WO2019158251A1

WO2019158251A1 - Antennenanordnung für einen radarsensor

Info

Publication number: WO2019158251A1
Application number: PCT/EP2018/084892
Authority: WO
Inventors: Marcel Mayer; Klaus Baur
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2018-02-15
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2019-08-22
Also published as: JP2021514153A; CN111712971A; KR20200115645A; KR102580246B1; DE102018202299A1; JP7034310B2; US11251542B2; US20200358207A1

Abstract

Antennenanordnung für einen Radarsensor, mit einer als Gruppenantenne ausgebildeten, als Sendeantenne betreibbaren Antenne (10) und einer als Empfangsantenne betreibbaren Antennenkonfiguration, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zusätzlich zu der als Gruppenantenne ausgebildeten ersten Antenne (10) eine zweite als Sendeantenne betreibbare Antenne (14) aufweist, die eine kleinere Apertur als die erste Antenne (10) hat, dass die erste und die zweite Antenne (10, 14) für das Senden von Radarwellen mit zueinander orthogonaler Polarisation ausgebildet sind, und dass die als Empfangsantenne betreibbare Antennenkonfiguration für beide Polarisationsrichtungen (z, y) empfindlich ist.

Description

Beschreibung

Titel

Antennenanordnuna für einen Radarsensor

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für einen Radarsensor, mit einer als Gruppenantenne ausgebildeten, als Sendeantenne betreibbaren Antenne und einer als Empfangsantenne betreibbaren Antennenkonfiguration.

Stand der Technik

Insbesondere befasst sich die Erfindung mit Radarsensoren, die in Kraftfahr- zeugen zur Ortung von vorausfahrenden Fahrzeugen und anderen Objekten 20 eingesetzt werden und eine relativ große Reichweite von 120 m oder mehr ha- ben.

Herkömmliche Antennenanordnungen für solche Radarsensoren weisen als Sendeantenne oder als kombinierte Sende- und Empfangsantenne eine Grup- penantenne mit relativ großer Apertur auf, die eine zumindest im Azimut relativ stark fokussierte Radarkeule erzeugt. Es sind auch Antennenanordnungen be- kannt, bei denen zusätzlich zu der stark fokussierenden Sendeantenne mehrere Empfangsantennen mit kleinerer Apertur vorgesehen sind, die in der Lage sind, Radarechos auch noch in einem größeren Winkelbereich um die Hauptabstrahl- richtung (0°-Richtung) der Antennenanordnung herum zu empfangen. Die Richtcharakteristik der stark fokussierenden Gruppenantenne weist jedoch schon bei relativ kleinen Winkeln beiderseits der 0°-Richtung ausgeprägte Mi- nima oder Nullstellen auf, so dass der Radarsensor für Objekte, die in dieser Richtung liegen, praktisch blind ist. Typischerweise liegen diese Nullstellen in der Richtcharakteristik bei der Azimutwinkeln in der Größenordnung von ±30°.

Um ein größeres Gesichtsfeld der Radarsensorik zu erreichen, ist es bisher üb- lich, den langreichweitigen Radarsensor mit einem oder mehreren kurzreichwei- tigen Radarsensoren zu kombinieren, die einen größeren Ortungswinkelbereich haben.

Eine andere Möglichkeit, bei einem langreichweitigen Radarsensor den nullstel- lenfreien Bereich um die 0°-Richtung herum zu vergrößern, besteht darin, die einzelnen Antennenspalten der Gruppenantenne geeignet zu tapern. Damit ist gemeint, dass die Breite und Höhe der einzelnen Antennenpatches innerhalb der Antennenspalte variiert wird. Aufgrund unvermeidlicher Fertigungstoleran- zen bei der Herstellung solcher Antennenanordnungen ist es jedoch schwierig, Antennenanordnungen mit vorgegebener Richtcharakteristik reproduzierbar herzustellen.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Antennenanordnung zu schaffen, die bei großer Reichweite einen vergrößerten nullstellenfreien Bereich um die 0°-Richtung herum hat und sich reproduzierbar fertigen lässt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anordnung zu sätzlich zu der als Gruppenantenne ausgebildeten ersten eine zweite als Sen- deantenne betreibbare Antenne aufweist, die eine kleinere Apertur als die erste Antenne hat, dass die erste und die zweite Antenne für das Senden von Ra- darwellen mit zueinander orthogonaler Polarisation ausgebildet sind, und dass die als Empfangsantenne betreibbare Antennenkonfiguration für beide Polarisa- tionsrichtungen empfindlich ist.

