WO2008028739A1 - Antenna arrangement with parasitically coupled antenna elements - Google Patents
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- WO2008028739A1 WO2008028739A1 PCT/EP2007/058228 EP2007058228W WO2008028739A1 WO 2008028739 A1 WO2008028739 A1 WO 2008028739A1 EP 2007058228 W EP2007058228 W EP 2007058228W WO 2008028739 A1 WO2008028739 A1 WO 2008028739A1
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- H01Q19/005—Patch antenna using one or more coplanar parasitic elements
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- H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
- H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
- H01Q21/065—Patch antenna array
Definitions
- the invention is based on an antenna arrangement with at least one primary radiator.
- Detection systems in use, which operate primarily in the frequency range 76 to 77 GHz. These are still used in the upper class segment for the realization of the assistance function "adaptive cruise control” (ACC) in the speed range 50 to 180 km / h.
- ACC adaptive cruise control
- 77GHz first and second generation radar sensors operate with lens antennas. Via several feed antennas, which are located in the focal plane of the lens, a plurality of partially overlapping beam lobes are formed (analog
- Beam shaping This principle is illustrated in FIG. 1.
- the azimuthal angular position of the target object is determined on the basis of the signal amplitudes and / or phases in the individual beam lobes.
- Characteristic of lens antennas are the relatively large depth of a few centimeters, which results from the required distance of the feed antennas (in the focal plane) of the lens.
- a radar system can also be realized in a planar structure with planar antennas, so that the depth is significantly reduced.
- 77 GHz frontend with digital beamforming and based on planar radiators (patch antennas) are known from [2].
- the publications [1, 4, 5, 6, 7] also describe such systems.
- Planar antennas in automotive radar sensors are commonly constructed as array antennas [1, 4, 5, 6, 7]. In elevation, series-fed antenna columns are used, with which beam shaping is performed in azimuth. The basic structure of such an antenna is sketched in FIG.
- Affect radiation of the antenna arrangement so that a broadening of the beam lobe can be achieved.
- antenna elements both individual radiators, as well as groups of individual radiators can be used. This leads to the following advantages:
- the characteristic of the antenna is widened compared to the single radiator, there is no additional space for a power divider needed only very small losses occur.
- Widening of the antenna characteristic can be achieved by the losses of the gain in the edge region but is typically not significantly greater than for the single element) the avoidance of ohmic losses (and radiation losses) in a power divider is particularly favorable at high frequencies, eg. In the
- FIG. 1 shows the formation of a plurality of beam lobes by a plurality of feeds in a lens antenna
- Figure 2 shows the basic structure of a typical array antenna for automotive radar
- Figure 3 a to d the basic arrangement of parasitic antenna elements with a. a primary radiator b. a more parasitic antenna element in elevation, c. a parasitic antenna element on each side of the primary radiator in azimuth, d. a parasitic antenna element in elevation and two parasitic antenna elements symmetrical in azimuth, wherein the distance of the outer elements is about twice as large as that of the inner elements,
- Figure 4a shows the basic structure of an antenna column with series feed
- Figure 4b shows the basic structure of an antenna column with parallel feed
- Figure 5a b is a primary radiator and parasitic antenna elements as columns with series feed
- Figure 5a conclusions of the parasitic columns with end elements and in FIG. 7 shows a plan view of an antenna arrangement with slot-coupled patches, FIG perpendicular to the antenna elements
- FIG. 9 Measurement results of the antenna gain over the azimuth.
- planar antennas usually planar RF lines, such as
- Microstrip, coplanar, slot lines, etc. used.
- the following modifications can occur: a metallization of the underside of the substrate, multilayer substrates, wherein metallic layers can also occur - dielectric layers that cover the metallic interconnects. - A -
- AIs substrate serve special microwave substrates, eg. As plastic, which may be reinforced with glass fibers or mixed with fillers, ceramics, glass, etc.
- planar antennas for example, patch, stub,
- the most important configurations of the feed are the series feed [3] and the parallel, usually in-phase feed ("corporate feed”) .
- the power distribution network is located either on the same metal level as the antenna elements or on the substrate side opposite the antenna elements
- the substrate may have an internal, locally interrupted metallization, or it may be composed of a plurality of dielectric layers, and the power distribution and supply may be effected on an inner substrate layer.
- the main lobe of the radar antenna of an automotive radar sensor is designed in azimuth so that the transmission signal is irradiated for the application sufficient angular range.
- an angle range of ⁇ 4 ° to ⁇ 8 ° is generally sufficient to irradiate multiple lanes of the road, especially the highway, even at typical curve radii.
- the same beam lobes are used for transmission as for the reception (monostatic system), with all beam lobes being emitted simultaneously, so that the resulting beam characteristic corresponds to the sum of the beam lobes, taking into account the phases of the individual beam lobes.
- the radar sensor according to [2] uses a separate transmitting antenna (bistatic system).
- the azimuthal angular range covered by the sensor is ⁇ 10 °.
- SRR short-range radar sensor technology
- [1] is called an order of + 60 °.
- an antenna column is usually used, consisting of individual elements 1, 3 arranged one above the other in elevation, as transmission antenna Tx a single antenna column of patch elements is sketched.
- a 3dB width of the beam lobe in azimuth in the order of ⁇ 60 ° is not feasible, depending on the direction of polarization are the 3dB widths of the beam lobe simple patch elements at about ⁇ 52 ° (E-plane) and about ⁇ 41 ° (H-plane).
- E-plane E-plane
- H-plane the beam lobe simple patch elements at about ⁇ 52 ° (E-plane) and about ⁇ 41 ° (H-plane).
- the latter value applies to the usually used direct series feed (see Figure 6).
- the beam lobe When using stacked patches to increase the bandwidth, the beam lobe usually becomes narrower.
- Amplitude and phase assignments of the antenna columns but also a broadening of the beam lobe can be achieved.
