WO2011032745A1 - Radarsensorvorrichtung mit wenigstens einer planaren antenneneinrichtung - Google Patents

Radarsensorvorrichtung mit wenigstens einer planaren antenneneinrichtung Download PDF

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WO2011032745A1
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Volker Gross
Goetz Kuehnle
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Radar sensor device with at least one planar antenna device The invention relates to a radar sensor device having at least one planar one
  • Antenna device which has a plurality of vertically aligned and as a thinned array in a plane parallel to each other at certain distances arranged antenna columns, each having at least two line-fed patch elements. Furthermore, the invention relates to a device, in particular a driver assistance system of a motor vehicle.
  • radar sensors are increasingly being used to detect the traffic environment in the context of driver assistance systems, for example for radar-assisted distance control (Adaptive Cruise Control Systems / ACC).
  • Adaptive Cruise Control Systems / ACC Such a cruise control system is known for example from Robert Bosch GmbH, "Adaptive cruise control ACC", yellow series, edition 2002, technical briefing.
  • planar antenna devices or patch antennas are particularly suitable for use in the aforementioned radar sensors.
  • antennas In such antennas is a planar array of radiating resonators (antenna elements or patch elements / patches), which are each assigned a defined amplitude and phase.
  • the superimposition of the radiation patterns of the individual patch elements yields the resulting radiation pattern of the antenna, the lines being responsible for the characteristic of the azimuth and the columns for the characteristic of the elevation.
  • the antenna elements are usually arranged in vertically oriented antenna columns.
  • Many radar sensors with the use of the environment detection in the automotive sector use such planar antenna concepts.
  • One advantage of the planar antenna concepts is the resulting low installation depth of the radar sensors.
  • Wavelength in air ( ⁇ / 2) is located.
  • the antenna aperture is the deciding factor. The larger the antenna aperture, the better the angular accuracy. If the antenna aperture is provided with a uniform linear array structure as in the previously known radar sensors, then a large number of mixers is required, which leads to increased overall sensor costs.
  • DE 100 36 131 A1 proposes a radar sensor for detecting the traffic situation in the vicinity of a motor vehicle with a carrier element, with an array of patch antennas in the form of a combination of a filled subarray of patch antennas and a thinned subarray of patch antennas. However, the patch antennas are redundant, d. H. the signal relationships are measured several times.
  • a radar sensor device is provided with at least one planar antenna device, which has a plurality of vertically aligned and as a thinned array in a plane parallel to one another at specific distances from each other.
  • MRA minimum redundancy arrays
  • the determined distances of the antenna columns from each other can each be an integer multiple of a constant basic distance. It is advantageous if the constant basic distance is less than or equal to half the wavelength in air. Then there is a uniqueness for the range of +/- 90 degrees.
  • a device in particular a driver assistance system of a motor vehicle is specified in claim 4.
  • An exemplary embodiment of the invention is described in principle below with reference to the drawing. Show it:
  • Figure 1 is a schematic representation of the essential components of a
  • Figure 2 is a schematic representation of an array of planar antenna device with four antenna columns according to the prior art
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an array of a planar antenna device with three antenna columns for a first embodiment of the radar sensor device according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of an array of planar antenna device with four antenna columns for a second embodiment of the radar sensor device according to the invention.
  • a motor vehicle 10 shown in FIG. 1 with an adaptive cruise control device 11 as a driver assistance system has as an object detection sensor a radar sensor device 12 mounted on the front end of the motor vehicle 10, in whose housing a control device 14 of the adaptive cruise control device 11 is accommodated.
  • the radar sensor device 12 is used to detect objects in an environment of the motor vehicle 10.
  • the radar sensor device 12 is connected to the control device 14.
  • the control device 14 is connected via a data bus 16 (CAN, MOST, or the like) to an electronic drive control unit 18, a brake system control unit 20 and to an HMI control unit 22 of a human / machine interface.
  • the control unit 14 and the HMI control unit 22 may also be integrated in a control device of the adaptive cruise control device 12, in particular in a common housing.
  • the radar sensor device 12 uses a multi-beam radar to measure the distances, relative speeds and azimuth angles of objects located in front of the motor vehicle 10 which reflect radar waves.
  • the raw data received at regular time intervals, for example every 10 ms, are evaluated in the control device 14 in order to identify and track individual objects and, in particular, to recognize a vehicle driving directly ahead on its own lane and to select it as the target object.
  • the radar sensor device 12 has a planar antenna device with arrays 15. 2 or 15. 3 of antenna gaps 15 b to 15 h (see FIGS. 3 and 4).
