WO2007017352A1 - Radarsensor in kompaktbauweise - Google Patents

Radarsensor in kompaktbauweise Download PDF

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WO2007017352A1
WO2007017352A1 PCT/EP2006/064380 EP2006064380W WO2007017352A1 WO 2007017352 A1 WO2007017352 A1 WO 2007017352A1 EP 2006064380 W EP2006064380 W EP 2006064380W WO 2007017352 A1 WO2007017352 A1 WO 2007017352A1
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radar
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Thomas Walter
Herbert Olbrich
Dirk Steinbuch
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • G01S7/032—Constructional details for solid-state radar subsystems
    • 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
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/931—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G01S2013/9314—Parking operations

Definitions

  • the invention relates to a radar sensor in compact design. From DE 10300955 Al a radar transceiver for microwaves is known. Active circuit components are arranged there on the top of a substrate. In the substrate itself, passive components are integrated in a multilayer structure.
  • the prior application DE 102004059332.9 also shows a radar transceiver, in which an oscillator, a mixer and an antenna are arranged on a single chip in a plane next to one another.
  • ultrasound-based systems are commonly used. Despite increasing the range, the ultrasonic sensor is reaching its physical limits. A range over 4 m is hardly achievable with reasonable effort. Furthermore, no Doppler evaluation is possible by means of ultrasound, d. H. direct velocity determination does not work. The determination of the storage angle of an object is currently accomplished by cross-echo evaluation, d. H. there are always two or more sensors involved in the determination of angular information. The maximal
  • the radar sensor consisting of an RF substrate, a transmitting array and at least one receiving array, the transmitting and receiving array, including their supply leads, being integrated on a first side of the HF substrate,
  • High-frequency assemblies on a second side of the RF substrate in particular consisting of a microwave oscillator, a transmit and receive switch and at least one receiver-side mixer for down mixing the at least one radar receive signal, high-frequency coupling devices in the RF substrate for high-frequency coupling of supply leads of transmitting and
  • Receiving array with high frequency assemblies on the second side of the RF substrate it is possible to replace an ultrasonic sensor, without having to provide a larger space available. Compared to an ultrasonic sensor, the range can be increased by a factor of 5. With the additional measures of the subclaims a direct speed evaluation by means of Doppler effect is possible. Likewise, an angle information can be obtained by a single sensor without cross-echo evaluation by means of two sensors.
  • the outer dimensions and the aperture can be matched to a previous ultrasonic sensor, so that no redesigns at the installation are necessary and the radar sensor can be introduced into the holder of an ultrasonic sensor.
  • the radar sensor according to the invention is immune to
  • the measurement accuracy and the selectivity of an ultrasonic sensor can be achieved by utilizing the available bandwidth of 4 GHz in the UWB (Ultra Wide Band) band at 79 GHz with the radar sensor according to the invention. Due to the increased range can be new
  • Figure 1 is a plan view of the front of the radar sensor
  • Figure 2 is a plan view of the back of the radar sensor
  • Figure 3 is a block diagram for the signal processing and - processing of the radar sensor.
  • the radar sensor according to FIG. 1 of the invention consists of a low-loss HF substrate 1 with a round aperture.
  • a transmitting array consisting of four patch elements 2 and at least one receiving array - in this
  • Embodiment two receiving arrays are shown - applied with four patch elements 3.
  • the patch arrays allow bundling in the elevation, z. B to hide road clutter.
  • the feeding ports of the three arrays are using
  • High frequency coupling means 5 in the embodiment shown, this slot couplings, guided on the back of the RF substrate.
  • the signal processing for the transmission mode and the signal evaluation for the reception operation of the radar sensor On the back of the RF substrate, the signal processing for the transmission mode and the signal evaluation for the reception operation of the radar sensor.
  • a microwave oscillator 6 in the form of a VCO-MMIC oscillator is preferably provided in SiGe (silicon-germanium) technology. Stabilization by means of reference
  • a fast transmit and receive switch 7, 8 preferably implemented MMIC switch in SiGe supplied, which generates a spectrum of 4 GHz bandwidth by generating extremely short pulses in the range 250ps.
  • the transmit pulse is emitted via the transmit antenna 9 (patches 2), the receive pulses from the receive arrays 20 and 21 are respectively provided to the two receive mixers 11 and 12, which are also constructed in MMIC technology as a reference.
  • the control of the RF board (RF substrate 1) and evaluation of the signals is done on a downstream NF board, which is connected by means of flex cable to the RF board.
  • the NF board essentially contains three modules: the power supply 13 and the interface to the control unit of the motor vehicle ASIC, the control of the front of the radar sensor in the form of a delay line 14 ASIC and the processor 15 with DSP (digital signal processing) for signal processing.
  • the delay line 14 is set so that in a range cell to be observed in each case at both inputs of the mixer 11 and 12 RF signals applied.
  • the outputs of mixers 10 and 11 then provide IF output signals, which are further processed for distance and velocity determination (Doppler). About the correlation of the radar signals of both mixers 10 and 11 can be done with known high-resolution method, the angle determination.