Durch die von der zweiten Sendeantenne emittierte, relativ weit aufgefächerte Radarkeule werden die Nullstellen im Antennendiagramm der ersten Antenne weitgehend aufgefüllt. Die Verwendung orthogonaler Polarisationen in den bei- den Sendeantennen verhindert, dass es zwischen den von den beiden Anten- nen gesendeten Radarwellen zu Interferenzen kommt, die wieder zu Nullstellen bei bestimmten Winkel führen würden. Dadurch wird eine lückenlose Überwa- chung des Verkehrsumfelds in einem erweiterten Winkelbereich ermöglicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die als Empfangsantenne betreibbare Antennenkonfiguration kann durch die erste und die zweite Antenne gebildet werden, die auch zum Senden der Ra- darwellen verwendet werden. Wahlweise ist es jedoch auch möglich, separate Antennen zum Senden und zum Empfangen zu verwenden. In einer Ausführungsform hat die zweite Antenne im Azimut eine kleinere

Apertur als die erste Antenne, so dass man einen erweiterten Ortungswinkelbe- reich im Azimut enthält. Es sind jedoch auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die zweite Antenne in Elevation eine kleinere Apertur hat als die erste Antenne, so dass man einen erweiterten Ortungswinkelbereich in Elevation er- hält. In einem typischen Radarsensor für Kraftfahrzeuge kommt es beim Durchtritt der Radarwellen durch das Radom des Radarsensors und/oder durch den Stoßfänger des Fahrzeugs zu einer gewissen Dämpfung, die von der Polarisa- tionsrichtung der Radarwellen abhängig ist. Bevorzugt werden deshalb die zu- einander orthogonalen Polarisationsrichtungen so gewählt, dass die Dämpfung am Radom und/oder Stoßfänger minimiert wird. Vielfach ist dazu eine vertikale Polarisation der von der ersten Antenne mit der größeren Apertur emittierten Strahlung vorteilhaft.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform wird die erste Antenne durch eine Gruppenantenne mit mehreren parallelen Antennenspalten gebildet, während die zweite Antenne durch eine einzelne Antennenspalte gebildet wird. In der Regel ist es dabei vorteilhaft, wenn die sogenannten Phasenquellpunkte der beiden Antennen, also die elektronischen Referenzpunkte der Antennen, auf derselben Position liegen. Dadurch wird erreicht, dass es auch bei stark von der 0°-Richtung abweichenden Winkeln (und auch bei unvollkommener Polarisati- onsentkopplung) nicht zu destruktiver Interferenz kommt. Wenn der nullstellen freie Bereich der Richtcharakteristik nicht ganz so groß zu sein braucht, kann jedoch auch ein gewisser Versatz zwischen den Phasenquellpunkten bestehen, sofern dies unter anderen Gesichtspunkten als wünschenswert erscheint.

Die mehreren Spalten der Gruppenantenne und die einzelne Spalte der zweiten Antenne können wahlweise seriell oder auch zentral gespeist werden. In jedem Fall stellt das Amplitudenverhältnis der Speisung zwischen der Einzelspalte und der Gruppenantenne einen Parameter dar, über den sich die Gewichtung zwi- schen Reichweite des Radarsensors und Größe des nullstellenfreien Winkelbe- reichs nach Bedarf anpassen lässt. In einer Ausführungsform umfasst die als Empfangsantenne betreibbare Anten- nenkonfiguration eine als Gruppenantenne ausgebildete erste Empfangsanten- ne, die für die Polarisationsrichtung der ersten Sendeantenne eine höhere Emp- findlichkeit hat als für die Polarisationsrichtung der zweiten Sendeantenne, und eine zweite Empfangsantenne mit kleinerer Apertur, die für die Polarisations- richtung der zweiten Sendeantenne eine höhere Empfindlichkeit hat als für die Polarisationsrichtung der ersten Antenne. Dabei kann die erste Empfangsan- tenne mit der ersten Sendeantenne identisch sein und die zweite Empfangsan- tenne mit der zweiten Sendeantenne identisch sein (monostatisches Antennen- konzept).

