WO2024132052A1 - Antenna device and operating method for the antenna device for locating objects, and motor vehicle having the antenna device - Google Patents

Antenna device and operating method for the antenna device for locating objects, and motor vehicle having the antenna device Download PDF

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WO2024132052A1
WO2024132052A1 PCT/DE2023/200254 DE2023200254W WO2024132052A1 WO 2024132052 A1 WO2024132052 A1 WO 2024132052A1 DE 2023200254 W DE2023200254 W DE 2023200254W WO 2024132052 A1 WO2024132052 A1 WO 2024132052A1
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WO
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antenna
antennas
signal
localization
antenna device
Prior art date
Application number
PCT/DE2023/200254
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German (de)
French (fr)
Inventor
Mario Schuehler
Burak SAHINBAS
Nicholas Christopoulos
Lars Weisgerber
Michael Vaith
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
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Definitions

  • Antenna device and operating method for the antenna device for locating objects and motor vehicle with the antenna device is antenna device and operating method for the antenna device for locating objects and motor vehicle with the antenna device
  • an arrangement of several antennas can be provided in order to be able to provide direction-based and/or distance-based localization functions based on radio signals.
  • One such localization function is UWB technology (UWB - ultra wide band) for e.g. radio keys, in order to localize a radio key located in an external environment of the motor vehicle or another device acting as a radio key, such as a smartphone, at least in relation to its distance from the motor vehicle.
  • Another localization function is CPD (child presence detection), which is based on radar technology in that a radio signal is emitted by means of the antenna device and the reflected radio signal is used to evaluate whether a person, in particular a small person, is in the external environment of the motor vehicle.
  • the invention is based on the object of providing one or more localization functions in a motor vehicle with little circuitry effort.
  • the invention comprises an antenna device having four or more than four antenna connections for connecting a respective antenna and having a control circuit having two or more than two signal ports.
  • the antenna device can be implemented, for example, on a printed circuit board (PCB).
  • the control circuit can be provided, for example, as a chipset.
  • An antenna connection can be realized, for example, as a coaxial connection and/or by means of conductor tracks.
  • a signal port can be a receiving port (Rx port) that can receive a received signal from an antenna connected to one of the antenna connections.
  • the signal port can, for example, lead to a signal amplifier of the control circuit.
  • a corresponding chipset with signal ports can be taken from the prior art.
  • the invention comprises that each of the signal ports is connected (connected) via a switching unit to two or more than two of the antenna connections.
  • each signal port can be connected to a group of several of the antennas via one of the switching units.
  • the antenna connections that lead to one antenna each are therefore grouped, with each connection group being connected via a switching unit. is connected to one of the signal ports.
  • each of the switching units is connected to other antennas.
  • the respective switching unit is designed to assume one of several predetermined switching states depending on a control signal, in which it then electrically connects or keeps connected the signal port connected to it with another of the antenna connections connected to it.
  • “Switching state” means that the switching unit electrically connects the signal port to one of the antenna connections, while each additional antenna connection has no electrically conductive connection to the signal port. It is therefore provided that only one of the antenna connections is electrically connected to the signal port, and a different one in each of the switching states. By changing the switching state, another of the antenna connections is electrically connected to the signal port. Switching between the switching states can be achieved by means of a control signal at a control input of the respective switching unit.
  • control circuit is connected to the respective control input of the switching directions and the control circuit has a control logic which, when executed by the control circuit, causes it to generate the control signal for the switching units. This selects the antennas (antenna connections) whose received signal is forwarded to the signal ports. One or at least two different predefined localization methods are then applied alternately to these received signals received via the signal ports in order to respectively localize at least one object.
  • the "control logic" provided for this purpose can be implemented in the control circuit, for example, as a program and/or on the basis of logic gates and/or by design as an AS IC (Application Specific Integrated Circuit). When the control circuit is in operation, this control logic is then active, i.e., for example, the program is executed.
  • the control circuit uses the control signal to determine the switching states of the switching units, whereby at each signal port one of the antenna connections is electrically connected to the signal port.
  • the reception signals received via these antenna connections from the antenna connected to it are then passed through to the associated/connected signal port and the received or incoming reception signals are then processed by the currently active localization method.
  • the person skilled in the art can implement a known method from the prior art in the control circuit as the localization method.
  • the decisive factor is that this can be operated alternately with other antenna constellations by switching the switching units.
  • the respective localization method can include a distance measurement and/or a direction estimate.
  • Corresponding localization methods are known from the prior art.
  • a radio key or an electrical device that functions as a radio key can be localized as an object in the manner described if the localization method involves a UWB radio key system.
  • a person particularly a child, i.e. a person with a height of less than 1.50 meters, can be located as an object if the localization process involves the CPD process described above.
  • the associated CPD function includes the recognition of children up to 6 years of age, i.e. the limit refers to age.
  • the invention provides the advantage that, despite a fixed antenna arrangement of antennas connected to the antenna connections, the localization method or several different localization methods with different antenna constellations can still be operated by means of the antenna device by setting corresponding switching states in the switching units. For example, it is sufficient to provide a control circuit with only two signal ports in order to be able to operate one or more localization methods with different antenna constellations, which can be formed with four or more than four antennas, for example. This advantageously reduces the need to provide a separate signal port for each antenna. In other words, each antenna connection is assigned to exactly one signal port with which it can be electrically connected by a corresponding switching state of the intermediate switching unit.
  • the invention also includes further developments which result in additional advantages.
  • a further development includes one or more or each localization method providing different switching states of the switching units for different consecutive measurement cycles.
  • a localization method does not just perform a single measurement, but repeats several measurements one after the other, each of which represents a measurement cycle.
  • the localization method is then used with different antennas or operated with reception signals from different antennas. The same localization method can thus be carried out with little effort on the basis of different antenna constellations.
  • the localization results from the different measurement cycles can then be advantageously combined to obtain more precise localization.
  • a further development includes one or more or each localization method for localizing the at least one object comprising a phase-based angle of arrival estimation, AoA (Angle of Arrival), using the received signals sent to the signal ports.
  • AoA Angle of Arrival
  • a further development comprises that one or more or each localization method comprises that it comprises at least two measurement cycles, both of which comprise the angle of incidence estimation, wherein in the measurement cycles different ones of the antenna connections are connected to the signal ports.
  • the localization method can carry out two different measurements of the angle of incidence based on different antennas, in particular with antennas that have different distances, wherein the localization results of the different measurement cycles can then be combined, for example by forming an average or by excluding ambiguities in the other localization result based on one of the localization results.
  • a further development includes one or more or each localization method for localizing the at least one object comprising a runtime-based distance measurement carried out on the signals sent to the signal ports.
  • a runtime-based distance measurement can, for example, provide that a transmission signal is transmitted by means of the antenna arrangement and a runtime until an associated or corresponding reception signal is received is measured and from this a distance measurement of the object responding or generating the reception signal is measured.
  • a further development includes one or more or each localization method comprising at least two measurement cycles, one of which comprises the angle of incidence estimation and another the time-of-flight-based measurement.
  • a localization method two measurement principles are combined.
  • a different antenna constellation can be set by changing the switching states for each measurement principle (e.g. angle of incidence estimation or time-of-flight-based measurement) without the need for an additional signal port.
  • the Antenna device also includes the antennas themselves. These antennas can be integrated in a circuit board, for example as a slot antenna or patch antenna, or they can be connected to a circuit board of the control circuit or a circuit board of the antenna connections, for example via coaxial cable.
  • One or more or each localization method comprises in each case comprising at least two measuring cycles, of which in one of the measuring cycles the signal ports are connected to those of the antennas whose distance is less than or equal to half a wavelength of a transmission frequency of a transmission circuit of the antenna device used in the measuring cycle and in another of the measuring cycles the signal ports are connected to those of the antennas whose distance is greater than half a wavelength of a transmission frequency of the transmission circuit used in the measuring cycle.
  • a clear measurement with respect to phase offset is made once during a measurement at an antenna distance of less than or equal to half the wavelength, while in the other measuring cycle an ambiguous measurement with respect to phase differences is made due to the distance of the antennas being greater than half the wavelength.
  • the transmitter circuit can be part of the control circuit, e.g. part of the chipset in question.
  • the localization procedure involves generating an ambiguous localization result in the measurement cycle with the antenna distance greater than half the wavelength and making the localization result unambiguous in the measurement cycle with the antenna distance less than or equal to half the wavelength.
  • ambiguous localization results can be excluded or lead to an unambiguous Localization results can be reduced by using the measurement cycle with an antenna spacing of less than or equal to half the wavelength to identify the spatial sector in which one of the ambiguous localization results lies or points.
  • the advantages of a large antenna spacing greater than half the wavelength
  • a further development includes the antennas being arranged to form an antenna array in which the antennas are arranged equidistantly with a grid spacing of less than or equal to half the wavelength.
  • An equidistant antenna array advantageously makes it possible to use any two adjacent antennas for a measurement cycle with an antenna spacing of less than or equal to half the wavelength.
  • An alternative development comprises that only two or only some of the antennas are arranged at a distance of less than or equal to half the wavelength of the transmission frequency and two or some of the antennas are arranged at a distance of greater than half the wavelength from at least one other of the antennas across an antenna-free gap.
  • the spatial sector in which the object is located can be identified without precise localization being possible using this antenna pair (antenna distance less than or equal to half the wavelength).
  • another antenna pair with an antenna spacing greater than half the wavelength can be used, for which, however, the described ambiguous localization result, which can then be disambiguated.
  • a further development includes at least one of the signal ports being additionally designed as a transmit and receive port (Tx-Rx port), which generates a transmit signal to emit via the currently electrically connected antenna to generate the receive signals and then receives one of the receive signals in a receive mode.
  • Tx-Rx port transmit and receive port
  • no additional signal port is required to achieve active localization, i.e. location, using a transmit signal.
  • a signal port is switched to transmit and the transmit signal (radio signal) is transmitted and then the signal port is switched to receive and the response signal or reflection signal, i.e. the radio signal or transmit signal reflected from the at least one object, is received as a receive signal and fed to the signal port.
  • the transmit signal radio signal
  • the response signal or reflection signal i.e. the radio signal or transmit signal reflected from the at least one object
  • a further development includes one of the localization methods being radar-based child detection (CPD - child presence detection) and another of the localization methods being UWB-based radio key localization (UWB - ultra wide band, i.e. a bandwidth greater than 0.5 MHz, in particular more than 1 MHz).
  • CPD - child presence detection radar-based child detection
  • UWB-based radio key localization UWB - ultra wide band, i.e. a bandwidth greater than 0.5 MHz, in particular more than 1 MHz.
  • Transmission frequencies for the measurement cycles can be in a range from 1 GHz to 10 GHz.
  • Radio signals from a radio key standard and/or radar standard can be used, to name just a few examples of the application area of the antenna device.
  • a further development includes the respective switching unit having at least one electrically controllable switching element, each of which comprises a transistor, in particular a GaAs transistor.
  • a transistor in particular a GaAs transistor.
  • GaAs transistors has the additional advantage that high-frequency signals in a range of up to 10 gigahertz can be transmitted between the antenna connection and the signal port via the switching unit with low loss.
  • Other transistors can be used, such as HEMTs (high electron mobility transistors).
  • Diodes or MEMS can also be used as switches.
  • the invention comprises a method for operating an embodiment of the antenna device, wherein, in order to localize at least one object, electromagnetic radiation (radar or UWB) emanating from the object is received by means of several antennas and converted into a respective received signal.
  • the method can be implemented in the manner described as program code of a microprocessor or microcontroller of the control circuit and/or as a logic gate and/or as an ASIC in the control circuit. It can be part of a chipset, which can also have the signal ports described.
  • the chipset or the control circuit is thus connected, for example, on a circuit board to the antenna connections via switching units, wherein each switching unit connects or connects one of the signal ports to several of the antenna connections.
  • one of the antenna connections is then electrically connected to the respective signal port.
  • the setting of the switching states can be carried out in the manner described by a control signal of the control circuit itself, for example according to the control logic, so that depending on the active localization method, an associated switching state of the switching units is set and the switching states for the different measuring cycles are changed accordingly as specified.
  • Only some of the antennas are connected via a respective switching unit to another of several signal ports of a control circuit of the antenna circuit and according to a switching state of the switching unit, the reception signal of only one of the antennas is received by the respective signal port.
  • the control circuit applies a predetermined localization method to the received signals, which includes connecting different antennas to the signal ports in successive measurement cycles by setting a respective switching state of the switching units and combining localization results generated from the different measurement cycles by applying the respective localization method.
  • the expert can determine or control which localization method is currently active or is applied to the received signals as required.
  • a localization method can also be carried out repeatedly on the basis of different antenna constellations and the localization results from the different measurement cycles can be combined.
  • a localization method can also be implemented in such a way that different measuring principles, for example distance measurement and/or angle of incidence estimation, can be applied for the individual measuring cycles in order to determine, for example, the angle of incidence and the distance for the localization method or in localization methods by combining them.
  • the invention also includes further developments of the method according to the invention which have features as have already been described in connection with the further developments of the antenna device according to the invention. For this reason, the corresponding further developments of the method according to the invention are not described again here.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention, in which an embodiment of the antenna device according to the invention can be provided which carries out an embodiment of the method according to the invention;
  • Fig. 2 is a schematic representation of an antenna arrangement of antennas
  • Fig. 3 is a sketch illustrating an embodiment of the method according to the invention with two measuring cycles of a localization method
  • Fig. 4 is a schematic representation of the switching states of switching units for carrying out the method according to Fig. 3;
  • Fig. 5 is a sketch illustrating an embodiment of the method according to the invention with two measuring cycles for a localization method
  • Fig. 6 is a schematic representation of switching states of the switching units for carrying out the method according to Fig. 5;
  • Fig. 7 is a schematic representation of a second antenna arrangement as may be provided for the antenna device;
  • Fig. 8 is a sketch illustrating a method based on the second antenna arrangement
  • Fig. 9 is a schematic representation of switching states of the switching units for carrying out the method according to Fig. 8;
  • Fig. 10 is a schematic representation of a third antenna arrangement of antennas as may be provided for the antenna device
  • Fig. 11 is a sketch illustrating a method as can be provided by means of the third antenna arrangement for a localization method with at least two measuring cycles;
  • Fig. 12 is a schematic representation of switching states of the switching units for carrying out the method according to Fig. 11;
  • Fig. 13 is a schematic representation of variants of a linear antenna arrangement, wherein the variants differ with respect to the polarizations or the polarization orientation of the antennas;
  • Fig. 14 several variants of a rectangular or square or circular antenna arrangement, wherein the variants differ in the orientation of the polarizations of the antennas;
  • Fig. 15 several variants of an L-shaped antenna arrangement of antennas, wherein the variants differ with respect to the orientation of the polarizations of the antennas;
  • Fig. 16 is a schematic representation of a T-shaped antenna arrangement of antennas, where the variants differ in terms of the orientation of the polarizations of the antennas.