- this approach has the disadvantage that, first, space must be provided for a corresponding power divider (compare FIG. 2) and, secondly, additional losses occur in the power divider. Third, sidelobes can occur. In particular, the zeros (or minima) associated with the sidelobes in the
- Antenna characteristics are not acceptable in the illumination range of the radar sensor.
- Elevation direction arranged parallel to the / the primary radiator / n 10, wherein said at least one further antenna element 11 is coupled only parasitically by electromagnetic field coupling to the primary radiator 10 in a minimum distance which is approximately equal to half the free space wavelength.
- the 3dB beam lobe widths depicted in [8] and [9] are significantly smaller than the beam lobe widths obtainable in the invention.
- the elements described in [8] and [9] thus do not cause any significant broadening of the beam lobe.
- parasitically coupled elements are used to increase the directivity of a group antenna, i. H. make the beam lobe narrower.
- FIG. 3 shows, by way of example, the arrangement according to the invention of parasitic antenna elements (FIG. 3a) on a primary radiator 10 with feed 40 in elevation (FIG. 3b) or in azimuth (FIG. 3c) with distances dl between primary radiator and parasitic elements
- Planar antennas in automotive radar sensors are commonly constructed in microstrip line technology.
- a single- or multi-layered microwave substrate is coated on both sides with metal.
- At least one of the two metal layers is structured and forms the signal line plane.
- the feeder lines 20 of the antenna columns and optionally the transceiver modules (or parts thereof) are arranged.
- the other metal level is the ground level.
- Below the ground plane further substrate and metal layers can be arranged, in which z.
- B. the transmitting and receiving modules are constructed.
- Signal line level may be further substrate and metal levels, on which z. B. multiple antenna patches are stacked to increase the bandwidth or the planes with slot radiators or coupling slots 31 and (slot-coupled) patches are (see Fig. Figure 7a).
- Figure 4 shows schematically the structure of an antenna column 1 with series feed and an antenna column 2 with parallel feed.
- the feed lines 20 of the antenna columns are arranged. These are usually designed as microstrip lines, wherein several sections with different impedances can occur for adaptation.
- the antenna radiator elements 50 are coupled. This can in the simplest case by direct coupling 30 in series connection to the feed line or z. B. via leads, feedthroughs or via capacitive coupling can be realized. Other possibilities are the coupling of the radiator element via the electromagnetic field in the form of a Schlitzkopplung- or the slots are used directly as a radiator.
- radiator elements serve z.
- patches stubs the poles, slots or groups of individual elements.
- an element 50a can be used which radiates all incident power so that no reflection occurs.
- FIG. 5 illustrates the use in groups with series feed.
- a primary radiator and parasitic antenna elements 50 series-fed groups of individual radiators are used.
- An exemplary realization of the concept according to FIG. 5a is shown in FIG. 6.
- the spotlights used are directly fed patch elements 50.
- FIG. 7 a, b shows a realization with slot-coupled patches 50, wherein the coupling takes place via the coupling slot 31.
- the feed 20 is in a plane parallel to the antenna elements behind the plane of the primary emitters and parasitic antenna elements 50.
- Figure 8 shows a structure in which the feed 20 is in a plane perpendicular to the antenna elements.
- FIG. 9 shows measurement results of the antenna gain over the azimuthal angle.
- the following antennas were constructed and characterized:
- German Radar Symposium 2002 German Society for Positioning and Navigation (2002), 35-40.
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Waveguide Aerials (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
In the case of an antenna arrangement having at least one primary antenna element (10), in particular in the form of a planar antenna element, parasitic antenna elements (11) are arranged in the azimuth and/or elevation direction parallel to the primary antenna element or elements (10) in order to broaden the beam lobe of the at least one primary antenna element (10), with this at least one further parasitic antenna element being coupled, just by electromagnetic field coupling, to the primary antenna element (10), at a minimum distance which is approximately equal to half the free-space wavelength.
Description
Beschreibung description
Titeltitle
ANTENNENANORDNUNG MIT PARASITÄR ANGEKOPPELTEN ANTENNENELEMENTENANTENNA ARRANGEMENT WITH PARASITIC ANCHORED ANTENNA ELEMENTS
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Antennenanordnung mit mindestens einem Primärstrahler.The invention is based on an antenna arrangement with at least one primary radiator.
Seit einigen Jahren sind im Bereich der Fahrerassistenzfunktionen mit vorausschauendenFor some years now, the field of driver assistance functions with forward-looking
Erfassungssystemen Radarsensoriken im Einsatz, die primär im Frequenzbereich 76 bis 77 GHz arbeiten. Diese werden bislang noch im Oberklassensegment zur Realisierung der Assistenzfunktion „adaptiver Tempomat" (ACC = „adaptive cruise control" ) im Geschwindigkeitsbereich 50 bis 180 km/h verwendet. An der Weiterentwicklung der Systeme hin zu einer Verwendung auch im unteren Geschwindigkeitsbereich, z. B. zurDetection systems Radar sensors in use, which operate primarily in the frequency range 76 to 77 GHz. These are still used in the upper class segment for the realization of the assistance function "adaptive cruise control" (ACC) in the speed range 50 to 180 km / h. At the further development of the systems towards a use also in the lower speed range, z. B. for
Realisierung eines automatischen Staufolgeverfahrens, wird gegenwärtig gearbeitet, bzw. die Funktion „Bremsen bis zum Stillstand" (ohne Wiederanfahren). Radarsensoren sollen zukünftig auch für andere Komfort- und Sicherheitsfunktionen, wie Tote- Winkel- Überwachung, Rückfahr- und Einparkhilfe oder „precrash"- Funktionen (Auslösen von reversiblen Rückhaltesystemen, Scharfschalten von Airbags usw., Prekonditionierung desRealization of an automatic stall sequence procedure is currently in progress, or the function "braking to a standstill" (without restarting) .In the future, radar sensors will also be used for other comfort and safety functions, such as blind spot monitoring, reversing and parking assistance or "precrash". - Functions (triggering of reversible restraint systems, arming of airbags, etc., preconditioning of the
Bremssystems, automatische Notbremse) usw. Verwendung finden [I].Brake system, automatic emergency brake), etc. find use [I].
