DE102009029503A1

DE102009029503A1 - Radarsensorvorrichtung mit wenigstens einer planaren Antenneneinrichtung

Info

Publication number: DE102009029503A1
Application number: DE102009029503A
Authority: DE
Inventors: Volker Gross; Goetz Kuehnle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2011-03-24
Also published as: WO2011032745A1; EP2478387A1; CN102612658B; CN102612658A; JP2013504764A; US20120223852A1; US9310478B2; JP5373974B2

Abstract

Radarsensorvorrichtung mit wenigstens einer planaren Antenneneinrichtung, welche mehrere vertikal ausgerichteten und als ausgedünntes Array (15.2) in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander angeordnete Antennenspalten (15b, 15c, 15d) aufweist, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Patch-Elemente (23) aufweisen, wobei das ausgedünnte Array (15.2) von Antennenspalten (15b, 15c, 15d) derart mit minimaler Redundanz ausgeführt ist, dass die Menge der bestimmten Abstände der Antennenspalten (15b, 15c, 15d) zueinander in dem ausgedünnten Array (15.2) sämtliche unterschiedlichen Abstände zwischen zwei beliebigen Antennenspalten eines korrespondierenden nicht-ausgedünnten Arrays einer planaren Antenneneinrichtung mit gleicher Antennenapertur und gleicher Beschaffenheit der Antennenspalten wenigstens einmal jedoch in minimal möglicher Anzahl aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Radarsensorvorrichtung mit wenigstens einer planaren Antenneneinrichtung, welche mehrere vertikal ausgerichtete und als ausgedünntes Array in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander angeordnete Antennenspalten aufweist, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Patch-Elemente aufweisen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, insbesondere ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
In Kraftfahrzeugen werden zunehmend Radarsensoren zur Erfassung des Verkehrsumfelds im Rahmen von Fahrerassistenzsystemen eingesetzt, beispielsweise zur radargestützten Abstandsregelung (Adaptive Cruise Control-Systeme/ACC). Ein derartiges Fahrgeschwindigkeitsregelungssystem ist beispielsweise aus Robert Bosch GmbH, "Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung ACC", Gelbe Reihe, Ausgabe 2002, Technische Unterrichtung, bekannt.
Wegen ihrer flachen Bauform und leichten Herstellbarkeit, beispielsweise im Ätzverfahren, eignen sich sogenannte planare Antenneneinrichtungen oder Patch-Antennen für den Einsatz in den vorstehend genannten Radarsensoren besonders. Bei derartigen Antennen handelt es sich um eine flächige Anordnung von strahlenden Resonatoren (Antennenelemente bzw. Patch-Elemente/Patches), die jeweils mit definierter Amplitude und Phase belegt sind. Die Überlagerung der Strahlungsdiagramme der einzelnen Patch-Elemente ergibt das resultierende Strahlungsdiagramm der Antenne, wobei die Zeilen für die Charakteristik des Azimuts und die Spalten für die Charakteristik der Elevation verantwortlich sind. Die Antennenelemente werden üblicherweise in vertikal ausgerichteten Antennenspalten angeordnet.
Viele Radarsensoren mit dem Einsatzgebiet der Umfelderfassung im Automobilbereich nutzen derartige planare Antennekonzepte. Ein Vorteil der planaren Antennenkonzepte ist die daraus resultierende geringe Bautiefe der Radarsensoren. Dadurch entsteht mehr Flexibilität beim Einbauort der Radarsensoren sowie neue Anwendungsgebiete beispielsweise durch einen Einbau im Seitenbereich des Fahrzeugs. Neben der Baugröße spielen selbstverständlich auch die Herstellungskosten der Radarsensoren eine wesentliche Rolle. Gerade bei planaren Antennenkonzepten, welche eine Signalauswertung auf den Einzelkanälen (kein HF-Beamforming) durchführen, stellt die Anzahl der verwendeten Mischer einen großen Kostenfaktor dar. Dabei spielt die Anordnung bzw. die Anzahl der Antennenpatches eine wesentliche Rolle. Bekannte Radarsensoren mit planaren Antenneneinrichtungen weisen in der Regel die Struktur eines Uniform Linear Array (ULA) auf. Dabei sind die Antennenspalten mit den Patchelementen in äquidistanten Abständen angeordnet, welche in der Regel im Bereich der Hälfte der Wellenlänge in Luft (λ/2) liegt.
Zur Erzielung einer möglichst guten Winkelgenauigkeit mit der Radarsensorik, ist die Antennenapertur der entscheidende Faktor. Je größer die Antennenapertur ist, desto besser ist die Winkelgenauigkeit. Wird die Antennenapertur wie bei den bisher bekannten Radarsensoren mit einer Uniform Linear Array-Struktur versehen, so ist eine große Anzahl von Mischern vonnöten, was zu erhöhten Sensorgesamtkosten führt.