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Abstract

Bei einem Radarsensor in Kompaktbauweise sind Sende- und Empfangsarray (2, 3) mit samt ihrer Speisezuleitungen (4) aus der Frontseite eines HF-Substrats aufgebracht. Aktive Hochfrequenzbaugruppen (6, 7, 8, 10, 11) sind auf der Rückseite des HF-Substrats (1) angeordnet. Die Verkopplung der Speisezuleitungen (4) mit den Hochfrequenzbaugruppen auf der Rückseite erfolgt durch Hochfrequenzkopplungseinrichtungen (5).

Description

Radarsensor in Kompaktbauweise
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Radarsensor in Kompaktbauweise. Aus der DE 10300955 Al ist ein Radar-Transceiver für Mikrowellen bekannt. Aktive Schaltungskomponenten sind dort auf der Oberseite eines Substrates angeordnet. Im Substrat selbst sind passive Komponenten in einem Vielschichtaufbau integriert.
Die ältere Anmeldung DE 102004059332.9 zeigt ebenfalls einen Radar-Transceiver, bei dem ein Oszillator, ein Mischer und eine Antenne auf einem einzigen Chip in einer Ebene nebeneinander liegend angeordnet sind.
Für Abstandssensoren als eine Einparkhilfe werden üblicherweise ultraschallbasierte Systeme verwendet. Trotz immer weiterer Erhöhung der Reichweite kommt der Ultraschallsensor an seine physikalischen Grenzen. Eine Reichweite über 4 m ist mit vertretbarem Aufwand kaum noch zu erreichen. Weiterhin ist mittels Ultraschall keine Dopplerauswertung möglich, d. h. eine direkte Geschwindigkeitsbestimmung funktioniert nicht. Die Bestimmung des Ablagewinkels eines Objekts wird momentan durch Kreuzechoauswertung bewerkstelligt, d. h. es sind immer zwei oder mehrere Sensoren an der Bestimmung einer Winkelinformation beteiligt. Die maximale
Fahrzeuggeschwindigkeit ist sehr limitiert, da auftretende Windgeräusche eine Auswertung nicht mehr erlauben. Der Ultraschallsensor muss immer in direktem Kontakt zum Medium Luft eingebaut werden, d. h. er ist immer an der Stoßstange sichtbar. Vorteile der Erfindung
Mit dem Radarsensor gemäß Anspruch 1, bestehend aus einem HF-Substrat, einem Sendearray und mindestens einem Empfangsarray, wobei Sende- und Empfangsarray inklusive ihrer Speisezuleitungen auf einer ersten Seite des HF-Substrats integriert sind,
Hochfrequenzbaugruppen auf einer zweiten Seite des HF-Substrats, insbesondere bestehend aus einem Mikrowellenoszillator, einem Sende- und Empfangschalter sowie mindestens einem empfangsseitigen Mischer zur Herabmischung des mindestens einen Radar-Empfangssignals, Hochfrequenzkopplungseinrichtungen im HF-Substrat zur hochfrequenzmäßigen Verkopplung der Speisezuleitungen von Sende- und
Empfangsarray mit Hochfrequenzbaugruppen auf der zweiten Seite des HF-Substrats, ist es möglich, einen Ultraschallsensor zu ersetzen, ohne einen größeren Bauraum zur Verfügung stellen zu müssen. Gegenüber einem Ultraschallsensor lässt sich die Reichweite um den Faktor 5 erhöhen. Mit den zusätzlichen Maßnahmen der Unteransprüche ist eine direkte Geschwindigkeitsauswertung mittels Dopplereffekt möglich. Ebenso kann eine Winkelinformation durch einen einzigen Sensor ohne Kreuzechoauswertung mittels zweier Sensoren gewonnen werden.
Die erfindungsgemäße Realisierung liefert einen noch kompakteren Aufbau als sie Lösung gemäß der DE 102004059332.9.
Durch den kompakten Aufbau können die Außenabmessungen und die Apertur auf einen bisherigen Ultraschallsensor abgestimmt werden, sodass keine Umkonstruktionen am Einbauort notwendig sind und der Radarsensor in die Halterung eines Ultraschallsensors eingebracht werden kann. Der Radarsensor nach der Erfindung ist immun gegen
Windgeräusche, daher ist er auch einsetzbar für höhere Geschwindigkeiten. Es ist eine unsichtbare Montage hinter der Stoßstange möglich. Die Messgenauigkeit und die Trennschärfe eines Ultraschallsensors lässt sich durch Ausnutzung der verfügbaren Bandbreite von 4 GHz im UWB (Ultra wide band)- Band bei 79 GHz mit dem erfindungsgemäßen Radarsensor erreichen. Durch die erhöhte Reichweite können neue