Üblicherweise arbeiten 77 GHz-Radarsensoren der ersten und zweiten Generation mit Linsenantennen. Über mehrere Speiseantennen, die sich in der Brennebene der Linse befinden, werden mehrere sich partiell überlappende Strahlkeulen ausgebildet (analogeTypically, 77GHz first and second generation radar sensors operate with lens antennas. Via several feed antennas, which are located in the focal plane of the lens, a plurality of partially overlapping beam lobes are formed (analog
Strahlformung). Dieses Prinzip illustriert Figur 1. Anhand der Signalamplituden und/oder -Phasen in den einzelnen Strahlkeulen wird die azimutale Winkelposition des Zielobjektes bestimmt. Charakteristisch für Linsenantennen sind die relativ große Bautiefe von einigen Zentimetern, die sich durch den erforderlichen Abstand der Speiseantennen (in der Brennebene) von der Linse ergibt.
Ein Radarsystem kann auch in einem planaren Aufbau mit planaren Antennen realisiert werden, so dass die Bautiefe erheblich reduziert wird. 77 GHz Frontend mit digitaler Strahlformung und basierend auf Planarstrahlern (Patchantennen) sind aus [2] bekannt. Auch die Veröffentlichungen [1, 4, 5, 6, 7] beschreiben solche Systeme.Beam shaping). This principle is illustrated in FIG. 1. The azimuthal angular position of the target object is determined on the basis of the signal amplitudes and / or phases in the individual beam lobes. Characteristic of lens antennas are the relatively large depth of a few centimeters, which results from the required distance of the feed antennas (in the focal plane) of the lens. A radar system can also be realized in a planar structure with planar antennas, so that the depth is significantly reduced. 77 GHz frontend with digital beamforming and based on planar radiators (patch antennas) are known from [2]. The publications [1, 4, 5, 6, 7] also describe such systems.
Planare Antennen in Automobilradarsensoren werden üblicherweise als Gruppenantennen aufgebaut [1, 4, 5, 6, 7]. In Elevation werden dabei seriengespeiste Antennenspalten eingesetzt, mit denen in Azimut eine Strahlformung durchgeführt wird. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Antenne ist in Figur 2 skizziert.Planar antennas in automotive radar sensors are commonly constructed as array antennas [1, 4, 5, 6, 7]. In elevation, series-fed antenna columns are used, with which beam shaping is performed in azimuth. The basic structure of such an antenna is sketched in FIG.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Mit den Maßnahmen des Anspruchs 1, d. h. mit parasitär angekoppelten Antennenelementen neben mindestens einem gespeisten Antennenelement in einem Mindestabstand, der etwa gleich der halben Freiraumwellenlänge ist, lässt sich dieWith the measures of claim 1, d. H. with parasitically coupled antenna elements in addition to at least one powered antenna element in a minimum distance which is approximately equal to half the free space wavelength, can be
Abstrahlung der Antennenanordnung so beeinflussen, dass eine Verbreiterung der Strahlkeule erzielbar ist. Als Antennenelemente können sowohl Einzelstrahler, wie auch Gruppen von Einzelstrahlern eingesetzt werden. Dies führt zu folgenden Vorteilen:Affect radiation of the antenna arrangement so that a broadening of the beam lobe can be achieved. As antenna elements, both individual radiators, as well as groups of individual radiators can be used. This leads to the following advantages:
- die Charakteristik der Antenne wird gegenüber dem Einzelstrahler verbreitert es wird kein zusätzlicher Platz für einen Leistungsteiler benötigt es treten nur sehr geringe Verluste auf.- The characteristic of the antenna is widened compared to the single radiator, there is no additional space for a power divider needed only very small losses occur.
Damit erfolgt tatsächlich eine Anhebung des Antennengewinns im Randbereich (auf Kosten der Mitte) und die Charakteristik nähert sich einer Rechteck-Charakteristik an (mit einem Leistungsteiler mit entsprechenden Verlusten kann zwar auch eineThis actually results in an increase in the antenna gain in the edge region (at the expense of the center) and the characteristic approaches a rectangular characteristic (with a power divider with corresponding losses may indeed be a
Verbreiterung der Antennencharakteristik erreicht werden, durch die Verluste ist der Gewinn im Randbereich aber typischerweise nicht signifikant größer, als für das Einzelelement ) die Vermeidung von ohmschen Verlusten (und Strahlungsverlusten) in einem Leistungsteiler wirkt sich besonders günstig aus bei hohen Frequenzen, z. B. imWidening of the antenna characteristic can be achieved by the losses of the gain in the edge region but is typically not significantly greater than for the single element) the avoidance of ohmic losses (and radiation losses) in a power divider is particularly favorable at high frequencies, eg. In the
Millimeterwellenbereich es treten keine Nebenkeulen und damit verbundene Nullstellen oder Minima in derMillimeter wave range there are no sidelobes and associated zeros or minima in the
Strahlcharakteristik auf.Beam characteristic on.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen aufgezeigt.
ZeichnungenIn the dependent claims further advantageous embodiments are shown. drawings
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.With reference to the drawings, embodiments of the invention will be explained.
