CN112042053A - 带塑料天线、对天线上干扰波和来自传感器罩盖反射有降低的灵敏度的雷达*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测机动车辆周围环境的雷达***，其包括以塑料为基质的天线，其中，塑料天线在朝向传感器侧和/或车辆侧罩盖的前侧上具有用于发射和/或接收雷达信号的多个单独天线，并且该多个单独天线用于探测目标和/或确定其角度。本发明公开了多个技术方案，通过所述技术方案抑制了天线表面上的干扰波和/或天线与传感器侧和/或车辆侧罩盖之间的反射，或避免或减小了它们的负面影响，尤其是角度确定方面的负面影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于机动车辆中驾驶员辅助***的雷达***。根据本发明所述，该雷达***具有以塑料为基质的波导天线，它降低了对天线上干扰波和对传感器罩盖反射的灵敏度。
背景技术
越来越多的机动车辆配备了驾驶员辅助***，这类***借助传感器***检测周围环境，并从由此识别的交通情形中启动车辆的自动反应和/或对驾驶员作出指示，尤其是提出警告。在此，人们将***功能分为舒适性功能和安全性功能。
目前，作为舒适性功能，FSRA(全速范围自适应巡航控制)起着最重要的作用。只要交通情形允许，车辆将固有速度调节到驾驶员预先设置的期望速度，否则将自动调整固有速度以适应实际交通情形。
安全功能目前有多种不同形式。其中一组构成了紧急情况下用于缩短制动或停车距离的功能，直至自主紧急制动功能。另一组是变道功能：如果驾驶员想要进行一危险变道时，也就是当旁边车道上一车辆处于死角(被称为BSD—“盲点探测***”)或快速从后方接近时(LCA—“变道辅助***”)，变道功能警告驾驶员或对转向进行干预。
然而，在可预见的未来，不仅向驾驶员提供辅助功能，驾驶员的任务也将越来越多地由车辆本身自主完成，即驾驶员越来越多地被替代；即人们所说的自主驾驶。
上述类型的***会使用雷达传感器，通常还与例如摄像机传感器等其他技术的传感器结合使用。雷达传感器的优点是，即使在不良天气条件下也能可靠工作，并且除了与目标的间距外，还可通过多普勒效应直接测量其径向相对速度。在此，作为发射频率使用的是24GHz、77GHz和79GHz的频率。
由于此类***的功能范围不断扩大，因此，例如在最大检测范围方面的要求不断提高。但同时，价格却开始急剧下降。
每个雷达传感器的核心器件是天线；它对传感器性能和价格的定义起到了决定性作用。当前，天线大多以平面技术例如作为贴片天线在高频电路板上实现。这种天线实施方式的缺点一方面是馈线和天线本身的损耗(这限制了作用范围)，另一方面是这种电路板的高成本(尤其是因为需要特殊的高频基板，所以较为昂贵，并需要复杂的处理)。此外，这种平面天线易受天线与传感器和/或车辆侧罩盖(即所谓雷达天线罩)间多重反射的影响或对这种多重反射敏感。这种多重反射尤其导致角度构成(Winkelbildung)质量的下降，这例如可能导致车辆的不正确车道分配并因此导致错误的***反应。干扰波，尤其是天线上的表面波也会产生类似效应，这些干扰波会导致波束特性的耦合和变化。当前所使用的减少这类影响的方法是在实际天线的波束区域之外使用吸收材料，但这会造成附加的成本费用。
现在正在研究实现相应天线的替代方法；在此，以塑料为基质的波导天线是很有前途的方法，因为一方面它们具有很低的损耗，另一方面它们具有相对较低的材料成本费用，并且现在已有适合大批量生产制造的工艺方法。
发明内容
本发明的任务是提出一种塑料天线的设计方案，该塑料天线降低了对天线表面上干扰波和来自传感器罩盖反射的灵敏度，尤其可实现稳固的角度构成。
该任务原则上通过根据权利要求1至5所述的雷达***解决。
本发明的优点源于这样的事实，即可实现一种具有改进性能和/或更低价格和/或对传感器罩盖更低要求的雷达***。
