EP4302125A1 - Radarmessgerät mit einer anordnung kaskadierbarer radarelemente - Google Patents

Radarmessgerät mit einer anordnung kaskadierbarer radarelemente

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EP4302125A1
EP4302125A1 EP21709930.8A EP21709930A EP4302125A1 EP 4302125 A1 EP4302125 A1 EP 4302125A1 EP 21709930 A EP21709930 A EP 21709930A EP 4302125 A1 EP4302125 A1 EP 4302125A1
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EP
European Patent Office
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radar
elements
measuring device
virtual
array
Prior art date
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Pending
Application number
EP21709930.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Welle
Levin Dieterle
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Vega Grieshaber KG
Original Assignee
Vega Grieshaber KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Vega Grieshaber KG filed Critical Vega Grieshaber KG
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
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    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
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    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path

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 radar measuring device and a specific use of such a measuring device.
  • multi-dimensional measuring i. H. two- or three-dimensional measuring radar systems are used.
  • New, advantageous applications have developed here, particularly in the field of process automation and 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
  • Tx radar transmission channels
  • Rx radar reception channels
  • Tx radar transmission channels
  • Rx radar reception channels
  • larger virtual array antennas can be synthesized by skilful positioning of the individual antennas, the signals of which in turn are the basis for carrying out digital beam shaping.
  • Frequencies above 80 GHz pose a major challenge in terms of positioning accuracy and synchronization.
  • a first aspect of the present disclosure relates to a radar measuring device, in particular a radar measuring device for process automation in an industrial or private environment, which has a carrier, for example a printed circuit board, and an arrangement of cascadable radar elements arranged on the carrier.
  • 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.
  • the individual radar elements each have a radar chip and at least one transmitting antenna and/or at least one receiving antenna.
  • the at least one transmitting antenna and/or the at least one receiving antenna is arranged so close to the edge of the corresponding radar element (at least the outer antennas) that all adjacent transmitting antennas of at least two radar elements arranged next to one another are at the same distance from one another and/or all adjacent receiving antennas are at least two radar elements arranged next to one another have the same distance from one another.
  • the transmitting antennas of the radar elements together with a fully occupied virtual array of n virtual antenna positions from the receiving antennas in at least a first direction, where n is a natural number.
  • a core aspect of the present disclosure can be seen in proposing a new type of radar element with integrated antennas, which is suitable, after interconnection with a predeterminable number of similar radar elements, to provide an overall system that makes it possible to detect a large number of signals in order to generate a larger virtual one To form an overall array antenna without aperture gaps, and to be able to carry out a beamforming method with a high angular resolution on the basis of this.
  • 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 dge ⁇ have, consist at least in a second dimension of m virtual antenna positions and a distance of d m ⁇ have, wherein the outer dimension of the radar element is ⁇ nd n at least in a first dimension, - is ⁇ md m at least in a second dimension, and which are set up to acquire data for carrying out a digital beam shaping method, with at least two adjacent radar elements having a distance or lateral offset of ndn at least along a first dimension.
  • the transmitting antennas of the radar elements together with the receiving antennas form a fully occupied virtual array of m virtual antenna positions in at least a second direction, which typically runs perpendicular to the first direction, where m is a natural number.
  • the individual radar elements are arranged relative to one another in such a way that a complete virtual array is generated, the extent of which is typically greater than the physical extent of the arrangement of cascadable radar elements.
  • the distances between the receiving antennas of the radar elements in a first direction and/or a second direction are less than or equal to half the wavelength of the radar measurement signal to be radiated.
  • the distances between the transmitting antennas of the radar elements in the first direction and/or the second direction are less than or equal to half the wavelength of the radar measurement signal to be radiated.
  • the radar elements each have a length and a width which is typically specified by the distance between the virtual antenna positions and thus determines the respective extent of the carrier.
  • the width of the radar elements is less than or equal to n times the distance between the virtual antenna positions (nxd n ).
  • the length of the radar elements is less than or equal to m times the distance between the virtual antenna positions (m ⁇ d m ).
  • the carrier has a square or rectangular shape.
  • the at least one transmitting antenna and the at least one receiving antenna are part of a chip or package of the corresponding radar element.
  • 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, set up for process automation in an industrial or private environment.
  • Another aspect of the present disclosure relates to the use of a radar measuring device described above and below for level measurement or
  • a further aspect of the present disclosure relates to the use of a radar measuring device described above and below for area monitoring, for example in the danger area of a machine or a section of a machine
  • 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.
  • One goal of 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.
  • sensors can be used, which in particular 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 a wide variety of industries such as automobile manufacturing, food production, the pharmaceutical industry or in general in the field of packaging.
  • the aim of factory automation is to automate the production of goods using machines, production lines and/or robots, i. H. run 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.
  • FIG. 1 shows a cascadable radar element according to an embodiment.
  • Fig. 2 shows the arrangement of two cascadable radar elements on a printed circuit board (carrier).
  • Figure 3 shows a cascadable radar element according to another embodiment.
  • FIG. 4 shows an electronic component of a radar measuring device according to an embodiment.
  • 5 shows a cascadable radar element according to a further embodiment.
