WO2024022992A1 - Antennenelement für ein radarsystem - Google Patents

Antennenelement für ein radarsystem Download PDF

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WO2024022992A1
WO2024022992A1 PCT/EP2023/070391 EP2023070391W WO2024022992A1 WO 2024022992 A1 WO2024022992 A1 WO 2024022992A1 EP 2023070391 W EP2023070391 W EP 2023070391W WO 2024022992 A1 WO2024022992 A1 WO 2024022992A1
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antenna element
channels
plastic body
element according
radar system
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PCT/EP2023/070391
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Birgit Möbius
Matthias Hauer
Tim Langner
Maximilian Schäffner
Sascha Möller
Christoph Klingshirn
Stanislaus Schmidt
Michael Sarlea
Marc Knapp
Florian Rieger
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Carl Freudenberg KG
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Carl Freudenberg KG
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P11/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing waveguides or resonators, lines, or other devices of the waveguide type
    • H01P11/001—Manufacturing waveguides or transmission lines of the waveguide type
    • H01P11/002—Manufacturing hollow waveguides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles
    • H01Q1/3208—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used
    • H01Q1/3233—Adaptation for use in or on road or rail vehicles characterised by the application wherein the antenna is used particular used as part of a sensor or in a security system, e.g. for automotive radar, navigation systems

Definitions

  • the invention relates to an antenna element for a radar system, comprising at least a first plastic body and at least a second plastic body, into which channels with metallized channel walls are introduced, which form waveguides, the first and the second plastic body being integrally connected to one another and pressed together, and wherein the first and second plastic bodies have projections on both sides of the channels, which form pressing edges towards the inner walls of the channel when the two components are pressed together.
  • Such an antenna element is known, for example, from US 6995637 B2.
  • Radar systems are often used in motor vehicles and form part of driver assistance systems.
  • radar systems record the surroundings and, based on the recorded data, enable an automatic reaction of a motor vehicle or at least information to the driver, in particular in the form of a warning.
  • this makes it possible to regulate the speed of a vehicle to a speed specified by the driver if the traffic situation this allows, whereby the speed is automatically adjusted to the traffic situation.
  • emergency situations that are detected by the radar system, for example caused by other vehicles unexpectedly changing lanes, automatic emergency braking can be initiated.
  • radar systems are often combined with other sensors, such as wheel sensors and camera sensors. Compared to other systems, radar sensor systems have the advantage that they are reliable even in bad weather conditions. In addition to recording distances to detected vehicles and objects, it is also possible to measure the relative speed to other vehicles by using the Doppler effect.
  • the antenna element is a central element that significantly influences the functionality of the radar sensor. It is known to form antenna elements from a plastic body, in which channels with metallized channel walls are introduced, which form a waveguide. The antenna element is arranged directly on the electrical component for sending and/or receiving radar signals.
  • the electrical component is usually a microchip in the form of a high-frequency chip, which is arranged on a circuit board.
  • Waveguides which are made up of several plate-shaped plastic bodies, must be joined together in a conductive manner. This can be achieved, for example, by pressing them together, soldering and/or gluing.
  • a waveguide in the WR10 format has a width of 2.54 mm and a height of 1.27 mm.
  • various problems arise when joining two waveguide halves.
  • several Waveguides run next to each other and must be separated from each other.
  • Current designs require such channels to be spaced a few mm apart from one another.
  • a tongue and groove system, such as B. described in US 10096880 B2 is then not possible, for example, as this results in double fits and constraining forces.