  • the exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention.
  • the described components of the embodiment each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which also develop the invention independently of one another and are therefore to be considered as part of the invention individually or in a combination other than that shown.
  • the described embodiment can also be supplemented by other features of the invention that have already been described.
  • Fig. 1 shows a motor vehicle 10, which can in particular be a road vehicle, for example a passenger car or truck.
  • An antenna device 11 can be provided in the motor vehicle 10, which can be arranged, for example, on a roof or under a roof of the motor vehicle 10.
  • the antenna device 11 can have antennas 12, in particular four antennas 12. To distinguish the antennas in the following text, they are distinguished from one another by serial numbers 1, 2, 3, 4.
  • Radio signals 14 can be received from an external environment 13 of the motor vehicle 10 by means of the antennas 12 of the antenna device 11. Additionally or alternatively, an interior space in the vehicle can be covered or monitored.
  • the radio signals 14 converted into electrical signals by the antennas 12 can be passed to a control circuit 16 of the antenna device 11.
  • the antenna signals of all antennas 12 are not forwarded, but only a selection of them is forwarded as a respective reception signal 17 to a signal input or signal port 18 of the control circuit 16.
  • the Control circuit 16 can be implemented, for example, on a circuit board, for example on the basis of a chipset or an electronic circuit. To distinguish the signal ports 18, these are referred to below as Rx1, Rx2.
  • a localization method L1, L2 can be carried out using the received signals 17.
  • Several localization methods L1, L2 can be implemented, whereby one of the localization methods L1, L2 can be currently active.
  • a microprocessor or CPU20 of the control circuit 16 can carry out the respective localization method L1, L2.
  • a localization result 21 resulting from application of the respective localization method L1, L2 to the received signals 17 can be signaled in the motor vehicle 10 to a control unit 22, which can then output control commands 23 to at least one actuator 24 of the motor vehicle 10, for example a central locking system and/or an automated driving function, depending on the localization result 21.
  • the localization method L1 can, for example, provide for localization of an electrical device acting as a radio key 25, for example a radio key itself or a smartphone.
  • the radio signal 14 received for this purpose by the radio key 25 can be a UWB signal in a manner known per se.
  • the localization method L2 can, for example, provide for radar-based person detection, wherein for this purpose a transmission signal 26 can be emitted by means of the antenna device 11 via one of the antennas 12, which can be reflected by a person 27 and returned to the antennas 12 as a radio signal 14.
  • the radio key 25 or the person 27 thus each represent an object 0 that is localized in the external environment 13. Localization in an interior of the motor vehicle 10 can also be provided by means of the antennas 12.
  • different antenna constellations formed from the antennas 12 can be formed, the active antennas 12 of which In order to provide the received signal 17 at the signal ports 18, the signal ports 18 can be connected to the antennas 12 via switching units 30, which can also be arranged on the circuit board or a circuit board of the control circuit 16, for example.
  • the signal ports 18 can be connected to respective antenna connections 31 via the switching units 30, wherein one of the antennas 12 can be connected to each antenna connection 31.
  • the antennas 12 can also be implemented on the circuit board PCB for this purpose, for example as a monopole antenna, dipole antenna, patch antenna or slot antenna, or they can be electrically connected to the antenna connections 31 as separate components, for example via a coaxial cable.
  • FIG. 1 shows how a different switching state 32 can be set for the different measuring cycles C1, C2 in the respective switching unit 30, which is symbolized by a solid or dashed line.
  • the switching unit 30 can have at least one switching element 33, for example at least one transistor, for setting the respective switching state 32.
  • the lines symbolize which of the antenna connections 31 is electrically connected to the assigned or connected signal port 18 in the respective switching state 32.
  • the switching states 32 can be controlled by means of a switching signal 34 by the control circuit 16, for example its microprocessor or CPU 20.
  • the switching units 30 are distinguished from one another below by the designation S-Rx1, S-Rx2 (S stands for switch).
  • Fig. 2 illustrates a possible structural arrangement of the antennas 12, which can be provided here as an equidistant, for example linear antenna array.
  • a grid spacing d i.e. an antenna spacing d, between adjacent antennas can be less than or equal to half the wavelength X, i.e. d ⁇ A/2.
  • the antenna arrangement shown in Fig. 2 is referred to as antenna arrangement I in the following.
  • Fig. 3 illustrates how, in the method for carrying out one of the localization methods or both localization methods L1, L2, a first antenna combination or sequence of antenna combinations l-l can be carried out by setting the illustrated switching states for two consecutive switching cycles C1, C2.
  • Fig. 4 illustrates the corresponding switching states for the two measuring cycles C1, C2.
  • Fig. 5 illustrates an antenna combination I-III for the antenna arrangement I.
  • Fig. 6 illustrates the corresponding switching states for the two measuring cycles C1, C2, as they can be provided in the two switching units S-Rx1, S-Rx2.
  • Fig. 7 illustrates a second antenna arrangement II, in which in a linear antenna array with four antennas 12 the inner antennas 2, 3 have an antenna spacing d which is less than or equal to half the wavelength X and the outer antennas 1, 4 have at least a distance D>d from the inner antennas 2, 3, so that the antennas 1, 4 have a distance D greater than half the wavelength from the next antenna in an antenna-free space 50.
  • Fig. 8 illustrates an antenna combination II-III based on the antenna arrangement II, as it can be adjusted for two measuring cycles C1, C2 for one or both localization methods.
  • Fig. 9 illustrates the corresponding switching states of the switching elements S-Rx1, S-Rx2 for the switching cycles C1, C2 for the method according to Fig. 8.
  • Fig. 10 illustrates a third antenna arrangement III, in which of the antennas 12 in a linear array the two outer antennas 1, 2 and 3, 4 have an antenna spacing d less than or equal to half the wavelength of the reception frequency used and between these two antenna pairs 52 in an antenna-free space 50 an antenna spacing D > d and in particular greater than half the wavelength of the signal frequency is provided.
  • Fig. 11 illustrates how, on the basis of this antenna arrangement III in a first antenna combination III-I, the received signals can be routed to the signal ports Rx1, Rx2 in two measuring cycles C1, C2.
  • Fig. 12 illustrates corresponding switching states of the switching units S-Rx1, S-Rx2 for two measuring cycles C1, C2.
  • Fig. 13 illustrates that in the respective antenna arrangement, the antennas 12 can also be arranged with specifically set polarization orientations, with an upward arrow symbolizing a vertical orientation (0 degrees), a horizontal arrow a horizontal orientation (90 degrees) and an oblique arrow an orientation at 45 degrees of polarization with respect to the vertical. It is shown how, for different variants P1.1 to P1.5, the antennas 12 can have different relative or absolute orientations in their polarization.
  • Fig. 14 illustrates the principle of Fig. 13 for an antenna array with antennas 12 arranged in a rectangle or square or circle.
  • Fig. 15 illustrates the principle of Fig. 13 for an antenna array with an L-shape arrangement of the antennas 12.
  • Fig. 16 illustrates the principle of Fig. 13 for an antenna array in which the antennas 12 are arranged in a T-shape.
  • the arrangements according to Fig. 13 to Fig. 16 and additionally or alternatively also further arrangements can be electrically connected alternately to the signal ports 18 by means of the switching units 30 for carrying out localization methods such as the localization methods L1, L2 in different measuring cycles and/or for different localization methods in order to provide or use the respective received signal 17 (see Fig. 1) as an input signal for the respective localization method or the current measuring cycle.
  • the person skilled in the art can choose here which received signal 17 is advantageous for a respective measuring cycle for generating a localization result 21 (see Fig. 1).
  • the antenna switching concept allows to use the Tx/Rx ports of the chipset depending on the function used (CPD or AoA) to benefit from the required/needed antenna performance for each function. Both functions require coherent UWB signal Tx and Rx capability of the antennas, which is enabled by our switch concept with minimal hardware. The details are as follows.
  • antennas 1+2 or 3+4 can be combined for one AoA cycle. That is, for the first Rx cycle, antenna 1+2 is used (one of them also for Tx), and for the second Rx cycle, antenna 3+4 is used (one of them also for Tx).
  • antennas 2+3 and 1+4 can be combined for one CPD cycle. That means that for the Rx cycle, antennas 2+3 are used, and for diversity purposes, antennas 1+4 can be used for another Rx cycle.
  • the current chipset allows AoA or CPD cycles to transmit on one Tx/Rx port and receive on 2 Tx/Rx ports simultaneously.
  • the ability of an antenna system to estimate AoA requires that the antenna can transmit a UWB signal to the environment and that an antenna pair can receive a UWB signal that is coherent with each other and with the UWB Tx signal.
  • the Rx signal can either be derived from reflections of the UWB signal we have transmitted from a person/object, or it can be an active UWB signal generated and transmitted by an active counterpart that we have initialized and synchronized with our UWB Tx signal.
  • a typical planar coverage for an AoA system consists of angles between 0°-180° (semicircle). Accordingly, a typical AoA hardware concept has the following problems: - The antennas used have a limited field of view (FoV) within the AoA estimation angle. - The antenna pairs for transmit/receive must provide similar performance in terms of polarization and field of view and ensure good isolation between them.
  • both antennas of a sensor receive the signal sent by another device (e.g. key, smartphone, ...) per distance measurement cycle.
  • the received signals represent the channel impulse responses (CIRs) between the transmitter and the two receivers of a sensor.
  • CIRs channel impulse responses
  • the distance to the transmitter can be estimated from the received CIRs.
  • one distance estimate is made per signal, ie 2 estimates per cycle.
  • the CIRs can be combined to achieve maximum signal-to-noise ratio (SNR) and AoA estimation, further improving range estimation.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • AoA estimation further improving range estimation.
  • one antenna of the sensor sends and receives (Tx/Rx) per measuring cycle and another antenna only receives (Rx).
  • the received signals represent reflections that occur on obstacles in the sensor's environment. The obstacles are illuminated by the transmitted signal and reflect part of the signal back to the sensor. The reflections from multiple obstacles and multiple propagation paths constitute the channel impulse response (CIR).
  • CIR channel impulse response
  • multistatic RADAR -
  • several CIRs can be obtained. See for example the figure below. The following scheme can be applied: o Cycle 1 : antenna 1 does Rx, antenna 2 does Tx/Rx o Cycle 2 : antenna 3 does Tx/Rx, antenna 4 does Rx
  • This scheme includes Tx and Rx diversity, even if only a portion of the diversity manifold is used.
  • Tx and Rx diversity schemes are used, as every antenna is used for transmitting and every possible pair of antennas is used for receiving.
  • more combinations are possible, as a larger diversity spectrum can be used.
  • the antenna switching concept allows to choose the best antenna performance for each function, as Tx and Rx diversity are available for ranging/RADAR functions, in such a way that both functions are combined in a UWB transceiver design with only 2 Rx ports and the required PCB space is reduced to a minimum.
  • One embodiment consists of 2 switches.
  • One switch is used to select antenna 1 or 3, the other switch to select antenna 2 or 4.
  • antennas 1 and 2 are active and the signal received by these antennas is forwarded to the receiver branches Rx1 and Rx2.
  • antennas 3 and 4 are active and the signal received by these antennas is forwarded to the receiver branches Rx1 and Rx2.
  • the example shows how a combined antenna concept for radar-based person detection as a first localization method and a Radio key localization can be provided as a second localization method.

Abstract

The invention relates to an antenna device (11) having four or more than four antenna connections (31) for connecting a respective antenna and having a control circuit (16) which has two or more signal ports (18), characterised in that each of the signal ports (18) is connected by means of a respective switching unit (30) to two or more than two of the antenna connections (31), wherein the respective switching unit (30) is configured to assume, depending on a control signal, one of several predefined switching states (32) in which it keeps the signal port (18), which is connected to said switching unit, electrically connected to another of the antenna connections connected to said switching unit, wherein the control circuit (16) is connected to a corresponding control input of the switching directions and the control circuit (16) has a control logic which, when executed by the control circuit (16), prompts the control circuit to generate the control signal and to apply, to reception signals (17) received via the signal ports, one or alternately at least two different predefined locating methods for respectively locating at least one object.

Description

Beschreibung Description
Antennenvorrichtung und Betriebsverfahren für die Antennenvorrichtung zum Lokalisieren von Objekten sowie Kraftfahrzeug mit der Antennenvorrichtung Antenna device and operating method for the antenna device for locating objects and motor vehicle with the antenna device
Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug für ein Funkschlüsselsystem und/oder einen Nahbereichsradar zur Personendetektion vorgesehen sein kann. Die Antennenvorrichtung weist mindestens vier Antennenanschlüsse zum Anschließen einer jeweiligen Antenne sowie eine Steuerschaltung zum Verarbeiten von Empfangssignalen aus den Antennen auf. Zu der Erfindung gehören auch ein Betriebsverfahren für die Antennenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Antennenvorrichtung. The invention relates to an antenna device such as can be provided in a motor vehicle for a radio key system and/or a short-range radar for detecting people. The antenna device has at least four antenna connections for connecting a respective antenna and a control circuit for processing received signals from the antennas. The invention also includes an operating method for the antenna device and a motor vehicle with such an antenna device.
In einem Kraftfahrzeug, wie beispielsweise einem Personenkraftwagen, kann eine Anordnung von mehreren Antennen vorgesehen sein, um richtungsbasierte und/oder abstandsbasierte Lokalisierungsfunktionen auf der Grundlage von Funksignalen bereitstellen zu können. Eine solche Lokalisierungsfunktion ist die UWB-Technologie (UWB - ultra wide band) für z.B. Funkschlüssel, um einen in einer Außenumgebung des Kraftfahrzeugs befindlichen Funkschlüssel oder ein anderes als Funkschlüssel fungierendes Gerät, wie beispielsweise ein Smartphone, zumindest in Bezug auf seinen Abstand zum Kraftfahrzeug zu lokalisieren. Eine weitere Lokalisierungsfunktion ist die CPD (child presence detection), die auf der Radar-Technologie basiert, indem ein Funksignal mittels der Antennenvorrichtung abgestrahlt wird und anhand des reflektierten Funksignals ausgewertet wird, ob sich eine Person, insbesondere eine kleine Person, in der Außenumgebung des Kraftfahrzeugs aufhält. In a motor vehicle, such as a passenger car, an arrangement of several antennas can be provided in order to be able to provide direction-based and/or distance-based localization functions based on radio signals. One such localization function is UWB technology (UWB - ultra wide band) for e.g. radio keys, in order to localize a radio key located in an external environment of the motor vehicle or another device acting as a radio key, such as a smartphone, at least in relation to its distance from the motor vehicle. Another localization function is CPD (child presence detection), which is based on radar technology in that a radio signal is emitted by means of the antenna device and the reflected radio signal is used to evaluate whether a person, in particular a small person, is in the external environment of the motor vehicle.