Es zeigenShow it
Figur 1 die Ausbildung mehrerer Strahlkeulen durch mehrere Speisungen bei einer Linsenantenne,FIG. 1 shows the formation of a plurality of beam lobes by a plurality of feeds in a lens antenna,
Figur 2 den prinzipiellen Aufbau einer typischen Gruppenantenne für Automobilradar, Figur 3 a bis d die prinzipielle Anordnung von parasitäreren Antennenelementen mit a. einem Primärstrahler b. einem parasitäreren Antennenelement in Elevation, c. ein parasitäres Antennenelement auf jeder Seite des Primärstrahlers in Azimut, d. ein parasitäres Antennenelement in Elevation und zwei parasitäre Antennenelemente symmetrisch in Azimut, wobei der Abstand der äußeren Elemente ungefähr doppelt so groß ist wie der der inneren Elmente,Figure 2 shows the basic structure of a typical array antenna for automotive radar, Figure 3 a to d, the basic arrangement of parasitic antenna elements with a. a primary radiator b. a more parasitic antenna element in elevation, c. a parasitic antenna element on each side of the primary radiator in azimuth, d. a parasitic antenna element in elevation and two parasitic antenna elements symmetrical in azimuth, wherein the distance of the outer elements is about twice as large as that of the inner elements,
Figur 4a den prinzipiellen Aufbau einer Antennenspalte mit Serienspeisung, Figur 4b den prinzipiellen Aufbau einer Antennenspalte mit paralleler Speisung, Figur 5a, b einen Primärstrahler und parasitäre Antennenelemente als Spalten mit Serienspeisung, wobei in Figur 5a Abschlüsse der parasitären Spalten mit End-Elementen und in Figur 5b Abschlüsse mit Abschusswiderständen vorgesehen sind, Figur 6 die Realisierung des Konzepts nach Figur 5a mit Patch-Elementen, Figur 7a eine Aufsicht auf eine Antenneanordnung mit schlitzgekoppelten Patches, Figur 7b einen Schnitt durch eine Antennenanordnung mit schlitzgekoppelten Patches, Figur 8 eine Speisung in einer Ebene senkrecht zu den Antennenelementen,Figure 4a shows the basic structure of an antenna column with series feed, Figure 4b shows the basic structure of an antenna column with parallel feed, Figure 5a, b is a primary radiator and parasitic antenna elements as columns with series feed, wherein in Figure 5a conclusions of the parasitic columns with end elements and in FIG FIG. 7 shows a plan view of an antenna arrangement with slot-coupled patches, FIG perpendicular to the antenna elements,
Figur 9 Messergebnisse des Antennengewinns über Azimut.FIG. 9 Measurement results of the antenna gain over the azimuth.
Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments
Zur Realisierung planarer Antennen werden üblicherweise planare HF-Leitungen, wieFor the realization of planar antennas usually planar RF lines, such as
Mikrostreifen-, Koplanar-, Schlitzleitungen usw. eingesetzt. Außerdem können folgende Modifikationen auftreten: eine Metallisierung der Substratunterseite, mehrschichtige Substrate, wobei auch metallische Schichten auftreten können - dielektrische Schichten, die die metallischen Leiterbahnen überdecken.
- A -Microstrip, coplanar, slot lines, etc. used. In addition, the following modifications can occur: a metallization of the underside of the substrate, multilayer substrates, wherein metallic layers can also occur - dielectric layers that cover the metallic interconnects. - A -
AIs Substrat dienen spezielle Mikrowellensubstrate, z. B. Kunststoff, der mit Glasfasern verstärkt oder mit Füllstoffen versetzt sein kann, Keramik, Glas usw.AIs substrate serve special microwave substrates, eg. As plastic, which may be reinforced with glass fibers or mixed with fillers, ceramics, glass, etc.
Auf dem Mikrowellensubstrat werden planare Antennen, beispielsweise mit Patch-, Stub-,On the microwave substrate, planar antennas, for example, patch, stub,
Schlitz- oder Dipolstrahlern aufgebaut. Beispiele findet man z.B. in [3]. Zur Vergrößerung der Bandbreite werden auch Strahlerelemente bestehend aus verkoppelten Einzelelementen, wie z. B. nebeneinander angeordneten Patches oder in mehreren Substratschichten übereinander angeordneten Patches verwendet. Für die Ankopplung dieser Strahlerelemente an die Speisung gibt es verschiedene Konzepte, wie direkte Ankopplung, kapazitive Ankopplung, Apertur- oder Schlitzkopplung oder Ankopplung über elektrische Durchführungen.Slot or Dipolstrahlern constructed. Examples are found e.g. in [3]. To increase the bandwidth and radiator elements consisting of coupled individual elements such. B. juxtaposed patches or in several substrate layers stacked patches used. For the coupling of these radiator elements to the power supply, there are various concepts, such as direct coupling, capacitive coupling, aperture or slot coupling or coupling via electrical feedthroughs.
Als wichtigste Konfigurationen der Speisung seien die Serienspeisung [3]und die parallele, üblicherweise gleichphasige Speisung („corporate feed") genannt. Das Leistungsverteilnetzwerk befindet sich entweder auf der gleichen Metallebene wie die Antennenelemente oder auf der den Antennenelementen gegenüberliegenden Substratseite. In zweiterem Fall kann das Substrat eine innenliegende, stellenweise unterbrochene Metallisierung besitzen, bzw. kann aus mehreren und dielektrischen Schichten aufgebaut sein. Weiterhin kann die Leistungsverteilung und Speisung auf einer innenliegenden Substratschicht erfolgen.The most important configurations of the feed are the series feed [3] and the parallel, usually in-phase feed ("corporate feed") .The power distribution network is located either on the same metal level as the antenna elements or on the substrate side opposite the antenna elements The substrate may have an internal, locally interrupted metallization, or it may be composed of a plurality of dielectric layers, and the power distribution and supply may be effected on an inner substrate layer.
Die Hauptkeule der Radarantenne eines Automobil-Radarsensors wird in Azimut so ausgelegt, dass mit dem Sendesignal ein für die Applikation hinreichender Winkelbereich bestrahlt wird. Für Anwendungen bei mittleren bis langen Reichweiten (typisches ACC) ist ein Winkelbereich von ± 4° bis ± 8 ° im allgemeinen hinreichend, um mehrere Fahrspuren der Straße, insbesondere Autobahn, auch bei typisch auftretenden Kurvenradien zu bestrahlen.The main lobe of the radar antenna of an automotive radar sensor is designed in azimuth so that the transmission signal is irradiated for the application sufficient angular range. For medium to long-range applications (typical ACC), an angle range of ± 4 ° to ± 8 ° is generally sufficient to irradiate multiple lanes of the road, especially the highway, even at typical curve radii.