Funktionalitäten der Fahrerunterstützung, z. B. neue Park-Funktionalitäten, erreicht werden. Ebensolche neuen Funktionalitäten ermöglichen Geschwindigkeitsinformationen und die höhere Einsatzgeschwindigkeit, z. B. für PSS-Anwendungen im Bereich Fußgängerschutz oder Unterstützung des LRR (long ränge radar) für den Stop-and-go- Betrieb. Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine Aufsicht auf die Frontseite des Radarsensors, Figur 2 eine Aufsicht auf die Rückseite des Radarsensors, Figur 3 ein Blockschaltbild für die Signalaufbereitung und - Verarbeitung des Radarsensors.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Der Radarsensor nach Figur 1 der Erfindung besteht aus einem verlustarmen HF- Substrats 1 mit runder Apertur. Auf der Frontseite des HF-Substrats ist ein Sendearray, bestehend aus vier Patchelementen 2 und mindestens ein Empfangsarray - in diesem
Ausführungsbeispiel sind zwei Empfangsarrays dargestellt - mit jeweils vier Patchelementen 3 aufgebracht. Die Signalzuführung zu den Arrays erfolgt über Speisezuleitungen 4, die ebenfalls auf das HF-Substrat, z. B. als Streifenleiter, aufgebracht sind. Die Patch- Arrays ermöglichen eine Bündelung in der Elevation, z. B zur Ausblendung von Strassenclutter. Die Speiseports der drei Arrays werden mittels
Hochfrequenzkopplungseinrichtungen 5, im gezeigten Ausführungsbeispiel sind dies Schlitzkopplungen, auf die Rückseite des HF-Substrats geführt. Auf der Rückseite des HF-Substrats erfolgt die Signalaufbereitung für den Sendebetrieb und die Signalauswertung für den Empfangsbetrieb des Radarsensors.
Für die Radararchitektur kann bis auf die doppelte Ausführung der Empfangskanäle das Konzept eines SRR (short ränge radar) beispielsweise gemäß WO 2004/051305 A2 oder EP 1245964 Bl verwendet werden. Gemäß den Figuren 2 und 3 ist ein Mikrowellenoszillator 6 in Form eines VCO-MMIC-Oszillators vorzugsweise in SiGe (Silizium-Germanium) Technologie vorgesehen. Eine Stabilisierung mittels Referenz-
Oszillator und PLL ist nicht erforderlich, da die Anforderungen nach Phasenrauschen aufgrund des Erfassungsbereichs nicht so hoch sind. Ein derartiger SiGe VCO beansprucht eine Fläche von lediglich von 1 - 2 mm2. Über einen typischerweise symmetrischen Ausgangs des Oszillator-MMICs werden die Signale für Sende- und die Empfangspfade parallel bereitgestellt. Zur Erzeugung der Bandbreite werden nun Sende- - A -
wie auch Empfangssignal einem schnellen Sende- und Empfangsschalter 7, 8 vorzugsweise MMIC-Schalter in SiGe realisiert, zugeführt, der mittels Erzeugung extrem kurzer Pulse im Bereich 250ps ein Spektrum von 4 GHz Bandbreite erzeugt. Der Sendepuls wird über die Sendeantenne 9 (Patches 2) abgestrahlt, die Empfangspulse von den Empfangsarrays 20 und 21 werden jeweils den beiden Empfangsmischern 11 und 12, die ebenfalls in MMIC-Technologie aufgebaut sind als Referenz zur Verfügung gestellt. Durch zeitliche Variation des Schaltzeitpunkts der Empfangsschalter 7 bezogen auf den des Sendeschalters 8 ist es möglich, in den Empfangsmischern 10 und 11 selektiv zu empfangen und somit einen Entfernungsscan durchzuführen.
Die Ansteuerung der HF-Platine (HF-Substrat 1) und Auswertung der Signale geschieht auf einer nachgelagerten NF-Platine, die mittels Flexkabel an die HF-Platine angeschlossen ist. Die NF-Platine enthält im Wesentlichen drei Baugruppen: die Spannungsversorgung 13 und das Interface zum Steuergerät des Kraftfahrzeugs als ASIC, die Ansteuerung der Frontseite des Radarsensors in Form einer Verzögerungsleitung 14 als ASIC und den Prozessor 15 mit DSP (digital signal processing) zur Signalverarbeitung. Die Verzögerungsleitung 14 wird so eingestellt, dass in einer zu beobachtenden Entfernungszelle jeweils an beiden Eingängen der Mischer 11 und 12 HF- Signale anliegen. Die Ausgänge der Mischer 10 und 11 liefern dann ZF-Ausgangssignale, die zur Entfernung- und Geschwindigkeitsbestimmung (Doppler) weiter verarbeitet werden. Über die Korrelation der Radarsignale beider Mischer 10 und 11 kann mit bekannten hochauflösenden Verfahren die Winkelbestimmung erfolgen.