Zum Implementieren der jeweiligen Lokalisierungsfunktionen sind unterschiedliche Antennenanordnungen oder Positionierungen der Antennen vorteilhaft. Sogar für eine einzelne Lokalisierungsfunktion kann es schon von Vorteil sein, diese nacheinander mittels unterschiedlicher Antennen auszuführen, um hierdurch eine präzisere Lokalisierung eines Objekts in einer Außenumgebung des Kraftfahrzeugs durchführen zu können. Das Bereitstellen unterschiedlicher Antennenanordnungen im Kraftfahrzeug resultiert aber in entsprechend großem schaltungstechnischem Aufwand, den man vermeiden möchte. To implement the respective localization functions, different antenna arrangements or positioning of the antennas are advantageous. Even for a single localization function, it can be advantageous to carry out these functions one after the other using different antennas in order to achieve a more precise localization of an object in an external environment of the However, providing different antenna arrangements in the vehicle results in a correspondingly large amount of circuitry work, which one would like to avoid.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine oder mehrere Lokalisierungsfunktionen in einem Kraftfahrzeug mit geringem schaltungstechnischem Aufwand bereitzustellen. The invention is based on the object of providing one or more localization functions in a motor vehicle with little circuitry effort.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben. The object is achieved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous further developments of the invention are described by the dependent patent claims, the following description and the figures.
Als eine Lösung umfasst die Erfindung eine Antennenvorrichtung, aufweisend vier oder mehr als vier Antennenanschlüsse zum Anschließen einer jeweiligen Antenne und aufweisend eine Steuerschaltung, der zwei oder mehr als zwei Signalports aufweist. Die Antennenvorrichtung kann beispielsweise auf einer Schaltungsplatine (PCB - printed circuit board) implementiert sein. Die besagte Steuerschaltung kann beispielsweise als Chipsatz (Chip Set) vorgesehen sein. Ein Antennenanschluss kann beispielsweise als Koaxialanschluss und/oder mittels Leiterbahnen realisiert sein. Ein Signalport kann ein Empfangsport (Rx-Port) sein, der ein Empfangssignal aus einer an einem der Antennenanschlüsse angeschlossenen Antenne empfangen kann. Der Signalport kann beispielsweise zu einem Signalverstärker der Steuerschaltung führen. Ein entsprechender Chipsatz mit Signalports kann dem Stand der Technik entnommen sein. As a solution, the invention comprises an antenna device having four or more than four antenna connections for connecting a respective antenna and having a control circuit having two or more than two signal ports. The antenna device can be implemented, for example, on a printed circuit board (PCB). The control circuit can be provided, for example, as a chipset. An antenna connection can be realized, for example, as a coaxial connection and/or by means of conductor tracks. A signal port can be a receiving port (Rx port) that can receive a received signal from an antenna connected to one of the antenna connections. The signal port can, for example, lead to a signal amplifier of the control circuit. A corresponding chipset with signal ports can be taken from the prior art.
Um eine starre Antennenanordnung flexibel in unterschiedlichen Empfangskonstellationen zu nutzen, umfasst die Erfindung, dass jeder der Signalports jeweils über eine Schalteinheit mit zwei oder mehr als zwei der Antennenanschlüsse verschaltet (verbunden) ist. Mit anderen Worten sind zahlenmäßig mehr Antennenanschlüsse als Signalports vorhanden und jeder Signalport kann über eine der Schalteinheiten mit einer Gruppe aus mehreren der Antennen verschaltet sein. Die Antennenanschlüsse, die zu jeweils einer Antenne führen, sind also gruppiert, wobei jede Anschlussgruppe über eine Schalteinheit mit einem der Signalports verschaltet ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass jede der Schalteinheiten mit anderen der Antennen verschaltet ist. In order to use a rigid antenna arrangement flexibly in different reception constellations, the invention comprises that each of the signal ports is connected (connected) via a switching unit to two or more than two of the antenna connections. In other words, there are more antenna connections than signal ports and each signal port can be connected to a group of several of the antennas via one of the switching units. The antenna connections that lead to one antenna each are therefore grouped, with each connection group being connected via a switching unit. is connected to one of the signal ports. In particular, it is intended that each of the switching units is connected to other antennas.
Die jeweilige Schalteinheit dabei dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Steuersignal einen von mehreren vorgegebenen Schaltzuständen einzunehmen, in welchem sie dann jeweils den mit ihr verschalteten (verbundenen) Signalport mit einem anderen der mit ihr verschalteten (verbundenen) Antennenschlüsse elektrisch verbindet oder verbunden hält. Mit „Schaltzustand“ ist gemeint, dass die Schalteinheit den Signalport elektrisch leitend mit einem der Antennenanschlüsse verbindet, während jeder weitere Antennenanschluss keine elektrisch leitende Verbindung zu dem Signalport aufweist. Es ist also vorgesehen, dass jeweils nur einer der Antennenanschlüsse elektrisch leitend mit dem Signalport verbunden ist, und zwar in jedem der Schaltzustände ein anderer. Durch Wechseln des Schaltzustands wird damit ein anderer der Antennenanschlüsse elektrisch leitend mit dem Signalport verbunden. Das Umschalten zwischen den Schaltzuständen kann mittels eines Steuersignals an einem Steuereingang der jeweiligen Schalteinheit erreicht werden. The respective switching unit is designed to assume one of several predetermined switching states depending on a control signal, in which it then electrically connects or keeps connected the signal port connected to it with another of the antenna connections connected to it. “Switching state” means that the switching unit electrically connects the signal port to one of the antenna connections, while each additional antenna connection has no electrically conductive connection to the signal port. It is therefore provided that only one of the antenna connections is electrically connected to the signal port, and a different one in each of the switching states. By changing the switching state, another of the antenna connections is electrically connected to the signal port. Switching between the switching states can be achieved by means of a control signal at a control input of the respective switching unit.
Entsprechend ist die Steuerschaltung mit dem jeweiligen Steuereingang der Umschaltrichtungen verbunden und die Steuerschaltung weist eine Steuerlogik auf, die bei Ausführen durch die Steuerschaltung diese veranlasst, das Steuersignal für die Schalteinheiten zu erzeugen. Damit werden die Antennen (Antennenanschlüsse) ausgewählt, deren Empfangssignal an die Signalports weitergeleitet werden. Auf diese über die Singalports empfangenen Empfangssignalen wird dann ein oder es werden abwechselnd zumindest zwei unterschiedliche vorgegebene Lokalisierungsverfahren zum jeweiligen Lokalisieren zumindest eines Objekts angewendet. Die hierzu vorgesehene „Steuerlogik“ kann beispielsweise als ein Programm und/oder auf der Grundlage logischer Gatter und/oder durch eine Ausgestaltung als AS IC (Application Specific Integrated Circuit) in der Steuerschaltung implementiert sein. Im Betrieb der Steuerschaltung ist dann diese Steuerlogik aktiv, das heißt beispielsweise wird das Programm ausgeführt. Die Steuerschaltung legt dann durch das Steuersignal die Schaltzustände der Schalteinheiten fest, wodurch jeweils bei jedem Signalport einer der Antennenanschlüsse elektrisch leitend mit dem Signalport verbunden ist. Die über diese Antennenanschlüsse aus der daran angeschlossenen Antenne empfangenen Empfangssignale werden dann an den zugehörigen / angeschlossenen Signalport durchgeleitet und die empfangenen oder eingegangenen Empfangssignale werden dann durch das aktuell aktive Lokalisierungsverfahren verarbeitet. Als Lokalisierungsverfahren kann der Fachmann ein bekanntes Verfahren aus dem Stand der Technik in der Steuerschaltung implementieren. Entscheidend ist, dass dieses durch Umschalten der Schalteinheiten abwechselnd mit anderen Antennenkonstellationen betrieben werden kann. Das jeweilige Lokalisierungsverfahren kann dabei eine Abstandsmessung und/oder eine Richtungsschätzung umfassen. Entsprechende Lokalisierungsverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Als Objekt kann beispielsweise in der beschriebenen Weise ein Funkschlüssel oder ein als Funkschlüssel fungierendes elektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Smartphone, lokalisiert werden, wenn es bei dem Lokalisierungsverfahren um ein UWB-Funkschlüsselsystem geht. Als Objekt kann beispielsweise eine Person, insbesondere ein Kind, also ein Person mit einer Körpergröße kleiner als 1 ,50 Meter, lokalisiert werden, wenn es bei dem Lokalisierungsverfahren um das eingangs beschriebene CPD-Verfahren geht. Die zugehörige CPD-Funktion umfasst laut Regulierung das Erkennen von Kindern bis 6 Jahre, sprich die Grenze bezieht sich auf das Alter. Accordingly, the control circuit is connected to the respective control input of the switching directions and the control circuit has a control logic which, when executed by the control circuit, causes it to generate the control signal for the switching units. This selects the antennas (antenna connections) whose received signal is forwarded to the signal ports. One or at least two different predefined localization methods are then applied alternately to these received signals received via the signal ports in order to respectively localize at least one object. The "control logic" provided for this purpose can be implemented in the control circuit, for example, as a program and/or on the basis of logic gates and/or by design as an AS IC (Application Specific Integrated Circuit). When the control circuit is in operation, this control logic is then active, i.e., for example, the program is executed. The control circuit then uses the control signal to determine the switching states of the switching units, whereby at each signal port one of the antenna connections is electrically connected to the signal port. The reception signals received via these antenna connections from the antenna connected to it are then passed through to the associated/connected signal port and the received or incoming reception signals are then processed by the currently active localization method. The person skilled in the art can implement a known method from the prior art in the control circuit as the localization method. The decisive factor is that this can be operated alternately with other antenna constellations by switching the switching units. The respective localization method can include a distance measurement and/or a direction estimate. Corresponding localization methods are known from the prior art. For example, a radio key or an electrical device that functions as a radio key, such as a smartphone, can be localized as an object in the manner described if the localization method involves a UWB radio key system. For example, a person, particularly a child, i.e. a person with a height of less than 1.50 meters, can be located as an object if the localization process involves the CPD process described above. According to the regulation, the associated CPD function includes the recognition of children up to 6 years of age, i.e. the limit refers to age.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass trotz einer fest vorgegebenen Antennenanordnung aus an den Antennenanschlüssen angeschlossenen Antennen dennoch mittels der Antennenvorrichtung das Lokalisierungsverfahren oder mehrere unterschiedliche Lokalisierungsverfahren mit unterschiedlichen Antennenkonstellationen betrieben werden können, indem entsprechende Schaltzustände in den Schalteinheiten eingestellt werden. So reicht es beispielsweise aus, eine Steuerschaltung mit nur zwei Signalports bereitzustellen, um eines oder mehrere Lokalisierungsverfahren jeweils mit unterschiedlichen Antennenkonstellationen betreiben zu können, die sich z.B. mit vier oder mehr als vier Antennen bilden lassen. Dies reduziert in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit, für jede Antenne einen eigenen Signalport bereitzustellen. Mit anderen Worten ist jeder Antennenanschluss genau einem Signalport zugeordnet, mit dem er durch einen entsprechenden Schaltzustand der zwischengeschalteten Schalteinheit elektrisch verbunden werden kann. The invention provides the advantage that, despite a fixed antenna arrangement of antennas connected to the antenna connections, the localization method or several different localization methods with different antenna constellations can still be operated by means of the antenna device by setting corresponding switching states in the switching units. For example, it is sufficient to provide a control circuit with only two signal ports in order to be able to operate one or more localization methods with different antenna constellations, which can be formed with four or more than four antennas, for example. This advantageously reduces the need to provide a separate signal port for each antenna. In other words, each antenna connection is assigned to exactly one signal port with which it can be electrically connected by a corresponding switching state of the intermediate switching unit.