  • FIG. 2 shows a planar antenna device or a non-thinned array 15.1 having four antenna columns 15a according to the prior art that are oriented vertically and are arranged parallel to each other in a plane at intervals.
  • the antenna gaps 15a are arranged in equidistant, ie constant basic distances, which correspond to half the wavelength ⁇ in air, to each other.
  • 0.5 "wavelength ⁇ in air, 1, 0 ⁇ wavelength ⁇ in air and 1, 5 ⁇ wavelength ⁇ in air occur as different distances.
  • FIG. 3 shows a planar antenna device for a first embodiment of the radar sensor device 12 according to the invention with three antenna columns 15b, 15c and 15d arranged vertically at right angles to each other and arranged as a thinned array 15.2 in a plane parallel to each other, each having a plurality of line-fed patch elements 23 ,
  • the thinned array 15.2 of antenna columns 15b, 15c and 15d is implemented with minimal redundancy such that the amount of the determined spacings of the antenna columns 15b, 15c and 15d to each other in the thinned array 15.2 all the different distances between any two antenna columns 15a of the corresponding non-thinned Having arrays 15.1 of Figure 1 a planar antenna device with the same antenna aperture and the same nature of the antenna columns 15a at least once but in a minimum possible number.
  • FIG. 4 shows a planar antenna device for a second embodiment of the radar sensor device 12 according to the invention with four antenna columns 15e, 15f, 15g and 15h arranged vertically and arranged as a thinned array 15.3 in a plane parallel to each other at specific spacings.
  • 15e between the antenna columns, and 15f a distance of 0.5 ⁇ wavelength ⁇ in air
  • 15f and 15g a distance of 1, 5 ⁇ wavelength ⁇ in air
  • between the antenna columns 15g and 15h a Distance in the amount of 1, 0 ⁇ wavelength ⁇ provided in air.
  • the antenna gaps 15e and 15g a distance of 2.0 ⁇ wavelength ⁇ in air
  • between the antenna columns 15f and 15h a distance of 2.5 ⁇ wavelength ⁇ in air
  • between the antenna columns 15e and 15h a distance of 3, 0 ⁇ wavelength ⁇ in air.
  • the determined distances of the antenna columns 15a to 15g to each other are each an integer multiple of a constant basic distance, namely half the wavelength ⁇ in air.

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Abstract

Radarsensorvorrichtung mit wenigstens einer planaren Antenneneinrichtung, welche mehrere vertikal ausgerichteten und als ausgedünntes Array (15.2) in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander angeordnete Antennenspalten (15b, 15c, 15d) aufweist, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Patch-Elemente (23) aufweisen, wobei das ausgedünnte Array (15.2) von Antennenspalten (15b, 15c, 15d) derart mit minimaler Redundanz ausgeführt ist, dass die Menge der bestimmten Abstände der Antennenspalten (15b, 15c, 15d) zueinander in dem ausgedünnten Array (15.2) sämtliche unterschiedlichen Abstände zwischen zwei beliebigen Antennenspalten eines korrespondierenden nichtausgedünnten Arrays einer planaren Antenneneinrichtung mit gleicher Antennenapertur und gleicher Beschaffenheit der Antennenspalten wenigstens einmal jedoch in minimal möglicher Anzahl aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Radarsensorvorrichtunq mit wenigstens einer planaren Antenneneinrichtunq Die Erfindung betrifft eine Radarsensorvorrichtung mit wenigstens einer planaren
Antenneneinrichtung, welche mehrere vertikal ausgerichtete und als ausgedünntes Array in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander angeordnete Antennenspalten aufweist, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Patch-Elemente aufweisen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
In Kraftfahrzeugen werden zunehmend Radarsensoren zur Erfassung des Ver- kehrsumfelds im Rahmen von Fahrerassistenzsystemen eingesetzt, beispielsweise zur radargestützten Abstandsregelung (Adaptive Cruise Control-Systeme / ACC). Ein derartiges Fahrgeschwindigkeitsregelungssystem ist beispielsweise aus Robert Bosch GmbH, "Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung ACC", Gelbe Reihe, Ausgabe 2002, Technische Unterrichtung, bekannt.