根据本发明所述，用于一机动车辆周围环境检测的雷达***包括以塑料为基质的天线，其中，所述塑料天线在面向传感器侧和/或车辆侧罩盖的前侧上具有用于发射和/或接收雷达信号的多个单独天线，所述多个单独天线用于检测目标和/或确定其角度，其中，塑料天线前侧在单独天线之间在其表面被制成是至少部分是非反射性的，也就是说尤其是非金属化的，并且至少部分由部分或完全吸收雷达波的塑料制成，和/或塑料天线前侧面在各单独天线之间具有无源天线，即所谓的盲天线，它们至少不会反射一部分它们自己接收到的功率，而是吸收到塑料材料中，和/或塑料天线前侧面在单独天线之间构造成在其表面上至少部分是非反射性的，也就是说，特别是未被金属化的，其中，特别是天线内的结构和/或金属化不是完全均匀的，和/或塑料天线前侧面至少部分具有非平面的反射表面，尤其是非平面的金属化表面，和/或塑料天线前侧面的边缘相对于各单独天线不是平行的，尤其是相对于各单独天线倾斜。
通过这样一类设计方案，抑制了天线表面上的干扰波和/或天线与传感器侧和/或车辆侧罩盖之间的反射，或避免或减小了它们的负面影响，尤其是在角度确定方面的负面影响。
在一有益的设计方案中，塑料天线前侧面有一非平面的反射表面，单独天线在竖直维度中——即在立面(Elevation，仰角)中——构成一集束，具有大约0度的仰角的主辐射方向，并相对于竖直截面，所述表面非线性地延伸。在一优选设计方案中，相对于竖直截面，所述表面以阶梯状或锯齿状或其组合的方式延伸。
如果所述表面仅在各单独天线以外为完全或部分非平面，这是有益的。但各单独天线也可能全部或部分地具有非平面的表面。
附图说明
图1示出根据现有技术所述雷达***的高频电路板，在该电路板上发射天线和接收天线以平面贴片天线的形式实现。
图2示出长方体的以塑料为基质的波导天线前面(左侧)和背面(右侧)。图3示出具有以塑料为基质的波导天线的雷达传感器的截面，其中，雷达传感器位于车辆侧罩盖的后面。
图4示出天线与车辆侧罩盖之间的反射以及天线上的表面波。
图5示出带有附加盲天线的塑料天线的前面。
图6示出在塑料天线前侧没有被金属化并且天线上层在其背面在各单独天线之间的区域被结构化和金属化的情况下，天线与车辆侧罩盖间的反射。
图7示出在竖直方向有锯齿状表面结构的塑料天线。
图8示出根据图7所示天线在天线与平行于传感器的车辆侧罩盖之间的反射；在此，图8a是俯视图，图8b是侧视图。
图9示出一塑料天线，其前面左右边缘分别倾斜于各单独天线；左图示出天线的前面视图，右图示出标记平面中一水平截面。
具体实施方式
如今，用于周围环境检测的雷达***天线主要在一高频电路板上以平面天线的形式实现。图1示出高频电路板，其具有高频组件，所谓的MMIC(单片微波集成电路)，并具有3个发射天线(TX1、TX2、TX3)以及4个接收天线(RX1、RX2、RX3、RX4)，其中，所述天线分别由多个天线器件(所谓的贴片)组成。为了区别，在图1中用阴影线仅示出发射天线的贴片，它们与接收天线的贴片具有相同的物理结构。其他一些图中也用阴影线显示了发射天线及其馈线，其中，它们的物理结构也始终与接收天线的物理结构相同。
天线及其高频芯片的馈线在高频电路板表层上需要一特殊的基板，包括适用于高频的材料数据，例如经定义的厚度、经定义的介电常数和/或极低的损耗角。尤其是与一相同尺寸和相同层数的纯低频电路板相比，这种特殊基板及其处理(也由于所要求的高结构精度)的材料成本是成本费用增加的因素。除了成本费用外，其缺点还包括天线及其馈线中的信号损耗。对包括馈线的发射天线和接收天线，典型的功率损耗共计约为6dB，由此降低的近6dB的传感器灵敏度会导致最大传感器作用范围减小约30％。