Die Erfindung umfasst auch Weiterentwicklungen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben. The invention also includes further developments which result in additional advantages.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren jeweils für unterschiedliche aufeinanderfolgende Messzyklen unterschiedliche Schaltzustände der Schalteinheiten vorsieht. Mit anderen Worten wird bei einem solchen Lokalisierungsverfahren nicht nur eine einzelne Messung durchgeführt, sondern wiederholt nacheinander mehrere Messungen, die jeweils einen Messzyklus darstellen. Hierbei wird das Lokalisierungsverfahren aber dann mit unterschiedlichen Antennen genutzt oder mit Empfangssignalen aus unterschiedlichen Antennen betrieben. Somit kann dasselbe Lokalisierungsverfahren mit geringem Aufwand auf Grundlage unterschiedlicher Antennenkonstellationen durchgeführt werden. Die Lokalisierungsergebnisse aus den unterschiedlichen Messzyklen können dann in vorteilhafter Weise kombiniert werden, um eine genauere Lokalisierung zu erhalten. A further development includes one or more or each localization method providing different switching states of the switching units for different consecutive measurement cycles. In other words, such a localization method does not just perform a single measurement, but repeats several measurements one after the other, each of which represents a measurement cycle. In this case, however, the localization method is then used with different antennas or operated with reception signals from different antennas. The same localization method can thus be carried out with little effort on the basis of different antenna constellations. The localization results from the different measurement cycles can then be advantageously combined to obtain more precise localization.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren jeweils zum Lokalisieren des zumindest einen Objekts eine phasenbasierte Einfallswinkelschätzung, AoA (Angle of Arrival), mittels der an die Signalports geleiteten Empfangssignale umfasst. Durch Vorgeben von Schaltzuständen in den Schalteinheiten können hierbei Antennen unterschiedlicher Abstände zueinander genutzt werden oder Antennen mit vorgegebenen Abständen, sodass die verwendeten Empfangssignale oder die entsprechenden Antennen auf die Einfallswinkelschätzung abgestimmt ausgewählt werden können. Eine Weiterentwicklung umfasst, dass eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren umfasst, dass es zumindest zwei Messzyklen umfasst, von denen beide die Einfallswinkelschätzung umfasst, wobei in den Messzyklen unterschiedliche der Antennenanschlüsse mit den Signalports verbunden sind. Somit kann das Lokalisierungsverfahren zwei unterschiedliche Messungen des Einfallswinkels auf Grundlage unterschiedlicher Antennen durchführen, insbesondere mit Antennen, die unterschiedliche Abstände aufweisen, wobei dann die Lokalisierungsergebnisse der unterschiedlichen Messzyklen kombiniert werden können, indem beispielsweise ein Mittelwert gebildet wird oder auf Grundlage eines der Lokalisierungsergebnisse Mehrdeutigkeiten in dem anderen Lokalisierungsergebnis ausgeschlossen werden. A further development includes one or more or each localization method for localizing the at least one object comprising a phase-based angle of arrival estimation, AoA (Angle of Arrival), using the received signals sent to the signal ports. By specifying switching states in the switching units, antennas at different distances from one another or antennas with specified distances can be used, so that the received signals used or the corresponding antennas can be selected to match the angle of arrival estimation. A further development comprises that one or more or each localization method comprises that it comprises at least two measurement cycles, both of which comprise the angle of incidence estimation, wherein in the measurement cycles different ones of the antenna connections are connected to the signal ports. Thus, the localization method can carry out two different measurements of the angle of incidence based on different antennas, in particular with antennas that have different distances, wherein the localization results of the different measurement cycles can then be combined, for example by forming an average or by excluding ambiguities in the other localization result based on one of the localization results.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren jeweils zum Lokalisieren des zumindest einen Objekts eine an den an die Signalports geleiteten Signalen ausgeführte laufzeitbasierte Abstandsmessung umfasst. Eine solche laufzeitbasierte Abstandsmessung kann beispielsweise vorsehen, dass ein Sendesignal mittels der Antennenanordnung ausgesendet wird und eine Laufzeit bis zum Empfang eines zugehörigen oder korrespondierenden Empfangssignals gemessen wird und hieraus eine Abstandsmessung des antwortenden oder das Empfangssignal erzeugenden Objekts gemessen wird. A further development includes one or more or each localization method for localizing the at least one object comprising a runtime-based distance measurement carried out on the signals sent to the signal ports. Such a runtime-based distance measurement can, for example, provide that a transmission signal is transmitted by means of the antenna arrangement and a runtime until an associated or corresponding reception signal is received is measured and from this a distance measurement of the object responding or generating the reception signal is measured.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren jeweils umfasst, dass es zumindest zwei Messzyklen umfasst, von denen einer die Einfallswinkelschätzung und ein anderer die Laufzeitbasierte Messung umfasst. Bei einem solchen Lokalisierungsverfahren werden also zwei Messprinzipien kombiniert. Insbesondere kann hierbei durch Umstellen der Schaltzustände für jedes Messprinzip (z.B. Einfallswinkelschätzung beziehungsweise laufzeitbasierte Messung) eine andere Antennenkonstellation eingestellt werden, ohne dass es hierzu eines zusätzlichen Signalports bedarf. A further development includes one or more or each localization method comprising at least two measurement cycles, one of which comprises the angle of incidence estimation and another the time-of-flight-based measurement. In such a localization method, two measurement principles are combined. In particular, a different antenna constellation can be set by changing the switching states for each measurement principle (e.g. angle of incidence estimation or time-of-flight-based measurement) without the need for an additional signal port.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass jeweils eine Antenne mit einem der Antennenanschlüsse elektrisch verbunden ist. Mit anderen Worten weist die Antennenvorrichtung auch die Antennen selbst auf. Diese Antennen können beispielsweise in einer Schaltungsplatine integriert sein, beispielsweise als Schlitzantenne oder Patch-Antenne, oder sie können beispielsweise über Koaxialkabel mit einer Schaltungsplatine der Steuerschaltung oder einer Schaltungsplatine der Antennenanschlüsse verbunden sein. A further development involves an antenna being electrically connected to one of the antenna connectors. In other words, the Antenna device also includes the antennas themselves. These antennas can be integrated in a circuit board, for example as a slot antenna or patch antenna, or they can be connected to a circuit board of the control circuit or a circuit board of the antenna connections, for example via coaxial cable.
Eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren umfasst jeweils, dass es zumindest zwei Messzyklen umfasst, von denen in einem der Messzyklen die Signalports mit solchen der Antennen verbunden sind, deren Abstand kleiner oder gleich einer halben Wellenlänge einer in dem Messzyklus verwendeten Sendefrequenz einer Sendeschaltung der Antennenvorrichtung und in einem anderen der Messzyklen die Signalports mit solchen der Antennen verbunden sind, deren Abstand größer als eine halbe Wellenlänge einer in dem Messzyklus verwendeten Sendefrequenz der Sendeschaltung ist. Mit anderen Worten wird in den Messzyklen einmal bei einer Messung bei einem Antennenabstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge eine eindeutige Messung in Bezug auf Phasenversatz vorgenommen, während bei dem anderen Messzyklus aufgrund des Abstands der Antennen größer als der halben Wellenlänge eine in Bezug auf Phasenunterschiede mehrdeutige Messung vorgenommen wird. Da mindestens ein Messzyklus auf der Grundlage eines Antennenabstands kleiner oder gleich der halben Wellenlänge erfolgt, kann stets ein eindeutiges Lokalisierungsergebnis durch Kombinieren der Lokalisierungsergebnisse der Messzyklen erreicht werden. Die Nutzung eines Antennenabstands größer als die halbe Wellenlänge gibt dabei den zusätzlichen Vorteil einer präziseren Lokalisierung. Die Sendeschaltung kann Bestandteil der Steuerschaltung sein, z.B. an Bestandteil des besagten Chip Satzes. One or more or each localization method comprises in each case comprising at least two measuring cycles, of which in one of the measuring cycles the signal ports are connected to those of the antennas whose distance is less than or equal to half a wavelength of a transmission frequency of a transmission circuit of the antenna device used in the measuring cycle and in another of the measuring cycles the signal ports are connected to those of the antennas whose distance is greater than half a wavelength of a transmission frequency of the transmission circuit used in the measuring cycle. In other words, in the measuring cycles, a clear measurement with respect to phase offset is made once during a measurement at an antenna distance of less than or equal to half the wavelength, while in the other measuring cycle an ambiguous measurement with respect to phase differences is made due to the distance of the antennas being greater than half the wavelength. Since at least one measuring cycle is carried out on the basis of an antenna distance of less than or equal to half the wavelength, an unambiguous localization result can always be achieved by combining the localization results of the measuring cycles. Using an antenna spacing greater than half the wavelength gives the additional advantage of more precise localization. The transmitter circuit can be part of the control circuit, e.g. part of the chipset in question.
Das Lokalisierungsverfahren umfasst dabei, im Messzyklus mit dem Antennen- Abstand größer als der halben Wellenlänge ein mehrdeutiges Lokalisierungsergebnis zu erzeugen und im Messzyklus mit dem Antennen- Abstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge das Lokalisierungsergebnis eindeutig zu machen. Beispielsweise können mehrdeutige Lokalisierungsergebnisse dadurch ausgeschlossen oder zu einem eindeutigen Lokalisierungsergebnis reduziert werden, indem durch den Messzyklus mit dem Antennenabstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge derjenige Raumsektor identifiziert wird, in dem eines der mehrdeutigen Lokalisierungsergebnisse liegt oder in diesen weist. Somit können die Vorzüge eines großen Antennen-Abstands (größer als die halbe Wellenlänge) kombiniert werden mit der eindeutigen Messung auf Grundlage eines Antennen-Abstands kleiner oder gleich der halben Wellenlänge. The localization procedure involves generating an ambiguous localization result in the measurement cycle with the antenna distance greater than half the wavelength and making the localization result unambiguous in the measurement cycle with the antenna distance less than or equal to half the wavelength. For example, ambiguous localization results can be excluded or lead to an unambiguous Localization results can be reduced by using the measurement cycle with an antenna spacing of less than or equal to half the wavelength to identify the spatial sector in which one of the ambiguous localization results lies or points. In this way, the advantages of a large antenna spacing (greater than half the wavelength) can be combined with the unambiguous measurement based on an antenna spacing of less than or equal to half the wavelength.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass die Antennen zu einem Antennenarray angeordnet sind, bei welchem die Antennen äquidistant mit einem Rasterabstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge angeordnet sind. Ein äquidistantes Antennenarray ermöglicht es in vorteilhafter Weise, jede jeweils zwei benachbarte Antennen für einen Messzyklus mit einem Antennen-Abstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge zu nutzen. A further development includes the antennas being arranged to form an antenna array in which the antennas are arranged equidistantly with a grid spacing of less than or equal to half the wavelength. An equidistant antenna array advantageously makes it possible to use any two adjacent antennas for a measurement cycle with an antenna spacing of less than or equal to half the wavelength.
Eine alternative Weiterbildung umfasst, dass nur zwei oder nur einige der Antennen in einem Abstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge der Sendefrequenz und zwei oder einige der Antennen zu zumindest einer anderen der Antennen über einen antennenfreien Zwischenraum hinweg in einem Abstand größer als die halbe Wellenlänge angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ein Messzyklus mit einem Antennen-Abstand durchführbar ist, der signifikant größer als die halbe Wellenlänge ist, beispielsweise mehr als das Doppelte der halben Wellenlänge. Da aber zumindest ein Antennen-Paar vorhanden ist, dessen Antennen-Abstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge ist, können mehrdeutige Lokalisierungsergebnisse aus einem der Messzyklen stets mit diesem Antennen-Paar in einem anderen Messzyklus disambiguiert oder eindeutig gemacht werden. Es kann beispielsweise derjenige Raumsektor identifiziert werden, in welchem sich das Objekt befindet, ohne dass hierbei mittels dieses Antennen-Paars (Antennenabstand kleiner/gleich halbe Wellenlänge) eine genaue Lokalisierung möglich ist. Hierzu kann dann ein anderes Antennen-Paar mit einem Antennen-Abstand größer als die halbe Wellenlänge genutzt werden, für das sich dann allerdings das beschriebene mehrdeutige Lokalisierungsergebnis ergeben würde, das dann disambiguiert werden kann. An alternative development comprises that only two or only some of the antennas are arranged at a distance of less than or equal to half the wavelength of the transmission frequency and two or some of the antennas are arranged at a distance of greater than half the wavelength from at least one other of the antennas across an antenna-free gap. This has the advantage that a measurement cycle can be carried out with an antenna distance that is significantly greater than half the wavelength, for example more than twice half the wavelength. However, since there is at least one antenna pair whose antenna distance is less than or equal to half the wavelength, ambiguous localization results from one of the measurement cycles can always be disambiguated or made unambiguous using this antenna pair in another measurement cycle. For example, the spatial sector in which the object is located can be identified without precise localization being possible using this antenna pair (antenna distance less than or equal to half the wavelength). For this purpose, another antenna pair with an antenna spacing greater than half the wavelength can be used, for which, however, the described ambiguous localization result, which can then be disambiguated.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass zumindest einer der Signalports zusätzlich als Sende-und-Empfangsport (Tx-Rx-Port) ausgestaltet ist, der zum Hervorrufen der Empfangssignale ein Sendesignal zum Abstrahlen über die aktuell elektrisch verbundene Antenne erzeugt und danach in einem Empfangsmodus eines der Empfangssignale empfängt. Mit anderen Worten wird kein zusätzlicher Signalport benötigt, um eine aktive Lokalisierung, also eine Ortung, mittels Sendesignal zu erreichen. Stattdessen wird ein Signalport auf Senden geschaltet und das Sendesignal (Funksignal) ausgesendet und anschließend der Signalport auf Empfang geschaltet und das Antwortsignal oder Reflexionssignal, also das an dem zumindest einen Objekt reflektierte Funksignal oder Sendesignal, als Empfangssignal empfangen und dem Signalport zugeführt. Somit kann mit zwei Signalports sowohl das Aussenden eines Sendesignals als auch das Empfangen zweier Empfangssignale realisiert werden. Das Senden und Empfangen kann auch gleichzeitig geschehen. Also Senden und Empfangen läuft parallel. A further development includes at least one of the signal ports being additionally designed as a transmit and receive port (Tx-Rx port), which generates a transmit signal to emit via the currently electrically connected antenna to generate the receive signals and then receives one of the receive signals in a receive mode. In other words, no additional signal port is required to achieve active localization, i.e. location, using a transmit signal. Instead, a signal port is switched to transmit and the transmit signal (radio signal) is transmitted and then the signal port is switched to receive and the response signal or reflection signal, i.e. the radio signal or transmit signal reflected from the at least one object, is received as a receive signal and fed to the signal port. Thus, with two signal ports, both the transmission of a transmit signal and the reception of two receive signals can be realized. Sending and receiving can also take place simultaneously. So sending and receiving run in parallel.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass eines der Lokalisierungsverfahren eine radarbasierte Child-Detektion (CPD - child presence detection) und ein anderes der Lokalisierungsverfahren eine UWB-basierte Funkschlüssel-Lokalisierung (UWB - ultra wide band, d.h. eine Bandbreite größer als 0.5 MHz, insbesondere mehr als 1 MHz) ist. Für diese Kombination an Lokalisierungsverfahren ist bisher keine kompakte schaltungstechnische Lösung bekannt. Sendefrequenzen für die Messzyklen können in einem Bereich von 1 GHz bis 10 GHz liegen. Es können Funksignale aus einem Funkschlüssel-Standard und/oder Radar-Standard verwendet werden, um nur Beispiele für das Einsatzgebiet der Antennenvorrichtung zu nennen. A further development includes one of the localization methods being radar-based child detection (CPD - child presence detection) and another of the localization methods being UWB-based radio key localization (UWB - ultra wide band, i.e. a bandwidth greater than 0.5 MHz, in particular more than 1 MHz). No compact circuit solution is known to date for this combination of localization methods. Transmission frequencies for the measurement cycles can be in a range from 1 GHz to 10 GHz. Radio signals from a radio key standard and/or radar standard can be used, to name just a few examples of the application area of the antenna device.
Eine Weiterentwicklung umfasst, dass die jeweilige Schalteinheit zumindest ein elektrisch steuerbares Schaltelement aufweist, das jeweils einen Transistor umfasst, insbesondere einen GaAs-Transistor. Als Schalteinheit kann also ein einzelner Transistor oder eine Kombination aus Transistoren vorgesehen sein. Durch Verwendung von GaAs-Transistoren ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass hochfrequente Signale in einem Bereich bis 10 Gigahertz über die Schalteinheit verlustarm zwischen Antennenanschluss und Signalport geleitet werden können. Es können andere Transistoren zum Einsatz kommen beispielsweise HEMTs (high electron mobility transistor). Weiterhin können Dioden oder MEMS als Schalter eingesetzt werden. A further development includes the respective switching unit having at least one electrically controllable switching element, each of which comprises a transistor, in particular a GaAs transistor. A single transistor or a combination of transistors can therefore be provided as the switching unit. Using GaAs transistors has the additional advantage that high-frequency signals in a range of up to 10 gigahertz can be transmitted between the antenna connection and the signal port via the switching unit with low loss. Other transistors can be used, such as HEMTs (high electron mobility transistors). Diodes or MEMS can also be used as switches.