Wegen ihrer flachen Bauform und leichten Herstellbarkeit, beispielsweise im Ätzverfahren, eignen sich sogenannte planare Antenneneinrichtungen oder Patch- Antennen für den Einsatz in den vorstehend genannten Radarsensoren besonders. Bei derartigen Antennen handelt es sich um eine flächige Anordnung von strahlenden Resonatoren (Antennenelemente bzw. Patch-Elemente / Patches), die jeweils mit definierter Amplitude und Phase belegt sind. Die Überlagerung der Strahlungsdiagramme der einzelnen Patch-Elemente ergibt das resultierende Strahlungsdiagramm der Antenne, wobei die Zeilen für die Charakteristik des Azimuts und die Spalten für die Charakteristik der Elevation verantwortlich sind. Die Antennenelemente werden üblicherweise in vertikal ausgerichteten Antennenspalten angeordnet. Viele Radarsensoren mit dem Einsatzgebiet der Umfelderfassung im Automobilbereich nutzen derartige planare Antennekonzepte. Ein Vorteil der planaren Antennenkonzepte ist die daraus resultierende geringe Bautiefe der Radarsenso- ren. Dadurch entsteht mehr Flexibilität beim Einbauort der Radarsensoren sowie neue Anwendungsgebiete beispielsweise durch einen Einbau im Seitenbereich des Fahrzeugs. Neben der Baugröße spielen selbstverständlich auch die Herstellungskosten der Radarsensoren eine wesentliche Rolle. Gerade bei planaren Antennenkonzepten, welche eine Signalauswertung auf den Einzelkanälen (kein HF-Beamforming) durchführen, stellt die Anzahl der verwendeten Mischer einen großen Kostenfaktor dar. Dabei spielt die Anordnung bzw. die Anzahl der Antennenpatches eine wesentliche Rolle. Bekannte Radarsensoren mit planaren Antenneneinrichtungen weisen in der Regel die Struktur eines Uniform Linear Array (ULA) auf. Dabei sind die Antennenspalten mit den Patchelementen in äquidis- tanten Abständen angeordnet, welche in der Regel im Bereich der Hälfte der
Wellenlänge in Luft (λ/2) liegt.
Zur Erzielung einer möglichst guten Winkelgenauigkeit mit der Radarsensorik, ist die Antennenapertur der entscheidende Faktor. Je größer die Antennenapertur ist, desto besser ist die Winkelgenauigkeit. Wird die Antennenapertur wie bei den bisher bekannten Radarsensoren mit einer Uniform Linear Array-Struktur versehen, so ist eine große Anzahl von Mischern vonnöten, was zu erhöhten Sensorgesamtkosten führt. In der DE 100 36 131 A1 wird ein Radarsensor zur Erfassung der Verkehrssituation im Umfeld eines Kraftfahrzeuges mit einem Trägerelement, mit einem Array von Patchantennen in Form einer Kombination eines gefüllten Subarrays von Patchantennen und eines ausgedünnten Subarrays von Patchantennen vorgeschlagen. Die Patchantennen sind jedoch redundant vorhanden, d. h. die Signal- beziehungen werden mehrfach gemessen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Radarsensorvorrichtung mit wenigstens einer plana- ren Antenneneinrichtung, welche mehrere vertikal ausgerichtete und als ausgedünntes Array in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander an- geordnete Antennenspalten, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Patch-Elemente aufweisen, vorgeschlagen, wobei das ausgedünnte Array von Antennenspalten derart mit minimaler Redundanz ausgeführt ist, dass die Menge der bestimmten Abstände der Antennenspalten zueinander in dem ausgedünnten Array sämtliche unterschiedlichen Abstände zwischen zwei beliebigen Antennenspalten eines korrespondierenden nicht-ausgedünnten Arrays einer planaren Antenneneinrichtung mit gleicher Antennenapertur und gleicher Beschaffenheit der Antennenspalten wenigstens einmal jedoch in minimal möglicher Anzahl aufweist.
Durch diese Maßnahmen wird ein sehr guter Kompromiss zwischen der geforderten Winkeleindeutigkeit und Winkelgenauigkeit unter Einsatz von sogenannten Minimum Redundancy Arrays (MRA) von Antennenspalten erreicht. Dabei wird die Anordnung der Antennenspalten mit Patchelementen nicht äquidistant augeführt, sondern unter Berücksichtigung des Prinzips der minimalen Redundanz mit augedünnten bzw. Sparse Arrays. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer weiteren erheblichen Reduzierung der Antennenspalten bzw. Patchelemente und damit auch der Anzahl der benötigten Mischer, wodurch eine Kostensenkung bei der Herstellung des Radarsensors erreicht wird. Dadurch, dass jeder Abstand zwischen den Antennenspalten also jede Phasenbeziehung wenigstens einmal aber so selten wie nur möglich vorhanden ist, wird eine minimale Redundanz erreicht. Sämtliche unterschiedlichen Abstände von beliebigen Kombinationen von Antennenspalten eines herkömmlichen bzw. nicht-ausgedünnten Arrays einer planaren Antenneneinrichtung mit derselben Apertur müssen vorhanden sein, um die Eindeutigkeit zu gewährleisten.