  • FIG. 6 shows the interconnection of two cascadable radar elements according to an embodiment.
  • FIG. 7 shows the interconnection of three cascadable radar elements according to an embodiment.
  • FIG. 8 shows the interconnection of three radar elements according to a further embodiment.
  • FIG. 9 shows the interconnection of three radar elements according to a further embodiment.
  • FIG. 10 shows the interconnection of four radar elements according to a further embodiment.
  • Figure 11 shows a cascadable radar element according to another embodiment.
  • 12 shows the interconnection of three cascadable radar elements according to an embodiment.
  • FIG. 13 shows the interconnection of three cascadable radar elements according to a further embodiment.
  • FIG. 14 shows the interconnection of eight cascadable radar elements according to an embodiment.
  • Fig. 15 shows the interconnection of 16 cascadable radar elements according to a further embodiment.
  • 16 shows a radar measuring device with an electronic component according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a first embodiment 101 of a cascadable radar element.
  • 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 have different circuit parts for generating and/or processing
  • 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 bond 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.
  • AIP antenna in package
  • 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.
  • module 101 has at least one contact option 111 for introducing an external synchronization signal and at least one further contact option 112 for outputting an internal synchronization signal.
  • the synchronization signals can be local oscillator signals LO_IN, LO_OUT with a frequency above 1 GHz, for example. However, other synchronization signals can also be used.
  • a plurality of such radar elements can be cascaded by assembly, for example soldering onto a printed circuit board material.
  • FIG. 2 shows a corresponding arrangement on a printed circuit board material 201.
  • the electronic components 203, 204, both of which are of the radar element 101 type, are interconnected in a further development on a suitable carrier material 201, for example a printed circuit board material, to form a cascaded radar system 200. It is characteristic here that the two radar chips are operated together in one operating phase. Provision is made here in particular for radar signals to be emitted with a first element 203 and received again with a second element 204 .
  • the synchronization of the two units 203, 204 required for this is carried out by forwarding a synchronization 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 printed circuit board 201, to an input point LO_IN 111 of the second component 204 can be forwarded.
  • FIG. 3 shows a further embodiment 301 of a cascadable radar element.
  • it can be a Act semiconductor chip 301, which in addition to the circuits for generating and / or processing of radar signals and antennas or primary radiator 302, 303 (AoC, Antenna on Chip) for radiating 304 and / or detecting 305 radar signals.
  • the semiconductor chip 301 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 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 synchronization signal LO_IN, for example with a frequency above 1 GHz, and at least one additional one
  • 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.
  • a plurality of such radar elements can be cascaded by mounting a plurality of such semiconductor chips in a package.
  • Figure 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 an electronic component 400 in the form of a cascaded radar system. It is characteristic here that the two radar chips 402, 403 are operated together in one operating phase.
  • radar signals 410 to be emitted with a first chip 402 via an antenna on chip (AoC) element 409 and to be received again 411 with a second chip 403 via an antenna 412 integrated thereon.
  • AoC antenna on chip
  • the synchronization of the two semiconductor chips 402, 403 required for this takes place by forwarding a local oscillator signal used in the first radar chip 402, which has a Output contact LO_OUT 308 of the first chip 402 can be forwarded to an input point LO_IN 306 of the second semiconductor chip 403 via a bonding wire connection 404 .
  • 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.
  • the component 401 has at least one contacting option 406 for the external supply of a local oscillator signal LO_IN, which is forwarded via a bond connection 405 to a corresponding contacting area 306 of the first semiconductor chip 402.
  • the component has a further contacting option 408, which can provide an internal local oscillator signal LO_OUT to the outside via a bond connection 407.
  • FIG. 4 shows a first exemplary embedding in a component housing 401.
  • Other arrangements with a large number of integrated 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 produce them very cheaply through mass production. Different types of application-specific components 401 can nevertheless be derived therefrom through different forms of packaging.
  • Various antenna arrangements are known in the prior art, which make it possible to carry out a digital beam shaping method.
  • FIG. 5 shows an example of a cascadable radar element 501 and its antenna arrangement, which allows an arrangement on a printed circuit board to generate a larger, fully occupied linear array.
  • Edge area of the printed circuit board i.e. at the top, bottom, right or left edge 580,
  • the radar element 501 shown one-dimensional beam-forming radar systems in particular can be easily implemented. In order to protect the radar element 501 from environmental influences, this can also be provided to protect an additional assembly of a cover (radome), not shown here. This also applies to an arrangement made up of several radar elements.
  • FIG. 8 shows an example of another embodiment of an arrangement of three radar elements 501, 502 and 503. If at least two radar elements 501 and 502 in a first direction the distance of £? Radar elements generated virtual total array also possible to use larger element distances 2 D n 603, without aperture gaps in the largest virtual sub-array, which has the same size as the virtual total array 701 in Figure 7. Due to the larger distance 603 of the radar element 503, a smaller subarray is additionally generated. The angular resolution in the digital beam formation can be improved by the virtual overall aperture, which is larger in comparison to the virtual overall array in FIG.