Als eine weitere Lösung umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Ausführungsform der Antennenvorrichtung, wobei zum Lokalisieren zumindest eines Objekts eine von dem Objekt ausgehende elektromagnetische Strahlung (Radar oder UWB) mittels mehrere Antennen empfangen und in ein jeweiliges Empfangssignal gewandelt wird. Das Verfahren kann in der beschriebenen Weise als Programmcode eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers der Steuerschaltung und/oder als Logikgatter und/oder als ASIC in der Steuerschaltung implementiert sein. Es kann Bestandteil eines Chipsatzes sein, der auch die beschriebenen Signalports aufweisen kann. Der Chipsatz oder die Steuerschaltung ist also beispielsweise auf einer Schaltungsplatine mit den Antennenanschlüssen über Schalteinheiten verschaltet, wobei jede Schalteinheit einen der Signalports mit mehreren der Antennenanschlüsse verbindet oder verschaltet. Durch Umschalten des Schaltzustands der Schalteinheit wird dann jeweils einer der Antennenanschlüsse elektrisch mit dem jeweiligen Signalport verbunden. Das Einstellen der Schaltzustände kann in der beschriebenen Weise durch ein Steuersignal der Steuerschaltung selbst beispielsweise gemäß der Steuerlogik erfolge, sodass je nach aktivem Lokalisierungsverfahren ein zugeordneter Schaltzustand der Schalteinheiten eingestellt wird und die Schaltzustände für die unterschiedlichen Messzyklen entsprechend wie vorgegeben gewechselt werden. As a further solution, the invention comprises a method for operating an embodiment of the antenna device, wherein, in order to localize at least one object, electromagnetic radiation (radar or UWB) emanating from the object is received by means of several antennas and converted into a respective received signal. The method can be implemented in the manner described as program code of a microprocessor or microcontroller of the control circuit and/or as a logic gate and/or as an ASIC in the control circuit. It can be part of a chipset, which can also have the signal ports described. The chipset or the control circuit is thus connected, for example, on a circuit board to the antenna connections via switching units, wherein each switching unit connects or connects one of the signal ports to several of the antenna connections. By switching the switching state of the switching unit, one of the antenna connections is then electrically connected to the respective signal port. The setting of the switching states can be carried out in the manner described by a control signal of the control circuit itself, for example according to the control logic, so that depending on the active localization method, an associated switching state of the switching units is set and the switching states for the different measuring cycles are changed accordingly as specified.
Jeweils nur einige der Antennen sind über eine jeweilige Schalteinheit mit einem anderen von mehreren Singalports einer Steuerschaltung der Antennenschaltung verschaltet und gemäß einem Schaltzustand der Schalteinheit wird das Empfangssignal nur einer der Antennen durch den jeweiligen Signalport empfangen wird. Auf die empfangenen Empfangssignale wird durch die Steuerschaltung ein vorgegebenes Lokalisierungsverfahren angewendet, das umfasst, dass in aufeinanderfolgenden Messzyklen durch Einstellen eines jeweiligen Schaltzustands der Schalteinheiten unterschiedliche der Antennen mit den Signalports verbunden werden und durch Anwenden des jeweiligen Lokalisierungsverfahrens erzeugte Lokalisierungsergebnisse aus den unterschiedlichen Messzyklen kombiniert werden. Welches Lokalisierungsverfahren aktuell aktiv ist oder auf die Empfangssignale angewendet wird, kann der Fachmann nach Bedarf festlegen oder steuern. Da nun auch innerhalb eines Lokalisierungsverfahrens durch Wechseln der Schaltzustände der Schalteinheiten zwischen den Messzyklen verändert werden können, kann ein Lokalisierungsverfahren auch auf Grundlage unterschiedlicher Antennenkonstellationen mehrfach wiederholt ausgeführt werden und die Lokalisierungsergebnisse aus den verschiedenen Messzyklen können kombiniert werden. Ein Lokalisierungsverfahren kann auch derart implementiert sein, dass für die einzelnen Messzyklen unterschiedliche Messprinzipien, beispielsweise Abstandsmessung und/oder Einfallswinkelschätzung, angewendet werden können, um durch die Kombination beispielsweise den Einfallswinkel und den Abstand für das Lokalisierungsverfahren oder in Lokalisierungsverfahren zu ermitteln. Only some of the antennas are connected via a respective switching unit to another of several signal ports of a control circuit of the antenna circuit and according to a switching state of the switching unit, the reception signal of only one of the antennas is received by the respective signal port. The control circuit applies a predetermined localization method to the received signals, which includes connecting different antennas to the signal ports in successive measurement cycles by setting a respective switching state of the switching units and combining localization results generated from the different measurement cycles by applying the respective localization method. The expert can determine or control which localization method is currently active or is applied to the received signals as required. Since the switching states of the switching units can now also be changed within a localization method by changing between the measurement cycles, a localization method can also be carried out repeatedly on the basis of different antenna constellations and the localization results from the different measurement cycles can be combined. A localization method can also be implemented in such a way that different measuring principles, for example distance measurement and/or angle of incidence estimation, can be applied for the individual measuring cycles in order to determine, for example, the angle of incidence and the distance for the localization method or in localization methods by combining them.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben. The invention also includes further developments of the method according to the invention which have features as have already been described in connection with the further developments of the antenna device according to the invention. For this reason, the corresponding further developments of the method according to the invention are not described again here.
Für Anwendungsfälle oder Anwendungssituationen, die sich bei dem Verfahren ergeben können und die hier nicht explizit beschrieben sind, kann vorgesehen sein, dass gemäß dem Verfahren eine Fehlermeldung und/oder eine Aufforderung zur Eingabe einer Nutzerrückmeldung ausgegeben und/oder eine Standardeinstellung und/oder ein vorbestimmter Initialzustand eingestellt wird. Als eine weitere Lösung umfasst die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform der Antennenvorrichtung. Als Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen vorgesehen sein. For use cases or application situations that may arise during the method and which are not explicitly described here, it may be provided that, in accordance with the method, an error message and/or a request to enter user feedback is issued and/or a default setting and/or a predetermined initial state is set. As a further solution, the invention comprises a motor vehicle with an embodiment of the antenna device. The motor vehicle can be, for example, a passenger car or a truck.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. The invention also includes combinations of the features of the described embodiments.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt: An embodiment of the invention is described below. Shown here:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, in welchem eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung bereitgestellt sein kann, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt; Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention, in which an embodiment of the antenna device according to the invention can be provided which carries out an embodiment of the method according to the invention;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Antennenanordnung von Antennen; Fig. 2 is a schematic representation of an antenna arrangement of antennas;
Fig. 3 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Messzyklen eines Lokalisierungsverfahrens; Fig. 3 is a sketch illustrating an embodiment of the method according to the invention with two measuring cycles of a localization method;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Schaltzustände von Schalteinheiten zum Durchführen des Verfahrens gemäß Fig. 3; Fig. 4 is a schematic representation of the switching states of switching units for carrying out the method according to Fig. 3;
Fig. 5 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit zwei Messzyklen für ein Lokalisierungsverfahren; Fig. 5 is a sketch illustrating an embodiment of the method according to the invention with two measuring cycles for a localization method;
Fig. 6 eine schematische Darstellung von Schaltzuständen der Schalteinheiten zum Durchführen des Verfahrens gemäß Fig. 5; Fig. 7 eine schematische Darstellung einer zweiten Antennenanordnung, wie sie für die Antennenvorrichtung vorgesehen sein kann; Fig. 6 is a schematic representation of switching states of the switching units for carrying out the method according to Fig. 5; Fig. 7 is a schematic representation of a second antenna arrangement as may be provided for the antenna device;
Fig. 8 eine Skizze zur Veranschaulichung eines Verfahrens basierend auf der zweiten Antennenanordnung; Fig. 8 is a sketch illustrating a method based on the second antenna arrangement;
Fig. 9 eine schematische Darstellung von Schaltzuständen der Schalteinheiten zum Durchführen des Verfahrens gemäß Fig. 8; Fig. 9 is a schematic representation of switching states of the switching units for carrying out the method according to Fig. 8;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer dritten Antennenanordnung von Antennen, wie sie für die Antennenvorrichtung vorgesehen sein können; Fig. 10 is a schematic representation of a third antenna arrangement of antennas as may be provided for the antenna device;
Fig. 11 eine Skizze zur Veranschaulichung eines Verfahrens, wie es mittels der dritten Antennenanordnung für ein Lokalisierungsverfahren mit zumindest zwei Messzyklen bereitgestellt werden kann; Fig. 11 is a sketch illustrating a method as can be provided by means of the third antenna arrangement for a localization method with at least two measuring cycles;
Fig. 12 eine schematische Darstellung von Schaltzuständen der Schalteinheiten zum Durchführen des Verfahrens gemäß Fig. 11 ; Fig. 12 is a schematic representation of switching states of the switching units for carrying out the method according to Fig. 11;
Fig. 13 eine schematische Darstellung von Varianten einer linearen Antennenanordnung, wobei sich die Varianten in Bezug auf die Polarisierungen oder die Polarisierungsausrichtung der Antennen unterscheiden; Fig. 13 is a schematic representation of variants of a linear antenna arrangement, wherein the variants differ with respect to the polarizations or the polarization orientation of the antennas;
Fig. 14 mehrere Varianten einer rechteckigen oder quadratischen oder zirkulären Antennenanordnung, wobei sich die Varianten in der Ausrichtung der Polarisierungen der Antennen unterscheiden; Fig. 14 several variants of a rectangular or square or circular antenna arrangement, wherein the variants differ in the orientation of the polarizations of the antennas;
Fig. 15 mehrere Varianten einer L-förmigen Antennenanordnung von Antennen, wobei sich die Varianten in Bezug auf die Ausrichtung der Polarisierungen der Antennen unterscheiden; Fig. 16 eine schematische Darstellung einer T-förmigen Antennenanordnung von Antennen, wobei sich die Varianten in Bezug auf die Ausrichtung der Polarisierungen der Antennen unterscheiden. Fig. 15 several variants of an L-shaped antenna arrangement of antennas, wherein the variants differ with respect to the orientation of the polarizations of the antennas; Fig. 16 is a schematic representation of a T-shaped antenna arrangement of antennas, where the variants differ in terms of the orientation of the polarizations of the antennas.
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar. The exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention. In the exemplary embodiment, the described components of the embodiment each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which also develop the invention independently of one another and are therefore to be considered as part of the invention individually or in a combination other than that shown. Furthermore, the described embodiment can also be supplemented by other features of the invention that have already been described.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. In the figures, functionally identical elements are provided with the same reference symbols.
Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, das insbesondere ein Straßenfahrzeug sein kann, also beispielsweise ein Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen. In dem Kraftfahrzeug 10 kann eine Antennenvorrichtung 11 vorgesehen sein, die beispielsweise auf einem Dach oder unter einem Dach des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet sein kann. Die Antennenvorrichtung 11 kann Antennen 12 aufweisen, insbesondere vier Antennen 12. Zur Unterscheidung der Antennen im folgenden Text sind diese mit Ordnungsnummern 1 , 2, 3, 4 voneinander unterschieden. Mittels der Antennen 12 der Antennenvorrichtung 11 können aus einer Außenumgebung 13 des Kraftfahrzeugs 10 Funksignale 14 empfangen werden. Es kann zusätzlich oder alternativ ein Innenraum im Fahrzeug abgedeckt oder überwacht werden. Fig. 1 shows a motor vehicle 10, which can in particular be a road vehicle, for example a passenger car or truck. An antenna device 11 can be provided in the motor vehicle 10, which can be arranged, for example, on a roof or under a roof of the motor vehicle 10. The antenna device 11 can have antennas 12, in particular four antennas 12. To distinguish the antennas in the following text, they are distinguished from one another by serial numbers 1, 2, 3, 4. Radio signals 14 can be received from an external environment 13 of the motor vehicle 10 by means of the antennas 12 of the antenna device 11. Additionally or alternatively, an interior space in the vehicle can be covered or monitored.
Die durch die Antennen 12 in elektrische Signale gewandelten Funksignale 14 können an eine Steuerschaltung 16 der Antennenvorrichtung 11 geleitet werden. Dabei werden nicht die Antennensignale aller Antennen 12 weitergeleitet, sondern nur eine Auswahl davon wird als jeweiliges Empfangssignal 17 an jeweils einen Signaleingang oder Signalport 18 der Steuerschaltung 16 weitergeleitet. Die Steuerschaltung 16 kann beispielsweise auf einer Schaltungsplatine beispielsweise auf der Grundlage eines Chip-Satzes oder einer elektronischen Schaltung implementiert sein. Zur Unterscheidung der Signalports 18 sind diese im Folgenden als Rx1 , Rx2 unterschieden. Anhand der Empfangssignale 17 kann ein Lokalisierungsverfahren L1 , L2 durchgeführt werden. Es können mehrere Lokalisierungsverfahren L1 , L2 implementiert sein, wobei jeweils eines der Lokalisierungsverfahren L1 , L2 aktuell aktiv sein kann. Beispielsweise kann ein Mikroprozessor oder CPU20 (CPU - central processing unit) der Steuerschaltung 16 das jeweilige Lokalisierungsverfahren L1 , L2 durchführen. Ein durch Anwenden des jeweiligen Lokalisierungsverfahrens L1 , L2 auf die Empfangssignale 17 resultierendes Lokalisierungsergebnis 21 kann in dem Kraftfahrzeug 10 an ein Steuergerät 22 signalisiert werden, welches daraufhin in Abhängigkeit von dem Lokalisierungsergebnis 21 Steuerbefehle 23 an zumindest einen Aktuator 24 des Kraftfahrzeugs 10 ausgeben kann, beispielsweise ein Zentralverriegelungssystem und/oder eine automatisierte Fahrfunktion. The radio signals 14 converted into electrical signals by the antennas 12 can be passed to a control circuit 16 of the antenna device 11. In this case, the antenna signals of all antennas 12 are not forwarded, but only a selection of them is forwarded as a respective reception signal 17 to a signal input or signal port 18 of the control circuit 16. The Control circuit 16 can be implemented, for example, on a circuit board, for example on the basis of a chipset or an electronic circuit. To distinguish the signal ports 18, these are referred to below as Rx1, Rx2. A localization method L1, L2 can be carried out using the received signals 17. Several localization methods L1, L2 can be implemented, whereby one of the localization methods L1, L2 can be currently active. For example, a microprocessor or CPU20 (CPU - central processing unit) of the control circuit 16 can carry out the respective localization method L1, L2. A localization result 21 resulting from application of the respective localization method L1, L2 to the received signals 17 can be signaled in the motor vehicle 10 to a control unit 22, which can then output control commands 23 to at least one actuator 24 of the motor vehicle 10, for example a central locking system and/or an automated driving function, depending on the localization result 21.