Beim Radarsensor nach Figur 1 werden zum Senden die gleichen Strahlkeulen verwendet wie für den Empfang (monostatisches System), wobei über alle Strahlkeulen gleichzeitig ausgesendet wird, so dass die resultierende Strahlcharakteristik der Summe der Strahlkeulen unter Berücksichtigung der Phasen der einzelnen Strahlkeulen entspricht.In the radar sensor according to FIG. 1, the same beam lobes are used for transmission as for the reception (monostatic system), with all beam lobes being emitted simultaneously, so that the resulting beam characteristic corresponds to the sum of the beam lobes, taking into account the phases of the individual beam lobes.
Im Radarsensor nach [2] wird eine separate Sendeantenne eingesetzt (bistatisches System). Der vom Sensor abgedeckte azimutale Winkelbereich liegt bei ± 10°. Für Applikationen, die auf Nahbereichs-Radarsensorik „short ränge radar", SRR so aufbauen, wird ein noch wesentlich
größerer azimutaler Erfassungsbereich gefordert. In [1] wird eine Größenordnung von +60° genannt.The radar sensor according to [2] uses a separate transmitting antenna (bistatic system). The azimuthal angular range covered by the sensor is ± 10 °. For applications that rely on short-range radar sensor technology, SRR, this becomes even more important larger azimuthal detection range required. In [1] is called an order of + 60 °.
Um eine in Azimut möglichst breite Strahlkeule zu erreichen, verwendet man üblicherweise eine Antennenspalte, bestehend aus in Elevation übereinander angeordneten Einzelelementen 1 , Figur 3, ist als Sendeantenne Tx eine einzelne Antennenspalte aus Patch-Elementen skizziert. Damit ist jedoch eine 3dB-Breite der Strahlkeule in Azimut in einer Größenordnung von ± 60° nicht realisierbar, je nach Polarisationsrichtung liegen die 3dB-Breiten der Strahlkeule einfacher Patch-Elemente bei ca. ± 52° (E-Ebene) und ca. ± 41 ° (H-Ebene). Letzterer Wert gilt für die üblicherweise eingesetzte direkte Serienspeisung (vergl. Figur 6). Bei Verwendung von übereinander angeordneten verkoppelten Elementen („stacked patches" zur Erhöhung der Bandbreite) wird die Strahlkeule üblicherweise schmaler.In order to achieve a beam lobe as wide as possible in azimuth, an antenna column is usually used, consisting of individual elements 1, 3 arranged one above the other in elevation, as transmission antenna Tx a single antenna column of patch elements is sketched. Thus, however, a 3dB width of the beam lobe in azimuth in the order of ± 60 ° is not feasible, depending on the direction of polarization are the 3dB widths of the beam lobe simple patch elements at about ± 52 ° (E-plane) and about ± 41 ° (H-plane). The latter value applies to the usually used direct series feed (see Figure 6). When using stacked patches to increase the bandwidth, the beam lobe usually becomes narrower.
Wenn man mehrere Antennenspalten nebeneinander anordnet, wird normalerweise wegen der Vergrößerung der Apertur die Strahlkeule in Azimut schmaler. Mit Hilfe bestimmterIf one arranges several antenna columns side by side, normally the beam lobe becomes narrower in azimuth because of the enlargement of the aperture. With the help of certain
Amplituden- und Phasenbelegungen der Antennespalten kann aber auch eine Verbreiterung der Strahlkeule erreicht werden. Dieser Ansatz besitzt jedoch den Nachteil, dass erstens Platz für einen entsprechenden Leistungsteiler vorgesehen werden muss (vergl. Figur 2) und zweitens im Leistungsteiler zusätzliche Verluste entstehen. Drittens können Nebenkeulen auftreten. Insbesondere die mit den Nebenkeulen verbundenen Nullstellen (oder Minima) in derAmplitude and phase assignments of the antenna columns but also a broadening of the beam lobe can be achieved. However, this approach has the disadvantage that, first, space must be provided for a corresponding power divider (compare FIG. 2) and, secondly, additional losses occur in the power divider. Third, sidelobes can occur. In particular, the zeros (or minima) associated with the sidelobes in the
Antennencharakteristik sind im Beleuchtungsbereich des Radarsensors nicht akzeptabel.Antenna characteristics are not acceptable in the illumination range of the radar sensor.
Bei der Erfindung hingegen wird zur Verbreiterung der Strahlkeule des mindestens einen Primärstrahlers 10 in der Azimut- und/oder Elevationsebene mindestens ein weiteres parasitäres, insbesondere ebenfalls planares Antennenelement Hin der Azimut- und/oderIn contrast, in the invention, to widen the beam lobe of the at least one primary radiator 10 in the azimuth and / or elevation plane, at least one further parasitic, in particular likewise planar, antenna element Hin of the azimuth and / or
Elevationsrichtung parallel zu dem/den Primärstrahler/n 10 angeordnet, wobei dieses mindestens eine weitere Antennenelement 11 lediglich parasitär durch elektromagnetische Feldkopplung an den Primärstrahler 10 angekoppelt ist in einem Mindestabstand, der etwa gleich der halben Freiraumwellenlänge beträgt.Elevation direction arranged parallel to the / the primary radiator / n 10, wherein said at least one further antenna element 11 is coupled only parasitically by electromagnetic field coupling to the primary radiator 10 in a minimum distance which is approximately equal to half the free space wavelength.
