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Die
Erfindung betrifft eine Antennenstruktur für seriengespeiste planare Antennenelemente.
Im Bereich der Fahrerassistenzfunktionen mit vorausschauenden Erfassungssystemen
sind Radarsensoriken im Einsatz, die primär im Frequenzbereich 76-77 GHz arbeiten.
Diese werden beispielsweise zur Realisierung der Assistenzfunktion „adaptiver Tempomat" (ACC = „Adaptive
cruise control")
im Geschwindigkeitsbereich 50-180 km/h verwendet. Auch im unteren
Geschwindigkeitsbereich z.B. zur Realisierung eines automatischen
Staufolgeverfahrens sind derartige Radarsensoren geeignet, bzw.
die Funktionen „Bremsen
bis zum Stillstand" (ohne
Wiederanfahren). Radarsensoren sind auch für andere Komfort- und Sicherheitsfunktionen,
wie Tote-Winkel-Überwachung,
Rückfahr-
und Einparkhilfe oder „Pre-Crash-Funktion" (Auslösen von
reversiblen Rückhaltesystemen,
Scharfschalten von Airbags usw. Preconditionierung des Bremssystems,
automatische Notbremse) vorteilhaft.
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Üblicherweise
arbeiten 77 GHz-Radarsensoren mit Linsenantennen. Über mehrere
Speiseantennen, die sich in der Brennebene der Linse befinden, werden
mehrere sich partiell überlappende
Strahlkeulen ausgebildet („analoge
Strahlformung").
Dieses Prinzip illustriert 1.
Anhand der Signalamplituden und/oder-phasen in den einzelnen Strahlkeulen
wird die azimutale Winkelposition des Zielobjektes bestimmt. Charakteristisch
für Linsenantennen
ist die relativ große
Bautiefe von einigen Zentimetern, die sich durch den erforderlichen
Abstand der Speiseantennen (in der Brennebene) von der Linse ergibt.
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Eine
analoge Strahlformung kann aber auch mit einem planaren Aufbau mit
planaren Antennen erreicht werden, so dass die Bautiefe erheblich
reduziert wird. Entsprechende Schaltungen zur Strahlformung, wie
Butler-Matrix, Blass-Matrix oder planare Linsen (Rotman-Linse) sind
bekannt (
DE 199 51
123 C2 ). Als Antenne dient eine planare Gruppenantenne.
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Es
sind auch andere Verfahren zur Signalauswertung, insbesondere zur
Winkelbestimmung des Radarziels, bekannt, die keine analoge Strahlformung
benötigen.
Die Empfangssignale werden für
jedes der Antennenelemente separat verarbeitet und digitalisiert
und die Strahlformung wird auf der digitalen Ebene durchgeführt („digitale" Strahlformung). Neben
der digitalen Strahlformung gibt es außerdem Verfahren, mit denen
die azimutale Winkelposition des Zielobjektes bestimmt werden kann,
wobei auf eine Strahlformung ganz verzichtet wird, z.B. sogenannte „hochauflösende" Richtungsschätzverfahren.
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Ein
besonders einfacher und kostengünstiger
Aufbau einer planaren Antenne basiert auf der Serienspeisung der
Elemente in einer Dimension der Antenne. Für Kraftfahrzeug-Radarsensoren ist
insbesondere die Serienspeisung in den Antennenspalten relevant.
Die Spalten sind hierbei in der Elevationsrichtung des Radarsensors,
also vertikal, angeordnet.
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Vorteile der
Erfindung
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Mit
den Maßnahmen
des Anspruchs 1, das heißt
mit einer Beeinflussung der Strahlformung durch Variation des Abstandes
der Antennenelemente untereinander innerhalb eines Serienspeisungszuges,
lassen sich verbesserte Möglichkeiten
der Strahlformung bzw. Nebenkeulen-Unterdrückung erreichen.
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Durch
die Verwendung der Serienspeisung in der Verbindung mit der Variation
des Antennenelementabstandes ist die Anordnung eines Serienspeisungszuges
als Spalte in einer Gruppenantenne mit einem Spaltenabstand in der
Größenordnung
einer halben Freiraumbetriebswellenlänge möglich.
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Es
kann ein Ablenkwinkel der Hauptkeule in Elevation gegenüber der
Antennen-Normalen
vorgegeben werden, womit z.B. ein schräger Einbau eines Radarsensors
am Kraftfahrzeug in gewissen Grenzen korrigiert werden kann.
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In
den Unteransprüchen
sind verschiedene Möglichkeiten
zur weiteren Beeinflussung der Strahlformung aufgezeigt. Damit ergeben
sich weitere Freiheitsgrade zur Optimierung einer gewünschten
Abstrahlung, die vorteilhaft miteinander kombinierbar sind.