  • the invention is based on the object of providing an antenna element for a radar system which is characterized by high transmission quality, but can also be produced inexpensively and has a long service life. This task is achieved with an antenna element with all the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments are described in the subclaims.
  • an antenna element for a radar system comprising at least a first plastic body and at least a second plastic body, into which channels with metallized channel walls are introduced, which form the waveguides, the first and the second plastic body being integrally connected to one another and pressed together are, and wherein the first and the second plastic body have projections on both sides of the channels, which form press edges towards the channel inner walls when the two components are pressed together, on the sides of the projections facing away from the channels to arrange overflow grooves.
  • this invention proposes a design in which the waveguide is delimited by a press edge, on the surface of which a conductive contact is made by pressing.
  • An overflow groove runs along this pressing edge on the side facing away from the waveguide channel so that the wetting joining medium does not run into the waveguide channel.
  • This design enables a solder paste or adhesive application process with tolerance to positioning or shape deviations of the applied medium, thereby allowing the smallest waveguide channel spacing.
  • the depth and aspect ratio of the overflow groove can be optimized in such a way that possible losses due to destructive interference are reduced in the event of a gap between pressing edges lying on top of each other.
  • a possible design of the groove can, for example, have a rectangular cross section, which leads to a maximum contour length for a given depth and avoidance of undercuts.
  • Polymer-based materials for the production of such plate-shaped plastic bodies are, for example, combinations of polymers
  • PPS PPS, PEI, PPE/PA, LCP, PEI/PC, PPA (e.g. PARA), PEEK, PA6.6, if necessary with fillers.
  • the combination of the construction elements press edge and adjacent overflow groove according to the invention has various advantages.
  • the described arrangement and design of the press edge and overflow groove defines a thickness profile of the antenna plates in such a way that the reduction in thickness in the area of the overflow groove in combination with the subsequent jump in thickness influences the flow conditions when the plate is manufactured using the injection molding process in such a way that a for the function favorable material property profile is achieved. This can be the case, for example, because fillers in the injected mass align themselves in such a way that the press edges have a particularly high level of rigidity and resilience under pressure.
  • the extension of the contour-following distance from the edge of the joining zone to the edge of the waveguide channel as a result of the introduction of the recess allows the use of a connecting medium with special rheological properties, such as a lower viscosity or a different wetting behavior, since there is a risk of the connecting medium penetrating into the waveguide channel the geometric design is reduced.
  • a further advantage results from the fact that the combination of press edge and overflow groove achieves a defined pressure of the antenna plates towards one another that is concentrated on the surface of the press edges.
  • Suitable press edges may have the following dimensions, without limitation of generality: 0.35 mm height and 0.4 mm width, Suitable dimensions of the overflow groove are, without limitation of generality: 0.3 mm depth and 0.3 mm width
  • Fig. 1 in a schematic longitudinal sectional view in a detail of the channel inner walls of two waveguides in the connection area of the two plate-shaped plastic bodies.
  • FIG. 1 One can see in Figure 1 in a detail two waveguides 15 of an antenna element 10 for a radar system, which are introduced through channels 4 arranged one above the other in a first 1 and a second plastic body 2.
  • the channel walls are metallized to enable the microwaves to be conducted in the waveguides 15.
  • the two plastic bodies 1, 2 are materially connected to one another and pressed together.
  • Man also recognizes the press edges 3, which form gap-free connection areas on the inner channel walls after pressing.
  • overflow grooves 6 are arranged, into which excess connecting medium, such as adhesive or solder, can drain from the connecting area 5 of the two plate-shaped plastic bodies 1, 2 and therefore cannot penetrate into the area of the waveguides 15 .