In noch einer anderen Ausführungsform ist die als Empfangsantenne betreibba- re Antennenkonfiguration Polarisationsrein ausgebildet, d.h., jede von mindes- tens zwei Empfangsantennen ist praktisch ausschließlich für eine der beiden Polarisationsrichtungen empfindlich, so dass man die doppelte Zahl von Aus- wertungskanälen zur Verfügung hat und mit einem einzigen Radarsensor so- wohl den Fernbereich als auch den Nahbereich abdecken kann.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläu- tert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung; und

Fig. 2 eine Richtcharakteristik der Antennenanordnung gemäß Fig. 1.

Die in Fig. 1 gezeigte Antennenanordnung weist eine erste Antenne 10 in der Form einer planaren Gruppenantenne mit sechs parallelen Antennenspalten 12 auf. Die sechs Antennenspalten 12 sind in zwei Gruppen zu je drei Spalten auf- geteilt, zwischen denen eine Lücke besteht, die von einer zweiten Antenne 14 ausgefüllt wird.

Die sechs Spalten der ersten Antenne 10 und die einzelne Spalte der zweiten Antenne 14 werden durch ein gemeinsames Speisenetzwerk 16 seriell mit ei- nem Hochfrequenzsignal mit der Wellenlänge l gespeist. Die Anschlusspunkte aller sieben Antennenspalten an das Speisenetzwerk 16 liegen in gleichmäßi- gen Abständen, die der Wellenlänge l entsprechen, so dass alle Antennenspal- ten gleichphasige Signale erhalten. Der Anschlusspunkt der einspaltigen An- tenne 14 liegt dabei mittig zwischen den Anschlusspunkten der Antennenspal- ten 12, und die erste Antenne 10 und die zweite Antenne 14 haben einen ge- meinsamen Phasenquellpunkt 18.

Jede Antennenspalte 12 der ersten Antenne besteht im gezeigten Beispiel aus fünf in vertikaler Richtung (oder wahlweise auch oder nur in horizontaler Rich- tung) getaperten Antennenpatches 20, die jeweils die Höhe l/2 haben. Die ers- te Antenne 10 emittiert somit Radarstrahlung, die in einer ersten Polarisations- richtung z polarisiert ist. Als Beispiel kann angenommen werden, dass die Antennenanordnung auf einer Platine eines Radarsensors gebildet ist, der so in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, das die Platine und damit die Ebene der Antennen 10, 14 vertikal orientiert ist und die Normale auf dieser Ebene parallel zur Längsachse des Fahrzeugs verläuft. Die Radarstrahlung der ersten Antenne 10 ist dann also vertikal polari- siert, und aufgrund der großen Apertur der Antenne 10 im Azimut ist die Strah- lung in horizontaler Richtung scharf fokussiert.

Die durch eine Einzelspalte gebildete zweite Antenne 14 weist zehn Patches 22 auf, die jedoch rechtwinklig von der zugehörigen Speiseleitung ausgehen (ab- wechselnd nach entgegengesetzten Richtungen) und somit Radarstrahlung emittieren, die in einer zweiten Polarisationsrichtung y, rechtwinklig zu der ers- ten Polarisationsrichtung z, linear polarisiert linear ist. Da die Apertur der zwei- ten Antenne 14 im Azimut nur etwa 1 /7 der Apertur der ersten Antenne 10 be- trägt, ist die von der zweiten Antenne 14 emittierte Strahlung im Azimut relativ weit aufgefächert, so dass - bei geringerer Reichweite - ein deutlich größerer Winkelbereich abgedeckt wird als mit der Radarstrahlung von der ersten Anten- ne 10.

Als Beispiel kann angenommen werden, dass die erste Antenne 10 und die zweite Antenne 14 in dem hier betrachteten Radarsensor sowohl die Funktion von Sendeantennen als auch die Funktion von Empfangsantennen haben. Das empfangene Radarecho wird dann in bekannter Weise mittels eines an das Speisenetzwerk 16 angeschlossenen Kopplers ausgekoppelt und von dem Sendesignal getrennt, so dass man von beiden Antennen 10, 12 gemeinsam nur ein einziges Empfangssignal in einem einzigen Auswertungskanal erhält.

