arbeitenden Anschluss zur Ausgabe eines
Lokaloszillatorsignals, eingerichtet zur Kaskadierung mehrerer Radarelemente, und zumindest einen drahtgebundenen oder drahtlos arbeitenden Anschluss zum Eingeben eines Lokaloszillatorsignals, eingerichtet zur Kaskadierung mehrerer Radarelemente, wobei die zumindest eine Sendeantenne und die zumindest eine Empfangsantenne eingerichtet sind zur Erfassung von Daten, welche zur Durchführung eines digitalen Strahlformungsverfahrens verwendbar sind.
Insbesondere kann somit das sich das aus der Anordnung der Sende- und Empfangsantennen ergebende virtuelle Antennenarray des Radarelementes größer sein als die äußeren Abmessungen des Radarelementes und somit durch eine entsprechende Anordnung mindestens zweier Radarelemente eine direkte und lückenlose Aneinanderreihung der virtuellen Antennenarrays ermöglicht werden. Gemäß einerweiteren Ausführungsform sind die zumindest eine Sendeantenne und die zumindest eine Empfangsantenne im kaskadierbaren Radarelement fest eingebettet. Es handelt sich nicht um separate Bauteile. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind die zumindest eine Sendeantenne und/oder die zumindest eine Empfangsantenne derart nahe am Rand des entsprechenden Radarelements angeordnet, dass alle zueinander benachbarten Sendeantennen zweier nebeneinander angeordneter Radarelemente denselben Abstand zueinander aufweisen (können) und/oder alle zueinander benachbarten Empfangsantennen zweier nebeneinander angeordneter Radarelemente denselben Abstand zueinander aufweisen (können).
Diese Eigenschaft kann auch als Translationsperiodizität bezeichnet werden. Gemäß einer Ausführungsform bilden die Sendeantennen der Radarelemente in zumindest einer ersten Richtung einen vollbesetzten virtuellen Array von n virtuellen
Antennenpositionen aus, wobei n eine natürliche Zahl ist.
Ein Kernaspekt der vorliegenden Offenbarung kann darin gesehen werden, ein neuartiges Radarelement mit integrierten Antennen vorzuschlagen, welches geeignet ist, nach Zusammenschaltung mit einer vorgebbaren Anzahl gleichartiger
Radarelemente ein Gesamtsystem bereitzustellen, das es ermöglicht, eine Vielzahl an Signalen zu erfassen, um daraus eine größere virtuelle Gesamtarrayantenne zu bilden, und auf Basis dieser ein Strahlumformungsverfahren mit hoher Winkelauflösung durchführen zu können.
Das kaskadierbare Radarelement kann in Form eines Radarchips mit integrierten Antennen ausgeführt sein und kann durch entsprechende Anordnung auf einem Trägermaterial zu größeren Systemen hin erweitert werden. Mit diesen lassen sich virtuelle Antennenarrays mit großer Apertur erzeugen.
Durch den Wegfall von externen Antennen lassen sich preisgünstige Radarsysteme realisieren, welche dank der vorgegebenen Kaskadierbarkeit gleichzeitig zu hochauflösenden Radarsystemen hin erweitert werden können. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist das kaskadierbare Radarelement eine erste Sendeantenne und eine zweite Sendeantenne auf, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, welcher der Anzahl der Empfangsantennen multipliziert mit dem Abstand zwischen zwei benachbarten Empfangsantennen entspricht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das kaskadierbare Radarelement eine Mehrzahl an Empfangsantennen auf, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, welche der halben Wellenlänge Lambda (l) des Radarsignals entspricht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Sendeantennen und die
Empfangsantennen entlang von Linien, die parallel zueinander verlaufen, angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Sendeantennen und die
Empfangsantennen entlang von Linien, die senkrecht zueinander verlaufen, angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das kaskadierbare Radarelement eine erste Sendeantenne und eine zweite Sendeantenne auf, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, welcher der halben Wellenlänge l des Radarsignals entspricht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das kaskadierbare Radarelement einen (eigenen) Radarchip auf, der die Radarsignale erzeugt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Anordnung kaskadierbare Radarelemente mit mindestens einer Sende- und mindestens einer Empfangsantenne auf, welche im Chip bzw. Package angeordnet sind (AoC bzw. AiP), deren virtuelle Einzelarrays, zumindest in einer ersten Dimension aus n virtuellen Antennenpositionen bestehen und einen Abstand von aufweisen, - zumindest in einer zweiten Dimension aus m virtuellen Antennenpositionen bestehen und einen Abstand von dra < Ä/2 aufweisen, wobei die äußere Dimension des Radarelementes zumindest in einer ersten Dimension < n d„ ist, zumindest in einer zweiten Dimension < m dm ist, und welche zur Erfassung von Daten zur Durchführung eines digitalen Strahlformungsverfahrens eingerichtet sind, wobei zumindest zwei benachbarte Radarelemente zumindest entlang einer ersten Dimension einen Abstand bzw. lateralen Versatz von n dn aufweisen. zumindest entlang einer zweiten Dimension einen Abstand bzw. lateralen Versatz von m dm aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das kaskadierbare Radarelement ein Speicherelement zum Speichern erfasster digitaler Reflexionswerte, eine erste digitale Schnittstelle, eingerichtet zum Ausgeben von Daten des Speicherelements, und eine zweite digitale Schnittstelle, eingerichtet zum Einlesen von digitalen Daten eines weiteren Radarelements auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das kaskadierbare Radarelement ein Speicherelement zum Speichern erfasster digitaler Reflexionswerte, eine Adressierungseinheit, welche dem Radarelement eine definierte digitale Adresse zuweist, eine digitale Busschnittstelle, eingerichtet zum Verbinden des Radarelements mit einem digitalen Bus, und eine Adressierungslogik zum Auswerten von über den digitalen Bus übermittelter Adressinformationen auf, wobei das Radarelement eingerichtet ist zum Übermitteln von Daten zum und/oder des Speicherelementes über die digitale Busschnittstelle.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Radarmessgerät mit einem Träger und eine auf dem Träger angeordnete Anordnung kaskadierbarer Radarelemente, insbesondere solche, wie sie oben und im Folgenden beschrieben sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden die Empfangsantennen der Radarelemente in zumindest einer Richtung einen vollbesetzten virtuellen Array von m virtuellen Antennenpositionen aus, wobei m eine natürliche Zahl ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden die Sendeantennen der Radarelemente in zumindest einer ersten Richtung einen vollbesetzten virtuellen Array von n virtuellen Antennenpositionen aus, wobei n eine natürliche Zahl ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Radarmessgerät um ein Füllstandradarmessgerät, das eingerichtet ist zur Bestimmung des Füllstands in einem Behälter.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Radarmessgerät um ein Distanz- oder Grenzstandradarmessgerät, das eingerichtet ist zur Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der T räger eine quadratische Form auf.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen Radarmessgeräts oder eine Vielzahl an oben und im Folgenden beschriebenen zusammengeschalteten kaskadierbaren Radarelementen zur Füllstandmessung oder Grenzstandmessung, zur Objektüberwachung oder für eine Reflexionsmikrowellenschranke. Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt ein kaskadierbares Radarelement gemäß einer Ausführungsform. Fig. 2 zeigt eine Anordnung von zwei kaskadierbaren Radarelementen auf einer Leiterplatte (Träger).