  • FIG. 9 shows an arrangement of three radar elements 501, 502 and 503 in which the arrangement or the minimum distance between the radar elements has not been maintained at any position.
  • the virtual overall array generated by the transmitting (O) and receiving antennas (X) thus has a number of aperture gaps. On the one hand, this leads to the formation of grating and side lobes and significantly reduces the signal-to-noise ratio.
  • the corner elements each have a distance d 0 /2 or d x /2 (730 or 731) both in the first direction 540 and in the second direction 541 .
  • these distances are the same, but it is also conceivable that they can differ.
  • other angles such as 60°, are also conceivable through appropriate antenna arrangements, as a result of which hexagonally arranged, virtual arrays can be realized.
  • additional radar elements can be added to create larger arrays.
  • the radar elements are positioned along the basis vectors of the translation-periodic grid of the virtual array of an individual radar element. It only has to be ensured that the minimum distance of D n or D m is maintained at least once in the direction of the respective base vectors when positioning the individual radar elements.
  • the radar elements can be arranged according to a linear combination of the basis vectors of the translation periodic raster of the virtual array of a single radar element.
  • FIG. 12 shows a first exemplary embodiment of an arrangement made up of three radar elements 701, 702 and 703 in an L-shaped arrangement. The minimum distance 801 or 802 between the radar elements is maintained here both in a first direction 540 and in a second direction 541 .
  • FIG. 13 shows a further exemplary embodiment with three cascaded radar elements 701, 702 and 703 in a symmetrical, triangular arrangement.
  • the minimum distance 801 or 802 is maintained in two mutually independent directions 540, 541 by the lateral offset 802 of the third radar element 703 relative to the first two radar elements 701, 702.
  • FIG. 14 shows an exemplary embodiment of an arrangement of eight radar elements 701-708 for the construction of a larger, fully occupied array. Due to the redundancies resulting from the arrangement, no central radar element (between the elements 702, 703, 706 and 707) is required.
  • radar elements 701 in a linear arrangement in directions 540 and 541 can be added to radar elements 701, 704, 705 and 708 at distances Dn or n according to the diagram in FIG.
  • FIG 15 shows an example of an embodiment of an iterative arrangement of a plurality of radar elements 701.
  • the displacement vector 801 corresponds to the vector of the first iteration and 802 to that of the second.
  • the iteration becomes a second direction 541 and shifted each copy of the previously generated array by D m 3 fc_1 with (k GM ) from the position of the first radar element.
  • the vectors 803 and 804 represent the displacement vectors of the first and second iteration.
  • each iteration step is an arrangement of radar elements which, with a combined evaluation of all transmitting and receiving elements of the individual radar elements, produce a fully occupied virtual array, which in a can be appended back to the previously generated array in the next iteration step.
  • 16 shows a radar measuring device 1000 with an electronic component 400 according to an embodiment.

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Abstract

Radarmessgerät mit einer auf einem Träger angeordneten Anordnung kaskadierbarer Radarelemente (701), die jeweils einen Radarchip und zumindest eine Sendeantenne und zumindest eine Empfangsantenne aufweisen.

Description

Radarmessgerät mit einer Anordnung kaskadierbarer Radarelemente 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 Radarmessgerät und eine bestimmte Verwendung eines derartigen Messgeräts.
Technischer Hintergrund
In der Füllstandmessung können mehrdimensional messende, d. h. zwei- oder dreidimensional messende Radarsysteme verwendet werden. Insbesondere im Bereich der Prozessautomatisierung und der Fabrikautomatisierung haben sich hier 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 Radarmessgerät, insbesondere ein Radarmessgerät der Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld, welches einen Träger, beispielsweise eine Leiterplatte, aufweist, sowie eine auf dem Träger angeordnete Anordnung kaskadierbarer Radarelemente.
„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 einzelnen Radarelemente weisen jeweils einen Radarchip und zumindest eine Sendeantenne und/oder zumindest eine Empfangsantenne auf. Die zumindest eine Sendeantenne und/oder die zumindest eine Empfangsantenne ist derart nahe am Rand des entsprechenden Radarelements angeordnet (zumindest die äußeren Antennen), dass alle zueinander benachbarten Sendeantennen zumindest zweier nebeneinander angeordneter Radarelemente denselben Abstand zueinander aufweisen und/oder alle zueinander benachbarten Empfangsantennen zumindest zwei nebeneinander angeordneter Radarelemente denselben Abstand zueinander aufweisen.
Diese Eigenschaft könnte auch als Translationsperiodizität bezeichnet werden. Gemäß einer Ausführungsform bilden die Sendeantennen der Radarelemente zusammen mit den Empfangsantennen in zumindest einer ersten Richtung ein vollbesetztes virtuelles 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 ohne Aperturlücken zu bilden, und auf Basis dieser ein Strahlformungsverfahren mit einer hohen Winkelauflösung durchführen zu können.
Bedingt durch die beschriebene Anordnung/Positionierung der Radarelemente mit integrierten Antennen auf einem Trägermaterial, bspw. einer Leiterplatte, kann auf den Aufbau eines zusätzlichen Antennensystems verzichtet werden. Dies ermöglicht die preisgünstige Realisierung komplexer bildgebender Radarsysteme insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 80 GHz bspw. 140 GHz bzw. 240 GHz.