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Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen
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2a ein
dreidimensionaler Aufbau einer Gruppenantenne,
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2b einen
planaren Aufbau einer Antenne mit Serienspeisung,
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3a bis
d verschiedene Ausführungsformen
von herkömmlichen,
planaren, seriengespeisten Antennenspalten,
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4a eine
Antennenspalte mit Serienspeisung und konstantem Elementabstand
und identischen Antennenstrahlerelementen,
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4b eine
Antennenspalte mit Serienspeisung und konstantem Elementabstand
und Variation der Antennenstrahlelemente,
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5a eine
erfindungsgemäße, seriengespeiste
Antennenspalte mit variablem Abstand der Antennenstrahlelemente,
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5b eine
erfindungsgemäße, seriengespeiste
Antennenspalte mit variablem Abstand der Antennenstrahlelemente
und Mitteln zur Phasenbeeinflussung zwischen den Antennenstrahlelemente,
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6a bis
d Beispiele für
die Phasenbeeinflussung,
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7a und
b Weiterbildungen mit Variationen der Antennenstrahlelemente und
der Art der Ankopplung,
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8a bis
d Modifikationen durch Variation der Antennenstrahlelemente bezüglich der
Breite bzw. der Breite angekoppelter Stubs,
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9 Weiterbildungen durch Variation der Ankopplung
der Antennenstrahlelemente bzw. der Stubs.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Bevor
auf die eigentliche Erfindung eingegangen wird, werden zum besseren
Verständnis
zuvor herkömmliche
relevante Antennenstrukturen erläutert.
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Eine
Antennenspalte mit Serienspeisung ist dadurch gekennzeichnet, dass
an eine üblicherweise gerade
Speiseleitung mehrere Antennenstrahlelemente angekoppelt sind (
2b). Eine elektromagnetische
Welle wird an einem Ende einer Antennenspalte auf die Speiseleitung
20 eingespeist
(Sendeantenne) bzw. abgegriffen (Empfangsantenne). Die Ankopplung
der Elemente geschieht in einer Weise, dass das Antennenelement
nur einen Teil der Leistung der von der einen Seite einfallenden
elektromagnetischen Welle abstrahlt oder nur einen Teil der auf der
Speiseleitung verfügbaren
Leistung in das Antennenelement eingekoppelt wird. Zur anderen Seite des
Antennenelements läuft
die elektromagnetische Welle mit der verbleibenden Leistung auf
der Speiseleitung weiter. Zusätzlich
treten – vor
allem ohmsche – Verluste
auf der Speiseleitung und in den Antennenelementen auf. Das der
Speisung gegenüber
liegende Ende der Antennenspalte wird üblicherweise entweder reflexionsarm
abgeschlossen oder mit einem Antennenelement versehen, das so ausgelegt ist,
dass es im Sendebetrieb alle eingekoppelte Leistung abstrahlt. In
diesem Fall spricht man auch von einer „travelling wave antenna" („Wanderwellenantenne", Leckwellenantenne
entsprechend der
US 40 63 245 ).
Wenn sich auf der Antennenspalte eine stehende Welle ausbildet,
weil z.B. das Ende der Spalte nicht reflexionsfrei abgeschlossen
ist, z.B. mit einem Leerlauf oder Kurzschluss, dann spricht man
von einer „Standing
wave antenna". An
einer solchen Antennenspalte sind die Elemente üblicherweise an den Orten der
Nullstellen des Stromes (Current nodes) angeschlossen (
US 40 63 245 ).
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Als
Antennenelemente kommen insbesondere Patches, Dipole, Schlitze („Slots") oder kurze Leitungsstücke (Stichleitungen, „Stubs", vgl.
US 40 63 245 ) in Frage. Über Verbindungsleitungen
können diese
Elemente zu Untergruppen gruppiert sein. Zur Vergrößerung der
Bandbreite können
mehrere Antennenstrahlelemente (Patches) in mehrlagigen Aufbauten übereinander
angeordnet sein, so dass sie elektromagnetisch verkoppelt sind.
Die Antennenelemente können
beispielsweise direkt, kapazitiv oder über Stubs mit Schlitzkopplung
angekoppelt werden.
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Wenn
Antennenspalten z.B. in einem 77 GHz-Radarsensor nebeneinander angeordnet
werden sollen, so dass mit den Signalen der Antennenspalten „digitale" Strahlformung oder „hochauflösende" Richtungsschätzverfahren
möglich
sind, dann ist ein Abstand der Spalten in der Größenordnung der halben Freiraumwellenlänge des
Radarsignals, ca. 2mm bei 77 GHz notwendig. Gleiches gilt für übliche analoge
Strahlformungsverfahren, hierbei ist aber eine Modifikation auf
größere Spaltenabstände, innerhalb
gewisser Grenzen, prinzipiell möglich.