Es sind zwar parasitär angekoppelte Antennenelemente in Form von Patch-Elementen zur Vergrößerung der Bandbreite bekannt [8], [9]. Hierbei wird eine relativ starke Verkopplung der Elemente genutzt, um die Bandbreite der Anordnung zu vergrößern. Dies zeigt sich im Verhältnis des Abstands der Elemente zu ihren Abmessungen: Die Schlitzbreite zwischen den Elementen ist wesentlich kleiner als die Abmessungen der Elemente. Im Gegensatz dazu ist der
Abstand der parasitären Elemente bei der Erfindung ungefähr gleich der halben Freiraumwellenlänge. Bei üblichen Mikrowellenstrukturen (die Elektrizitätszahl von 3 und darüber) resultiert daraus eine Schlitzbreite in der Größenordnung der Element- Abmessungen, die damit wesentlich größer ist, als die Schlitzbreite in [8], [9].Although parasitically coupled antenna elements in the form of patch elements for increasing the bandwidth are known [8], [9]. In this case, a relatively strong coupling of the elements is used to increase the bandwidth of the arrangement. This is reflected in the ratio of the distance of the elements to their dimensions: the slot width between the elements is much smaller than the dimensions of the elements. In contrast, the Distance of the parasitic elements in the invention approximately equal to half the free space wavelength. With conventional microwave structures (the electricity number of 3 and above), this results in a slot width on the order of the element dimensions, which is thus considerably larger than the slot width in [8], [9].
Die in [8] und [9] abgebildeten 3dB-Strahlkeulenbreiten sind deutlich geringer als die bei der Erfindung erzielbaren Strahlkeulenbreiten. Die in [8] und [9] beschriebenen Elemente bewirken also keine signifikante Verbreiterung der Strahlkeule.The 3dB beam lobe widths depicted in [8] and [9] are significantly smaller than the beam lobe widths obtainable in the invention. The elements described in [8] and [9] thus do not cause any significant broadening of the beam lobe.
In [10] werden parasitär angekoppelte Elemente dazu genutzt, die Direktivität einer Gruppenantenne zu vergrößern, d. h. die Strahlkeule schmaler zu machen.In [10] parasitically coupled elements are used to increase the directivity of a group antenna, i. H. make the beam lobe narrower.
Figur 3 zeigt beispielhaft die erfindungsgemäße Anordnung von parasitären Antennenelementen (Figur 3 a) 11 an einem Primärstrahler 10 mit Einspeisung 40 in Elevation (Figur 3b) oder in Azimut (Figur 3c) mit Abständen dl zwischen Primärstrahler und parasitärenFIG. 3 shows, by way of example, the arrangement according to the invention of parasitic antenna elements (FIG. 3a) on a primary radiator 10 with feed 40 in elevation (FIG. 3b) or in azimuth (FIG. 3c) with distances dl between primary radiator and parasitic elements
Antennenelementen und als Kombination (Figur 3d) mit einem parasitären Antennenelement in Elevation E und zwei parasitären Antennenelementen symmetrisch in Azimut A, wobei der Abstand d2 der äußeren Antennenelemente etwa doppelt so groß ist wie der der inneren.Antenna elements and as a combination (Figure 3d) with a parasitic antenna element in elevation E and two parasitic antenna elements symmetrically in azimuth A, wherein the distance d2 of the outer antenna elements is about twice as large as that of the inner.
Planare Antennen in Automobil-Radarsensoren werden üblicherweise in Mikrostreifenleitungs- Technologie aufgebaut. Ein ein- oder mehrschichtiges Mikrowellensubstrat ist beidseitig mit Metall beschichtet. Mindestens eine der beiden Metallschichten ist strukturiert und bildet die Signalleitungsebene. In der Signalleitungsebene sind die Speiseleitungen 20 der Antennenspalten und gegebenenfalls die Sende-Empfangsmodule (oder Teile davon) angeordnet. Die andere Metallebene bildet die Masse-Ebene. Unterhalb der Masse-Ebene können weitere Substrat- und Metallebenen angeordnet sein, in denen z. B. die Niederfrequenz- /Basisband- und Digital-Elektronik zur Verarbeitung der Niederfrequenz-/Basisband-Signale und zur Ansteuerung und (digitalen) Signalverarbeitung aufgebaut sind. In Kombination damit können auch noch weitere Mikrowellensubstrat-Ebenen eingesetzt werden, auf denen gegebenenfalls z. B. die Sende- und Empfangsmodule aufgebaut werden. Oberhalb derPlanar antennas in automotive radar sensors are commonly constructed in microstrip line technology. A single- or multi-layered microwave substrate is coated on both sides with metal. At least one of the two metal layers is structured and forms the signal line plane. In the signal line plane, the feeder lines 20 of the antenna columns and optionally the transceiver modules (or parts thereof) are arranged. The other metal level is the ground level. Below the ground plane further substrate and metal layers can be arranged, in which z. B. the low frequency / baseband and digital electronics for processing the low frequency / baseband signals and for driving and (digital) signal processing are constructed. In combination with it, even more microwave substrate levels can be used on which optionally z. B. the transmitting and receiving modules are constructed. Above the
Signalleitungs-Ebene können sich weitere Substrat- und Metallebenen befinden, auf denen z. B. mehrere Antennenpatches übereinander angeordnet werden, um die Bandbreite zu vergrößern oder sich die Ebenen mit Schlitzstrahlern oder Koppelschlitze 31 und (schlitzgekoppelte) Patches befinden (vergl. Figur 7a).
Figur 4 zeigt schematisch den Aufbau einer Antennenspalte 1 mit Serienspeisung und einer Antennenspalte 2 mit paralleler Speisung. In der genannten Signalleitungsebene sind die Speiseleitungen 20 der Antennenspalten angeordnet. Diese sind üblicherweise als Mikrostreifenleitungen ausgeführt, wobei mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Impedanzen zur Anpassung auftreten können.Signal line level may be further substrate and metal levels, on which z. B. multiple antenna patches are stacked to increase the bandwidth or the planes with slot radiators or coupling slots 31 and (slot-coupled) patches are (see Fig. Figure 7a). Figure 4 shows schematically the structure of an antenna column 1 with series feed and an antenna column 2 with parallel feed. In the signal line level mentioned, the feed lines 20 of the antenna columns are arranged. These are usually designed as microstrip lines, wherein several sections with different impedances can occur for adaptation.