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 d„ < aufweisen, zumindest in einer zweiten Dimension aus m virtuellen Antennenpositionen bestehen und einen Abstand von dm < aufweisen, wobei die äußere Dimension des Radarelementes zumindest in einer ersten Dimension < n dn 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 d„ aufweisen. zumindest entlang einer zweiten Dimension einen Abstand bzw. lateralen Versatz von m dm aufweisen. Gemäß einer weiterer Ausführungsform bilden die Sendeantennen der Radarelemente zusammen mit den Empfangsantennen in zumindest einer zweiten Richtung, die typischerweise senkrecht zur ersten Richtung verläuft, ein vollbesetztes virtuelles Array von m virtuellen Antennenpositionen aus, wobei m eine natürliche Zahl ist. Die einzelnen Radarelemente sind derart relativ zueinander angeordnet, dass ein vollständiges virtuelles Array erzeugt wird, dessen Ausdehnung typischerweise größer ist als die physikalische Ausdehnung der Anordnung kaskadierbarer Radarelemente.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind die Abstände der Empfangsantennen der Radarelemente zueinander in einer ersten Richtung und/oder einer zweiten Richtung kleiner oder gleich der halben Wellenlänge des abzustrahlenden Radarmesssignals.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Abstände der Sendeantennen der Radarelemente zueinander in der ersten Richtung und/oder der zweiten Richtung kleiner oder gleich der halben Wellenlänge des abzustrahlenden Radarmesssignals.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weisen die Radarelemente jeweils eine Länge und eine Breite auf, welche typischerweise durch den Abstand der virtuellen Antennenpositionen vorgegeben ist und somit die jeweilige Ausdehnung des Trägers bestimmt. Die Breite der Radarelemente ist hierbei kleiner oder gleich dem n-fachen Abstand der virtuellen Antennenpositionen zueinander (n x dn). Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Länge der Radarelemente kleiner oder gleich dem m-fachen Abstand der virtuellen Antennenpositionen zueinander (m x dm).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Träger eine quadratische oder rechteckige Form auf.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform sind die zumindest eine Sendeantenne und die zumindest eine Empfangsantenne Teil eines Chips oder Packages des entsprechenden Radarelements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Radarmessgerät ein Füllstandradarmessgerät, das eingerichtet ist zur Bestimmung des Füllstands in einem Behälter. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Radarmessgerät ein Distanz- oder Grenzstandradarmessgerät, eingerichtet zur Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen Radarmessgeräts zur Füllstandmessung oder
Grenzstandmessung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen Radarmessgeräts zur Bereichsüberwachung, beispielsweise im Gefahrenbereich einer Maschine oder eines Abschnitts eines
Förderbands.
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.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren 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 die Anordnung von zwei kaskadierbaren Radarelementen auf einer Leiterplatte (Träger).
Fig. 3 zeigt ein kaskadierbares Radarelement gemäß einerweiteren Ausführungsform.
Fig. 4 zeigt ein Elektronikbauteil eines Radarmessgeräts gemäß einer Ausführungsform. Fig. 5 zeigt ein kaskadierbares Radarelement gemäß eine weiteren Ausführungsform.
Fig. 6 zeigt die Zusammenschaltung von zwei kaskadierbaren Radarelementen gemäß einer Ausführungsform. Fig. 7 zeigt die Zusammenschaltung von drei kaskadierbaren Radarelementen gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 8 zeigt die Zusammenschaltung von drei Radarelementen gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 9 zeigt die Zusammenschaltung von drei Radarelementen gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 10 zeigt die Zusammenschaltung von vier Radarelementen gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 11 zeigt ein kaskadierbares Radarelement gemäß einerweiteren Ausführungsform. Fig. 12 zeigt die Zusammenschaltung von drei kaskadierbaren Radarelementen gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 13 zeigt die Zusammenschaltung von drei kaskadierbaren Radarelementen gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 14 zeigt die Zusammenschaltung von acht kaskadierbaren Radarelementen gemäß einer Ausführungsform. Fig. 15 zeigt die Zusammenschaltung von 16 kaskadierbaren Radarelementen gemäß einerweiteren Ausführungsform.
Fig. 16 zeigt ein Radarmessgerät mit einem Elektronikbauteil gemäß einer Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform 101 eines kaskadierbaren Radarelements. 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 Bondverbindungen 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 Synchronisationssignals sowie zumindest eine weitere Kontaktierungsmöglichkeit 112 zum Ausgeben eines internen Synchronisationssignals auf. Bei den Synchronisationssignalen kann es sich beispielsweise um Lokaloszillatorsignale LO_IN, LO_OUT mit einer Frequenz oberhalb 1GHz handeln. Es können jedoch auch anderweitige Synchronisationssignale verwendet werden.
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 solcher Radarelemente kann durch eine Montage, beispielsweise ein Auflöten auf einem Leiterplattenmaterial, erfolgen.
Figur 2 zeigt eine entsprechende Anordnung auf einem Leiterplattenmaterial 201. Die Elektronikbauteile 203, 204, welche beide vom Typ des Radarelementes 101 sind, werden in einer Weiterbildung auf einem geeigneten Trägermaterial 201 , beispielsweise einem Leiterkartenmaterial, 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 zweiten Element 204 wieder zu empfangen. Die hierzu erforderliche Synchronisation der beiden Einheiten 203, 204 erfolgt durch Weiterleiten eines im ersten Radarchip 203 verwendeten Synchronisationssignals, 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 301 eines kaskadierbaren Radarelements. Bei der dargestellten zweiten Ausführungsform 301 kann es sich um einen Halbleiterchip 301 handeln, welcher neben den Schaltkreisen zur Erzeugung und/oder Verarbeitung von Radarsignalen auch 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 realisieren. 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 Synchronisationssignals LO_IN, beispielsweise mit einer Frequenz oberhalb 1GHz auf, sowie zumindest eine weitere
Kontaktierungsmöglichkeit 308 zum Ausgeben eines internen Synchronisationssignals LO_OUT, dessen Frequenz in einem Beispiel ebenfalls 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.
Eine Kaskadierung mehrerer solcher Radarelemente 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 Elektronikbauteil 400 in Form eines kaskadierten Radarsystems 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 (AoC) Element 409 abzustrahlen und mit 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 Radarchip 402 verwendeten Lokaloszillatorsignals, welches über einen Ausgabekontakt LO_OUT 308 des ersten Chips 402 über eine Bonddrahtverbindung 404 an einen Eingabepunkt LO_IN 306 des zweiten Halbleiterchips 403 weitergeleitet werden kann. 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 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 eine Kontaktierungsmöglichkeit 406 zur externen Zuführung eines Lokaloszillatorsignals LO_IN auf, welches über eine Bondverbindung 405 an eine entsprechende Kontaktierungsfläche 306 des ersten Halbleiterchips 402 weitergeleitet wird. Darüber hinaus weist das Bauelement eine weitere Kontaktierungsmöglichkeit 408 auf, welche über eine Bondverbindung 407 ein internes Lokaloszillatorsignal LO_OUT nach außen hin bereitstellen kann.
Obiges Ausführungsbeispiel dient der Veranschaulichung und soll den beanspruchten Bereich nicht einschränken. Es kann alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, andere Synchronisationsmechanismen zu verwenden. Beispielhaft seien hier die
Ausführungsbeispiele der EP 3255392 B1 genannt.
Die Anordnung der Figur 4 zeigt eine erste exemplarische Einbettung in ein Bauteilgehäuse 401. Anwendungsspezifisch sind auch andere Anordnungen mit einer Vielzahl an integrierten Radarchips 301 möglich. Da die dazu verwendbaren, kaskadierbaren Radarelemente mit integrierten Antennen 301 technisch immer identisch sind, ergibt sich der Vorteil, durch Massenproduktion diese sehr günstig hersteilen zu können. Durch verschiedene Formen des Packaging können dennoch verschiedenartige anwendungsspezifische Bauteile 401 daraus abgeleitet werden.
Es ist vorgesehen, mehrere entsprechende Radarelemente zu kaskadieren, um so durch eine entsprechende Anordnung der Elemente ein größeres Arrays 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 von maximal der halben Wellenlänge des verwendeten Radarsignals beabstandet sind.
Figur 5 zeigt exemplarisch ein kaskadierbares Radarelement 501 sowie dessen Antennenanordnung, welches eine Anordnung auf einer Leiterplatte zur Generierung eines größeren, vollständig besetzten linearen Arrays erlaubt.
Die i-Sendeelemente (O) 510 sind im Abstand d0 511 , wobei l der minimalen
Wellenlänge des verwendeten Radarsignals entspricht, und die /-Empfangselemente (X) 520 im Abstand 521 angeordnet. Alle Elemente befinden sich im
Randbereich der Leiterplatte, also am oberen, unteren, rechten oder linken Rand 580,
581 der Leiterplatte.
Das sich ergebende lineare, vollbesetzte virtuelle Array eines einzelnen
Radarelementes besteht optimalerweise aus N = i · / virtuellen Antennenpositionen (□) 530 mit einem Abstand von 531. Das erzeugte virtuelle Array weist keine
Mehrfachbelegungen bzw. Redundanzen auf und besitzt somit die in einer Dimension/Richtung 540 maximal mögliche laterale Ausdehnung von n = N Elementen im Abstand dn. Dies erleichtert die Positionierung weiterer Radarelemente bei der Kaskadierung aufgrund der möglichen größeren Abstände zwischen den einzelnen Radarelementen. Im vorliegenden Beispiel ergibt sich für ein einzelnes Radarelement ein lineares virtuelles Array aus n = 6 Elementen. Weist das virtuelle Array keine Mehrfachbelegungen auf, haben die äußeren virtuellen Antennenpositionen eines einzelnen Radarelementes einen Abstand von (n — 1) dn 532. Mit dem gezeigten Radarelement 501 lassen sich insbesondere eindimensional strahlformende Radarsysteme auf einfache Art realisieren. Um das Radarelement 501 vor Umgebungseinflüssen zu schützen, kann zudem vorgesehen sein, dieses durch eine zusätzliche, hier nicht dargestellte Montage einer Abdeckung (Radom) zu schützen. Dies gilt ebenso für eine Anordnung aus mehreren Radarelementen.
Figur 6 zeigt exemplarisch ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von zwei Radarelementen 501 und 502. Zum Aufbau eines linearen virtuellen Arrays ohne
Aperturlücken reihen sich die virtuellen Einzelarrays beider Radarelemente hierbei lückenlos aneinander. Hierfür weist die erste virtuelle Antennenposition des zweiten Radarelementes einen Abstand von dn zur letzten virtuellen Antennenposition des ersten virtuellen Arrays auf. Somit besitzt das zweite Radarelement einen Abstand von Dn = n - dn 601 zum ersten Radarelement. Um eine direkte Aneinanderreihung der virtuellen Einzelarrays der beiden Radarelemente zu ermöglichen, muss dementsprechend die äußere Abmessung des kaskadierbaren Radarelementes in dieser Richtung < Dn = n dn 602 sein. Figur 7 zeigt exemplarisch ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von drei
Radarelementen 501 , 502 und 503. Zum Aufbau eines linearen virtuellen Arrays ohne Aperturlücken sind in diesem Fall alle virtuellen Einzelarrays der Radarelemente lückenlos aneinandergereiht. Hierfür weisen die Radarelemente jeweils einen Abstand von D„ 601 untereinander auf.
Figur 8 zeigt exemplarisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung von drei Radarelementen 501 , 502 und 503. Wird zumindest von zwei Radarelementen 501 und 502 in einer ersten Richtung der Abstand von £?„ eingehalten, ist es aufgrund der auftretenden Redundanz der Antennenpositionen in dem durch alle Radarelemente generierten virtuellen Gesamtarray auch möglich, größere Elementabstände 2 Dn 603 zu verwenden, ohne dass dabei Aperturlücken in dem größten virtuellen Subarray, welches die selbe Größe wie das virtuelle Gesamtarrays 701 in Figur 7 aufweist. Durch den größeren Abstand 603 des Radarelementes 503 wird zusätzlich noch ein kleineres Subarray erzeugt. Durch die im Vergleich zum virtuellen Gesamtarray in Figur 7 größere virtuelle Gesamtapertur kann die Winkelauflösung in der digitalen Strahlformung verbessert werden. Figur 9 zeigt eine Anordnung von drei Radarelementen 501 , 502 und 503 bei welcher die Anordnung, bzw. der Minimalabstand der Radarelemente an keiner Position eingehalten worden ist. Somit weist das durch die Sende- (O) und Empfangsantennen (X) erzeugte virtuelle Gesamtarray mehrere Aperturlücken auf. Dies für zum einen zur Entstehung von Gitter- und Nebenkeulen und reduziert das Signal-zu-Rauschverhältnis erheblich.
Figur 10 zeigt eine Anordnung einer Vielzahl an Radarelementen 501 , 502, 503, 504, ... Diese wird mittels Iteration ausgehend von dem ersten Radarelement 501 erzeugt und bildet ein lineares, vollbesetztes, virtuelles Gesamtarray. Im vorliegenden Beispiel wird jede Kopie des zuvor erzeugten Arrays um Dn 3k_ 1 mit (k e lf) gegenüber der Position des ersten Radarelementes verschoben. Somit ist das Radarelement 502 um Dn 605 gegenüber dem ersten Radarelement 501 verschoben. Die Radarelemente 503 und 504 welche in der nächsten Iteration mit k = 2 weisen schon einen Abstand 606 von 31 D„ auf. Im nächsten Iterationsschritt werden dann bereits vier weitere Radarelemente im Abstand 607 von 32 Da zur Position des ersten Radarelementes hinzugefügt. Somit ergibt sich nach dieser Iterationsvorschrift ein Gesamtarray aus 2U Radarelementen. Durch die zumindest in gewissen Bereichen direkte Aneinanderreihung der virtuellen Arrays der einzelnen Radarelemente ergibt sich somit zumindest in einem Teilbereich des virtuellen Gesamtarrays ein virtuelles Subarray, dessen Ausdehnung zumindest in einer Dimension dem ganzzahligen Vielfachen des virtuellen Einzelarrays entspricht.
Die Anordnungsvorschrift, dass zumindest in einer ersten Dimension zwei direkt benachbarte Radarelemente einen lateralen Mindestabstand von D„ = n d„ aufweisen, kann auf die Positionierung der Radarelemente in einer zweiten Dimension erweitert werden.
Figur 11 zeigt ein entsprechend kaskadierbares Radarelement 701 mit 4 Sende- und 4 Empfangselementen. Die f-Sendeelemente (O) 710 sind in einer ersten Richtung 540 im Abstand 711 , wobei Ä der minimalen Wellenlänge des verwendeten Radarsignals entspricht, und in einer zweiten Richtung 541 mit einem Abstand 722 von 1 angeordnet.
Die /-Empfangselemente (X) 720 sind in einer ersten Richtung 540 mit einem Abstand 722 von l und in einer zweiten Richtung 541 im Abstand 721 angeordnet.