Wenn die Anzahl der Antennenelemente in einer Spalte eine gewisse
Zahl – Größenordnung
von 5 – übersteigt,
gibt es damit aus Platzgründen
in einem planaren Aufbau keine Alternative zur Serienspeisung, auch
in Form einer Speisung aus der Mitte. Diese Einschränkung wird
in Antennensystemen für
militärische
oder Satelliten-Anwendungen meist dadurch umgangen, dass ein dreidimensionaler
Aufbau gewählt
wird. Ein solcher Aufbau ist in 2a skizziert. Die
Speisung, oder auch z.B. Ansteuerung durch analoge Strahlformung
der Spalte liegt hinter den Elementen, so dass sich die Baugruppen
mit den Spalten in geringem Abstand nebeneinander anordnen lassen.
Eine solche Anordnung verbietet sich für Kraftfahrzeug-Radarsensoren aufgrund
der hohen Kosten und der erheblichen Baugröße. 2b zeigt einen planaren Aufbau mit Serienspeisung.
Die einzelnen Spalten mit den Antennenstrahlelementen 10 werden über einen
Leistungsteiler von einer Signalquelle aus gespeist.
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Die
Hauptkeule der Radarantenne eines Kraftfahrzeug-Radarsensors wird
in Elevation so ausgelegt, dass über
den vom Sensor abgedeckten Entfernungsbereich eine gute Detektion
von Fahrzeugen erfolgt. Wenn sich der Arbeitsbereich des Sensors
nur auf den Fernbereich beschränkt,
typisches ACC, kann die Hauptkeule in Elevation relativ schmal werden.
Soll sich der Arbeitsbereich des Sensors auch bis in den Nahbereich
erstrecken, muss gegebenenfalls eine breitere Hauptkeule vorgesehen werden,
um Fahrzeuge in ihrer Höhe
abzudecken. Idealerweise ist die Hauptkeule so ausgelegt, dass unerwünschte Reflexionen
vom Boden oder von Zielen oberhalb der zu detektierenden Fahrzeuge
vermieden werden.
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Um
die Detektion von unerwünschten
Radarzielen („Clutter") weiter zu verringern,
sollte die Strahlcharakteristik der Radarantenne so ausgelegt werden,
dass die Nebenkeulen in Elevation möglichst klein sind. Clutter
wird durch Bestrahlung bzw. Detektion beispielsweise von Bodenrauhigkeiten, Bodenunebenheiten,
Gullydeckeln, Fremdkörpern, usw.
wie auch von Brücken,
Schilderbrücken,
Tunneldecken, Bäumen
usw. erzeugt.
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Das
klassische Verfahren zur Einstellung des Nebenkeulen-Niveaus basiert
auf einer üblicherweise
zu den Rändern
der Spalte abfallenden Amplitudenverteilung („Taper"), der von den einzelnen Elementen emittierten
elektromagnetischen Welle. Entsprechende Verteilungsfunktionen,
z.B. Tschebyscheff, Taylor, findet man in der Literatur. Dabei wird ein
konstanter Abstand der Elemente von üblicherweise der halben Freiraumwellenlänge und
eine konstante Phasendifferenz der Antennenelemente vorausgesetzt,
bzw. Gleichphasigkeit, wenn die Abstrahlung in Richtung der Antennen-Normalen erfolgen
soll. Die Breite der Hauptkeule ergibt sich aus der gewählten Amplitudenverteilung
und der Anzahl der Elemente in der Spalte.
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Die
Implementierung dieser Amplitudenverteilung kann einerseits durch
einen entsprechenden Leistungsteiler erfolgen, über den die im allgemeinen identisch
aufgebauten Antennenelemente versorgt werden, vgl. Speisung innerhalb
der Spalten der 2a.
Andererseits können
auch die Antennenelemente oder ihre Ankopplung an die Speisung – und damit
ihre Abstrahlung – innerhalb
der Antenne variiert werden. Ersteres Verfahren ist mit einer Serienspeisung
aus Platzgründen
im allgemeinen inkompatibel. Das letztere Verfahren kann prinzipiell
auch bei einer Serienspeisung angewandt werden.