Als Lokalisierungsverfahren L1 kann beispielsweise eine Lokalisierung eines als Funkschlüssel 25 fungierenden elektrischen Geräts, beispielsweise eines Funkschlüssels selbst oder eines Smartphones, vorsehen. Das hierzu von dem Funkschlüssel 25 empfangene Funksignal 14 kann in an sich bekannter Weise ein UWB-Signal sein. Das Lokalisierungsverfahren L2 kann beispielsweise eine radarbasierte Personendetektion vorsehen, wobei hierzu mittels der Antennenvorrichtung 11 über eine der Antennen 12 ein Sendesignal 26 ausgesendet werden kann, welches durch eine Person 27 reflektiert und als Funksignal 14 zu den Antennen 12 zurückgelangen kann. Der Funkschlüssel 25 beziehungsweise die Person 27 stellen somit jeweils ein Objekt 0 dar, das in der Außenumgebung 13 lokalisiert wird. Es kann auch eine Lokalisierung in einem Innenraum des Kraftfahrzeugs 10 mittels der Antennen 12 vorgesehen sein. The localization method L1 can, for example, provide for localization of an electrical device acting as a radio key 25, for example a radio key itself or a smartphone. The radio signal 14 received for this purpose by the radio key 25 can be a UWB signal in a manner known per se. The localization method L2 can, for example, provide for radar-based person detection, wherein for this purpose a transmission signal 26 can be emitted by means of the antenna device 11 via one of the antennas 12, which can be reflected by a person 27 and returned to the antennas 12 as a radio signal 14. The radio key 25 or the person 27 thus each represent an object 0 that is localized in the external environment 13. Localization in an interior of the motor vehicle 10 can also be provided by means of the antennas 12.
Damit die unterschiedlichen Lokalisierungsverfahren L1 , L2 durchgeführt werden können und damit insbesondere oder alternativ innerhalb oder für das jeweilige Lokalisierungsverfahren L1 , L2 unterschiedliche aus den Antennen 12 gebildete Antennenkonstellationen gebildet werden können, deren aktive Antennen 12 das Empfangssignal 17 an den Signalports 18 bereitstellen, können die Signalports 18 mit den Antennen 12 über Schalteinheiten 30 verschaltet sein, die beispielsweise ebenfalls auf der Schaltungsplatine oder einer Schaltungsplatine der Steuerschaltung 16 angeordnet sein können. Durch die Schalteinheiten 30 können die Signalports 18 mit jeweiligen Antennenanschlüssen 31 verschaltet sein, wobei an jedem Antennenanschluss 31 jeweils eine der Antennen 12 angeschlossen sein kann. Die Antennen 12 können hierzu ebenfalls auf der Schaltungsplatine PCB implementiert sein, beispielsweise als Monopolantenne, Dipolantenne, Patch-Antenne oder Schlitzantenne, oder sie können als separate Bauteile beispielsweise über ein Koaxialkabel mit den Antennenanschlüssen 31 elektrisch verbunden sein. In order to be able to carry out the different localization methods L1, L2 and in order to be able to form, in particular or alternatively, within or for the respective localization method L1, L2, different antenna constellations formed from the antennas 12 can be formed, the active antennas 12 of which In order to provide the received signal 17 at the signal ports 18, the signal ports 18 can be connected to the antennas 12 via switching units 30, which can also be arranged on the circuit board or a circuit board of the control circuit 16, for example. The signal ports 18 can be connected to respective antenna connections 31 via the switching units 30, wherein one of the antennas 12 can be connected to each antenna connection 31. The antennas 12 can also be implemented on the circuit board PCB for this purpose, for example as a monopole antenna, dipole antenna, patch antenna or slot antenna, or they can be electrically connected to the antenna connections 31 as separate components, for example via a coaxial cable.
Beim Durchführen eines der Lokalisierungsverfahren L1 , L2 können mehrere Messzyklen C1 , C2 vorgesehen sein, die nacheinander durchgeführt werden können. Fig. 1 stellt dar, wie für die unterschiedlichen Messzyklen C1 , C2 in der jeweiligen Schalteinheit 30 ein anderer Schaltzustand 32 eingestellt sein kann, der durch eine durchgezogene beziehungsweise gestrichelte Linie symbolisiert ist. Die Schalteinheit 30 kann zum Einstellen des jeweiligen Schaltzustands 32 jeweils zumindest ein Schaltelement 33 aufweisen, beispielsweise zumindest einen Transistor. Durch die Linien ist symbolisiert, welcher der Antennenanschlüsse 31 im jeweiligen Schaltzustand 32 elektrisch mit dem zugeordneten oder verbundenen Signalport 18 verbunden ist. When carrying out one of the localization methods L1, L2, several measuring cycles C1, C2 can be provided, which can be carried out one after the other. Fig. 1 shows how a different switching state 32 can be set for the different measuring cycles C1, C2 in the respective switching unit 30, which is symbolized by a solid or dashed line. The switching unit 30 can have at least one switching element 33, for example at least one transistor, for setting the respective switching state 32. The lines symbolize which of the antenna connections 31 is electrically connected to the assigned or connected signal port 18 in the respective switching state 32.
Das Steuern der Schaltzustände 32 kann mittels eines Schaltsignals 34 durch die Steuerschaltung 16, beispielsweise deren Mikroprozessor oder CPU 20, erfolgen. Die Schalteinheiten 30 sind im Folgenden voneinander durch die Bezeichnung S- Rx1 , S-Rx2 (S steht für Switch) unterschieden. The switching states 32 can be controlled by means of a switching signal 34 by the control circuit 16, for example its microprocessor or CPU 20. The switching units 30 are distinguished from one another below by the designation S-Rx1, S-Rx2 (S stands for switch).
Fig. 2 veranschaulicht eine mögliche bauliche Anordnung der Antennen 12, die hier als äquidistantes beispielsweise lineares Antennenarray vorgesehen sein kann. Ein Rasterabstand d, also ein Antennen-Abstand d, zwischen benachbarten Antennen kann hierbei kleiner oder gleich der halben Wellenlänge X, also d < A/2, betragen. Die in Fig. 2 dargestellte Antennenanordnung ist hier als Antennenanordnung I im Folgenden bezeichnet. Fig. 2 illustrates a possible structural arrangement of the antennas 12, which can be provided here as an equidistant, for example linear antenna array. A grid spacing d, i.e. an antenna spacing d, between adjacent antennas can be less than or equal to half the wavelength X, i.e. d < A/2. The antenna arrangement shown in Fig. 2 is referred to as antenna arrangement I in the following.
Fig. 3 veranschaulicht, wie bei dem Verfahren zum Durchführen eines der Lokalisierungsverfahren oder beide Lokalisierungsverfahren L1 , L2 eine erste Antennenkombination oder Abfolge von Antennenkombinationen l-l durch Einstellen der dargestellten Schaltzustände für zwei aufeinanderfolgende Schaltzyklen C1 , C2 durchgeführt werden kann. Fig. 3 illustrates how, in the method for carrying out one of the localization methods or both localization methods L1, L2, a first antenna combination or sequence of antenna combinations l-l can be carried out by setting the illustrated switching states for two consecutive switching cycles C1, C2.
Fig. 4 veranschaulicht die zugehörigen Schaltzustände für die beiden Messzyklen C1 , C2. Fig. 4 illustrates the corresponding switching states for the two measuring cycles C1, C2.
Fig. 5 veranschaulicht für die Antennenanordnung I eine Antennenkombination I- III. Fig. 5 illustrates an antenna combination I-III for the antenna arrangement I.
Fig. 6 veranschaulicht die zugehörigen Schaltzustände für die beiden Messzyklen C1 , C2, wie sie in den beiden Schalteinheiten S-Rx1 , S-Rx2 vorgesehen sein können. Fig. 6 illustrates the corresponding switching states for the two measuring cycles C1, C2, as they can be provided in the two switching units S-Rx1, S-Rx2.
Fig. 7 veranschaulicht eine zweite Antennenanordnung II, bei welcher in einem linearen Antennenarray mit vier Antennen 12 die inneren Antennen 2, 3 in einem Antennenabstand d, der kleiner oder gleich der halben Wellenlänge X ist und die äußeren Antennen 1 , 4 zu den inneren Antennen 2, 3 mindestens einen Abstand D > d aufweisen, sodass die Antennen 1 , 4 in einem antennenfreien Zwischenraum 50 einen Abstand D größer als die halbe Wellenlänge zu der nächsten Antenne aufweisen. Fig. 7 illustrates a second antenna arrangement II, in which in a linear antenna array with four antennas 12 the inner antennas 2, 3 have an antenna spacing d which is less than or equal to half the wavelength X and the outer antennas 1, 4 have at least a distance D>d from the inner antennas 2, 3, so that the antennas 1, 4 have a distance D greater than half the wavelength from the next antenna in an antenna-free space 50.
Fig. 8 veranschaulicht eine Antennenkombination ll-lll auf Basis der Antennenanordnung II, wie sie für zwei Messzyklen C1 , C2 für eines oder beide Lokalisierungsverfahren eingestellt werden kann. Fig. 8 illustrates an antenna combination II-III based on the antenna arrangement II, as it can be adjusted for two measuring cycles C1, C2 for one or both localization methods.
Fig. 9 veranschaulicht die zugehörigen Schaltzustände der Schaltelemente S-Rx1 , S-Rx2 für die Schaltzyklen C1 , C2 für das Verfahren gemäß Fig. 8. Fig. 10 veranschaulicht eine dritte Antennenanordnung III, bei welcher von den Antennen 12 in einem linearen Array die jeweils beiden äußeren Antennen 1 , 2 beziehungsweise 3, 4 einen Antennenabstand d kleiner oder gleich der halben Wellenlänge der verwendeten Empfangsfrequenz aufweisen und zwischen diesen beiden Antennenpaaren 52 in einem antennenfreien Zwischenraum 50 einen Antennenabstand D > d und insbesondere größer als die halbe Wellenlänge der Signalfrequenz vorgesehen ist. Fig. 9 illustrates the corresponding switching states of the switching elements S-Rx1, S-Rx2 for the switching cycles C1, C2 for the method according to Fig. 8. Fig. 10 illustrates a third antenna arrangement III, in which of the antennas 12 in a linear array the two outer antennas 1, 2 and 3, 4 have an antenna spacing d less than or equal to half the wavelength of the reception frequency used and between these two antenna pairs 52 in an antenna-free space 50 an antenna spacing D > d and in particular greater than half the wavelength of the signal frequency is provided.
Fig. 11 veranschaulicht, wie auf Basis dieser Antennenanordnung III in einer ersten Antennenkombination lll-l in zwei Messzyklen C1 , C2 die Empfangssignale an die Signalports Rx1 , Rx2 geleitet werden können. Fig. 11 illustrates how, on the basis of this antenna arrangement III in a first antenna combination III-I, the received signals can be routed to the signal ports Rx1, Rx2 in two measuring cycles C1, C2.
Fig. 12 veranschaulicht zugehörige Schaltzustände der Schalteinheiten S-Rx1 , S- Rx2 für zwei Messzyklen C1 , C2. Fig. 12 illustrates corresponding switching states of the switching units S-Rx1, S-Rx2 for two measuring cycles C1, C2.
Fig. 13 veranschaulicht, dass in der jeweiligen Antennenanordnung die Antennen 12 auch mit gezielt eingestellten Ausrichtungen der Polarisation angeordnet sein können, wobei hier ein Pfeil nach oben eine vertikale Ausrichtung (0 Grad), ein waagerechter Pfeil eine horizontale Ausrichtung (90 Grad) und ein schräger Pfeil eine Ausrichtung bei 45 Grad der Polarisation bezüglich der Vertikalen symbolisiert. Dargestellt ist, wie für unterschiedliche Varianten P1.1 bis P1.5 die Antennen 12 unterschiedliche relative oder absolute Ausrichtungen in ihrer Polarisation aufweisen können. Fig. 13 illustrates that in the respective antenna arrangement, the antennas 12 can also be arranged with specifically set polarization orientations, with an upward arrow symbolizing a vertical orientation (0 degrees), a horizontal arrow a horizontal orientation (90 degrees) and an oblique arrow an orientation at 45 degrees of polarization with respect to the vertical. It is shown how, for different variants P1.1 to P1.5, the antennas 12 can have different relative or absolute orientations in their polarization.
Fig. 14 veranschaulicht das Prinzip von Fig. 13 für ein Antennenarray mit Antennen 12, die zu einem Rechteck oder Quadrat oder Kreis angeordnet sind. Fig. 14 illustrates the principle of Fig. 13 for an antenna array with antennas 12 arranged in a rectangle or square or circle.
Fig. 15 veranschaulicht das Prinzip von Fig. 13 für ein Antennenarray mit einer L- Form der Anordnung der Antennen 12. Fig. 15 illustrates the principle of Fig. 13 for an antenna array with an L-shape arrangement of the antennas 12.
Fig. 16 veranschaulicht das Prinzip von Fig. 13 für ein Antennenarray, bei welchem die Antennen 12 in einer T-Form angeordnet sind. Auch die Anordnungen gemäß Fig. 13 bis Fig. 16 und zusätzlich oder alternativ dazu auch weitere Anordnungen können für das Durchführen von Lokalisierungsverfahren wie beispielsweise den Lokalisierungsverfahren L1 , L2 in unterschiedlichen Messzyklen und/oder für unterschiedliche Lokalisierungsverfahren mittels der Schalteinheiten 30 abwechselnd mit den Signalports 18 elektrisch verbunden werden, um das jeweilige Empfangssignal 17 (siehe Fig. 1 ) für das jeweilige Lokalisierungsverfahren beziehungsweise den aktuellen Messzyklus als Eingangssignal bereitzustellen oder zu nutzen. Der Fachmann kann hier wählen, welches Empfangssignal 17 für einen jeweiligen Messzyklus zum Erzeugen eines Lokalisierungsergebnisses 21 (siehe Fig. 1 ) vorteilhaft ist. Fig. 16 illustrates the principle of Fig. 13 for an antenna array in which the antennas 12 are arranged in a T-shape. The arrangements according to Fig. 13 to Fig. 16 and additionally or alternatively also further arrangements can be electrically connected alternately to the signal ports 18 by means of the switching units 30 for carrying out localization methods such as the localization methods L1, L2 in different measuring cycles and/or for different localization methods in order to provide or use the respective received signal 17 (see Fig. 1) as an input signal for the respective localization method or the current measuring cycle. The person skilled in the art can choose here which received signal 17 is advantageous for a respective measuring cycle for generating a localization result 21 (see Fig. 1).
Die Idee befasst sich mit der Kombination von Antennenschaltkonzepten, die insbesondere auf Leiterplatten mit einer Größe, die Kantenlängen kleiner als 20cm vorsieht, die neuen Lokalisierungsfunktionen CPD (Child Presence Detection) und AoA (Angle of Arrival) auf der UWB-Technologie mit geringem Hardwareaufwand abdecken. Bislang war die Kombination beider Funktionen (CPD und AoA) noch nicht in einem UWB-Transceiver integriert. Die Integration beider Funktionen wird hier mit einem Antennenschaltkonzept erreicht, um beide Funktionen in einem UWB-Transceiver bereitzustellen. The idea deals with the combination of antenna switching concepts that cover the new localization functions CPD (Child Presence Detection) and AoA (Angle of Arrival) on UWB technology with little hardware effort, especially on circuit boards with a size that provides edge lengths of less than 20 cm. Until now, the combination of both functions (CPD and AoA) has not yet been integrated in a UWB transceiver. The integration of both functions is achieved here with an antenna switching concept in order to provide both functions in a UWB transceiver.