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Abstract

Es wird ein Antennenelement (10) für ein Radarsystem (20), umfassend zumindest einen ersten Kunststoffkörper (1) und zumindest einen zweiten Kunststoffkörper (2) in welche Kanäle (4) mit metallisierten Kanalwänden eingebracht sind, die die Hohlleiter (15) bilden, wobei der erste (1) und der zweite Kunststoffkörper (2) stoffschlüssg miteinander verbunden und miteinander verpresst sind, und wobei der erste (1) und der zweite Kunststoffkörper (2) beidseitig von den Kanälen (4) Vorsprünge aufweisen, die beim Verpressen der beiden Bauteile (1, 2) miteinander zu den Kanalinnenwänden hin Presskanten (3) bilden, beschrieben, bei welchem, um eine Verunreinigung der Hohlleiter durch Verbindungsmedium zu vermeiden, auf der den Kanälen (4) abgewandten Seite der Presskanten (3) Überlaufnuten (6) vorgesehen sind.

Description

Antennenelement für ein Radarsystem
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Antennenelement für ein Radarsystem, umfassend zumindest einen ersten Kunststoffkörper und zumindest einen zweiten Kunststoffkörper, in welche Kanäle mit metallisierten Kanalwänden eingebracht sind, die Hohlleiter bilden, wobei der erste und der zweite Kunststoffkörper stoffschlüssg miteinander verbunden und miteinander verpresst sind, und wobei der erste und der zweite Kunststoffkörper beidseitig von den Kanälen Vorsprünge aufweisen, die beim Verpressen der beiden Bauteile miteinander zu den Kanalinnenwänden hin Presskanten bilden.
Ein derartiges Antennenelement ist beispielsweise aus der US 6995637 B2 bekannt.
Radarsysteme werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt und bilden dort einen Bestandteil von Fahrerassistenzsystemen. Hierzu erfassen Radarsysteme die Umgebung und ermöglichen anhand der erfassten Daten eine automatische Reaktion eines Kraftfahrzeugs oder zumindest eine Information des Fahrers, insbesondere in Form einer Warnung. Dadurch ist es einerseits möglich, die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs auf eine von dem Fahrer vorgegebene Geschwindigkeit zu regeln, wenn die Verkehrssituation dies zulässt, wobei automatisiert eine Anpassung der Geschwindigkeit an die Verkehrssituation erfolgt. In Notsituationen, die durch das Radarsystem erfasst werden, beispielsweise hervorgerufen durch unerwartete Spurwechsel anderer Fahrzeuge, kann eine automatische Notbremsung veranlasst werden. In Fahrerassistenzsystemen und Systemen des autonomen Fahrens werden Radarsysteme häufig mit weiteren Sensoren, beispielsweise Radsensoren und Kamerasensoren kombiniert. Radarsensysteme haben im Vergleich zu den anderen Systemen dabei den Vorteil, dass diese auch bei schlechten Wetterbedingungen zuverlässig sind. Darüber hinaus ist es möglich, neben der Erfassung von Abständen zu erfassten Fahrzeugen und Gegenständen über die Nutzung des Dopplereffekts auch die Relativgeschwindigkeit zu anderen Fahrzeugen messen zu können.
Bei einem Radarsystem bildet das Antennenelement ein zentrales Element, welches die Funktionsfähigkeit des Radarsensors maßgeblich beeinflusst. Dabei ist es bekannt, Antennenelemente aus einem Kunststoffkörper auszubilden, in welchen Kanäle mit metallisierten Kanalwänden eingebracht sind, welche einen Hohlleiter bilden. Das Antennenelement wird dabei direkt auf dem elektrischen Bauelement zum Senden und/oder Empfangen von Radarsignalen angeordnet.
Das elektrische Bauelement ist zumeist ein Mikrochip in Form eines Hochfrequenzchips, der auf einer Platine angeordnet ist.
Hohlleiter, die aus mehreren plattenförmigen Kunststoffkörpern aufgebaut sind, müssen leitfähig gefügt werden. Dies kann bspw. durch Aufeinanderpressen, Löten und/oder Kleben realisiert werden. Ein Hohlleiter im Format WR10 hat eine Breite von 2,54 mm und eine Höhe von 1 ,27 mm. In diesem filigranen Maßstab ergeben sich beim Fügen zweier Hohlleiterhälften verschiedene Probleme. Insbesondere, wenn wie in einer Hohlleiterantenne mehrere Hohlleiter nebeneinander verlaufen, die voneinander abgetrennt werden müssen. Bei aktuellen Designs besteht die Anforderung solche Kanäle im Abstand weniger mm aneinander entlangzuführen. Ein Nut-Feder-System, wie z. B. in der US 10096880 B2 beschrieben ist dann bspw. nicht möglich, da sich dadurch Doppelpassungen und Zwangskräfte ergeben.