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Je
nach verwendetem Antennenelement ist letzteres Verfahren jedoch
mit Einschränkungen
behaftet. Bei einer seriengespeisten Antennenspalte mit direkt gekoppelten
Patch-Elementen lässt
sich die Abstrahlung der Elemente nur innerhalb gewisser Grenzen
einstellen. Diese Grenzen werden vor allem von der maximalen Breite
der Antennenelemente bestimmt, die zum einen von der elektromagnetischen Verkopplung
der Antennenspalten und zum anderen vom Anschwingen des ersten transversalen
Modus in einem Patch-Element, wenn die Breite des Patches in der
Größenordnung
der Leitungswellenlänge gelangt,
bestimmt wird.
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Vorliegende
Erfindung beschreibt eine Antennenstruktur für seriengespeiste planare Antennenelemente,
insbesondere für
ein Kraftfahrzeug-Radarsystem, wobei eine Beeinflussung der Strahlformung
durch Variation des Abstandes der Antennenelemente untereinander
innerhalb eines Serienspeisungszuges vorgesehen ist. Die Antennenspalten
bieten hierbei gegenüber
dem Stand der Technik verbesserte Möglichkeiten der Strahlformung
bzw. Nebenkeulen-Unterdrückung.
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Kern
der erfindungsgemäßen Antennenstruktur
ist die beliebige – also
nicht äquidistante – Anordnung
der Antennenelemente in einem Serienspeisungszug, das heißt insbesondere
auf einer seriengespeisten Antennenspalte in einem Kraftfahrzeug-Radarsensor,
um eine Strahlformung bzw. Nebenkeulen-Unterdrückung der von der Antenne emittierten
Strahlkeule in der Ebene, die aus der Antennen-Normalen und der
Antennenspalte aufgespannt wird, zu erreichen. Üblicherweise ist die Antennenspalte
in Elevationsrichtung angeordnet und die genannte Ebene ist die
Elevationsebene.
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Es
sind folgende Variationen vorteilhaft:
- – Der Abstand
der Antennenelemente vergrößert sich
im Mittel zu beiden Rändern
der Spalte hin (also nicht streng monoton von Element zu Element – aber über mehrere
Elemente gemittelt wird der Abstand zum Rand hin größer, der
minimale mittlere Abstand muss nicht genau in der Mitte der Spalten
liegen, aber er wird normalerweise auch nicht ganz am Rand liegen).
- – Der
Abstand von mindestens zwei Elementen in einem Bereich der Spalte
ist kleiner als die halbe Freiraumwellenlänge. Dieser Bereich liegt üblicherweise
nicht am Rand der Spalte sondern eher in der Mitte.
- – Der
Abstand von mindestens zwei Elementen im äußeren Bereich der Spalte ist
deutlich größer als die
halbe Freiraumbetriebswellenlänge.
Der Abstand kann in der Größenordnung
einer Freiraumwellenlänge
und darüber
liegen.
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Dies
kann mit folgenden Optionen kombiniert werden:
- 1.
Einstellung der Phase der elektromagnetischen Wellen zwischen zwei
benachbarten Elementen in der Spalte. Hier sind zwei Realisierungsmöglichkeiten
vorteilhaft:
– Verwendung
einer gekrümmten
Leitung zwischen den Elementen,
– Verwendung einer Slow-Wave-Struktur
oder Filterstruktur, bestehend aus mindestens einer Leitung und
mindestens einem daran angeschlossenen Leitungsstück, das
mit einem Leerlauf oder Kurzschluss terminiert wird, zur Einstellung
der Phase,
- 2. Variation der Antennenelemente zur Einstellung der Abstrahlung
der einzelnen Elemente innerhalb der von den Elementen oder der
Gruppenantenne vorgegebenen Grenzen, z.B. Veränderung der Breite eines Patch-Elements,
- 3. Modifikation der Ankopplung der Antennenelemente an die Speiseleitung
zur Einstellung der Abstrahlung der einzelnen Elemente, z.B. unterschiedliche Leiterbreiten
oder unterschiedliche Transformatoren in der Zuleitung zu den Elementen,
unterschiedliche Abstände
bei kapazitiver Ankopplung, unterschiedliche Trafos/Schlitze/Stubs bei
Schlitzkopplung usw.
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3 zeigt schematische Darstellungen von seriengespeisten
Antennenspalten in Kraftfahrzeug-Radarsystemen nach dem Stand der
Technik:
- a) die planare Antenne besitzt seriengespeiste Spalten
mit über
Leitungen angekoppelten identischen Patch-Elementen und konstantem
Abstand,
- b) die planare Antenne besitzt seriengespeiste Spalten mit direkt
angekoppelten identischen Patch-Elementen und konstantem Abstand,
- c) die planare Antenne besitzt seriengespeiste Spalten mit direkt
angekoppelten Stub-Elementen mit
Variation der Stub-Abmessungen und konstantem Abstand,
- d) die planare Antenne besitzt seriengespeiste Spalten mit über Leitungen
angekoppelten Gruppen aus direkt angekoppelten identischen Patch-Elementen
und konstantem Abstand,
- e) die planare Antenne besitzt seriengespeiste Spalten mit direkt
angekoppelten Patch-Elementen
mit Variation der Patch-Abmessungen und konstantem Abstand.
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Alle
diese Antennen zeichnen sich durch einen näherungsweise konstanten Abstand
der Elemente aus. Eventuelle leichte Variationen des Elementabstandes
dienen der exakten Einstellung der gleichphasigen Emission der Elemente,
nicht aber der Erzeugung einer definierten Amplitudenverteilung
pro Längeneinheit
durch Abstandsvariation.
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Zur
Einstellung der Phase kann insbesondere eine gekrümmte Leitung
zwischen den Elementen der Antenne eingesetzt werden, um den Abstand
der Elemente proportional zu reduzieren. Solche Anordnungen finden
sich im Stand der Technik zur Steuerung des Ablenkwinkels der Strahlkeule
mit der Betriebsfrequenz. Üblicherweise
wird von gleichphasigen Elementen bezogen auf die elektromagnetische Welle
auf der Speiseleitung ausgegangen. Es geht dabei darum, den mechanischen
Abstand der Elemente klein und den elektrischen Abstand der Elemente
groß zu
bekommen, um eine stärkere
Frequenzabhängigkeit
der Ablenkung der Strahlkeule zu erzielen. Bei der Erfindung hingegen
wird die gekrümmte
Leitung benutzt, um die Phase der Elemente im Hinblick auf eine
Strahlformung bzw. Nebenkeulen-Unterdrückung einzustellen.
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Die
Phasen der Antennenelemente sind dabei nicht notwendigerweise gleich,
sondern können zur
Einstellung der Strahlcharakteristik (Nebenkeulen-Unterdrückung) genutzt
werden.
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Planare
Antennen in Kraftfahrzeug-Radarsystemen werden üblicherweise in Mikrostreifenleitungstechnologie
aufgebaut. Ein ein- oder mehrschichtiges Mikrowellensubstrat ist
beidseitig mit Metall beschichtet. Mindestens eine der beiden Metallschichten
ist strukturiert und bildet die Signalleitungsebene. In der Signalleitungsebene
sind die Speiseleitungen der Antennenspalten und gegebenenfalls
die Sende- Empfangsmodule oder Teile davon angeordnet. Die andere
Metallebene bildet die Masse-Ebene. Unterhalb der Masse-Ebene können weitere
Substrat- und Metallebenen angeordnet sein, in denen z.B. die Niederfrequenz-/Basisband
und Digital-Elektronik zur Verarbeitung der Niederfrequenz/Basisband-Signale
und zur Ansteuerung und gegebenenfalls digitalen Signalverarbeitung
aufgebaut sind. In Kombination damit können auch noch weitere Mikrowellensubstrat-Ebenen
eingesetzt werden, auf denen gegebenenfalls z.B. die Sende- und
Empfangsmodule aufgebaut werden. Oberhalb der Signalleitungsebene können sich
weitere Substrat- und Metallebenen befinden, auf denen z.B. mehrere
Antennenpatches übereinander
angeordnet werden, um die Bandbreite zu vergrößern oder sich Ebenen mit Schlitzstrahlern oder
Koppelschlitze und (schlitzgekoppelte) Patches befinden.
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4a zeigt
schematisch den Aufbau einer Antennenspalte 1 mit Serienspeisung
(3a, b, d). In der genannten Signalleitungsebene
sind die Speiseleitungen 20 der Antennenspalten angeordnet. Diese
sind üblicherweise
als Mikrostreifenleitungen ausgeführt, wobei mehrere Abschnitte
mit unterschiedlichen Impedanzen zur Impedanzanpassung auftreten
können.
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An
die Speiseleitung 20 sind die Antennenelemente 10 angekoppelt.
Dies kann im einfachsten Fall durch direkte Ankopplung 30 in
Serienschaltung zur Speiseleitung (vgl. 3b, e)
oder z.B. über
Zuleitungen (vgl. 3a, d) oder über kapazitive Kopplung realisiert
werden. Weitere Möglichkeiten
sind die Ankopplung des Strahlenelements über das elektromagnetische
Feld in Form einer Schlitzkopplung oder die Schlitze werden direkt
als Strahler verwendet.
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Als
Antennenelemente dienen z.B. Patches (vgl. 3a, b,
e), Stichleitungen/Stubs (vgl. 3c), Dipole,
Schlitze oder Gruppen von Einzelelementen (vgl. 3d).
Am Ende einer Spalte kann ein Element 10a eingesetzt werden,
das alle einfallende Leistung abstrahlt, so dass keine Reflexion
auftritt.
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Charakteristisch
für die
seriengespeiste Antennenspalte 1 ist die von der Einspeisung 40 zum Ende
der Spalte kontinuierlich abfallende verfügbare Leistung. Jedes Element
strahlt einen Bruchteil der am Ort des Elements, bzw. am Ort der
Ankopplung des Elements, verfügbaren
Leistung ab. In den Elementen und auf der Speiseleitung zwischen
den Elementen treten außerdem
Verluste – vor
allem ohmsche Verluste – auf.
Wenn alle Elemente 10 die Abstände d der Elemente und die
Speiseleitung 20 zwischen den Elementen gleich sind, dann
ist die Leistungsverteilung von der Speisung zum Ende der Spalte
näherungsweise
exponentiell fallend, wobei das Element 10a am Ende der
Spalte eine von diesem Verlauf abfallende Leistung abstrahlen kann.
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Diese
Leistungsverteilung bestimmt die Strahlform der von der Spalte erzeugten
Strahlkeule, wobei die Nebenkeulen-Unterdrückung üblicherweise schlechter ist
als 14 dB (13,6 dB werden bei einer Gleichverteilung der Leistung
erreicht). Dieser Wert reicht für
Anwendungen in Kfz-Radarsystemen in der Regel nicht aus.
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Eine
gute Nebenkeulen-Unterdrückung
liefern vor allem Leistungsverteilungen, die in der Mitte der Antennenspalte
ein Maximum haben und zu den Rändern
kontinuierlich abfallen. Solche Funktionen setzen einen konstanten
Abstand der Antennenelemente voraus.
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Um
eine solche Leistungsverteilung in einer seriengespeisten Spalte
zu erreichen, werden nach dem Stand der Technik die Elemente 11, 12, 13, 14 in Abhängigkeit
von ihrer Position auf der Spalte modifiziert, um den Bruchteil
der verfügbaren
Leistung, den ein Element abstrahlt, zu verändern und damit eine verbesserte
Leistungsverteilung zu erreichen. Eine solche Spalte 2 ist
in 4b skizziert (vgl. 3c, e).
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Im
Rahmen dieser Erfindung wird nun die Strahlformung auf der Antennenspalte
nicht (bzw. nicht nur) durch Modifikation der Elemente sondern (bzw.
sondern auch) durch Variation des Abstands di der
Elemente auf der Spalte erzielt.
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Dabei
kann insbesondere die abgestrahlte Leistung pro Längeneinheit
in einem mittleren Bereich der Spalte dadurch erhöht werden,
dass ein Elementabstand kleiner als die halbe Freiraumwellenlänge gewählt wird.
Am Rand der Spalte kann ein Elementabstand deutlich größer als
die halbe Freiraumwellenlänge
auftreten, z.B. in der Größenordnung
von einer Freiraumwellenlänge
und darüber, um
die abgestrahlte Leistung pro Längeneinheit
entsprechend zu verringern. 5a zeigt
schematisch eine solche Spalte 3. Mindestens einer der
Abstände d1, d2, d3 der
Antennenelemente unterscheidet sich von den anderen. Die Abschnitte
der Speiseleitung 20a, 20b, 20c zwischen
den Elementen sind bis auf ihre Längen identisch. Die Leitungen 20a, 20b, 20c können auch
aus mehreren Abschnitten mit unterschiedlicher Breite bzw. Impedanz
bestehen.
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Für die Platzierung
und gegebenenfalls Modifikation der Elemente bzw. ihrer Abstrahlung
oder der Ankopplung können
dabei keine weiteren allgemeinen Regeln aufgestellt werden, da die
Phase der Elemente und die resultierende Leistungsverteilung auf
der Spalte berücksichtigt
werden muss.
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Zur
Bestimmung der Platzierung müssen
daher Verfahren wie iterative Algorithmen oder nichtlineare mehrdimensionale
Optimierungsverfahren oder „genetische" Algorithmen herangezogen
werden. Parameter des Optimierungsverfahrens sind die Orte der Elemente
und gegebenenfalls ihre Abstrahlungseffizienz, die sich aus der
Modifikation der Elemente (z.B. Breite bei Patch-Elementen oder
Stubs) ergibt. Die verfügbare
Leistung und die Phase an den Elementen lässt sich aus eigenen Modellen
für die Speiseleitung
und für
die Strahler berechnen. Aus den Positionen, Anregungsleistungen
und Phasen der Elemente kann man die abgestrahlte Leistung in Abhängigkeit
vom Elevationswinkel berechnen. Als Zielfunktion der Optimierung
wird z.B. eine Funktion für
die Strahlungsamplitude in Abhängigkeit
vom Elevationswinkel oder ein Wert für die Nebenkeulen-Unterdrückung in
Abhängigkeit
vom Elevationswinkel vorgegeben. Das Verfahren bewertet die berechnete Abstrahlung
der Antennenspalte aus einem Vergleich mit der Zielfunktion und
führt die
Parameter in einer geeigneten Weise nach. Insbesondere die Nachführung hängt dabei
vom gewählten
Verfahren ab. Mit den nachgeführten
Parametern wird die Berechnung so lange erneut durchgeführt, bis
die Bewertung ein vorgegebenes Ziel erfüllt.
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Eine
erfindungsgemäße Weiterbildung
liegt in der Einstellung der Phase der elektromagnetischen Welle
zwischen zwei benachbarten Elemente in der Spalte. Damit ergibt
sich aus dem oben beschriebenen Optimierungsverfahren die Phase
an den Elementen nicht mehr aus der Länge der Speiseleitungen 20a, 20b, 20c zwischen
den Elementen sondern kann gezielt beeinflusst werden. Dies verbessert
die Strahlformung insbesondere im Hinblick auf eine möglichst
schmale Hauptkeule und ermöglicht
asymmetrische Charakteristiken, z.B. mit sehr niedrigen Nebenkeulen
auf einer Seite der Hauptkeule (Verringerung von Bodenclutter bei
Kfz-Radarsensoren). 5b zeigt schematisch eine solche
Spalte 4. Mindestens einer der Abstände d1,
d2, d3 der Antennenelemente
unterscheidet sich von den anderen. Die Abschnitte der Speiseleitung 21, 22, 23 zwischen den
Elementen dienen zur gezielten Beeinflussung der Phase an den Elementen.
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Hierfür sind zwei
Realisierungsmöglichkeiten besonders
vorteilhaft:
- – Verwendung einer gekrümmten Leitung 200 zwischen
den Elementen. Über
die gekrümmte
Leitung (z.B. S-förmig)
kann die Phasendifferenz zwischen zwei direkt gekoppelten Elementen
gegenüber
der direkten geraden Verbindung vergrößert werden (6a).
- – Verwendung
einer slow-wave-Struktur oder Filterstruktur zur Einstellung der
Phase. Diese Struktur besteht aus mindestens einer (auch gekrümmmten)
Leitung 210, 211, 212 und mindestens
einem daran angeschlossenen Leitungsstück 220, 221 (auch
gekrümmt
oder „radial
stub" usw.) das
mit einem Leerlauf oder Kurzschluss terminiert wird. Mit einer solchen
Struktur lässt sich
die Phase bis auf Vielfache von 360° nahezu beliebig einstellen,
wobei die Struktur beidseitig angepasst ist. Beispiele für Ausführungsformen der
Struktur zeigt 6b), ein Stub mit Leitungen, c),
zwei Stubs mit Leitungen, d), Varianten von c anhand direkt gespeister
Patch-Elemente.
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In
einer anderen Weiterbildung werden zusätzlich auch Modifikationen
der Elemente zur Strahlformung verwendet. Direkt gespeiste Patch-
und Stub-Elemente werden üblicherweise
so ausgelegt, dass die elektromagnetische Welle in Längsrichtung der
Elemente eine Resonanz ausbildet. Über die Breite der Elemente
lässt sich
die Emission in gewissen Grenzen einstellen (vgl. 3c,
e). Damit wird eine Verbesserung der Strahlformung/Nebenkeulenunterdrückung erreicht. 7a zeigt
das Prinzip dieser Weiterbildung in einer Antennenspalte 5.
Mindestens eines der Elemente 11, 12, 13 wird
unterschiedlich von den anderen Elementen 11, 12, 13 aufgebaut,
um die Emission zu beeinflussen. Das End-Element 14 kann
sich sowieso von den Elementen der Spalte unterscheiden. Es kann
in die Optimierung der Strahlcharakteristik mit einbezogen werden.
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In
einer weiteren Weiterbildung wird die Emission der Elemente über die
Ankopplung an die Speiseleitung eingestellt, um eine Verbesserung
der Strahlformung/Nebenkeulen-Unterdrückung zu
erreichen. Wenn die Elemente über
Leitungen angekoppelt sind, kann dies über Variation der Impedanzverhältnisse
der Speiseleitung und der Ankopplungs-Leitung erreicht werden. Bei einer kapazitiven Ankopplung
der Elemente kann die Ankopplung über den Abstand der Elemente
von der Speisung beeinflusst werden. 7b zeigt
das Prinzip dieser Weiterbildung in einer Antennenspalte 6.
Mindestens eine der Ankopplungen 31, 32, 33, 34 wird
unterschiedlich von den anderen Ankopplungen aufgebaut, um die Leistungseinspeisung
in das entsprechende Element und damit die Emission dieses Elements
zu beeinflussen.
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Vorgenannte
Weiterbildungen können
vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
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8 zeigt einige Realisierungsmöglichkeiten
für die
Variation der Elemente in der Spalte 5.
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8a,
b, und c zeigt die Modifikation der Breite von Patch-Elementen,
wobei die Ankopplung über
Leitungen, direkt oder kapazitiv ausgeführt wird. Weitere Möglichkeiten
liegen z.B. in der Variation der Breite von schlitzgekoppelten Patches
oder in der Variation der Abmessungen von Schlitz- oder Dipolstrahlern.
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8d zeigt
die Modifikation der Breite von direkt angekoppelten Stubs.
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9 zeigt Realisierungsmöglichkeiten für die Variation
der Ankopplung:
- a) Modifikation der Breite/Impedanz
der Leitungen zur Ankopplung der Patches und Variation des Ankopplungspunktes
an das Patch,
- b) Modifikation des Abstands eines kapazitiv angekoppelten Patches
von der Speiseleitung,
- c) Modifikation der Breite/Impedanz/Länge der Stubs und der Abmessungen/Positionen
der Koppelschlitze bei der Schlitzkopplung. Die Schlitzkopplung 31, 32, 33, 34 besteht
dabei aus Stubs 311, 112 313, 314,
Schlitzen 321, 322, 323, 324 in der
Masse-Metallisierung und Patch-Elementen 10 in einer weiteren
Metallebene, die sich auf der der Signalleitungsebene gegenüberliegenden Seite
der Masse-Metallisierung
befindet.
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Bisher
wurde die erfindungsgemäße Antennenstruktur
anhand von Spalten als Serienzüge
erläutert.
Selbstverständlich
kann die Speiseleitung auch für
Antennenzeilen verwendet werden. Die vorgenannten Ausführungsbeispiele
sind dann entsprechend zu modifizieren. Die vorgenannten Antennenstrukturen
können
für Sendeantennen
wie auch für Empfangsantennen
oder Kombinationen hiervon eingesetzt werden.
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- 1,
2, 3, 4, 5, 6
- Antennenspalte
- 10
- Antennenelement
- 10a
- Element
am Ende der Spalte, kann sich vom Element 10
-
- unterscheiden
- 11,
12, 13, 14
- Antennenelemente
mit gleichen oder unterschiedlichen
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- Abstrahlungseffizienzen
- 20
- Speiseleitung
(Leitungsstücke
zwischen den Elementen sind
-
- i.A.
identisch, zumindest bewirken sie keine gezielte
-
- Modifikation
der Phase zwischen den Elementen variierend von
-
- Element
zu Element)
- 20a,
20b, 20c
- bis
auf die Länge
identische Speiseleitungen zwischen den
-
- Elementen
- 21,
22, 23
- Speiseleitungen
mit gleichem oder unterschiedlichem Aufbau
-
- (Länge, Impedanz,
Krümmung,
Transformatoren auf der
-
- Leitung
zur Wellenwiderstandsanpassung, Transformatoren und
-
- Stubs
an der Leitung zu Einstellung der Phase) zwischen den
-
- Elementen
- 200
- gekrümmte Leitung
als Bestandteil von 21, 22, 23
- 210,
211
- Leitungen/Transformatoren (auch
bestehend aus mehreren
-
- Abschnitten/Transformatoren unterschiedlicher
Länge und
-
- Impedanz)
als Bestandteil von 21, 22, 23
- 220,
221
- Stubs
als Bestandteil von 21, 22, 23
- 30
- Ankopplung
des Antennenelements
- 31,
32, 33, 34
- Gleiche
oder unterschiedliche Ankopplungen der
-
- Antennenelemente
(Länge und
Impedanz der Ankopplungs-
-
- Leitung;
Stub-Länge
oder Stub-Impedanz oder vor den Stub
-
- geschaltete
Transformatoren oder Schliztbreite oder -position
-
- bei
der Schlitzkopplung, Abstand Element zur Speiseleitung bei
-
- der
kapazitiven Ankopplung)
- 311,312,
313, 313
- Stubs
einer Schlitzkopplung als Bestandteil von 31, 32, 33, 34
- 321,
322, 323, 324
- Schlitze
einer Schlitzkopplung als Bestandteil von 31, 32, 33,
-
-
34
- 40
- Einspeisung