Ein solcher UWB-Transceiver, der beide Funktionen CPD & AoA vereint, war bisher nicht Stand der Technik. Erst der hier vorgestellte UWB-Chipsatz (Steuerschaltung) kann die Möglichkeit bieten, beide Funktionen auf einem UWB- Transceiver zu integrieren. Das Konzept der Antennenumschaltung ermöglicht es, die Funktionen CPD und AoA in einem UWB-Transceiver zu realisieren und gewährleistet die erforderlichen Antennenleistungen für jede der Lokalisierungsfunktionen. Such a UWB transceiver, which combines both CPD & AoA functions, was not previously state of the art. Only the UWB chipset (control circuit) presented here can offer the possibility of integrating both functions on a UWB transceiver. The concept of antenna switching makes it possible to implement the CPD and AoA functions in a UWB transceiver and ensures the required antenna performance for each of the localization functions.
Das Antennenumschaltkonzept ermöglicht es, die Tx/Rx-Ports des Chipsatzes in Abhängigkeit von der verwendeten Funktion (CPD oder AoA) zu nutzen, um von den erforderlichen/benötigten Antennenleistungen für jede Funktion zu profitieren. Beide Funktionen erfordern eine kohärente UWB-Signal-Tx- und -Rx-Fähigkeit der Antennen, die durch unser Switch-Konzept mit minimaler Hardware ermöglicht wird. Die Details sind wie folgt. The antenna switching concept allows to use the Tx/Rx ports of the chipset depending on the function used (CPD or AoA) to benefit from the required/needed antenna performance for each function. Both functions require coherent UWB signal Tx and Rx capability of the antennas, which is enabled by our switch concept with minimal hardware. The details are as follows.
Detailliertes Schaltkonzept: Detailed switching concept:
Für die Funktion AoA können die Antennen 1+2 oder 3+4 für einen AoA-Zyklus kombiniert werden. Das heißt, für den ersten Rx-Zyklus wird die Antenne 1 +2 verwendet (eine davon auch für Tx), und für den zweiten Rx-Zyklus die Antenne 3+4 (eine davon auch für Tx). Für die Funktion CPD können die Antennen 2+3 und 1 +4 für einen CPD-Zyklus kombiniert werden. Das bedeutet, dass für den Rx- Zyklus die Antennen 2+3 verwendet werden und für Diversity-Zwecke für einen weiteren Rx-Zyklus die Antennen 1 +4 verwendet werden können. Der derzeitige Chipsatz ermöglicht AoA- oder CPD-Zyklen, um auf einem Tx/Rx-Port zu senden und gleichzeitig auf 2 Tx/Rx-Ports zu empfangen. Das ermöglicht folgende Zykluskombinationen für - AoA: o Zyklus 1 : Antenne 1 oder Antenne 2 sendet, Antennen 1 +2 empfängt o Zyklus 2: Antenne 3 oder Antenne 4 sendet, Antennen 3+4 empfängt - CPD: o Zyklus: Antenne 2 oder Antenne 3 sendet, Antennen 2+3 empfängt o Diversity-Zwecke: Antenne 1 oder Antenne 4 sendet, Antennen 1 +4 empfängt For the AoA function, antennas 1+2 or 3+4 can be combined for one AoA cycle. That is, for the first Rx cycle, antenna 1+2 is used (one of them also for Tx), and for the second Rx cycle, antenna 3+4 is used (one of them also for Tx). For the CPD function, antennas 2+3 and 1+4 can be combined for one CPD cycle. That means that for the Rx cycle, antennas 2+3 are used, and for diversity purposes, antennas 1+4 can be used for another Rx cycle. The current chipset allows AoA or CPD cycles to transmit on one Tx/Rx port and receive on 2 Tx/Rx ports simultaneously. This allows the following cycle combinations for - AoA: o Cycle 1 : Antenna 1 or antenna 2 transmits, antennas 1 +2 receive o Cycle 2: Antenna 3 or antenna 4 transmits, antennas 3+4 receive - CPD: o Cycle: Antenna 2 or antenna 3 transmits, antennas 2+3 receive o Diversity purposes: Antenna 1 or antenna 4 transmits, antennas 1 +4 receive
Verwendung für die AoA-Funktionalität: Use for AoA functionality:
Für die Fähigkeit zur AoA-Schätzung eines Antennensystems ist es erforderlich, dass die Antenne ein UWB-Signal an die Umgebung senden kann und dass ein Antennenpaar ein UWB-Signal empfangen kann, das zueinander und zum UWB- Tx-Signal kohärent ist. Das Rx-Signal kann entweder von Reflexionen des UWB- Signals stammen, das wir von einer Person/einem Objekt übertragen haben, oder ein aktives UWB-Signal sein, das von einem aktiven Gegenstück erzeugt und übertragen wird, das wir initialisiert und mit unserem UWB-Tx-Signal synchronisiert haben. The ability of an antenna system to estimate AoA requires that the antenna can transmit a UWB signal to the environment and that an antenna pair can receive a UWB signal that is coherent with each other and with the UWB Tx signal. The Rx signal can either be derived from reflections of the UWB signal we have transmitted from a person/object, or it can be an active UWB signal generated and transmitted by an active counterpart that we have initialized and synchronized with our UWB Tx signal.
Der Rahmen für die AoA-Schätzung verwendet dann die Rx-Signaleigenschaften auf den kohärenten Rx-Antennenpaaren, dann steht ein Ergebnis des Signalprozessors zur Verfügung, das durch die von uns vorgeschlagene Hardware ermöglicht wird. Eine typische planare Abdeckung für ein AoA-System besteht aus Winkeln zwischen 0°-180° (Halbkreis). Dementsprechend hat ein typisches AoA- Hardwarekonzept die folgenden Probleme: - Die verwendeten Antennen haben ein begrenztes Sichtfeld (FoV) innerhalb des AoA-Schätzwinkels. - Die Antennenpaare für den Sendeempfang müssen eine ähnliche Leistung in Bezug auf Polarisation und Sichtfeld erbringen und eine gute Isolierung zwischen ihnen gewährleisten. Unser System bietet die folgenden Beiträge: - In unserem Switch- Konzept schlagen wir eine Tx-Diversität (Beitrag) vor, da wir das UWB-Signal von jedem der Antennenelemente aus senden können, was den FoV verbessert. - Für die Rx-Antenne erfordert die AoA-Schätzung ein spezielles Paar von Rx-Antennen in Bezug auf FoV und Polarisation. Ohne die Anzahl der Rx-Ports (Beitrag) zu erhöhen, ermöglichen wir mit unserem Switch-Konzept eine Diversität der AoA- Schätzung mit einem erweiterten FoV und einer Diversität der Polarisation. The framework for AoA estimation then uses the Rx signal characteristics on the coherent Rx antenna pairs, then a signal processor result is available, which is enabled by the hardware we propose. A typical planar coverage for an AoA system consists of angles between 0°-180° (semicircle). Accordingly, a typical AoA hardware concept has the following problems: - The antennas used have a limited field of view (FoV) within the AoA estimation angle. - The antenna pairs for transmit/receive must provide similar performance in terms of polarization and field of view and ensure good isolation between them. Our system offers the following contributions: - In our switch concept, we propose a Tx diversity (contribution) since we can transmit the UWB signal from any of the antenna elements, which improves the FoV. - For the Rx antenna, AoA estimation requires a specific pair of Rx antennas in terms of FoV and polarization. Without increasing the number of Rx ports (contribution), with our switch concept we enable diversity of AoA estimation with an extended FoV and diversity of polarization.
Kurz gesagt, es wird eine kompakte AoA-Schätzungshardware mit nur 2 kohärenten Rx-Ports vorgeschlagen, die aufgrund der Diversität eine höhere Leistung aufweist. In short, a compact AoA estimation hardware with only 2 coherent Rx ports is proposed, which has higher performance due to diversity.
Entfernungserfassung Distance detection
- Für die Entfernungsmessung empfangen beide Antennen eines Sensors pro Entfernungsmessungszyklus das von einem anderen Gerät (z. B. Schlüssel, Smartphone, ...) gesendete Signal. Die empfangenen Signale stellen die Kanalimpulsantworten (CIRs) zwischen dem Sender und den beiden Empfängern eines Sensors dar. - Die Entfernung zum Sender kann anhand der empfangenen CIRs geschätzt werden. Bei einem Messzyklus wird eine Entfernungsschätzung pro Signal vorgenommen, d. h. 2 Schätzungen pro Zyklus. - For distance measurement, both antennas of a sensor receive the signal sent by another device (e.g. key, smartphone, ...) per distance measurement cycle. The received signals represent the channel impulse responses (CIRs) between the transmitter and the two receivers of a sensor. - The distance to the transmitter can be estimated from the received CIRs. During a measurement cycle, one distance estimate is made per signal, ie 2 estimates per cycle.
- Bei 2 Messzyklen können 2 Paare von Rx-Antennen genutzt werden, d. h. es werden 4 Schätzungen erhalten. - With 2 measurement cycles, 2 pairs of Rx antennas can be used, i.e. 4 estimates are obtained.
- Bei dem nachstehenden Beispiel können 4 Zyklen mit 4 abwechselnden Antennenkombinationen genutzt werden: o Zyklus 1 : Antenne 1 + 2 o Zyklus 2: Antenne 3 + 4 o Zyklus 3: Antenne 1 + 4 o Zyklus 4: Antenne 2 + 3 - In the example below, 4 cycles with 4 alternating antenna combinations can be used: o Cycle 1 : Antenna 1 + 2 o Cycle 2: Antenna 3 + 4 o Cycle 3: Antenna 1 + 4 o Cycle 4: Antenna 2 + 3
Das heißt, es werden insgesamt 8 CIRs ermittelt. This means that a total of 8 CIRs are determined.
- Die Fusion von Entfernungsschätzungen zwischen mehreren Zyklen und Antennenkombinationen ermöglicht eine Verringerung der Schätzungsfehler. - Fusion of range estimates between multiple cycles and antenna combinations allows for a reduction in estimation errors.
- Darüber hinaus können die CIRs kombiniert werden, um ein maximales Signal- Rausch-Verhältnis (SNR) und eine AoA-Schätzung zu erreichen, was die Entfernungsschätzung weiter verbessert. - In addition, the CIRs can be combined to achieve maximum signal-to-noise ratio (SNR) and AoA estimation, further improving range estimation.
Nutzung der RADAR-Funktion Using the RADAR function
- Bei der RADAR-Funktion sendet und empfängt pro Messzyklus eine Antenne des Sensors (Tx/Rx) und eine andere Antenne empfängt nur (Rx). - Die empfangenen Signale stellen Reflexionen dar, die an Hindernissen in der Umgebung des Sensors auftreten. Die Hindernisse werden durch das Sendesignal beleuchtet und reflektieren einen Teil des Signals zurück zum Sensor. Die Reflexionen von mehreren Hindernissen und mehreren Ausbreitungswegen bilden die Kanalimpulsantwort (CIR). Neben dem Fall, dass ein Sensor ein Signal sendet und derselbe Sensor das Signal empfängt (monostatisches RADAR), kann es auch mindestens zwei Sensoren geben, von denen einer sendet und der andere empfängt oder einer sendet und empfängt und der andere empfängt nur in einem Messzyklus (multistatisches RADAR). - Je nach gewählter Tx/Rx-Antenne und Rx- Antenne können mehrere CIRs erhalten werden. Siehe zum Beispiel die nachstehende Abbildung. Das folgende Schema kann angewendet werden: o Zyklus 1 : Antenne 1 macht Rx, Antenne 2 macht Tx/Rx o Zyklus 2: Antenne 3 macht Tx/Rx, Antenne 4 macht Rx - With the RADAR function, one antenna of the sensor sends and receives (Tx/Rx) per measuring cycle and another antenna only receives (Rx). - The received signals represent reflections that occur on obstacles in the sensor's environment. The obstacles are illuminated by the transmitted signal and reflect part of the signal back to the sensor. The reflections from multiple obstacles and multiple propagation paths constitute the channel impulse response (CIR). In addition to the case where one sensor transmits a signal and the same sensor receives the signal (monostatic RADAR), there can also be at least two sensors, one transmitting and the other receiving, or one transmitting and receiving and the other receiving only in one measurement cycle (multistatic RADAR). - Depending on the Tx/Rx antenna and Rx antenna chosen, several CIRs can be obtained. See for example the figure below. The following scheme can be applied: o Cycle 1 : antenna 1 does Rx, antenna 2 does Tx/Rx o Cycle 2 : antenna 3 does Tx/Rx, antenna 4 does Rx
Das heißt, es werden 2 CIRs pro Zyklus erzielt, also insgesamt 4 CIRs. This means that 2 CIRs are achieved per cycle, for a total of 4 CIRs.
Dieses Schema umfasst Tx- und Rx-Diversity, auch wenn nur ein Teil der Diversity-Mannigfaltigkeit genutzt wird. This scheme includes Tx and Rx diversity, even if only a portion of the diversity manifold is used.
- Betrachten wir ein weiteres Beispiel, das auf der in der folgenden Abbildung dargestellten Ausführungsform basiert: o Zyklus 1 : Antenne 1 übernimmt Tx/Rx, Antenne 2 übernimmt Rx o Zyklus 2: Antenne 1 übernimmt Tx/Rx, Antenne 4 übernimmt Rx o Zyklus 3: Antenne 1 macht Rx, Antenne 2 macht Tx/Rx o Zyklus 4: Antenne 2 sendet/empfängt, Antenne 3 sendet o Zyklus 5: Antenne 2 macht Rx, Antenne 3 macht Tx/Rx o Zyklus 6: Antenne 3 sendet/empfängt, Antenne 4 sendet o Zyklus 7: Antenne 1 macht Rx, Antenne 4 macht Tx/Rx o Zyklus 8: Antenne 3 macht Rx, Antenne 4 macht Tx/Rx - Let us consider another example based on the embodiment shown in the following figure: o Cycle 1 : Antenna 1 does Tx/Rx, Antenna 2 does Rx o Cycle 2: Antenna 1 does Tx/Rx, Antenna 4 does Rx o Cycle 3: Antenna 1 does Rx, Antenna 2 does Tx/Rx o Cycle 4: Antenna 2 transmits/receives, Antenna 3 transmits o Cycle 5: Antenna 2 does Rx, antenna 3 does Tx/Rx o Cycle 6: Antenna 3 sends/receives, antenna 4 sends o Cycle 7: Antenna 1 does Rx, antenna 4 does Tx/Rx o Cycle 8: Antenna 3 does Rx, antenna 4 does Tx/Rx
Das heißt, pro Zyklus werden 2 CIRs ermittelt, also insgesamt 16 CIRs. This means that 2 CIRs are determined per cycle, for a total of 16 CIRs.