In der US 6995637 B2 wird eine hohe Fügegenauigkeit unter Zuhilfenahme von sogenannten Presskanten im Verbindungsbereich der beiden Kunststoffkörper an den Kanalinnenwänden erzielt. Zur Ausbildung der Presskanten weisen die plattenförmigen Kunststoffkörper beidseitig der Kanäle Vorsprünge auf, die beim Aufeinanderpressen der plattenförmigen Kunststoffkörper aufeinander zum Anliegen kommen und aufgrund der kleineren Kontaktflächen einem hohen Pressdruck ausgesetzt sind. Dadurch entsteht ein spaltfreie Verbindung zwischen beiden Kunststoffkörpern im Bereich der Kanalinnenwandung.
Ein weiteres Problem ergibts sich aber dadurch, dass beim Löten und Kleben die flüssige Lotpaste oder der flüssige Klebstoff mit einer Genauigkeit im Zehntel-mm-Bereich aufgebracht werden. Lot oder Klebstoff darf dabei nicht in den Hohlleiterkanal gelangen, weil dadurch Übertragungsverluste erzeugt werden oder die Funktion des Hohlleiters sogar vollständig versagt. Während des Fügeprozesses benetzt das flüssige Medium die Oberfläche in schwierig vorhersehbarer Weise.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antennenelement für ein Radarsystem bereitzustellen, welches sich durch eine hohe Übertragungsqualität auszeichnet, aber auch kostengünstig herstellbar ist und eine lange Gebrauchsdauer aufweist. Diese Aufgabe wird einem Antennenelement mit allen Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei einem Antennenelement für ein Radarsystem, umfassend zumindest einen ersten Kunststoffkörper und zumindest einen zweiten Kunststoffkörper, in welche Kanäle mit metallisierten Kanalwänden eingebracht sind, die die Hohlleiter bilden, wobei der erste und der zweite Kunststoffkörper stoffschlüssg miteinander verbunden und miteinander verpresst sind, und wobei der erste und der zweite Kunststoffkörper beidseitig von den Kanälen Vorsprünge aufweisen, die beim Verpressen der beiden Bauteile miteinander zu den Kanalinnenwänden hin Presskanten bilden, auf der den Kanälen abgewandten Seiten der Vorsprünge Überlaufnuten anzuordnen.
Konkret wird in dieser Erfindung ein Design vorgeschlagen, in dem der Hohlleiter durch eine Presskante begrenzt wird, an deren Oberfläche ein leitfähiger Kontakt durch Anpressung hergestellt wird. Entlang dieser Presskante läuft eine Überlaufnut auf der dem Hohlleiterkanal abgewandten Seite, damit das benetzende Fügemedium nicht in den Hohlleiterkanal hineinläuft. Jenseits der Überlaufnut verläuft dann die eigentliche Fügezone, in der das Verbindungsmedium, beispielsweise Klebstoff oder Lot, eingebracht ist. Mit diesem Design wird eine Lotpasten- oder Klebstoffauftragsprozess mit Toleranz gegenüber Positionierungs- oder Formabweichungen des aufgebrachten Mediums ermöglicht, der dadurch kleinste Hohlleiterkanalabstände zulässt. Die Tiefe und das Aspektverhältnis der Überlaufnut lassen sich dahingehend optimieren, dass bei einer Lücke zwischen aufeinanderliegenden Presskanten mögliche Verluste durch destruktive Interferenz reduziert werden. Eine mögliche Ausführung der Nut kann beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, der zu einer maximalen Konturlänge bei gegebener Tiefe und Vermeidung von Hinterschnitten führt.
Polymerbasierte Werkstoffe für die Herstellung solcher plattenförmiger Kunststoffkörper sind beispielweise Kombinationen der Polymere
PPS, PEI, PPE/PA, LCP, PEI/PC, PPA (z.B. PARA), PEEK, PA6.6, ggf. mit Füllstoffen.
Die erfindungsgemäße Kombination der Konstruktionselemente Presskante und angrenzende Überlaufnut hat verschiedene Vorteile. Durch die geschilderte Anordnung und Gestaltung der Presskante und Überlaufnut wird ein Dickenprofil der Antennenplatten so definiert, dass durch die Verringerung der Dicke im Bereich der Überlaufnut in Kombination mit dem anschließenden Dickensprung die Strömungsverhältnisse bei einer Herstellung der Platte im Spritzgussverfahren so beeinflusst werden, dass ein für die Funktion günstiges Materialeigenschaftsprofil erreicht wird. Dies kann beispielsweise dadurch gegeben sein, dass sich Füllstoffe in der eingespritzten Masse so ausrichten, dass eine besonders hohe Steifigkeit und Belastbarkeit der Presskanten unter Druckbelastung vorliegt.