In der DE 100 36 131 A1 wird ein Radarsensor zur Erfassung der Verkehrssituation im Umfeld eines Kraftfahrzeuges mit einem Trägerelement, mit einem Array von Patchantennen in Form einer Kombination eines gefüllten Subarrays von Patchantennen und eines ausgedünnten Subarrays von Patchantennen vorgeschlagen. Die Patchantennen sind jedoch redundant vorhanden, d. h. die Signalbeziehungen werden mehrfach gemessen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Radarsensorvorrichtung mit wenigstens einer planaren Antenneneinrichtung, welche mehrere vertikal ausgerichtete und als ausgedünntes Array in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander angeordnete Antennenspalten, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Patch-Elemente aufweisen, vorgeschlagen, wobei das ausgedünnte Array von Antennenspalten derart mit minimaler Redundanz ausgeführt ist, dass die Menge der bestimmten Abstände der Antennenspalten zueinander in dem ausgedünnten Array sämtliche unterschiedlichen Abstände zwischen zwei beliebigen Antennenspalten eines korrespondierenden nicht-ausgedünnten Arrays einer Planaren Antenneneinrichtung mit gleicher Antennenapertur und gleicher Beschaffenheit der Antennenspalten wenigstens einmal jedoch in minimal möglicher Anzahl aufweist.
Durch diese Maßnahmen wird ein sehr guter Kompromiss zwischen der geforderten Winkeleindeutigkeit und Winkelgenauigkeit unter Einsatz von sogenannten Minimum Redundancy Arrays (MRA) von Antennenspalten erreicht. Dabei wird die Anordnung der Antennenspalten mit Patchelementen nicht äquidistant augeführt, sondern unter Berücksichtigung des Prinzips der minimalen Redundanz mit augedünnten bzw. Sparse Arrays. Dies führt in vorteilhafter Weise zu einer weiteren erheblichen Reduzierung der Antennenspalten bzw. Patchelemente und damit auch der Anzahl der benötigten Mischer, wodurch eine Kostensenkung bei der Herstellung des Radarsensors erreicht wird. Dadurch, dass jeder Abstand zwischen den Antennenspalten also jede Phasenbeziehung wenigstens einmal aber so selten wie nur möglich vorhanden ist, wird eine minimale Redundanz erreicht. Sämtliche unterschiedlichen Abstände von beliebigen Kombinationen von Antennenspalten eines herkömmlichen bzw. nicht-ausgedünnten Arrays einer Planaren Antenneneinrichtung mit derselben Apertur müssen vorhanden sein, um die Eindeutigkeit zu gewährleisten.
Die bestimmten Abstände der Antennenspalten zueinander können jeweils ein ganzzahliges Vielfaches eines konstanten Grundabstands sein. Vorteilhaft ist es, wenn der konstante Grundabstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge in Luft ist. Dann ergibt sich für den Bereich von +/–90 Grad eine Eindeutigkeit.
Eine Vorrichtung, insbesondere ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs ist in Anspruch 4 angegeben.
Nachfolgend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung prinzipmäßig beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines Fahrerassistentsystems bzw. einer adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung in einem Kraftfahrzeug;
2 eine schematische Darstellung eines Arrays einer planaren Antenneneinrichtung mit vier Antennenspalten gemäß dem Stand der Technik;
3 eine schematische Darstellung eines Arrays einer planaren Antenneneinrichtung mit drei Antennenspalten für eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radarsensorvorrichtung; und
4 eine schematische Darstellung eines Arrays einer planaren Antenneneinrichtung mit vier Antennenspalten für eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radarsensorvorrichtung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ein in 1 gezeigtes Kraftfahrzeug 10 mit einer adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 11 als Fahrerassistenzsystem weist als Objektdetektionssensor eine an der Frontpartie des Kraftfahrzeugs 10 angebrachte Radarsensorvorrichtung 12 auf, in deren Gehäuse auch eine Steuereinrichtung 14 der adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 11 untergebracht ist. Die Radarsensorvorrichtung 12 dient der Detektion von Objekten in einem Umfeld des Kraftfahrzeugs 10. Die Radarsensorvorrichtung 12 ist mit der Steuereinrichtung 14 verbunden. Die Steuereinrichtung 14 ist über einen Datenbus 16 (CAN, MOST, oder dergleichen) mit einer elektronischen Antriebs-Steuereinheit 18, einer Bremssystem-Steuereinheit 20 sowie mit einer HMI-Steuereinheit 22 einer Mensch-/Maschine-Schnittstelle verbunden. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können die Steuereinheit 14 und die HMI-Steuereinheit 22 auch in einer Steuereinrichtung der adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 12, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sein.