Fig. 3 zeigt ein kaskadierbares Radarelement gemäß eine weiteren Ausführungsform.
Fig. 4 zeigt ein Elektronikbauteil eines Radarmessgeräts gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild der Schaltung eines kaskadierbaren Radarelements gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 6 zeigt die Anordnung von Sende- und Empfangsantennen eines kaskadierbaren Radarelements gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 7 zeigt die Anordnung von zwei kaskadierbaren Radarelementen gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 8 zeigt ein kaskadierbares Radarelement gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 9 zeigt die Anordnung von vier kaskadierbaren Radarelementen gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 10 zeigt die Anordnung von vier kaskadierbaren Radarelementen gemäß einer Ausführungsform. Fig. 11 zeigt eine weitere Anordnung von kaskadierbaren Radarelementen gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 12 zeigt ein Radarmessgerät gemäß einer Ausführungsform. Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt ein Radarelement 101. Bei dem Radarelement 101 kann es sich in einer ersten Ausführungsform um ein Elektronikbauteil 101 handeln, welches ein Gehäuse (Package) 102 umfasst, in welchem zumindest ein Halbleiterchip 103 integriert ist. Der Halbleiterchip kann verschiedene Schaltungsteile zur Erzeugung und/oder Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen beinhalten. Bei dem Halbleiterchip 103 kann es sich insbesondere um einen Galliumarsenid Halbleiter, einen Silizium-Germanium Halbleiter oder einen BiCMOS oder HF-CMOS Halbleiter handeln, welcher geeignet ist, Schaltungen zur Verarbeitung hochfrequenter Signale zu realisieren. Das Package 102 kann beispielsweise auf Basis eines Kunststoffmaterials oder einer anderweitigen dielektrischen Moldingmasse realisiert sein. Der Halbleiterchip 103 ist über elektrisch leitende Verbindungen 108, beispielsweise Bonddrahtverbindungen 108 mit zumindest einer ebenfalls im Gehäuse 102 integrierten Antenne 104, 105 (AIP, Antenna in Package) verbunden, die wiederum zum Abstrahlen 106 und/oder Erfassen 107 von Radarsignalen geeignet ist. Der Halbleiterchip 103 ist über weitere elektrisch leitende Verbindungen 109, beispielsweise Bonddrähte 109, mit an der Außenseite des Radarelements 101 angebrachten Kontaktierungspunkten 110, beispielsweise den Balls 110 eines BGA-Gehäuses, verbunden. Um mehrere Radarelemente 101 kaskadieren zu können, weist der Baustein 101 zumindest eine Kontaktierungsmöglichkeit 111 zum Einbringen eines externen Lokaloszillatorsignals LO_IN mit einer Frequenz oberhalb 1GHz auf, sowie zumindest eine weitere Kontaktierungsmöglichkeit 112 zum Ausgeben eines internen Lokaloszillatorsignals LO_OUT, dessen Frequenz oberhalb von 1GHz liegen kann, auf.
Die Ausführungsform 101 kann insbesondere für Radarfrequenzen im Bereich bis zu 120GHz, insbesondere auch für Radarfrequenzen im Bereich um 80GHz vorteilhaft verwendet werden. Eine Kaskadierung mehrerer gleichartiger Radarelemente 101 kann durch eine Montage, beispielsweise ein Auflöten auf einem Leiterplattenmaterial, erfolgen.