Die bestimmten Abstände der Antennenspalten zueinander können jeweils ein ganzzahliges Vielfaches eines konstanten Grundabstands sein. Vorteilhaft ist es, wenn der konstante Grundabstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge in Luft ist. Dann ergibt sich für den Bereich von +/- 90 Grad eine Eindeutigkeit.
Eine Vorrichtung, insbesondere ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs ist in Anspruch 4 angegeben. Nachfolgend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung prinzipmäßig beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines
Fahrerassistentsystems bzw. einer adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung in einem Kraftfahrzeug;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Arrays einer planaren Antenneneinrichtung mit vier Antennenspalten gemäß dem Stand der Technik;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Arrays einer planaren Antenneneinrichtung mit drei Antennenspalten für eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radarsensorvorrichtung; und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Arrays einer planaren Antenneneinrichtung mit vier Antennenspalten für eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radarsensorvorrichtung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ein in Figur 1 gezeigtes Kraftfahrzeug 10 mit einer adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 1 1 als Fahrerassistenzsystem weist als Objektdetektionssensor eine an der Frontpartie des Kraftfahrzeugs 10 angebrachte Radarsensorvorrichtung 12 auf, in deren Gehäuse auch eine Steuereinrichtung 14 der adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 1 1 untergebracht ist. Die Radarsensorvorrichtung 12 dient der Detektion von Objekten in einem Umfeld des Kraftfahrzeugs 10. Die Radarsensorvorrichtung 12 ist mit der Steuereinrichtung 14 verbunden. Die Steuereinrichtung 14 ist über einen Datenbus 16 (CAN, MOST, oder dergleichen) mit einer elektronischen Antriebs-Steuereinheit 18, einer Bremssystem- Steuereinheit 20 sowie mit einer HMI-Steuereinheit 22 einer Mensch-/Maschine- Schnittstelle verbunden. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können die Steuereinheit 14 und die HMI-Steuereinheit 22 auch in einer Steuereinrichtung der adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 12, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sein. Die Radarsensorvorrichtung 12 misst mit Hilfe eines Mehrstrahlradars die Abstände, Relativgeschwindigkeiten und Azimutwinkel von vor dem Kraftfahrzeug 10 befindlichen Objekten, welche Radarwellen reflektieren. Die in regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise alle 10 ms, empfangenen Rohdaten werden in der Steuereinrichtung 14 ausgewertet, um einzelne Objekte zu identifizieren und zu verfolgen und um insbesondere ein unmittelbar auf der eigenen Fahrspur vorausfahrendes Fahrzeug zu erkennen und als Zielobjekt auszuwählen.
Wie weiter aus Figur 1 ersichtlich, weist die erfindungsgemäße Radarsensorvorrichtung 12 eine planare Antenneneinrichtung mit Arrays 15.2 oder 15.3 von Antennenspalten 15b bis 15h (siehe Figuren 3 und 4) auf.
Figur 2 zeigt eine planare Antenneneinrichtung bzw. einen nicht-ausgedünnten Array 15.1 mit vier vertikal ausgerichteten und in einer Ebene parallel in Abständen zueinander angeordneten Antennenspalten 15a gemäß dem Stand der Technik. Die Antennenspalten 15a sind in äquidistanten, d. h. konstanten Grundabständen, welche der halben Wellenlänge λ in Luft entsprechen, zueinander angeordnet. Wie aus Figur 2 ersichtlich kommen als unterschiedliche Abstände 0,5 " Wellenlänge λ in Luft, 1 ,0 ■ Wellenlänge λ in Luft und 1 ,5■ Wellenlänge λ in Luft vor.