An die Speiseleitung 20 sind die Antennenstrahler-Elemente 50 angekoppelt. Dies kann im einfachsten Fall durch direkte Ankopplung 30 in Serienschaltung zur Speiseleitung oder z. B. über Zuleitungen, Durchführungen oder über kapazitive Kopplung realisiert werden. Weitere Möglichkeiten sind die Ankopplung des Strahlerelements über das elektromagnetische Feld in Form einer Schlitzkopplung- oder die Schlitze werden direkt als Strahler verwendet.To the feed line 20, the antenna radiator elements 50 are coupled. This can in the simplest case by direct coupling 30 in series connection to the feed line or z. B. via leads, feedthroughs or via capacitive coupling can be realized. Other possibilities are the coupling of the radiator element via the electromagnetic field in the form of a Schlitzkopplung- or the slots are used directly as a radiator.
Als Strahlerelemente dienen z. B. Patches-Stubs, die Pole, Schlitze oder Gruppen von Einzelelementen. Am Ende der Spalte 1 kann ein Element 50a eingesetzt werden, das alle einfallende Leistung abstrahlt, so dass keine Reflektion auftritt.As radiator elements serve z. As patches stubs, the poles, slots or groups of individual elements. At the end of column 1, an element 50a can be used which radiates all incident power so that no reflection occurs.
Figur 5 illustriert die Verwendung in Gruppen mit Serienspeisung. Als Primärstrahler und parasitäre Antennenelemente 50 werden seriengespeiste Gruppen von Einzelstrahlern verwendet. Eine beispielhafte Realisierung des Konzepts nach Figur 5a zeigt Figur 6. Als Strahler werden direkt gespeiste Patch-Elemente 50 verwendet.FIG. 5 illustrates the use in groups with series feed. As a primary radiator and parasitic antenna elements 50 series-fed groups of individual radiators are used. An exemplary realization of the concept according to FIG. 5a is shown in FIG. 6. The spotlights used are directly fed patch elements 50.
Figur 7a, b zeigt eine Realisierung mit schlitzgekoppelten Patches 50, wobei die Kopplung über den Koppelschlitz 31 erfolgt. Die Speisung 20 befindet sich in einer Ebene parallel zu den Antennenelementen hinter der Ebene der Primärstrahler und parasitären Antennenelemente 50. Figur 8 zeigt einen Aufbau, in dem sich die Speisung 20 in einer Ebene senkrecht zu den Antennenelmenten befindet.FIG. 7 a, b shows a realization with slot-coupled patches 50, wherein the coupling takes place via the coupling slot 31. The feed 20 is in a plane parallel to the antenna elements behind the plane of the primary emitters and parasitic antenna elements 50. Figure 8 shows a structure in which the feed 20 is in a plane perpendicular to the antenna elements.
Figur 9 zeigt Messergebnisse des Antennengewinns über den azimutalen Winkel. Dabei wurden folgende Antennen aufgebaut und charakterisiert:FIG. 9 shows measurement results of the antenna gain over the azimuthal angle. The following antennas were constructed and characterized:
I. Eine seriengespeiste Einzelspalte 1 nach Figur 4 in einer Realisierung mit direkt gespeisten Patch-Elementen (vergl. Figur 6),I. A series-fed individual column 1 according to FIG. 4 in a realization with directly fed patch elements (see FIG.
IL Einer genauso aufgebauten Spalte, die auf beiden Seiten zusätzlich je eine symmetrisch angeordnete parasitäre Spalte (Aufbau in Figur 6) besitzt.
Man stellt fest, dass sich die Strahlcharakteristik der Einzelspalte durch die parasitären Spalten erheblich verbreitern lässt, wobei nur sehr geringe Verluste auftreten. Mit einem Leistungsteiler ließe sich ebenso eine Verbreiterung der Strahlkeule erzielen, dies aber auf Kosten von deutlich größeren Verlusten. Für Winkel größer als ca. ± 35° vergrößert sich der Gewinn dadurch um ca. 2 dB. Es findet also praktisch eine Anhebung der Antennencharakteristik im Randbereich statt und dies auf Kosten des Gewinns im mittleren Winkelbereich, womit sich das Antennendiagramm einer Rechteck-Charakteristik annähert. Weiterhin treten keine Nebenkeulen auf und damit verbunden auch keine Nullstellen im Antennendiagramm.
IL An equally constructed column, which in each case additionally has on both sides a symmetrically arranged parasitic column (structure in FIG. 6). It can be seen that the beam characteristic of the individual gaps can be considerably widened by the parasitic gaps, with only very small losses occurring. With a power divider could also achieve a broadening of the beam lobe, but at the cost of significantly greater losses. For angles larger than approx. ± 35 °, the gain increases by approx. 2 dB. Thus, there is practically an increase in the antenna characteristic in the edge region and this at the expense of the gain in the middle angle range, bringing the antenna pattern closer to a rectangular characteristic. Furthermore, no side lobes occur and, associated therewith, no zeros in the antenna diagram.
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Array of Printed Parasitic Elements, Electronics Letters 28 (1992), 1332-1334.
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Claims
1. Antennenanordnung mit mindestens einem Primärstrahler (10), insbesondere in Form eines planaren Antennenelements, wobei zur Verbreiterung der Strahlkeule des mindestens einen Primärstrahlers (10) mindestens ein weiteres parasitäres, insbesondere ebenfalls planares Antennenelement (11) in der Azimut- und/oder1. Antenna arrangement with at least one primary radiator (10), in particular in the form of a planar antenna element, wherein for broadening the beam lobe of the at least one primary radiator (10) at least one further parasitic, in particular likewise planar antenna element (11) in the azimuth and / or
Elevationsrichtung parallel zu dem/den Primärstrahler/n (10) angeordnet ist und wobei dieses mindestens eine weitere Antennenelement (11) lediglich parasitär durch elektromagnetische Feldkopplung an den Primärstrahler (10) angekoppelt ist bei einem Mindestabstand, der etwa gleich der halben Freiraumwellenlänge ist.Elevation direction is arranged parallel to the / the Primärstrahler / n (10) and wherein said at least one further antenna element (11) only parasitically coupled by electromagnetic field coupling to the primary radiator (10) at a minimum distance which is approximately equal to half the free space wavelength.