Figur 2 zeigt eine entsprechende Anordnung. Die Elektronikbauteile 203, 204, welche beide vom Typ des Radarelementes 101 sind, werden in einer Weiterbildung auf einem geeigneten Trägermaterial 201 , beispielsweise einem Leiterkartenmaterial 201 , zu einem kaskadierten Radarsystem 200 zusammengeschaltet. Charakteristisch ist hierbei, dass die beiden Radarchips in einer Betriebsphase gemeinsam betrieben werden. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, Radarsignale mit einem ersten Element 203 abzustrahlen und mit einem ersten Element 203 und/oder einem zweiten Element 204 wieder zu empfangen. Die hierzu erforderliche Synchronisation der beiden Einheiten 203, 204 erfolgt durch Weiterleiten eines im ersten Radarchip 203 verwendeten Lokaloszillatorsignals, welches über einen Ausgabekontakt LO_OUT 112 des ersten Bauteils 203 und eine Leiterbahn 202, welche auf der Leiterkarte 201 aufgebracht sein kann, an einen Eingabepunkt LO_IN 111 des zweiten Bauelements 204 weitergeleitet werden kann.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Radarelements 301. Bei der dargestellten zweiten Ausführungsform 301 kann es sich um einen Halbleiterchip 301 oder ein Halbleiterplättchen 301 handeln, welches neben den Schaltkreisen zur Erzeugung und/oder Verarbeitung von Radarsignalen auch in oder auf dem Halbleiterplättchen 301 integrierte Antennen oder Primärstrahler 302, 303 (AoC, Antenna on Chip) zum Abstrahlen 304 und/oder Erfassen 305 von Radarsignalen aufweist. Bei dem Halbleiterchip 301 kann es sich insbesondere um einen Galliumarsenid Halbleiter, einen Silizium-Germanium Halbleiter oder einen BiCMOS oder HF-CMOS Halbleiter handeln, welcher geeignet ist, Schaltungen zur Verarbeitung hochfrequenter Signale zu implementieren. Der Halbleiterchip 301 ist ausgeführt, über elektrisch leitende Kontaktierungsflächen 306, 307, 308, beispielsweise metallisierte, mit Bondverbindungen kontaktierbare Flächen 306, 307, 308, mit anderen leitenden Flächen oder Halbleiterchips verbunden zu werden. Um mehrere Radarelemente 301 kaskadieren zu können, weist der Chip 301 zumindest eine Kontaktierungsmöglichkeit 306 zum Einbringen eines externen Lokaloszillatorsignals LO_IN mit einer Frequenz oberhalb 1GHz auf, sowie zumindest eine weitere Kontaktierungsmöglichkeit 308 zum Ausgeben eines internen Lokaloszillatorsignals LO_OUT, dessen Frequenz oberhalb von 1GHz liegen kann, auf.
Diese Ausführungsform kann insbesondere für Radarfrequenzen im Bereich oberhalb von 120GHz, insbesondere auch für Radarfrequenzen im Bereich um 180GHz oder im Bereich um 240GHz vorteilhaft verwendet werden. Es hat sich gezeigt, dass die für hohe Frequenzen erforderlichen kleinen Strukturbreiten und Genauigkeiten im Rahmen einer Halbleiterfertigung insbesondere durch Ätzprozesse sehr einfach und preisgünstig realisiert werden können. Eine Kaskadierung einer Vielzahl an Radarelementen kann durch eine Montage mehrerer solcher Halbleiterchips in einem Package erfolgen.
Figur 4 zeigt einen entsprechenden Aufbau. Die Halbleiterchips 402, 403, welche beide vom Typ des Halbleiterchips 301 sind, werden in einer Weiterbildung in einem Chipgehäuse 401 , beispielsweise einem BGA-Gehäuse, einem QFN-Gehäuse oder anderen bekannten Gehäuseformen, zu einem kaskadierten Radarsystem 400 zusammengeschaltet. Charakteristisch ist hierbei, dass die beiden Radarchips 402, 403 in einer Betriebsphase gemeinsam betrieben werden. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, Radarsignale 410 mit einem ersten Chip 402 über ein Antenna on Chip Element 409 abzustrahlen und mit einem ersten Chip 402 und/oder einem zweiten Chip 403 über eine darauf integrierte Antenne 412 wieder zu empfangen 411. Die hierzu erforderliche Synchronisation der beiden Halbleiterchips 402, 403 erfolgt durch Weiterleiten eines im ersten Halbleiterchip 402 verwendeten Lokaloszillatorsignals, welches über einen Ausgabekontakt LO_OUT 308 des ersten Chips 402 über eine leitende Verbindung 404 an einen Eingabepunkt LO_IN 306 des zweiten Halbleiterchips 403 weitergeleitet werden kann. Alternativ kann vorgesehen sein, die zur Synchronisation notwendigen Signale drahtlos von einem ersten Halbleiterchip 402 zu einem zweiten Halbleiterchip 403 zu übermitteln. Hierzu kann beispielsweise eine Hohlleiterstruktur 404 oder ein dielektrischer Wellenleiter 404 verwendet werden, wobei der erste Halbleiterchip 402 am Anschluss 308 eingerichtet ist, ein internes LO_OUT Signal in den Hohlleiter 404 oder Wellenleiter 404 einzukoppeln und der zweite Halbleiterchip 402 eingerichtet ist, das LO_IN Signal nach Auskopplung aus dem Hohlleiter 404 oder Wellenleiter 404 am Anschluss 306 zu erfassen, und intern zur Synchronisation zu verwenden.
Das sich gemäß dem Schema der Figur 4 realisierte Elektronikbauteil 400 kann somit alle Antennenelemente für ein Strahlformen aufweisen, und direkt auf einem Leiterplattenmaterial weiter verarbeitet werden. Es kann ergänzend auch vorgesehen sein, mehrere Radarelemente 400 auf einer Leiterplatte 201 anzuordnen, um ein weiteres Kaskadieren (auf höherer Ebene) zu ermöglichen, und somit eine weitere Erhöhung der Anzahl an Radarkanälen und somit eine weitere Erhöhung der Winkelauflösung bei der digitalen Strahlformung herbeizuführen. Das Bauelement 401 weist hierzu zumindest einen Anschluss 406 zur externen Zuführung eines Lokaloszillatorsignals LO_IN auf, welches über eine Verbindung 405 an einen entsprechenden Anschluss 306 des ersten Halbleiterchips 402 weitergeleitet wird. Darüber hinaus weist das Bauelement eine weitere Kontaktierungsmöglichkeit 408 auf, welche über eine Verbindung 407 ein internes Lokaloszillatorsignal LO_OUT nach außen hin bereitstellen kann.