Weiterhin erlaubt die Verlängerung der konturfolgenden Strecke vom Rand der Fügezone bis zum Hohlleiterkanalrand in Folge der Einbringung der Vertiefung die Verwendung eines Verbindungsmediums mit speziellen rheologischen Eigenschaften, wie beispielsweise einer geringeren Viskosität oder einem unterschiedlichen Benetzungsverhalten, da die Gefahr des Eindringens des Verbindungsmediums in den Hohlleiterkanal durch die geometrische Gestaltung verringert ist. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass durch die Kombination aus Presskante und Überlaufnut eine definierte und auf die Oberfläche der Presskanten konzentrierte Anpressung der Antennenplatten zueinander erzielt wird. Dank der räumlichen Trennung der Fügeflächen von den Anpressflächen, die durch die zwischen diesen eingebrachte Nut geschieht, können die Auswirkungen potentiell vorliegender Schwankungen in der Fügezone, verursacht beispielsweise durch lokal variierende Dicken des Verbindungsmediums, auf die Anpresskraft im Bereich der Presskantenoberflächen verringert werden.
Geeignete Presskanten können ohne Beschränkung der Allgemeinheit die folgenden Abmessungen aufweisen: 0.35 mm Höhe und 0.4 mm Breite, Geeignete Abmessungen der Überlaufnut sind ohne Beschränkung der Allgemeinheit: 0.3 mm Tiefe und 0.3 mm Breite
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antennenelements wird nachfolgend anhand der Figur näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 in einer schematischen Längsschnittdarstellung in einem Ausschnitt die Kanalinnenwände zweier Hohlleiter im Verbindungsbereich der beiden plattenförm igen Kunststoffkörper.
Man erkennt in Figur 1 in einem Ausschnitt zwei Hohlleiter 15 eines Antennenelements 10 für ein Radarsystem, die durch übereinander angeordnete Kanäle 4 in einem ersten 1 und einem zweiten Kunststoffkörper 2 eingebracht sind. Die Kanalwände sind metallisiert, um eine Leitung der Mikrowellen in den Hohlleitern 15 zu ermöglichen. Die beiden Kunststoffkörper 1 , 2 sind stoffschlüssg miteinander verbunden und miteinander verpresst. Man erkennt weiterhin die Presskanten 3, die nach dem Verpressen spaltfreie Verbindungsbereiche an den Kanalinnenwänden bilden. Auf den den Kanalinnenwänden abgewandten Seiten der Vorsprünge Presskanten 3 sind Überlaufnuten 6 angeordnet, in die überschüssiges Verbindungsmedium, wie zum Beispiel Klebstoff oder Lot aus dem Verbindungsbereich 5 der beiden plattenförmigen Kunststoffkörper 1 , 2 ablaufen kann und somit nicht in den Bereich der Hohlleiter 15 eindringen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Antennenelement (10) für ein Radarsystem (20), umfassend zumindest einen ersten Kunststoffkörper (1 ) und zumindest einen zweiten Kunststoffkörper (2) in welche Kanäle (4) mit metallisierten Kanalwänden eingebracht sind, die die Hohlleiter (15) bilden, wobei der erste (1 ) und der zweite Kunststoffkörper (2) stoffschlüssg miteinander verbunden und miteinander verpresst sind, und wobei der erste (1 ) und der zweite Kunststoffkörper (2) beidseitig von den Kanälen (4) Vorsprünge aufweisen, die beim Verpressen der beiden Bauteile (1 , 2) miteinander zu den Kanalinnenwänden hin Presskanten (3) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass auf der den Kanälen (4) abgewandten Seite der Vorsprünge Überlaufnuten (6) vorgesehen sind.
2. Antennenelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Überlaufnuten (6) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
3. Antennenelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlaufnuten (6) keine Hinterschnitte aufweisen.
4. Antennenelement nach einem der der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffkörper (1 , 2) Polymere aufweisen ausgewählt aus der Gruppe PPS, PEI, PPE/PA, LCP, PEI/PC, PPA (z.B. PARA), PEEK, PA6.6 und/oder Kombinationen davon.
5. Antennenelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere Füllstoffe aufweisen.
6. Antennenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Presskanten (3) eine Höhe von 0.35 mm und eine Breite von 0.4 mm aufweisen. ntennenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlaufnut (6) eine Tiefe von 0.3 mm und eine Breite von 0.3 mm aufweist.
PCT/EP2023/070391 2022-07-26 2023-07-24 Antennenelement für ein radarsystem Ceased WO2024022992A1 (de)

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