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das mindestens eine parasitäre Element (11) im Abstand von ungefähr einer halben Freiraumwellenlänge und beim Einsatz von mehreren parasitären Antennenelementen im Abstand von Vielfachen von ungefähr einer halben Freiraumwellenlänge von dem Primärstrahler/ den Primärstrahlern (10) befinden.2. Antenna arrangement according to claim 1, characterized in that the at least one parasitic element (11) at a distance of about half a free space wavelength and the use of multiple parasitic antenna elements at a distance of multiples of about half a free space wavelength of the primary radiator / the primary radiators ( 10).
3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf beiden Seiten des Primärstrahlers (10) in der entsprechenden Richtung jeweils genau ein parasitäres Antennenelement (11) befindet.3. Antenna arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that in each case exactly one parasitic antenna element (11) is located on both sides of the primary radiator (10) in the corresponding direction.
4. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf beiden Seiten des Primärstrahlers (10) in der entsprechenden Richtung jeweils zwei parasitäre Elemente (11) befinden, wobei das zweite parasitäre Element ungefähr den doppelten Abstand des ersten parasitären Antennenelements von dem mindestens einen Primärstrahler (10) hat.4. Antenna arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that on both sides of the primary radiator (10) in the corresponding direction in each case two parasitic elements (11) are located, wherein the second parasitic element approximately twice the distance of the first parasitic antenna element of the has at least one primary radiator (10).
5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die parasitären Elmente (11) in der jeweiligen Richtung symmetrisch um den Primärstrahler (10) angeordnet sind. 5. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the parasitic elements (11) in the respective direction are arranged symmetrically about the primary radiator (10).
6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Primärstrahler (10) oder als parasitäre Antennenelemente (11, 50) Gruppen von Einzelantennenstrahlern verwendet werden, die über eine oder mehrere Speisungen (21) verbunden sind.6. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that as primary radiator (10) or as parasitic antenna elements (11, 50) groups of individual antenna radiators are used, which are connected via one or more feeds (21).
7. Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisungen (21) der Gruppen als Serienspeisungen ausgebildet sind.7. Antenna arrangement according to claim 6, characterized in that the feeds (21) of the groups are designed as series feeds.
8. Antennenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die parasitären Antennenelemente (50) durch seriengespeiste Gruppen gebildet werden, die an einem8. Antenna arrangement according to claim 7, characterized in that the parasitic antenna elements (50) are formed by series-fed groups which are connected to a
Ende oder an beiden Enden reflexionsarm abgeschlossen sind.Are finished at the end or at both ends reflection-poor.
9. Antennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschluss durch ein parasitäres Antennenelement (50a) erfolgt, das den größten Teil der eingespeisten Hochfrequenzleistung abstrahlt.9. Antenna arrangement according to claim 8, characterized in that the termination by a parasitic antenna element (50a) takes place, which emits most of the injected high-frequency power.
10. Antennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschluss durch einen Abschlusswiderstand erfolgt.10. Antenna arrangement according to claim 8, characterized in that the termination is effected by a terminating resistor.
11. Antennenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der11. Antenna arrangement according to claim 10, characterized in that the
Abschlusswiderstand durch einen radialen Stub oder durch eine Hochfrequenzdurchführung an die Masse-Ebene des die Antennenelemente tragenden Substrats angeschlossen ist.Terminating resistor is connected by a radial stub or by a high-frequency feedthrough to the ground plane of the substrate carrying the antenna elements.
12. Antennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschluss durch Anbringung von Absorbermaterial auf der Speiseleitung realisiert ist.12. Antenna arrangement according to claim 8, characterized in that the conclusion is realized by attachment of absorber material on the feed line.
13. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Speisung der Primärstrahler (10) in einer Ebene befindet, die sich parallel und bezogen auf die Hauptstrahlrichtung hinter der Ebene der Primärstrahler und parasitären Antennenelemente befindet.13. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the feed of the primary radiator (10) is located in a plane which is parallel and with respect to the main beam direction behind the plane of the primary radiator and parasitic antenna elements.
14. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Speisung der Primärstrahler in einer Ebene befindet, die sich senkrecht zur Ebene der Primärstrahler und parasitären Antennenelemente befindet. 14. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the feed of the primary radiator is located in a plane which is perpendicular to the plane of the primary radiator and parasitic antenna elements.
15. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Antennenelemente sowohl für den Primärstrahler (10) und/oder die parasitären Antennenelemente (11) folgende Typen von planaren Strahlern verwendet werden: planare Patch-Elemente, planare Stub-Elemente oder planare Dipol-Elemente, verkoppelte Patch-Elemente, die aus zwei oder mehr übereinander oder nebeneinander angeordneten Patch-Elemente bestehen Schlitze in einer Metallisierungsebene.15. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 14, characterized in that as antenna elements for both the primary radiator (10) and / or the parasitic antenna elements (11) the following types of planar radiators are used: planar patch elements, planar stub elements or planar dipole elements, coupled patch elements consisting of two or more patch elements arranged one above the other or next to one another. Slits in a metallization plane.
16. Antennenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstrahler und parasitären Antennenelemente direkt oder über Leitungen an eine Speisung angeschlossen sind.16. Antenna arrangement according to claim 15, characterized in that the primary radiator and parasitic antenna elements are connected directly or via lines to a feed.
17. Antennenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die17. Antenna arrangement according to claim 15, characterized in that the
Antennenelemente der Primärstrahler (10) und parasitären Antennenelemente (11) über elektromagnetische Kopplung, z. B. Schlitzkopplung an eine Speisung angeschlossen sind.Antenna elements of the primary radiator (10) and parasitic antenna elements (11) via electromagnetic coupling, z. B. slot coupling are connected to a power supply.
18. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 für den Einsatz in einem18. Antenna arrangement according to one of claims 1 to 17 for use in a
Automobilradarsensor. Automotive radar sensor.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 07788311 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 07788311 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |