WO2004061475A1 - Winkelauflösendes antennensystem - Google Patents

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    • G01S2013/93271—Sensor installation details in the front of the vehicles

Definitions

  • FIG. 1 shows a radar sensor, each with a transmitting and a receiving antenna column
  • Figure 2 shows an antenna characteristic in the azimuth direction for transmission
  • Figure 4 shows a target situation with antenna characteristics of three radar sensors without
  • FIG. 5 shows the target situation corresponding to FIG. 4 with two radar sensors with switching of the antenna characteristics
  • FIG. 7 shows a radar sensor with alignment of the antenna characteristics with a narrower one
  • Figure 8 shows the antenna characteristics of two arrays of patch antennas
  • Figure 9 shows the formation of a patch antenna array and the signal evaluation.
  • FIG. 1 shows a known antenna arrangement, each with a column 1 of four patch exciters for transmitting and a column 2 of four patch exciters for receiving, which is separate therefrom.
  • a single patch exciter has an opening angle of approx. 90 °.
  • the vertical antenna opening angle (elevation) decreases with the number of antenna elements.
  • a vertical opening angle of 30 ° is achieved with the four patch exciters according to FIG. In the horizontal direction (azimuth) nothing changes compared to a single exciter, ie the opening angle is 90 °.
  • Antenna characteristics are shown in Figure 2.
  • the antenna characteristics for sending and receiving in azimuth are practically the same.
  • beamforming can also be carried out in azimuth.
  • the antenna diagram can be swiveled if the individual columns are also controlled separately with signals that can be shifted in phase.
  • phase shifters 3 with different delay times can be provided per column (FIG. 9, the output signals of which are processed together in the evaluation unit 4 in order to differentiate the angular offset from the received signals of the two radar sensors
  • Switching off or switching on antenna columns can also be varied in the antenna diagram or the antenna characteristic.
  • FIG. 9 shows two switchable columns, each with four patch exciters.
  • FIG. 4 shows the ACC stop-and-go situation with three radar sensors without antenna switching. At least three radar sensors 5, 6 and 7 are required in order to be able to react clearly to two targets with triangulation.
  • Lobes ie the antenna characteristics with a narrow beam opening width, are off the sensor axis, ie the central plumb of the two radar sensors, is pivoted towards the center of the vehicle. This increases the range directly in front of the vehicle.
  • the antenna columns are switched on or off depending on the application.
  • the radar sensors can continue to be the same when additional columns are switched off
  • FIG. 6 shows the case with the lobes turned outwards with respect to the narrow beam opening widths.
  • This arrangement enables precise detection at the boundaries of the travel tube in the forward as well as in the reverse direction. It is of course also possible to align the narrow antenna lobes in the direction of the sensor axis (FIG. 7).
  • the same advantage as described above is achieved by clever selection processes.
  • two targets can be clearly assigned (Figure 8).
  • the increased antenna gain of the antenna increases the range of the radar sensor.
  • switching the antenna characteristics (lobes) enables the radar sensor to be used optimally at close range and in the distance. The antenna characteristics remain constant so that the transmission power does not have to be switched. This might be necessary for approval reasons.
  • the receiving antenna consists of an array of individual patches.
  • the control of the antenna columns provides information about the mode of operation. Either the signal phases are switched and there is a swiveling antenna lobe, or the columns are switched on and there is a significant change in
  • the antenna system according to the invention is advantageously suitable for angular resolution in pulse radar applications in motor vehicle technology, but can also be used advantageously for other applications.

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Abstract

Für ein winkelauflösendes Antennensystem sind nur zwei Radarsensoren (8, 9) vorgesehen mit getrennten Sende- und Empfangsantennen. Die Empfangsantennen (1, 21, 22) der beiden Radarsensoren (8, 9) sind umschaltbar sowohl hinsichtlich ihrer Hauptstrahlrichtung als auch ihrer Strahlöffnungsbreite.

Description

Winkelauflösendes Antennensystem
Stand der Technik
Zur Bestimmung der Geschwindigkeit und Entfernung von Objekten im Straßenverkehr ist es üblich, Puls-Radar-Systeme zu verwenden (WO 99/42856).
Aus der DE 44 12 770 AI ist es bekannt, für ein Kraftfahrzeug-Abstandswarnradar sich überlappende Antennenkeulen zu erzeugen, wobei die Strahlungskeulen auch geschwenkt werden können. Als Sende- und Empfangsantenne wird dort entweder ein Erregersystem benutzt, oder es ist eine separate Sende- und Empfangsantenne vorgesehen.
Aus der WO 02/15334 ist ein Mehrstrahl-Antennenarray bekannt mit einem Strahlformnetzwerk und einem Strahlkombinationsnetzwerk. Es sind dort Maßnahmen getroffen, dass Sende- und Empfangskeulen genau in die gleiche Richtung weisen.
Vorteile der Erfindung
Mit den Maßnahmen gemäß Anspruch 1, d. h. durch zwei Radarsensoren für die Bestimmung der Entfernung und Winkelablage mit jeweils einer separaten Sende- und Empfangsantenne, umschaltbaren Empfangsantennen für die zwei Radarsensoren sowohl hinsichtlich ihrer Hauptstrahlrichtung als auch ihrer Strahlöffnungsbreite und einer Auswerteeinrichtung zur Gewinnung der Winkelablage aus den Empfangssignalen der beiden Radarsensoren in unterschiedlichen Schaltzuständen ihrer Empfangsantennen, können insbesondere für die Feststellung der Winkelablage Radarsensoren eingespart werden. Zwei unterschiedliche Empfangsantennencharakteristiken lassen eine Aussage über die Winkelablage eines Ziels zu. Neben der Auswertung der Winkelablage mit nur zwei Radarsensoren ergibt sich eine Erhöhung der Reichweite. Die Umschaltung bzw. freie Wahl der Antennencharakteristiken bezüglich ihrer Hauptstrahlrichtung und Strahlöffnungsbreite ergibt eine hohe Flexibilität für unterschiedliche Anwendungen, z. B. ACC, TWD, PP, im Nah- und Fernbereich. Bei abgeschalteten zusätzlichen Antennenerregerspalten kann das Antennensystem seine herkömmliche Performance liefern.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen aufgezeigt.
Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Radarsensor mit jeweils einer Sende- und einer Empfangsantennenspalte,
Figur 2 eine Antennencharakteristik in Azimuth-Richtung für Sende- und
Empfangsantenne,
Figur 3 verschiedene Zielszenarien mit umschaltbarer Antennencharakteristik einer
Empfangsantenne, Figur 4 eine Zielsituation mit Antennencharakteristiken von drei Radarsensoren ohne
Umschaltung der Antennencharakteristiken,
Figur 5 die Figur 4 entsprechende Zielsituation mit zwei Radarsensoren mit Umschaltung der Antennencharakteristiken,
Figur 6 Antennencharakteristiken mit zwei umschaltbaren Radarsensoren und nach außen weisenden Antennencharakteristiken bezüglich der Empfangsantenne mit schmaler
Strahlöffnungsbreite,
Figur 7 einen Radarsensor mit Ausrichtung der Antennencharakteristiken mit schmaler
Schmalöffnungsbreite in Richtung der Sensorachse,
Figur 8 die Antennencharakteristiken zweier Arrays von Patch-Antennen, Figur 9 die Ausbildung eines Patch- Antennen-Arrays und die Signalauswertung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Figur 1 zeigt eine bekannte Antennenanordnung mit jeweils einer Spalte 1 von vier Patch-Erregern zum Senden und eine davon getrennte Spalte 2 von vier Patch-Erregern zum Empfangen. Ein einzelner Patch-Erreger hat einen Öffnungswinkel von ca. 90°. Werden wie hier mehrere, z. B. vier Patche in einer Spalte angeordnet, verringert sich der vertikale Antennenöffnungswinkel (Elevation) mit der Anzahl der Antennenelemente. Mit den vier Patch-Erregern nach Figur 1 wird ein vertikaler Öffnungswinkel von 30° erreicht. In der horizontalen Richtung (Azimuth) ändert sich nichts gegenüber einem Einzelerreger, d. h. der Öffhungswinkel beträgt 90°. Die zu Figur 1 gehörigen
Antennencharakteristiken sind in Figur 2 dargestellt. Die Antennencharakteristiken für Senden und Empfangen in Azimuth sind praktisch gleich.
Werden nun ein oder mehrere Spalten zu einem Empfangsantennenarray zusammengefasst, so lassen sich auch in Azimuth Strahlformungen durchführen. Das
Antennendiagramm lässt sich schwenken, wenn zusätzlich die einzelnen Spalten separat mit in der Phase verschiebbaren Signalen angesteuert werden. Dazu können pro Spalte Phasenschieber 3 mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten vorgesehen sein (Figur 9, deren Ausgangssignale in der Auswerteeinheit 4 gemeinsam verarbeitet werden, um die Winkelablage aus den Empfangssignalen der beiden Radarsensoren in unterschiedlichen
Schaltzuständen zu ermitteln). Beim Antennendiagramm bzw. der Antennencharakteristik kann ebenfalls das Abschalten oder Zuschalten von Antennenspalten variiert werden. In Figur 9 sind zwei zuschaltbare Spalten mit je vier Patch-Erregern dargestellt.
Durch Umschalten der Empfangsantennencharakteristiken können Radarsensoren eingespart werden. Zwei unterschiedliche Empfangsantennencharakteristiken lassen eine Aussage über die Winkelablage eines Ziels zu. Verschiedene Zielszenarien sind in Figur 3 dargestellt. Man erhält also zusätzlich zur Entfernungsinformation die Winkelablage. Die umschaltbaren Antennendiagramme der Empfangsantennen zur Trennung der beiden Ziele sind in Figur 3 dargestellt.
In Figur 4 ist die Situation ACC-Stop-and-Go mit drei Radarsensoren ohne Antennenumschaltung dargestellt. Es werden mindestens drei Radarsensoren 5, 6 und 7 benötigt, um mit Triangulation eindeutig auf zwei Ziele reagieren zu können.
In Figur 5 für die gleiche Situation erfindungsgemäß mit zwei Radarsensoren 8 und 9 bewältigt, und zwar durch Ausbilden der Empfangsantennen der Radarsensoren 8 und 9 als umschaltbar sowie hinsichtlich ihrer Hauptstrahlrichtung und ihrer Strahlöffhungsbreite, insbesondere durch Zu- bzw. Abschalten von Antennenspalten 2, 21 , 22 (Figur 9) und der entsprechenden Phasenansteuerung. Die beiden schmalen
Keulen, d. h. die Antennencharakteristiken mit schmaler Strahlöffnungsbreite, sind aus der Sensor-Achse, d. h. dem Mittellot der beiden Radarsensoren, in Richtung Fahrzeugmitte geschwenkt. Dadurch wird eine Erhöhung der Reichweite direkt vor dem Fahrzeug erreicht.
Folgende Vorteile der Anordnung in Figur 5 gegenüber der Anordnung in Figur 4 sind gegeben:
Grobe Winkelauflösung eines einzelnen Sensors, Einsparung von Radarsensoren, - Erhöhung der Reichweite,
Umschaltung bzw. freie Wahl der Antennencharakteristik ergibt höhere Flexibilität (ACC, TWD, PP).
Die Antennenspalten werden je nach Anwendung zu- oder abgeschaltet. Die Radarsensoren können bei abgeschalteten zusätzlichen Spalten weiterhin die gleiche
Performance liefern, wie in Figur 2 zu sehen ist. Dort ist eine Abwandlung des bekannten Amplituden-Monopolverfahrens dargestellt mit nicht geschwenkten Antennenkeulen.