In Fig. 2 ist die Richtcharakteristik der in Fig. 1 gezeigten Antennenanordnung graphisch dargestellt. Diese Richtcharakteristik gibt den Antennengewinn G als Funktion des Azimutwinkels Q an. Man erkennt, dass der Gewinn bei dem Azi- mutwinkel 0° ein Maximum hat, das von Minima bei etwa ±30° flankiert wird, insgesamt jedoch nur relativ geringe Schwankungen zeigt. Würde man statt- dessen die Richtcharakteristik der ersten Antenne 10 für sich allein betrachten, so hätte man bei etwa ±30° deutlich ausgeprägtere Minima, so dass von Objek- ten, die sich bei diesen Winkeln befänden, praktisch kein Signal mehr zu detek- tieren wäre. Durch das Signal der zweiten Antenne 14 werden diese Lücken aufgefüllt. Die Erfindung ermöglicht so eine zuverlässige Ortung von Objekten über einen sehr großen Azimutwinkelbereich, wobei die Empfindlichkeit auch in der Nähe der Minima bei ±30° nur wenig herabgesetzt ist. In einer anderen Ausführungsform könnte auch bistatisches Antennenkonzept verwirklicht sein, bei dem die in Fig. 1 gezeigten Antennenanordnung mindes- tens zweifach vorhanden ist, einmal als Sendeantenne und einmal als Emp- fangsantenne.

Weiterhin wäre auch eine Antennenanordnung denkbar, bei der die in Fig. 1 gezeigte Anordnung mit den Antennen 10 und 14 als Sendeantenne benutzt wird und für den Empfang der Radarsignale zwei separate Empfangsantennen vorgesehen sind, von denen eine ausschließlich für die vertikale Polarisations- richtung z und die andere ausschließlich für die horizontale Polarisationsrich- tung y empfindlich ist. In dem Fall lassen sich die unterschiedliche polarisierten Radarechos in zwei Empfangskanälen getrennt auswerten, wobei der eine Empfangskanal einem Fernbereichssensor und der andere Empfangskanal ei- nem Nahbereichssensor entspricht.

Claims

. g . Ansprüche

1. Antennenanordnung für einen Radarsensor, mit einer als Gruppenanten- ne ausgebildeten, als Sendeantenne betreibbaren Antenne (10) und einer als Empfangsantenne betreibbaren Antennenkonfiguration, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zusätzlich zu der als Gruppenantenne ausgebildeten ersten Antenne (10) eine zweite als Sendeantenne betreibbare Antenne (14) aufweist, die eine kleinere Apertur als die erste Antenne (10) hat, dass die erste und die zweite Antenne (10, 14) für das Senden von Radarwellen mit zueinan- der orthogonaler Polarisation ausgebildet sind, und dass die als Empfangsan- tenne betreibbare Antennenkonfiguration für beide Polarisationsrichtungen (z, y) empfindlich ist.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1 , bei der die zweite Antenne (14)

15 im Azimut eine kleinere Apertur hat als die erste Antenne (10).

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste Antenne (10) und die zweite Antenne (14) einen gemeinsamen Phasenquellpunkt (18) haben.

4. Antennenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste Antenne (10) mehrere Antennenspalten (12) mit mehreren Antennen- atches (20) aufweist und die zweite Antenne (14) mindestens eine Antennen- spalte mit mehreren Antennenpatches (22) aufweist, wobei die Anzahl der An- tennenspalten der zweiten Antenne (14) kleiner ist als die der ersten Antenne (10).

5. Antennenanordnung nach Anspruch 4, bei der die Antennenpatches (20) der ersten Antenne (10) so geformt sind, dass sie Radarwellen emittieren, de- ren Polarisationsrichtung (z) zur Längsrichtung der Antennenspalten (12) paral- lei ist, während die zweite Antenne (14) Antennenpatches (22) aufweist, die so geformt sind, dass sie Radarwellen emittieren, deren Polarisationsrichtung (y) rechtwinklig zur Längsrichtung der Antennenspalte ist.

6. Antennenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste Antenne (10) und die zweite Antenne (14) Teil der als Empfangsan- tenne betreibbaren Antennenkonfiguration sind.

7. Antennenanordnung nach Anspruch 6, bei der die erste Antenne (10) und die zweite Antenne (14) aus einem gemeinsamen Speisenetzwerk (14) ge- speist werden und als Empfangsantennen ein einheitliches Empfangssignal liefern.

8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die als Empfangsantenne betreibbare Antennenkonfiguration mindestens zwei Anten- nen aufweist, die von der ersten Antenne (10) und der zweiten Antenne (14) verschieden sind und die jeweils selektiv für eine der beiden Polarisationsrich- tungen (z, y) empfindlich sind.

9. Radarsensor für Kraftfahrzeuge, gekennzeichnet durch eine Antennenano- rdnung gemäß einem der ersten vorstehenden Ansprüche.