Die Radarsensorvorrichtung 12 misst mit Hilfe eines Mehrstrahlradars die Abstände, Relativgeschwindigkeiten und Azimutwinkel von vor dem Kraftfahrzeug 10 befindlichen Objekten, welche Radarwellen reflektieren. Die in regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise alle 10 ms, empfangenen Rohdaten werden in der Steuereinrichtung 14 ausgewertet, um einzelne Objekte zu identifizieren und zu verfolgen und um insbesondere ein unmittelbar auf der eigenen Fahrspur vorausfahrendes Fahrzeug zu erkennen und als Zielobjekt auszuwählen.
Wie weiter aus 1 ersichtlich, weist die erfindungsgemäße Radarsensorvorrichtung 12 eine planare Antenneneinrichtung mit Arrays 15.2 oder 15.3 von Antennenspalten 15b bis 15h (siehe 3 und 4) auf.
2 zeigt eine planare Antenneneinrichtung bzw. einen nicht-ausgedünnten Array 15.1 mit vier vertikal ausgerichteten und in einer Ebene parallel in Abständen zueinander angeordneten Antennenspalten 15a gemäß dem Stand der Technik. Die Antennenspalten 15a sind in äquidistanten, d. h. konstanten Grundabständen, welche der halben Wellenlänge λ in Luft entsprechen, zueinander angeordnet. Wie aus 2 ersichtlich kommen als unterschiedliche Abstände 0,5·Wellenlänge λ in Luft, 1,0·Wellenlänge λ in Luft und 1,5·Wellenlänge λ in Luft vor.
In 3 ist eine planare Antenneneinrichtung für eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radarsensorvorrichtung 12 mit drei vertikal ausgerichteten und als ausgedünntes Array 15.2 in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander angeordneten Antennenspalten 15b, 15c und 15d, welche jeweils mehrere liniengespeiste Patch-Elemente 23 aufweisen, dargestellt. Das ausgedünnte Array 15.2 von Antennenspalten 15b, 15c und 15d ist derart mit minimaler Redundanz ausgeführt, dass die Menge der bestimmten Abstände der Antennenspalten 15b, 15c und 15d zueinander in dem ausgedünnten Array 15.2 sämtliche unterschiedlichen Abstände zwischen zwei beliebigen Antennenspalten 15a des korrespondierenden nicht-ausgedünnten Arrays 15.1 aus 1 einer planaren Antenneneinrichtung mit gleicher Antennenapertur und gleicher Beschaffenheit der Antennenspalten 15a wenigstens einmal jedoch in minimal möglicher Anzahl aufweist. Wie weiter aus 3 ersichtlich, ist dabei zwischen den Antennenspalten 15b und 15c ein Abstand von 0,5·Wellenlänge λ in Luft und zwischen den Antennenspalten 15c und 15d ein Abstand in Höhe von 1,0·Wellenlänge λ in Luft vorgesehen. Darüber hinaus verbleibt zwischen den Antennenspalten 15b und 15d ein Abstand von 1,5·Wellenlänge λ in Luft.
In 4 ist eine planare Antenneneinrichtung für eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radarsensorvorrichtung 12 mit vier vertikal ausgerichteten und als ausgedünntes Array 15.3 in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander angeordneten Antennenspalten 15e, 15f, 15g und 15h gezeigt. Wie aus 4 ersichtlich ist dabei zwischen den Antennenspalten 15e und 15f ein Abstand von 0,5·Wellenlänge λ in Luft, zwischen den Antennenspalten 15f und 15g ein Abstand von 1,5·Wellenlänge λ in Luft und zwischen den Antennenspalten 15g und 15h ein Abstand in Höhe von 1,0·Wellenlänge λ in Luft vorgesehen. Des weiteren verbleibt zwischen den Antennenspalten 15e und 15g ein Abstand von 2,0·Wellenlänge λ in Luft, zwischen den Antennenspalten 15f und 15h ein Abstand von 2,5·Wellenlänge λ in Luft und zwischen den Antennenspalten 15e und 15h ein Abstand von 3,0·Wellenlänge λ in Luft.
Die bestimmten Abstände der Antennenspalten 15a bis 15g zueinander sind jeweils ein ganzzahliges Vielfaches eines konstanten Grundabstands, nämlich der halben Wellenlänge λ in Luft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10036131 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Robert Bosch GmbH, ”Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung ACC”, Gelbe Reihe, Ausgabe 2002, Technische Unterrichtung [0002]