Claims

Radarsensor in KompaktbauweisePatentansprüche
1. Radarsensor in Kompaktbausweise, bestehend aus
- einem HF-Substrat (1) einem Sendearray (2) und mindestens einem Empfangsarray (3), wobei Sende- und Empfangsarray inkl. ihrer Speisezuleitungen (4) auf einer ersten Seite des HF-Substrats integriert sind,
Hochfrequenzbaugruppen auf einer zweiten Seite des HF-Substrats (1), insbesondere bestehend aus einem Mikrowellen-Oszillator (6), einem Sende- und Empfangsschalter (7, 8) sowie mindestens einem empfangsseitigen Mischer (10, 11) zur Herabmischung des mindestens einen Radarempfangssignals,
Hochfrequenzkopplungseinrichtungen (5) im HF-Substrat zur hochfrequenzmäßigen Verkopplung der Speisezuleitungen (4) von Sende- und Empfangsarray (2, 3) mit Hochfrequenzbaugruppen (6, 7, 8, 10, 11) auf der zweiten Seite des HF-Substrats (1).
2. Radarsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung (5) aus Schlitzkopplungen im HF-Substrat (1) bestehen.
3. Radarsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellenoszillator (6), Sende- und Empfangsschalter (7, 8) sowie empfangsseitige/r Mischer (10, 11) jeweils als MMIC-Baugruppen ausgebildet sind.
4. Radarsensor nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Sende- und Empfangsschalter (7, 8) und zur Auswertung der herabgemischten Radarempfangssignale ein separater Baugruppenträger vorgesehen ist, der ASIC-Baugruppen sowie einem Prozessor (15) mit digitaler Signalverarbeitung trägt.
5. Radarsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Baugruppenträger dem HF-Substrat (1) nachgelagert ist und mit diesem insbesondere über ein Flexkabel elektrisch verbunden ist.
6. Radarsensor nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass das HF- Substrat (1) die Außenabmessungen eines üblichen Ultraschallsensors aufweist, damit der Radarsensor gegen einen solchen Ultraschallsensor austauschbar ist.
7. Radarsensor nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Sendearray vier Patchelemente (2) vorgesehen sind und für das Empfangsarray zwei Züge mit jeweils vier Patchelementen (3).
8. Radarsensor nach einem der Ansprüche 1 - 7 zur Verwendung als Einparksensor anstelle eines herkömmlichen Ultraschallsensors.
9. Radarsensor nach einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ausgebildet ist zur Geschwindigkeitsauswertung mittels Dopplereffekt und/ oder zur
Winkelbestimmung über die Auswertung der Radarempfangssignale zweier Empfangsarrays (3)
10. Radarsensor nach einem der Ansprüche 1 - 9, gekennzeichnet durch den Betrieb bei 79 GHz mit einer Bandbreite von etwa 4 GHz.
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