Idealerweise weisen die Eckelemente sowohl in der ersten Richtung 540 als auch in der zweiten Richtung 541 jeweils den Abstand d0/2 bzw. dx/2 (730 bzw. 731) auf. Durch die geometrische Anordnung der Sende- und Empfangsantennen auf dem Radarelement ergibt sich ein quadratisch angeordnetes virtuelles Array aus N = 16 virtuellen Antennenpositionen (□) 750. Dieses besteht in einer ersten Richtung 540 aus n = 4 und in einer zweiten Richtung 541 aus m = 4 virtuellen Elementen besteht. In einer ersten Richtung/Dimension weisen diese einen Abstand von dn und in einer zweiten Richtung/Dimension einen Abstand von dm aLJf-
Idealerweise sind diese Abstände gleich, es ist aber auch denkbar, dass diese sich unterscheiden können.
Im vorliegenden Beispiel eines quadratischen bzw. rechteckigen virtuellen Arrays stehen die Richtungen der translationsperiodischen Anordnung der virtuellen
Antennenpositionen (□) 750 des Einzelradarelementes senkrecht aufeinander. Es sind durch entsprechende Antennenanordnungen aber auch andere Winkel wie bspw. 60° denkbar, wodurch hexagonal angeordnete, virtuelle Arrays realisierbar sind. Ausgehend von der geometrischen Anordnung der virtuellen Elemente eines einzelnen Radarelemente lassen sich weitere Radarelemente hinzufügen um größere Arrays zu realisieren. Im einfachsten Fall erfolgt die Positionierung der Radarelemente entlang der Basisvektoren des translationsperiodischen Rasters des virtuellen Arrays eines einzelnen Radarelementes. Es muss lediglich sichergestellt werden, dass in Richtung der jeweiligen Basisvektoren zumindest einmal der Mindestabstand von Dn bzw. Dm bei der Positionierung der einzelnen Radarelemente eingehalten wird. Dementsprechend können die Radarelemente gemäß einer Linearkombination der Basisvektoren des translationsperiodischen Rasters des virtuellen Arrays eines einzelnen Radarelementes angeordnet werden. Figur 12 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus drei Radarelementen 701 , 702 und 703 in einer L-förmigen Anordnung. Sowohl in einer ersten Richtung 540 als auch in einer zweiten Richtung 541 wird hier der Mindestabstand 801 bzw. 802 zwischen den Radarelementen eingehalten.
Figur 13 zeigt alternativ ein weiteres Ausführungsbeispiel mit drei kaskadierten Radarelementen 701 , 702 und 703 in einer symmetrischen, dreiecksförmigen Anordnung. Auch bei dieser Anordnung wird der Mindestabstand 801 bzw. 802 in zwei voneinander unabhängigen Richtungen 540, 541 durch den lateralen Versatz 802 des dritten Radarelementes 703 gegenüber den ersten beiden Radarelementen 701 , 702 eingehalten.
Da sich bei entsprechender zweidimensionaler Anordnung der Radarelemente, wie auch bei der linearen Kaskadierung, Mehrfachbelegungen im virtuellen Gesamtarray ergeben, ist es bei Anordnung von mehr als drei Chips möglich, größere Abstände zwischen den Radarelementen zu verwenden, ohne dass dabei Aperturlücken entstehen. Figur 14 zeigt exemplarisch ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung von acht Radarelementen 701-708 für den Aufbau eines größeren, vollständig besetzten Arrays. Aufgrund der durch die Anordnung entstehenden Redundanzen, wird kein zentrales Radarelement (zwischen den Elementen 702, 703, 706 und 707) benötigt.
Ergänzend sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass nach dem Schema der Figur 14 weitere Radarelemente 701 in linearer Anordnung in den Richtungen 540 und 541 an die Radarelemente 701 , 704, 705 und 708 mit Abstand D„ bzw. n ergänzt werden können.
Figur 15 zeigt exemplarisch ein Ausführungsbeispiel für eine iterative Anordnung einer Vielzahl von Radarelementen 701. Im vorliegenden Beispiel wird, wie schon zuvor bei der linearen Anordnung von Radarelementen, jede Kopie des zuvor erzeugten Arrays um Dn 3fe_ 1 mit (k e W) gegenüber der Position des ersten Radarelementes in einer ersten Richtung 540 verschoben. Der Verschiebevektor 801 entspricht dabei dem Vektor der ersten Iteration und 802 der der zweiten. Danach wird die Iteration in einer zweiten Richtung 541 durchgeführt und jede Kopie des zuvor erzeugten Arrays um Dm 3fc_1 mit (k G M) gegenüber der Position des ersten Radarelementes verschoben. Hierbei stellen die Vektoren 803 und 804 die Verschiebevektoren der ersten bzw. zweiten Iteration dar. Als Ergebnis jeden Iterationsschritt erhält man eine Anordnung von Radarelementen, welche bei einer kombinierten Auswertung aller Sende- und Empfangselemente der einzelnen Radarelementen ein vollbesetztes virtuelles Array erzeugen, welches in einem nächsten Iterationsschritt wieder an das zuvor generierte Array angefügt werden kann. Fig. 16 zeigt ein Radarmessgerät 1000 mit einem Elektronikbauteil 400 gemäß einer Ausführungsform.