Der gesamte Satz von Tx- und Rx-Diversity-Schemata wird genutzt, da jede Antenne zum Senden und jedes mögliche Antennenpaar zum Empfangen verwendet wird. In einem multistatischen Aufbau sind mehr Kombinationen möglich, da ein größeres Diversitätsspektrum genutzt werden kann. The full set of Tx and Rx diversity schemes is used, as every antenna is used for transmitting and every possible pair of antennas is used for receiving. In a multistatic setup, more combinations are possible, as a larger diversity spectrum can be used.
Das Konzept der Antennenumschaltung ermöglicht es, die beste Antennenleistung für jede Funktion zu wählen, da Tx- und Rx-Diversity für Ranging/RADAR- Funktionen zur Verfügung stehen, und zwar so, dass beide Funktionen in einem UWB-Transceiver-Design mit nur 2 Rx-Ports kombiniert werden und der erforderliche Leiterplattenplatz auf ein Minimum reduziert wird. The antenna switching concept allows to choose the best antenna performance for each function, as Tx and Rx diversity are available for ranging/RADAR functions, in such a way that both functions are combined in a UWB transceiver design with only 2 Rx ports and the required PCB space is reduced to a minimum.
Eine Ausführungsform besteht aus 2 Schaltern. Ein Schalter dient zur Auswahl von Antenne 1 oder 3, der andere Schalter zur Auswahl von Antenne 2 oder 4. In einem ersten Messzyklus " Zyklus 1 " sind die Antennen 1 und 2 aktiv und das von diesen Antennen empfangene Signal wird an die Empfängerzweige Rx1 und Rx2 weitergeleitet. In einem zweiten Messzyklus " Zyklus 2 " sind die Antennen 3 und 4 aktiv und das von diesen Antennen empfangene Signal wird an die Empfängerzweige Rx1 und Rx2 weitergeleitet. One embodiment consists of 2 switches. One switch is used to select antenna 1 or 3, the other switch to select antenna 2 or 4. In a first measurement cycle "cycle 1", antennas 1 and 2 are active and the signal received by these antennas is forwarded to the receiver branches Rx1 and Rx2. In a second measurement cycle "cycle 2", antennas 3 and 4 are active and the signal received by these antennas is forwarded to the receiver branches Rx1 and Rx2.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie ein kombiniertes Antennenkonzept für eine radarbasierte Personendetektion als erstes Lokalisierungsverfahren und eine Funkschlüssellokalisierung als zweites Lokalisierungsverfahren bereitgestellt werden kann. Overall, the example shows how a combined antenna concept for radar-based person detection as a first localization method and a Radio key localization can be provided as a second localization method.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
10 Kraftfahrzeug 10 Motor vehicle
11 Antennenvorrichtung11 Antenna device
12 Antennen 12 antennas
13 Außenumgebung 13 Outdoor environment
13 Umgebung 13 Environment
14 Funksignal 14 Radio signal
16 Steuerschaltung 16 Control circuit
17 Empfangssignal 17 Reception signal
18 Signalport 18 Signal port
20 Prozessor 20 processor
21 Lokalisierungsergebnis21 Localization result
22 Steuergerät 22 Control unit
23 Steuerbefehle 23 control commands
24 Aktuator 24 Actuator
25 Funkschlüssel 25 radio keys
26 Sendesignal 26 Transmission signal
27 Person 27 people
30 Schalteinheit 30 Switching unit
31 Antennenanschluss31 Antenna connection
32 Schaltzustand 32 Switching state
33 Schaltelement 33 Switching element
34 Schaltsignal 34 Switching signal
50 Zwischenraum 50 gap
52 Antennenpaar 52 antenna pairs

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Antennenvorrichtung (11 ), aufweisend vier oder mehr als vier Antennenanschlüsse (31 ) zum Anschließen einer jeweiligen Antenne und aufweisend eine Steuerschaltung (16), die zwei oder mehr als zwei Signalports (18) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jeder der Signalports (18) jeweils über eine jeweilige Schalteinheit (30) mit zwei oder mehr als zwei der Antennenanschlüsse (31 ) verschaltet ist, wobei die jeweilige Schalteinheit (30) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Steuersignal einen von mehreren vorgegebenen Schaltzuständen (32) einzunehmen, in welchem sie den mit ihr verschalteten Signalport (18) mit einem anderen der mit ihr verschalteten Antennenschlüsse elektrisch verbunden hält, wobei die Steuerschaltung (16) mit einen jeweiligen Steuereingang der Umschaltrichtungen verbunden ist und die Steuerschaltung (16) eine Steuerlogik aufweist, die bei Ausführen durch die Steuerschaltung (16) diese veranlasst, das Steuersignal zu erzeugen und auf über die Signalports empfangene Empfangssignale (17) ein oder abwechselnd zumindest zwei unterschiedliche vorgegebene Lokalisierungsverfahren zum jeweiligen Lokalisieren zumindest eines Objekts anzuwenden. 1. Antenna device (11) having four or more than four antenna connections (31) for connecting a respective antenna and having a control circuit (16) having two or more than two signal ports (18), characterized in that each of the signal ports (18) is connected to two or more than two of the antenna connections (31) via a respective switching unit (30), wherein the respective switching unit (30) is designed to assume one of several predetermined switching states (32) depending on a control signal, in which it keeps the signal port (18) connected to it electrically connected to another of the antenna connections connected to it, wherein the control circuit (16) is connected to a respective control input of the switching directions and the control circuit (16) has a control logic which, when Execution by the control circuit (16) causes the latter to generate the control signal and to apply one or alternately at least two different predetermined localization methods to reception signals (17) received via the signal ports for respectively localizing at least one object.
2. Antennenvorrichtung (11 ) nach Anspruch 1 , wobei jede der Schalteinheiten (30) mit anderen der Antennen (12) verschaltet ist. 2. Antenna device (11) according to claim 1, wherein each of the switching units (30) is connected to other ones of the antennas (12).
3. Antennenvorrichtung (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren jeweils für unterschiedliche aufeinanderfolgende Messzyklen unterschiedliche Schaltzustände (32) der Schalteinheiten (30) vorsieht. 3. Antenna device (11) according to one of the preceding claims, wherein one or more or each localization method provides different switching states (32) of the switching units (30) for different successive measuring cycles.
4. Antennenvorrichtung (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren jeweils zum Lokalisieren des zumindest einen Objekts eine phasenbasierte Einfallswinkelschätzung, AoA, mittels der an die Signalports (18) geleiteten Empfangssignale (17) umfasst. 4. Antenna device (11) according to one of the preceding claims, wherein one or more or each localization method for localizing the at least one object comprises a phase-based angle of incidence estimation, AoA, by means of the received signals (17) directed to the signal ports (18).
5. Antennenvorrichtung (11 ) nach Anspruch 4, wobei eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren umfasst, dass es zumindest zwei Messzyklen umfasst, von denen beide die Einfallswinkelschätzung umfasst, wobei in den Messzyklen unterschiedliche der Antennenanschlüsse (31 ) mit den Signalports (18) verbunden sind. 5. Antenna device (11) according to claim 4, wherein one or more or each localization method comprises comprising at least two measurement cycles, both of which comprise the angle of incidence estimation, wherein in the measurement cycles different ones of the antenna ports (31) are connected to the signal ports (18).
6. Antennenvorrichtung (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren jeweils zum Lokalisieren des zumindest einen Objekts eine an den an die Signalports (18) geleiteten Signalen ausgeführte laufzeitbasierte Abstandsmessung umfasst. 6. Antenna device (11) according to one of the preceding claims, wherein one or more or each localization method for localizing the at least one object comprises a runtime-based distance measurement carried out on the signals conducted to the signal ports (18).
7. Antennenvorrichtung (11 ) nach Anspruch 6, in dessen Rückbezug auf Anspruch 5 oder 4, wobei eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren jeweils umfasst, dass es zumindest zwei Messzyklen umfasst, von denen einer die Einfallswinkelschätzung und einer die Laufzeitbasierte Messung umfasst. 7. Antenna device (11) according to claim 6, when dependent on claim 5 or 4, wherein one or more or each localization method each comprises comprising at least two measurement cycles, one of which comprises the angle of incidence estimation and one of which comprises the time-of-flight based measurement.
8. Antennenvorrichtung (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils eine Antenne mit einem der Antennenanschlüsse (31 ) elektrisch verbunden ist und eines oder mehrere oder jedes Lokalisierungsverfahren jeweils umfasst, dass es zumindest zwei Messzyklen umfasst, von denen in einem der Messzyklen die Signalports (18) mit solchen der Antennen (12) verbunden sind, deren Abstand kleiner oder gleich einer halben Wellenlänge einer in dem Messzyklus verwendeten Sendefrequenz einer Sendeschaltung der Antennenvorrichtung (11 ) und in einem anderen der Messzyklen die Signalports (18) mit solchen der Antennen (12) verbunden sind, deren Abstand größer als eine halbe Wellenlänge einer in dem Messzyklus verwendeten Sendefrequenz der Sendeschaltung ist, wobei das Lokalisierungsverfahren umfasst, im Messzyklus mit dem Abstand größer als der halben Wellenlänge ein mehrdeutiges Lokalisierungsergebnis (21 ) zu erzeugen und im Messzyklus mit dem Abstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge das Lokalisierungsergebnis (21 ) eindeutig zu machen. 8. Antenna device (11) according to one of the preceding claims, wherein in each case an antenna is electrically connected to one of the antenna connections (31) and one or more or each localization method in each case comprises that it comprises at least two measuring cycles, of which in one of the measuring cycles the signal ports (18) are connected to those of the antennas (12) whose distance is less than or equal to half a wavelength of a transmission frequency of a transmission circuit of the antenna device (11) used in the measuring cycle and in another of the measuring cycles the signal ports (18) are connected to those of the antennas (12) whose distance is greater than half a wavelength of a transmission frequency of the transmission circuit used in the measuring cycle, wherein the localization method comprises generating an ambiguous localization result (21) in the measuring cycle with the distance greater than half the wavelength and making the localization result (21) unambiguous in the measuring cycle with the distance less than or equal to half the wavelength.
9. Antennenvorrichtung (11 ) nach Anspruch 8, wobei die Antennen (12) zu einem Antennenarray angeordnet sind, bei welchem die Antennen (12) äquidistant mit einem Rasterabstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge oder nur zwei oder nur einige der Antennen (12) in einem Abstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge der Sendefrequenz und zwei oder einige der Antennen (12) zu zumindest einer anderen der Antennen (12) über einen antennenfreien Zwischenraum (50) hinweg in einem Abstand größer als die halbe Wellenlänge angeordnet sind. 9. Antenna device (11) according to claim 8, wherein the antennas (12) are arranged to form an antenna array in which the antennas (12) are arranged equidistantly with a grid spacing less than or equal to half the wavelength or only two or only some of the antennas (12) are arranged at a spacing less than or equal to half the wavelength of the transmission frequency and two or some of the antennas (12) are arranged at a spacing greater than half the wavelength from at least one other of the antennas (12) across an antenna-free gap (50).
10. Antennenvorrichtung (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der Signalports (18) zusätzlich als Sende-und-Empfangsport ausgestaltet ist, der zum Hervorrufen der Empfangssignale (17) ein Sendesignal (26) zum Abstrahlen über die aktuell elektrisch verbundene Antenne erzeugt und danach in einem Empfangsmodus eines der Empfangssignale (17) empfängt. 10. Antenna device (11) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the signal ports (18) is additionally designed as a transmit and receive port which, in order to generate the receive signals (17), generates a transmit signal (26) for radiating via the currently electrically connected antenna and then receives one of the receive signals (17) in a receive mode.
11. Antennenvorrichtung (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eines der Lokalisierungsverfahren eine radarbasierte Child-Detektion und ein anderes der Lokalisierungsverfahren eine UWB-basierte Funkschlüssel- Lokalisierung eines Funkschlüssels (25) oder eine als Funkschlüssel fungierenden Geräts ist. 11. Antenna device (11) according to one of the preceding claims, wherein one of the localization methods is a radar-based child detection and another of the localization methods is a UWB-based radio key localization of a radio key (25) or a device acting as a radio key.
12. Antennenvorrichtung (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweilige Schalteinheit (30) zumindest ein elektrisch steuerbares Schaltelement (33) aufweist, das jeweils einen Transistor umfasst. 12. Antenna device (11) according to one of the preceding claims, wherein the respective switching unit (30) has at least one electrically controllable switching element (33), each comprising a transistor.
13. Verfahren zum Betreiben einer Antennenvorrichtung (11 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Lokalisieren zumindest eines Objekts eine von dem Objekt ausgehende elektromagnetische Strahlung mittels mehrere Antennen (12) empfangen und in ein jeweiliges Empfangssignal (17) gewandelt wird, wobei jeweils einige der Antennen (12) über eine Schalteinheit (30) mit einem anderen Singalport eines Chipsatzes der Antennenschaltung verschaltet sind und gemäß einem Schaltzustand (32) der Schalteinheit (30) das Empfangssignal (17) nur einer der Antennen (12) durch den Signalport (18) empfangen wird, wobei auf die empfangenen Empfangssignale (17) ein vorgegebenes Lokalisierungsverfahren angewendet wird, das umfasst, dass in aufeinanderfolgenden Messzyklen durch Einstellen eines jeweiligen Schaltzustands (32) der Schalteinheiten (30) unterschiedliche der Antennen (12) mit den Signalports (18) verbunden werden und durch anwenden des jeweiligen13. Method for operating an antenna device (11) according to one of the preceding claims, wherein, in order to localize at least one object, electromagnetic radiation emanating from the object is received by means of a plurality of antennas (12) and converted into a respective reception signal (17), wherein some of the antennas (12) are connected via a switching unit (30) to another signal port of a chipset of the antenna circuit and, according to a switching state (32) of the switching unit (30), the reception signal (17) of only one of the antennas (12) is transmitted through the signal port (18) is received, wherein a predetermined localization method is applied to the received reception signals (17), which comprises that in successive measuring cycles by setting a respective switching state (32) of the switching units (30) different ones of the antennas (12) are connected to the signal ports (18) and by applying the respective
Lokalisierungsverfahrens erzeugte Lokalisierungsergebnisse (21 ) aus den unterschiedlichen Messzyklen kombiniert werden. Localization results (21) generated by the localization procedure from the different measurement cycles are combined.
14. Kraftfahrzeug (10) mit einer Antennenvorrichtung (11 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12. 14. Motor vehicle (10) with an antenna device (11) according to one of claims 1 to 12.
PCT/DE2023/200254 2022-12-19 2023-12-13 Antenna device and operating method for the antenna device for locating objects, and motor vehicle having the antenna device WO2024132052A1 (en)

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