Die Anordnung der Figur 4 zeigt eine erste exemplarische Einbettung in ein Bauteilgehäuse 401 , beispielsweise ein Chipgehäuse 401. Anwendungsspezifisch sind auch andere Anordnungen mit einer Vielzahl an integrierten (ungehäusten) Radarchips 301 möglich. Da die dazu verwendbaren, kaskadierbaren Radarelemente mit integrierten Antennen 301 technisch immer identisch sind, ergibt sich der Vorteil, diese Radarchips oder Halbleiterchips durch Massenproduktion sehr preisgünstig hersteilen zu können. Durch verschiedene Formen des Packaging können dennoch verschiedenartige anwendungsspezifische Bauteile 401 daraus abgeleitet werden.
Figur 5 zeigt anhand eines Blockschaltbildes eine mögliche schaltungstechnische Umsetzung eines kaskadierbaren Radarelementes 101 , 301 , welches sowohl eine Sendeantenne X 104 als auch eine Empfangsantenne O 105 aufweist. Darüber hinaus kann dem Radarelement 101 über eine erste Kontaktierungsfläche 111 , beispielsweise einen Ball 111 eines BGA-Gehäuses, ein externes LO_IN Signal zugeführt werden, und über eine zweite Kontaktierungsfläche 112 ein internes LO_OUT Signal nach außen hin bereitgestellt werden. Über die Verstärker 504 kann das LO Signal im Pegel verstärkt werden. Hierdurch lassen sich durch die Länge der LO-Leitung 202, 404 zwischen zwei Radarelementen bedingte Verluste der Signalamplitude eines LO-Signals kompensieren. Über den Selektionsschalter 502 kann eingestellt werden, ob das LO_IN Signal über den Multiplizierer 503 der Sendeantenne X 104 zugeführt werden soll, oder ob ein eigenes LO Signal von der Chirp Engine 501 erzeugt und nach Vervielfachung 503 abgestrahlt werden soll. Über den weiteren Selektionsschalter 505 kann eingestellt werden, ob das von der Chirp Engine 501 erzeugte Lokaloszillatorsignal dem Empfangsmischer 506 zugeführt werden soll, oder ob stattdessen das externe LO_IN Signal der Kontaktierungsfläche 111 verwendet werden soll. Das über die Empfangsantenne O 105 empfangene Hochfrequenzsignal wird im Mischer 506 in ein niederfrequentes Signal umgesetzt. Optional kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung das Signal durch die Hochpassfilter 507 und Tiefpassfilter 508 aufbereitet und schließlich von einem A/D-Wandler 509 digitalisiert werden. Das abgetastete Signal kann über eine oder mehrere der Kontaktierungsmöglichkeiten 510 nach außen hin in digitaler Form bereitgestellt werden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, ein kaskadierbares Radarelement bereitzustellen, welches zur Erfassung von Daten zur Durchführung eines digitalen Strahlformungsverfahrens verwendet werden kann. Im Stand der Technik sind unterschiedliche Antennenanordnungen bekannt, welche die Durchführung eines digitalen Strahlformungsverfahrens ermöglichen. Zur Erreichung hochwertiger Signalverarbeitungsergebnisse ist dort regelmäßig vorgeschlagen, Antennen derart anzuordnen, dass diese ein virtuelles Antennenarray ergeben, dessen Elemente idealerweise in einem äquidistanten Raster angeordnet sind, wobei die Abstände der Elemente einem Abstand maximal kleiner oder gleich der halben Wellenlänge des verwendeten Radarsignals entsprechen.
Figur 6 zeigt exemplarisch eine hierfür geeignete Anordnung von zwei Sendeantennen X 601 , 602 und vier Empfangsantennen O 603, 604, 605, 606 auf der Oberseite eines kaskadierbaren Radarelementes 600. Das Radarelement 600 weist wie bereits offenbart eine erste Kontaktierungsfläche LO_IN 111 und eine zweite Kontaktierungsfläche LO_OUT 112 auf, welche ein Zusammenschalten mehrerer Radarelemente 600 ermöglichen. Die vier Empfangsantennen sind entlang einer ersten Dimension X1 609 in einem Abstand 607 angeordnet, welcher der halben Wellenlänge Lambda des verwendeten Radarsignals entspricht. Die beiden Sendeantennen X 601 , 602 sind entlang einer ersten Dimension X1 609 in einem Abstand 608 angeordnet, welcher sich aus der Anzahl an Empfangsantennen multipliziert mit dem Abstand zwischen zwei benachbarten Empfangsantennen ergibt.
Mit der gezeigten Ausführungsform 600 lassen sich insbesondere eindimensional strahlformende Radarsysteme auf einfache Art realisieren.
Die zumindest eine Sendeantenne 601 , 602 und/oder die zumindest eine Empfangsantenne 603, 604, 605, 606 sind derart nahe am Rand 580, 581 des entsprechenden Radarelements angeordnet, dass alle zueinander benachbarten Sendeantennen zweier nebeneinander angeordneter Radarelemente 702, 703 denselben Abstand zueinander aufweisen können und/oder alle zueinander benachbarten Empfangsantennen zweier nebeneinander angeordneter Radarelemente 702, 703 denselben Abstand zueinander aufweisen können. Figur 7 zeigt die Verwendung eines Radarelementes 600 zum Aufbau eines von der vorliegenden Offenbarung mit abgedeckten eindimensional arbeitenden Sensors 700, beispielsweise zur Bereichsüberwachung. Der Bereichsüberwachungssensor 700 ist ausgeführt zur digitalen Strahlformung entlang einer ersten Dimension X1 609. Hierzu weist er auf seiner Antennenfläche 701 zwei kaskadierbare Radarelemente 702, 703 auf, welche beide in Form des Radarelementes 600 ausgeführt sein sollen. Die beiden Radarelemente 702, 703 werden über eine Verbindungsleitung 202, beispielsweise eine gedruckte Leiterplattenleitung 202, miteinander synchronisiert. Damit die Radarelemente 702, 703 vor Umgebungseinflüssen geschützt werden, kann zudem vorgesehen sein, diese durch eine zusätzliche, hier nicht dargestellte Montage einer Abdeckung (Radom) zu schützen.