Claims

Radarsensorvorrichtung (12) mit wenigstens einer planaren Antenneneinrichtung, welche mehrere vertikal ausgerichtete und als ausgedünntes Array (15.2, 15.3) in einer Ebene parallel in bestimmten Abständen zueinander angeordnete Antennenspalten (15b bis 15h) aufweist, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Patch-Elemente (23) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgedünnte Array (15.2, 15.3) von Antennenspalten (15b bis 15h) derart mit minimaler Redundanz ausgeführt ist, dass die Menge der bestimmten Abstände der Antennenspalten (15b bis 15h) zueinander in dem ausgedünnten Array (15.2, 15.3) sämtliche unterschiedlichen Abstände zwischen zwei beliebigen Antennenspalten (15a) eines korrespondierenden nicht-ausgedünnten Arrays (15.1) einer planaren Antenneneinrichtung mit gleicher Antennenapertur und gleicher Beschaffenheit der Antennenspalten (15a) wenigstens einmal jedoch in minimal möglicher Anzahl aufweist.
Radarsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmten Abstände der Antennenspalten (15b bis 15h) zueinander jeweils ein ganzzahliges Vielfaches eines konstanten Grundabstands sind.
Radarsensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Grundabstand kleiner oder gleich der halben Wellenlänge (λ) in Luft ist.
Vorrichtung, insbesondere Fahrerassistenzsystem (11) eines Kraftfahrzeugs (10) mit wenigstens einer Radarsensorvorrichtung (12) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 zur Detektion von Objekten in einem Umfeld des Kraftfahrzeugs (10), und einer Steuereinrichtung (14), welche mit der wenigstens einen Radarsensorvorrichtung (12) verbunden ist.