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. Radarmessgerät (1000), aufweisend: einen Träger (201); eine auf dem Träger angeordnete Anordnung kaskadierbarer Radarelemente
(501 , 502, 701 , 702, 703); wobei die einzelnen Radarelemente jeweils einen Radarchip (103) und zumindest eine Sendeantenne (510, 710) und/oder zumindest eine Empfangsantenne (520, 720) aufweisen; wobei die zumindest eine Sendeantenne und/oder die zumindest eine
Empfangsantenne 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.
2. Radarmessgerät (1000) nach Anspruch 1 , wobei die Sendeantennen (510, 710) und die Empfangsantennen (520, 720) der Radarelemente (501 , 502, 701 , 702, 703) in zumindest einer ersten Richtung (540) ein vollbesetztes virtuelles Array von n virtuellen Antennenpositionen ausbilden, wobei n eine natürliche Zahl ist.
3. Radarmessgerät (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendeantennen (510,710) und die Empfangsantennen (520, 720) der Radarelemente (501 , 502, 701 , 702, 703) in zumindest einer zweiten Richtung (541) einen vollbesetztes virtuelles Array von m virtuellen Antennenpositionen ausbilden, wobei m eine natürliche Zahl ist.
4. Radarmessgerät (1000) nach Anspruch 3, wobei die erste Richtung (540) senkrecht zur zweiten Richtung (541) verläuft.
5. Radarmessgerät (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abstände der Sendeantennen (510, 710) der Radarelemente (501 , 502, 701 , 702, 703) zueinander in einer ersten Richtung (540) und/oder einer zweiten Richtung (541) kleiner oder gleich der halben Wellenlänge des abzustrahlenden Radarmesssignals sind.
6. Radarmessgerät (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abstände der Empfangsantennen (520, 720) der Radarelemente (501 , 502, 701 , 702, 703) zueinander in der zweiten Richtung (541) und/oder der ersten Richtung (540) kleiner oder gleich der halben Wellenlänge des abzustrahlenden Radarmesssignals sind.
7. Radarmessgerät (1000) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Radarelemente (501 , 502, 701 , 702, 703) jeweils eine Länge und eine Breite aufweisen; wobei die Breite der Radarelemente kleiner oder gleich der Breite des durch die Sende- und Empfangsantennen erzeugten virtuellen Arrays ist und eine Breite aufweist, welche dem n-fachen Abstand der virtuellen Antennenpositionen zueinander, n * dn, entspricht.
8. Radarmessgerät (1000) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Radarelemente (501 , 502, 701 , 702, 703) jeweils eine Länge und eine Breite aufweisen; wobei die Länge der Radarelemente kleiner oder gleich der Länge des durch die Sende- und Empfangsantennen erzeugten virtuellen Arrays ist und eine Länge aufweist, welche m-fachen Abstand der virtuellen Antennenpositionen zueinander, m * dm, entspricht.
9. Radarmessgerät (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Radarelemente (501 , 502, 701 , 702, 703) in einem 2-dimensionalen
Array angeordnet sind.
10. Radarmessgerät (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (201) eine quadratische Form aufweist.
11. Radarmessgerät (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Sendeantenne (510, 710) und die zumindest eine Empfangsantenne (520, 720) Teil eines Chips oder Packages des entsprechenden Radarelements (501 , 502, 701 , 702, 703) sind.
12. Radarmessgerät (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Radarmessgerät ein Füllstandradarmessgerät ist, das eingerichtet ist zur Bestimmung des Füllstands und/oder der Topologie in einem Behälter und/oder einer Halde.
13. Radarmessgerät (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Radarmessgerät ein Distanz- oder Grenzstandradarmessgerät ist, das eingerichtet ist zur Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld.
14. Verwendung eines Radarmessgeräts (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Füllstandmessung oder Grenzstandmessung.
15. Verwendung eines Radarmessgeräts (1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Bereichsüberwachung.
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US9733340B2 (en) * 2014-11-21 2017-08-15 Texas Instruments Incorporated Techniques for high arrival angle resolution using multiple nano-radars
EP3255392B1 (de) 2016-06-07 2020-04-22 VEGA Grieshaber KG Füllstandradar zur sendeseitigen strahlformung mittels paralleler phasenregelschleifen
EP3467448B1 (de) * 2017-10-06 2019-09-18 VEGA Grieshaber KG Radarfüllstandmessgerät mit radarchips auf verschiedenen ebenen einer platine
EP3696909B1 (de) * 2019-02-15 2023-12-20 IMEC vzw Mehrchip-system für eine antennenanordnung
DE102019202144A1 (de) * 2019-02-18 2020-08-20 Vega Grieshaber Kg Radarsensor für die Fabrik- und Logistikautomation
CN110940957B (zh) * 2019-10-28 2022-03-22 惠州市德赛西威汽车电子股份有限公司 一种模块化毫米波雷达

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