Die jeweilige Montageposition der Radarelemente 702, 703 zueinander ist derart gewählt, dass unter Verwendung der Sendeantennen 704 sowie der Empfangsantennen 705 in einer dem Fachmann bekannten Weise ein virtuelles Antennenarray synthetisiert werden kann, welches in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung äquidistante Antennenpositionen mit voller Besetzung aufweist, also insbesondere keine Aperturlücken besitzt. Die Montagepositionen der beiden Radarelemente 702, 703 dürfen hierzu insbesondere nicht zu weit voneinander beabstandet sein. Der hierbei zu realisierende, maximal zulässige Abstand d 706 zwischen zumindest zwei benachbarten Radarelementen 702, 703 muss kleiner oder gleich der Ausdehnung D 707 eines Radarelementes entlang der ersten Achse X1 609 sein. Dies folgt aus der Tatsache, dass ein durch eine Antennenanordnung erzeugtes virtuelles Array maximal doppelt so groß wie die physikalische Ausdehnung der zugrunde liegenden Antennenanordnung sein kann. Wird dies berücksichtigt, lassen sich die virtuellen Arrays zumindest zweier benachbarter Radarelemente lückenlos aneinander reihen und somit Aperturlücken vermeiden, welche das Ergebnis einer Strahlformung verschlechtern können. Die zuvor genannten Zusammenhänge gelten unabhängig von der konkreten Positionierung der Sendeantennen 704 sowie der Empfangsantennen 705. Es kann außerdem vorgesehen sein, die Kontaktierungsflächen für LO_IN 111 und LO_OUT 112 an sich gegenüber liegenden Seiten des Radarelementes 600 zu positionieren. Hierdurch kann bei einer linearen Kaskadierung von mehreren Radarelementen 600 eine besonders kurze Leitungsführung 202 für das LO-Signal erreicht werden.
Ergänzend sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass nach dem Schema der Figur 7 weitere Radarelemente 600 in linearer Anordnung ergänzt werden können, was dazu beitragen kann, die Winkelauflösung eines Sensors 700 weiter zu verbessern.
Figur 8 zeigt exemplarisch eine weitere Anordnung von Sendeantennen X 801 , 802 und Empfangsantennen O 803, 804 auf der Oberseite eines Radarelements 800. Die hier gezeigte Ausführungsform 800 kann im Gegensatz zur Ausführungsform der Figur 6 zum Erfassen von Signalen verwendet werden, auf deren Grundlage ein digitales Strahlformen in zwei Dimensionen, also insbesondere entlang einer ersten Dimension X1 609 und entlang einer zweiten Dimension X2 803, durchgeführt werden kann. Die Ausführungsform 800 kann in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung zwei voneinander beabstandete Kontaktierungsflächen LO_IN 111 aufweisen, welche funktional identisch ausgeführt sein können. Weiterhin kann vorgesehen sein, das Radarelement 800 mit zwei weiteren, voneinander beabstandeten
Kontaktierungsflächen LO_OUT 112 auszustatten, welche funktional wiederum identisch zueinander ausgeführt sein können. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann darüber hinaus vorgesehen sein, die Kontaktierungsflächen LO_IN 111 an zwei benachbarten Außenkanten des Radarelements 800 anzuordnen, und die Kontaktierungsflächen LO_OUT 112 an zwei sich davon unterscheidenden, aber sich dennoch benachbarten Außenkanten des Radarelements 800 anzuordnen. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Kaskadierung mehrerer Radarelemente 800 erfolgen. Das Radarelement 800 weist vier Sendeantennen X 801 , 802 auf, wobei eine erste Gruppe von Sendeantennen 801 entlang einer ersten Dimension X1 609 von einer zweiten Gruppe von Sendeantennen 802 einen Abstand 805 aufweist, welcher kleiner oder gleich der Wellenlänge der verwendeten Radarsignale ist. Zudem sind die Empfangsantennen O 803, 804 derart angeordnet, dass diese entlang einer ersten Dimension X1 von den Sendeantennen X 801 , 802 einen Mindestabstand 806 von einem Viertel der Wellenlänge der verwendeten Radarsignale einhalten. Die vier Empfangsantennen O 803, 804 sind entlang einer zweiten Dimension X2 807 derart angeordnet, dass eine erste Gruppe an Empfangsantennen 803 von einer zweiten Gruppe an Empfangsantennen 804 einen Abstand 808 aufweist, welcher kleiner oder gleich der Wellenlänge der verwendeten Radarsignale ist. Zudem sind die Sendeantennen X 801 , 802 derart angeordnet, dass diese entlang einer zweiten Dimension X2 von den Empfangsantennen O 803, 804 einen Mindestabstand 809 von einem Viertel der Wellenlänge der verwendeten Radarsignale einhalten. Mit der gezeigten Ausführungsform 800 lassen sich insbesondere zweidimensionale strahlformende Radarsysteme auf einfache Art realisieren. Figur 9 zeigt die Verwendung eines Radarelements 800 zum Aufbau eines von der vorliegenden Offenbarung mit abgedeckten zweidimensional arbeitenden Sensors 900, beispielsweise zur Erfassung einer Topologie bei der Füllstandmessung. Der Topologiesensor 900 ist ausgeführt zur digitalen Strahlformung entlang einer ersten Dimension X1 609 und entlang einer zweiten Dimension X2 807. Hierzu weist er auf seiner Antennenfläche 901 vier kaskadierbare, identisch ausgeführte Radarelemente 902, 903, 904, 905 auf, welche beide in Form des Radarelementes 800 ausgeführt sein sollen. Die vier Radarelemente
902, 903, 904, 905 werden über Verbindungsleitungen 202, beispielsweise gedruckten Leiterplattenleitungen 202 miteinander synchronisiert. Damit die Radarelemente 902,
903, 904, 905 vor Umgebungseinflüssen geschützt werden, kann zudem vorgesehen sein, diese durch eine zusätzliche, hier nicht dargestellte Montage einer Abdeckung (Radom) zu schützen. Die jeweilige Montageposition der Radarelemente 902, 903, 904, 905 zueinander ist derart gewählt, dass unter Verwendung der Sendeantennen 801 , 802 sowie der Empfangsantennen 803, 804 in einer dem Fachmann bekannten Weise ein virtuelles Antennenarray synthetisiert werden kann, welches in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung äquidistante Antennenpositionen mit zumindest teilweiser voller Besetzung aufweist, also insbesondere keine Aperturlücken besitzt. Die Montagepositionen der Radarelemente 902, 903, 904, 905 dürfen hierzu insbesondere nicht zu weit voneinander beabstandet sein. Der hierbei zu berücksichtigende, maximal zulässige Abstand d1 806 zwischen zumindest zwei entlang einer ersten Dimension X1 609 benachbarten Radarelementen 902, 903 und 904, 905 muss kleiner oder gleich der Ausdehnung D1 807 eines Radarelementes 800 entlang der ersten Achse X1 609 sein. Zudem muss vorgesehen werden, den maximal zulässige Abstand d2 808 zwischen zumindest zwei entlang einer zweiten Dimension X2 807 benachbarten Radarelementen 902, 904 und 903, 905 kleiner oder gleich der Ausdehnung D2 809 eines Radarelementes 800 entlang der zweiten Achse X2 807 zu wählen.
Dies folgt aus der Tatsache, dass ein durch eine Antennenanordnung erzeugtes virtuelles Array maximal doppelt so groß wie die physikalische Ausdehnung der zugrunde liegenden Antennenanordnung sein kann. Wird dies berücksichtigt, lassen sich die virtuellen Arrays zumindest zweier benachbarter Radarelemente lückenlos aneinander reihen und somit Aperturlücken im virtuellen Array vermeiden, welche das Ergebnis einer Strahlformung verschlechtern können. Die zuvor genannten Zusammenhänge gelten unabhängig von der konkreten Positionierung der Sendeantennen 801 , 802 sowie der Empfangsantennen 803, 804 allgemein.
Es kann außerdem vorgesehen sein, die Kontaktierungsflächen für LO_IN 111 doppelt und an benachbarten Seiten des Radarelementes 800 und LO_OUT 112 doppelt und an benachbarten Seiten des Radarelementes auszuführen, wobei LO_IN 111 und LO_OUT 112 an unterschiedlichen Seiten des Radarelements angeordnet werden sollen. Hierdurch kann bei einer schachbrettartigen Anordnung von mehreren Radarelementen 800 eine besonders kurze Leitungsführung 202 für das LO-Signal zwischen zwei benachbarten Radarelementen 800 erreicht werden.
Ergänzend sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass nach dem Schema der Figur 9 weitere Radarelemente 900 in flächiger, schachbrettartiger Anordnung ergänzt werden können, was dazu beitragen kann, die Winkelauflösung eines Sensors 900 weiter zu verbessern.
Die beschriebenen Antennenanordnungen sind dabei nur als exemplarische Ausführungsbeispiele anzusehen, da ein virtuelles Antennenarray ohne Aperturlücken durch eine Vielzahl unterschiedlicher Anordnungen von Radarelementen erzeugt werden kann. Mit den bislang ausgeführten Offenbarungen kann auf einfache Art und Weise eine Kaskadierung von Radarelementen erreicht werden, wobei die von einzelnen Elementen 101 , 301 mit Hilfe zumindest eines Analog-Digital-Wandlers 509 erfassten
Empfangsdaten von jedem Radarelement 101 , 301 über geeignete digitale Schnittstellen in einen Auswertebaustein, beispielsweise einen Prozessor, übertragen werden müssen. Auf Seiten verfügbarer Prozessoren ergibt sich hier allerdings das Problem einer begrenzten Anzahl physikalisch vorhandener Schnittstellen, speziell dann, wenn eine große Anzahl an Radarelementen kaskadiert werden soll, beispielsweise gemäß dem Schema der Figur 9.
In einer Weiterbildung kann daher vorgesehen sein, die Radarelemente 101 , 301 auch in Bezug auf eine digitale Schnittstelle 510 kaskadierbar auszuführen. Figur 10 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel. Das System der Figur 10 möge beispielhaft vier kaskadierte Radarelemente 1001 aufweisen. Während zumindest einer Betriebsphase erfassen die Radarelemente 1001 über zumindest einen Analog-Digital-Wandler 509 digitale Messwerte, welche in Bezug zu den erfassten Reflexionen zumindest eines Radarempfangskanals 105, 506, 507, 508 stehen. Die erfassten digitalen Reflexionswerte werden in einem Speicherelement 1006 des Radarchips abgelegt. Da alle Radarelemente zeitgleich betrieben werden können, sind nach Abschluss einer Radarmessung die Daten in digitaler Form in den Speicherelementen 1006 der Radarchips abgelegt.
In einer daran anschließenden Auslesephase kann ein Prozessor 1002 über eine erste digitale Schnittstelle 1004 das Speicherelement 1006 des ersten Radarchips auslesen. Die Radarchips 1001 sind ausgeführt, beim Ausgeben von Daten an einer ersten digitalen Schnittstelle 1004 den Speicher 1006 in einen Auslesemode zu überführen, welcher insbesondere einen Schieberegistermode realisiert, wobei die frei werdenden Elemente des Schieberegisters mit neuen Werten gefüllt werden, welche über eine zweite digitale Schnittstelle 1005 von außen eingelesen werden können, insbesondere von einem weiteren Radarchip 1001. Da der letzte Radarchip 1001 der kaskadierten Chipanordnung über eine entsprechend ausgeführte Terminierung 1007 beim Auslesen der Werte des Schieberegisters 1006 dieses mit Nullen befüllt, kann der Prozessor 1002 über seine Schnittstelle 1003 so lange Werte einiesen, bis die Sequenz von Nullen erkannt wird, wodurch indiziert wird, dass alle Daten aller Radarelemente eingelesen werden konnten. Ab diesem Zeitpunkt kann die eigentliche digitale Strahlformung in unterschiedliche Winkelrichtung entlang einer ersten Dimension (vgl. Fig. 7) und/oder entlang einer zweiten Dimension (Fig. 9) gestartet werden, beispielsweise im Prozessor 1002.
Mit der Ausführungsform der Figur 10 werden kaskadierbare Radarelemente 1001 bereitgestellt, welche es erlauben, unabhängig von der Anzahl an Schnittstellen 1003 eines Prozessors beliebig große Systeme mit einer Vielzahl an kaskadierten Radarelementen 1001 bereitzustellen.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, die Radarelemente 1001 mit einer digitalen Adresse auszustatten, welche von einer Adressierungseinheit 1102 bereitgestellt werden kann. Hiefür können in einer ersten Ausführungsform zusätzliche Adressierungspins 1102 vorgesehen sein. Figur 11 zeigt ein entsprechendes Beispiel. Beim Bestücken der Leiterkarten 201 wird durch entsprechend vorgegebene, externe Beschaltung (High/Low) 1103, 1104 der Pins 1102 erreicht, dass jedes Radarelement 1001 eine eindeutige Adresse zugewiesen bekommt. Der Prozessor 1002 kann zum Auslesen von Daten aus einem Radarelement 1101 über die digitale Schnittstelle 1003 zunächst eine Zieladresse an eine digitale Busschnittstelle (1106) des Radarelementes übermitteln. Eine im Radarelement 1101 integrierte Adressierungslogik 1105 überprüft anhand der in der Adresssierungseinheit 1102 hinterlegten digitalen Bausteinadresse, welche vorliegend durch die externe Beschaltung 1103 vorgegeben wird, zunächst, ob die Daten vom eigenen Radarelement ausgegeben werden sollen. Ist dies der Fall, so werden nachfolgend die Daten mit Hilfe der digitalen Busschnittstelle (1106) auf den digitalen Busaufgelegt und ausgebeben. Andernfalls wird die Anfrage über die zweite digitale Schnittstelle 1005 nach außen hin weitergeleitet, und von den kaskadierten Radarelementen in gleicherweise verarbeitet. Auf diese Weise kann ein wahlfreier Zugriff beim Auslesen von Daten eines ausgewählten Radarelementes 1101 realisiert werden, was insbesondere Vorteile bei der Durchführung eines digitalen Strahlformungsverfahrens im Prozessorsystem 1002 bringen kann, da die Daten erst dann in den Speicher des Prozessorsystems 1002 eingelesen werden müssen, wenn diese dort auch benötigt werden. Weiterhin kann durch die Einführung von digitalen Adressen erreicht werden, dass auch Daten vom Prozessor 1002 an ein bestimmtes Radarelement 1101 übermittelt werden können. Dies können vom Prozessorsystem 1002 vorverarbeitete Zwischenergebnisse bei der digitalen Strahlformung sein. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Prozessor die Speichermodule 1006 der Radarbausteine als Buffer verwenden kann. Hierdurch ergibt sich der besondere Vorteil, dass der Prozessor 1002 auch in Bezug auf seinen Arbeitsspeicher nicht mit der Anzahl an Radarelementen wachsen muss. Stattdessen wird er durch das Hinzufügen weiterer Radarelemente automatisch mit weiteren Speicherbereichen erweitert, und somit in die Lage versetzt, größere Auswerteberechnungen durchzuführen.
Die zusätzlichen Adressierungspins 1102 sind eine bevorzugte Ausführungsform einer Adressierungseinheit, welche ganz allgemein die Aufgabe hat, dem Radarchip eine definierte digitale Adresse zuzuweisen, über welche er in einem Bussystem angesprochen werden kann. Alternativ oder ergänzend können auch andere Formen der Adressvergabe in der Adressierungseinheit 1102 implementiert werden, beispielsweise programmierbare Adressierungseinheiten.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Prozessor Einstell- und/oder Parametrierwerte über die Schnittstelle 1003 an ausgewählte Radarelemente 1101 übermittelt.
Die Radarelemente 1101 können auch spezialisierte Hardwareeinheiten, beispielsweise zur Durchführung einer schnellen Fouriertransformation aufweisen, welche vom Prozessorsystem 1002 gezielt angesteuert werden können. Auf diese Weise wächst auch die Leistungsfähigkeit der resultierenden digitale Signalverarbeitungshardware mit jedem weiter hinzukommenden Radarelement 1101.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausgestaltung eines Sensorsystems 700, 900 unter Verwendung adressierbarer, kaskadierbarer Radarelemente kann vorgesehen sein, die Radarelemente mit einem definierten Adressbus und einem davon getrennten Datenbus mit dem Prozessorsystem zu verbinden. Hierdurch kann ebenfalls ein wahlfreier Zugriff beim Schreiben von Daten in ein bestimmtes Radarelement oder beim Auslesen von Daten aus einem bestimmten Radarelement erreicht werden. Fig. 12. zeigt ein Radarmessgerät 1000, das eine Anordnung kaskadierbarer Radarelemente mit einer Antennenfläche 901 aufweist.
Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der
Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation von Anlagen und die Logistikautomation von Lieferketten. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb oder außerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Kaskadierbares Radarelement (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905), eingerichtet zum Einsatz in einem Radarmessgerät (1000) zur Durchführung eines digitalen Strahlumformungsverfahrens, aufweisend: zumindest eine Sendeantenne (601 602), welche im kaskadierbaren
Radarelement integriert ist; zumindest eine Empfangsantenne (603, 604, 605, 606), welche im kaskadierbaren Radarelement integriert ist; einen Eingangsanschluss (111) zur Entgegennahme eines ersten
Lokaloszillatorsignals, eingerichtet zur Kaskadierung mehrerer miteinander verschalteter kaskadierbarer Radarelemente; einen Ausgangsanschluss (112) zur Augabe eines zweiten
Lokaloszillatorsignals, eingerichtet zur Kaskadierung mehrerer miteinander verschalteter kaskadierbarer Radarelemente; wobei die zumindest eine Sendeantenne und die zumindest eine Empfangsantenne eingerichtet sind zur Erfassung von Messdaten, welche zur Durchführung des digitalen Strahlumformungsverfahrens vorgesehen sind.
2. Kaskadierbares Radarelement (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach Anspruch 1 , wobei die zumindest eine Sendeantenne (601 , 602) und die zumindest eine Empfangsantenne (603, 604, 605, 606) im kaskadierbaren Radarelement fest eingebettet sind.
3. Kaskadierbares Radarelement (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Sendeantenne (601 , 602) und/oder die zumindest eine Empfangsantenne (603, 604, 605, 606) derart nahe am Rand (580, 581) des entsprechenden Radarelements angeordnet sind, dass alle zueinander benachbarten Sendeantennen zweier nebeneinander angeordneter Radarelemente (501 , 502) denselben Abstand (511) zueinander aufweisen; und/oder alle zueinander benachbarten Empfangsantennen zweier nebeneinander angeordneter Radarelemente (701 , 702) denselben Abstand (723) zueinander aufweisen.
4. Kaskadierbares Radarelement (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Sendeantenne (601 , 602) und/oder die zumindest eine Empfangsantenne (603, 604, 605, 606) derart nahe am Rand (580, 581) des entsprechenden Radarelements angeordnet sind, dass sich das aus der Anordnung der Sende- und Empfangsantennen ergebende virtuelle Antennenarray des Radarelementes größer ist als die äußeren Abmessungen des Radarelementes und somit durch eine entsprechende Anordnung mindestens zweier Radarelemente eine direkte und lückenlose Aneinanderreihung der virtuellen Antennenarrays ermöglicht wird.
5. Kaskadierbares Radarelement (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kaskadierbare Radarelement eine erste Sendeantenne (601) und eine zweite Sendeantenne (602) aufweist, die in einem Abstand (608) zueinander angeordnet sind, welcher der Anzahl der Empfangsantennen multipliziert mit dem Abstand zwischen zwei benachbarten Empfangsantennen entspricht; wobei das kaskadierbare Radarelement eine Mehrzahl an Empfangsantennen (603, 604, 605, 606) aufweist, die in einem Abstand (607) zueinander angeordnet sind, welcher der halben Wellenlänge Lambda des Radarsignals entspricht.
6. Kaskadierbares Radarelement (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendeantennen (601 , 602) und die Empfangsantennen (603, 604, 605, 606) entlang von Linien, die parallel zueinander stehen, angeordnet sind.
7. Kaskadierbares Radarelement (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sendeantennen (601 , 602) und die Empfangsantennen (603, 604, 605, 606) entlang von Linien, die senkrecht zueinander stehen, angeordnet sind.
8. Kaskadierbares Radarelement (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7, wobei das kaskadierbare Radarelement eine erste Sendeantenne (601) und eine zweite Sendeantenne (602) aufweist, die in einem Abstand (608) zueinander angeordnet sind, welcher der halben Wellenlänge Lambda des Radarsignals entspricht.
9. Kaskadierbares Radarelement (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen Radarchip (103).
10. Kaskadierbares Radarelement (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach einem der obigen Ansprüche, weiterhin aufweisend: ein Speicherelement (1006) zum Speichern erfasster digitaler Reflexionswerte; eine erste digitale Schnittstelle (1004), eingerichtet zum Ausgeben von Daten des Speicherelements (1006); eine zweite digitale Schnittstelle (1005), eingerichtet zum Einlesen von digitalen Daten eines weiteren Radarelements.
11. Kaskadierbares Radarelement (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin aufweisend: ein Speicherelement (1006) zum Speichern erfasster digitaler Reflexionswerte; eine Adressierungseinheit (1102), welche dem Radarelement eine definierte digitale Adresse zuweist; eine digitale Busschnittstelle (1106), eingerichtet zum Verbinden des Radarelements mit einem digitalen Bus; eine Adressierungslogik (1105) zum Auswerten von über den digitalen Bus übermittelter Adressinformationen; wobei das Radarelement eingerichtet ist zum Übermitteln von Daten zum und/oder des Speicherelementes (1006) über die digitale Busschnittstelle (1106).
12. Radarmessgerät (1000), aufweisend: einen Träger (201); eine auf dem Träger angeordnete Anordnung kaskadierbarer Radarelemente (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Radarmessgerät (1000) nach Anspruch 12, wobei das Radarmessgerät ein Füllstandradarmessgerät ist, das eingerichtet ist zur Bestimmung des Füllstands in einem Behälter.
14. Radarmessgerät (1000) nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei das Radarmessgerät ein Distanz- oder Grenzstandradarmessgerät ist, das eingerichtet ist zur Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld.
15. Radarmessgerät (1000) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die kaskadierbaren Radarelemente (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) in einem 2-dimensionalen Array angeordnet sind.
16. Radarmessgerät (1000) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Träger (201) eine quadratische Form aufweist.
17. Verwendung eines Radarmessgeräts (1000) nach einem der Ansprüche 12 bis 16 oder einer Vielzahl an zusammengeschalteten kaskadierbaren Radarelementen (101 , 301 , 600, 702, 703, 800, 902, 903, 904, 905) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung, Objektüberwachung oder für eine Refe Ixionsmikrowellenschranke.
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