In Figur 6 ist der Fall mit nach außen gedrehten Keulen bezüglich der schmalen Strahlöffnungsbreiten dargestellt. Diese Anordnung ermöglicht eine genaue Detektion an den Grenzen des Fahrschlauchs in Vorwärts- wie auch in Rückwärtsrichtung. Es ist natürlich auch möglich, die schmalen Antennenkeulen in Richtung der Sensorachse auszurichten (Figur 7). Durch geschickte Auswahlverfahren wird der gleiche Vorteil, wie oben beschrieben, erzielt. In Verbund mit dem zweiten Radarsensor lassen sich zwei Ziele eindeutig zuordnen (Figur 8). Der vergrößerte Antennengewinn der Antenne erhöht die Reichweite des Radarsensors. Zusätzlich ermöglicht das Umschalten der Antennencharakteristiken (Keulen) einen optimalen Einsatz des Radarsensors im Nahbereich und in der Ferne. Die Antennencharakteristik bleibt konstant, damit die Sendeleistung nicht umgeschaltet werden muss. Dies wäre eventuell aus Zulassungsgründen nötig.
Wie Figur 9 zeigt, besteht die Empfangsantenne aus einem Array von einzelnen Patches. Die Ansteuerung der Antennenspalten gibt Auskunft über die Arbeitsweise. Entweder die Signalphasen werden umgeschaltet und es liegt eine schwenkbare Antennenkeule vor, oder die Spalten werden zugeschaltet und es liegt eine deutliche Änderung des
Öffnungswinkels der Empfangsantenne vor. Das Antennensystem nach der Erfindung eignet sich vorteilhaft für die Winkelauflösung bei Puls-Radar-Anwendungen der Kraftfahrzeugtechnik, kann aber auch für andere Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Winkelauflösendes Antennensystem für Puls-Radar- Anwendungen, insbesondere in der Kraftfahrzeug-Technik mit folgenden Merkmalen:
Es sind zwei Radarsensoren (8, 9) für die Bestimmung der
Entfernungsinformation und der Winkelablage vorgesehen mit jeweils einer separaten Sendeantenne und einer Empfangsantenne; die Empfangsantennen (2, 21, 22) der zwei Radarsensoren (8, 9) sind umschaltbar sowohl hinsichtlich ihrer Hauptstrahlrichtung als auch ihrer Strahlöffhungsbreite ausgebildet; es ist eine Auswerteeinrichtung (4) vorgesehen zur Gewinnung der Winkelablage aus den Empfangssignalen der beiden Radarsensoren (8,9) in unterschiedlichen Schaltzuständen.
2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umschaltung der Strahlöffnungsbreite mindestens eine zu- und abschaltbare Spalte (21, 22) von Antennenerregern vorgesehen ist.
3. Antennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umschaltung der Hauptstrahlrichtung eine Phasensteuerung unter mindestens zwei
Spalten von Antennenerregern vorgesehen ist.
4. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spalten von Empfangsantennenerregern zu einem Antennenarray zusammengefasst sind, um Strahlformungen in Azimuth-Richtung zu erzielen.
5. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Empfangsantennen unterschiedlicher Radarsensoren mit schmaler Strahlöffhungsbreite bezüglich ihrer Hauptstrahlrichtung vom Mittellot der Radarsensoren weg nach außen gerichtet sind, um insbesondere eine genaue Detektion an den Grenzen eines Fahrschlauches in Vorwärts- und/oder
Rückwärtsrichtung zu erreichen.
6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsantennen unterschiedlicher Radarsensoren (8, 9) mit schmaler Strahlöffhungsbreite bezüglich ihrer Hauptstrahlrichtung zum Mittellot der
Radarsensoren (8, 9) geneigt sind, um insbesondere eine erhöhte Reichweite in Fahrtrichtung zu erreichen.
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