由于以电路板为基础的天线的所述缺点，现在越来越多地考虑使用所谓的波导天线；天线及其馈线借助波导实现，在最简单情况下，波导以具有金属或金属化壁的矩形空腔表示。这样一种天线可被设计为长方形塑料部件(见图2)，其中，如左图所示，在前面有用于发射的开口，在右图所示背面上，中空空间结构中有用于馈电的开口，其中，所有(外部和内部)表面都被金属化处理。典型情况下，这样一种天线由多层组成，这例如也允许一种高频连接的交叉。由于各单独天线的设置现在独立于芯片，因此，如图2所示，可在例如4个接收天线的下方设置3个发射天线(在如图1所示以电路板为基础的天线中，它们是并排设置的)。尤其是，因为芯片现在不再位于天线层面上，因此也可实现较小的传感器。
除了注塑成型，现在3D(三维立体)打印也是这种塑料天线可能的生产方法。与全金属制造方式相比，由金属化塑料制成的波导天线具有明显的成本优势。
图3示出带塑料天线3.3的雷达传感器3.1的截面。在天线3.3下方是带高频组件3.4的电路板3.5，该高频组件通过发射或分别接收高频信号的结构直接与天线3.3耦合，也就是说，不经过电路板3.5。传感器3.1由背侧的铝制外壳部件3.6和前侧的塑料罩盖3.2包围，前侧的塑料罩盖也称为传感器雷达天线罩盖。整个传感器3.1安装在车辆侧罩盖3.7(例如经涂漆处理的保险杠)后方。
车辆侧罩盖3.7大部分在穿透雷达波的特性方面没有被优化。除衰减外，雷达波还会被部分反射。如图4所示；为简化起见，水平剖视图中没有示出整个传感器，而仅示出了具有天线部分的塑料天线4.1和倾斜于所述天线部分的罩盖4.2。入射的波束4.3直接射入到接收天线RX1上。入射波束4.4射入到天线的金属化表面上并从那里以波束4.5的形式反射，但是，该反射波束4.5只有一部分4.6穿过罩盖，另一部分4.7被罩盖反射回并射入到接收天线RX1上。由此，通常具有不同相位的两个波束被叠加在接收天线RX1上，即使被双重反射的波束4.7所具有的幅度小于直接发射波束4.3的幅度，它也会使接收天线RX1的接收信号的相位和幅度失真——叠加在接收天线RX1上。除了波束4.7，当然还有其他双重反射波束射入到接收天线RX1上。对其他接收天线，当然也存在直接反射波束和双重反射波束的叠加；由于罩盖4.2与天线4.1倾斜设置，因此双重反射波束的相对相位位置因天线而异，如RX4的图中所示，由于双重反射波束4.8与双重反射波束4.7的路径长度情况不同，因此这一点很容易被识别。为构成角度，使用的是来自发射天线和接收天线所有组合的接收信号；为此，执行一数字波束成形。如果通过这类多重反射导致信号在幅度和相位方面产生不同影响，则角度构成会失真，这将导致目标的错误定位，例如导致一错误的车道分配，从而导致错误的***反应。此外，通过幅度错误，还会导致错误估计雷达反射率，即所谓的目标RCS(雷达散射截面)，这会导致错误的分类。
除这些多重反射，在天线表面传播的干扰波还会导致信号的幅度和相位错误。这些所谓的表面波一方面导致与天线的耦合，在图4中，发射天线TX1通过表面波4.9耦合到发射天线TX2；另一方面，在天线边缘处有额外的辐射，在图4中，左边缘上通过发射天线TX1的表面波4.10附加构成了发射4.11。
现在对根据本发明所述各种措施解释如下，以防止或至少减小塑料天线中的这类影响。
第一方法是，至少使用吸收雷达的塑料材料制造塑料天线的上层，而不是对天线的前面进行金属化处理。由此，抑制或至少减少天线与传感器或相应车辆侧罩盖间的多重反射以及天线上的表面波。一些吸收材料的背面需要一导电层：这是通过对一个或多个吸收性塑料层的背面进行金属化处理实现的。为了在当今所使用的平面天线中基于吸收特性实现天线与传感器或相应车辆侧罩盖之间的多重反射以及天线的表面波的抑制，使用一个或多个附加吸收器件，这导致了附加的成本费用，它至少在很大程度上可通过前面本发明所述方法加以避免。
在第二设计方案(见图5)中，在实际天线之间***所谓的盲天线；这些盲天线在图5中以虚线示出，其中，每列代表一个单独天线/单个天线。由这些盲天线所接收的功率至少部分通过在天线内部使用吸收性塑料而被吸收在天线内部实现的引线中，并且引线壁至少部分未被金属化。由此，抑制或至少减少了天线与传感器或相应车辆侧罩盖之间的多重反射以及天线上的表面波。