In Figur 3 ist eine planare Antenneneinrichtung für eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radarsensorvorrichtung 12 mit drei vertikal ausgerichteten und als ausgedünntes Array 15.2 in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander angeordneten Antennenspalten 15b, 15c und15d, welche jeweils mehrere liniengespeiste Patch-Elemente 23 aufweisen, dargestellt. Das ausgedünnte Array 15.2 von Antennenspalten 15b, 15c und 15d ist derart mit minimaler Redundanz ausgeführt, dass die Menge der bestimmten Abstände der Antennenspalten 15b, 15c und 15d zueinander in dem ausgedünnten Array 15.2 sämtliche unterschiedlichen Abstände zwischen zwei beliebigen Antennenspalten 15a des korrespondierenden nicht-ausgedünnten Arrays 15.1 aus Figur 1 einer planaren Antenneneinrichtung mit gleicher Antennenapertur und gleicher Beschaffenheit der Antennenspalten 15a wenigstens einmal jedoch in minimal möglicher Anzahl aufweist. Wie weiter aus Figur 3 ersichtlich, ist dabei zwischen den Antennenspalten 15b und 15c ein Abstand von 0,5■ Wellenlänge λ in Luft und zwischen den Antennenspalten 15c und 15d ein Abstand in Höhe von 1 ,0 ■ Wel- lenlänge λ in Luft vorgesehen. Darüber hinaus verbleibt zwischen den Antennenspalten 15b und 15d ein Abstand von 1 ,5■ Wellenlänge λ in Luft.
In Figur 4 ist eine planare Antenneneinrichtung für eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radarsensorvorrichtung 12 mit vier vertikal ausgerichteten und als ausgedünntes Array 15.3 in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander angeordneten Antennenspalten 15e, 15f, 15g und 15h gezeigt. Wie aus Figur 4 ersichtlich ist dabei zwischen den Antennenspalten 15e und 15f ein Abstand von 0,5■ Wellenlänge λ in Luft, zwischen den Antennenspalten 15f und 15g ein Abstand von 1 ,5■ Wellenlänge λ in Luft und zwischen den Antennenspalten 15g und 15h ein Abstand in Höhe von 1 ,0■ Wellenlänge λ in Luft vorgesehen. Des weiteren verbleibt zwischen den Antennenspalten 15e und 15g ein Abstand von 2,0■ Wellenlänge λ in Luft, zwischen den Antennenspalten 15f und 15h ein Abstand von 2,5■ Wellenlänge λ in Luft und zwischen den Antennenspalten 15e und 15h ein Abstand von 3,0■ Wellenlänge λ in Luft.
Die bestimmten Abstände der Antennenspalten 15a bis 15g zueinander sind jeweils ein ganzzahliges Vielfaches eines konstanten Grundabstands, nämlich der halben Wellenlänge λ in Luft.

Claims

Ansprüche
1 . Radarsensorvorrichtung (12) mit wenigstens einer planaren Antenneneinrichtung, welche mehrere vertikal ausgerichtete und als ausgedünntes Array (15.2, 15.3) in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander angeordnete Antennenspalten (15b bis 15h) aufweist, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Patch-Elemente (23) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgedünnte Array (15.2, 15.3) von Antennenspalten (15b bis 15h) derart mit minimaler Redundanz ausgeführt ist, dass die Menge der bestimmten Abstände der Antennenspalten (15b bis 15h) zueinander in dem ausgedünnten Array (15.2, 15.3) sämtliche unterschiedlichen Abstände zwischen zwei beliebigen Antennenspalten (15a) eines korrespondierenden nicht-ausgedünnten Arrays (15.1 ) einer planaren Antenneneinrichtung mit gleicher Antennenapertur und gleicher Beschaffenheit der Antennenspalten (15a) wenigstens einmal jedoch in minimal möglicher Anzahl aufweist.
2. Radarsensorvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmten Abstände der Antennenspalten (15b bis 15h) zueinander jeweils ein ganzzahliges Vielfaches eines konstanten Grundabstands sind.
3. Radarsensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Grundabstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge (λ) in Luft ist.
4. Vorrichtung, insbesondere Fahrerassistenzsystem (1 1 ) eines Kraftfahrzeugs (10) mit wenigstens einer Radarsensorvorrichtung (12) gemäß Anspruch 1 , 2 oder 3 zur Detektion von Objekten in einem Umfeld des Kraftfahrzeugs (10), und einer Steuereinrichtung (14), welche mit der wenigstens einen Radarsensorvorrichtung (12) verbunden ist.
PCT/EP2010/060316 2009-09-16 2010-07-16 Radarsensorvorrichtung mit wenigstens einer planaren antenneneinrichtung WO2011032745A1 (de)

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EP10731761A EP2478387A1 (de) 2009-09-16 2010-07-16 Radarsensorvorrichtung mit wenigstens einer planaren antenneneinrichtung
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