图6中示出第三实施方式。其中，塑料天线的平面形前面未经金属化处理。天线上层6.1在其背面各单独天线间的区域中被结构化和金属化处理，其中，结构化处理的形状是可变的。由此，射入单独天线之间的波束先在上层背面反射，并且由于因结构化设计造成的上层具有不同厚度，所反射辐射波经历不同相位，即它们在不同方向散射。这些被塑料天线散射回的波束在车辆侧罩盖上被部分反射，并由此被反射回天线上。图6中仅图示被反射回的波束；未透过罩盖的波束部分没有加以图示，因为它与进一步的考虑无关。它们在那里分别以不同相位射入接收天线的五个接收器件。由此，它们通常在每个接收天线中不是相关重叠，而是彼此部分抵消，使这些双重反射的干扰分量减小幅度，并由此减弱其影响效果。但是，由于不规则的结构，这些干扰分量也会因各单独天线而在幅度和相位方面发生变化；即使这些干扰分量被减小，它们也会在(通过数字波束成形实现的)角度构成时造成错误。在此，尤其至关重要的是单独天线周期性重复出现的周期性误差，它会在数字波束成形中导致旁瓣并由此造成幻影目标；除真实目标外，还在角度构成中以其他角度形成另一个不存在的目标。因此，变化结构的设计方法是，使其不具有规则图案，而是以准随机的方式进行设计。迄今为止，塑料天线上层的结构化背面已经金属化处理；但也可省略这种金属化处理。因为到下一层的气隙的厚度是不同的，并且塑料和空气中的波长也不相同，所以这也导致波束的散射。该方法也可在多层上实现。第四实施方式的一个缺点是，天线上未穿透塑料的部分表面波不会受到影响，因此其干扰效果不会被降低。
因此，在第四实施方式中提出了对塑料天线金属化前面进行结构化。如在第三实施方式中一样，第一方法是使用一种准随机结构。图7中示出的是第二种方法；其中，图7示出塑料天线的竖直截面，该塑料天线因此在竖直方向上有一锯齿形表面结构；在水平方向上没有结构化，即天线每个点的垂直截面都如图7所示—在单独天线本身区域也是如此。由于天线在垂直于整个传感器的立面图中，即在方向7.1上应继续具有主辐射(即最高功率密度)，因此它们的五个天线器件必须分别具有不同的相位位置，以补偿垂直辐射在天线外部的不同传播。如图7所示，相邻天线器件之间的高度差优选为0.4mm，即此处所考虑的76GHz的雷达频率下约为4mm波长的1/10，因此对从天线器件到天线器件的垂直辐射，为1/10波长的路径长度差应通过360度/10＝36度的相位偏移加以补偿。这些相位偏移是通过从它们共同馈电点到天线器件不同长度的馈线实现的。这既适用于发射天线，也适用于接收天线。
如果考虑例如相邻接收天线RX1和RX2的耦合(在如图2所示设置中)，则这主要由各间隔的天线器件的耦合决定。耦合的发生原因是，由接收天线RX2接收到的功率会因非最佳调整适配例如在天线器件共用输出点而被部分反射回去，然后在塑料天线表面上耦合到接收天线RX1的各相邻天线器件。在接收天线RX2中反射并到达接收天线RX1的功率在那里经由天线器件具有不同相位；由于到共用输出点的路径长度不同而引起相位偏移的双重作用(在RX2和RX1中)，因此RX1的天线器件与天线器件之间存在72度的相位差。在有五个天线器件的情况下，这会导致接收天线RX1中五个耦合天线器件信号的完全抵消。
对于罩盖和塑料天线之间的多重反射，在图7所示的竖直方向上呈锯齿状的表面的作用方式相似。
图8a示出在沿水平方向微斜入射波的情况下从上方观察的天线。罩盖与传感器平行。通过相对于罩盖倾斜的塑料天线表面，具有不同相位位置的双重反射干扰辐射波入射到接收天线RX4的五个天线器件的共用输出点上(这同样适用于其他接收天线)。通过双重反射，相对于两个相邻天线器件，大约波长1/10的路径长度差双重使用；在入射到天线器件期间，没有使用三分之一的路径长度差，因为这部分差在天线中通过到共用输出点的不同路径长度被进行了补偿，使其作用方式与直接入射的波束相同。由此，双重反射的干扰辐射再次导致五个天线器件之间逐个的72度的相位偏移，因此它们相互抵消，并由此不再对角度构成造成干扰。这也可使得对传感器车辆侧罩盖的要求较低，尤其可形成价格上的优势。
作为替代选择，该效果也可解释如下：图8b从侧面示出天线和这些双重反射的干扰辐射。由于天线表面的竖直倾斜，具有双重仰角倾斜的干扰辐射入射到天线上；因为天线由于其垂直/竖直延伸而在其垂直接收对准方向周围具有受限制的灵敏度范围，所以对明显偏离0度的仰角，天线不接受或仅接受很小的入射波功率。
至少几乎完全抵消的上述考虑仅适用于极小的方位角；对较大的方位角，路径长度差偏离波长1/10的两倍，并由此相位差明显偏离72度。随后只有部分被抵消，即被双重反射的一部分辐射仍会被接收。但是，这一干扰分量在四个接收天线上是相似的，因为在水平方向上结构化没有变化，即每个天线在这方面都有相同的周围环境。但天线的周围环境以及因此干扰分量并不完全相同，因为例如在塑料天线以及相邻天线结构的边缘位置存在差异。
还应注意的是，上述考虑也同样适用于发射天线；发射天线中，双重反射波束造成输出波的幅度和相位失真，从而也造成角度构成的失真，因为这是因来自发射天线和接收天线的所有组合的信号实现的。
在具有表面锯齿状结构的第四实施方式中，天线本身也在结构化表面上实现，即在竖直方向上倾斜。作为替代选择，也可将天线之间的区域以锯齿状结构化，而同时所有天线本身在一平面中实现；除天线外，还有一些台阶会因天线器件而异。
代替锯齿状结构化，即连续倾斜，也可使用台阶状结构。
在根据图9所示第五实施方式中，塑料天线前面的右边缘和左边缘分别倾斜于单独天线；左图是天线的前视图，右图是平面9.1的水平截面。作用于接收侧的表面波9.2以不同路径长度和相位位置到达接收天线RX1的五个天线器件，因此它们至少部分被抵消(这同样适用于其他接收天线和发射天线)。当然，替代倾斜设置的边缘，也可使用例如台阶状和锯齿状等其他形状。
最后，应注意的是，不仅车辆侧传感罩盖引起具有相应负面影响的多重反射，而且传感器侧罩盖，即传感器壳体前侧面也会引起多重反射。上述措施在此也同样有助于改进传感器性能和/或降低对传感器壳体的要求。
Claims (5)
1.用于检测机动车辆周围环境的雷达***，其包括以塑料为基质的天线，其中，塑料天线在朝向传感器侧和/或车辆侧罩盖的前侧上具有用于发射和/或接收雷达信号的多个单独天线，并且该多个单独天线用于探测目标和/或确定其角度，
其特征在于，
-塑料天线的前侧在各单独天线之间在其表面上至少部分是非反射性的，尤其是非金属化的，并且至少部分由塑料材料制成，该塑料材料被设置成部分或完全吸收雷达波，和/或
-塑料天线的前侧在各单独天线之间具有无源天线，即所谓的盲天线，由它们接收的功率的至少一部分不再被反射回，而是将其吸收到塑料材料中，和/或
-塑料天线的前侧在各单独天线之间在其表面上被设置成至少部分是非反射性的，尤其是未经金属化处理的，其中，尤其是天线内的结构和/或金属化不是完全均匀的，和/或
-塑料天线前侧至少部分具有非平面的反射表面，尤其具有非平面的金属化表面，和/或
-塑料天线前侧的边缘相对于各单独天线不平行，尤其相对于各单独天线倾斜，
由此，抑制了天线表面上的干扰波和/或天线与传感器侧和/或车辆侧罩盖之间的反射，或者是避免或减小了它们的负面影响，尤其是角度确定方面的负面影响。
2.根据权利要求1所述的雷达***，其特征在于，塑料天线的前侧具有一非平面的反射表面，单独天线在竖直维度中——即在仰角中——构成一集束，该集束的主辐射方向具有大约为0度的仰角，并且在竖直截面中所述表面不是线性延伸的。
3.根据权利要求2所述的雷达***，其特征在于，参照竖直截面，所述表面以台阶状或锯齿状或其组合的方式延伸。
4.根据权利要求2或3所述的雷达***，其特征在于，只有在单独天线以外，所述表面部分或完全非平面。
5.根据权利要求2或3所述的雷达***，其特征在于，单独天线也全部或部分地具有非平面的表面。
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