DE102020201025A1

DE102020201025A1 - Antennenanordnung für einen Radarsensor

Info

Publication number: DE102020201025A1
Application number: DE102020201025.0A
Authority: DE
Inventors: Mouhammad Alhumaidi
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-01-29
Filing date: 2020-01-29
Publication date: 2021-07-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenanordnung (10) für einen Radarsensor, mit: mehreren Empfangsantennen (RX1-RX4) und mehreren Sendeantennen (TX1-TX3), die auf einer Leiterplatte angeordnet sind, wobei ein Großteil der Sendeantennen (GT) bezüglich einer ersten Achse (x) an unterschiedlichen Positionen und bezüglich einer orthogonal zu der ersten Achse verlaufenden zweiten Achse (y) an derselben Position angeordnet sind; ein Anteil der Empfangsantennen (AE) bezüglich der ersten Achse an unterschiedlichen Positionen und bezüglich der zweiten Achse an derselben Position angeordnet sind, wobei der Anteil der Empfangsantennen mindestens die Hälfte der Empfangsantennen umfasst; mindestens eine versetzte Sendeantenne (VT) der mehreren Sendeantennen an einer anderen Position bezüglich der zweiten Achse als der Großteil der Sendeantennen angeordnet ist, wobei die andere Position bezüglich der zweiten Achse einen geringeren Abstand zu der Position des Großteils der Empfangsantennen aufweist als der Großteil der Sendeantennen; und mindestens zwei versetzte Empfangsantennen (VE) der mehreren Empfangsantennen an anderen Positionen bezüglich der zweiten Achse als der Anteil der Empfangsantennen angeordnet sind, wobei die anderen Positionen bezüglich der zweiten Achse einen geringeren Abstand zu der Position des Großteils der Sendeantennen aufweisen als der Anteil der Empfangsantennen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Radarsensor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für einen Radarsensor sowie einen Radarsensor.
Moderne Fahrzeuge (Autos, Transporter, Lastwagen, Motorräder etc.) verfügen über eine Vielzahl von Sensoren, die dem Fahrer Informationen zur Verfügung stellen und einzelne Funktionen des Fahrzeugs teil- oder vollautomatisiert steuern. Über Sensoren werden die Umgebung des Fahrzeugs sowie andere Verkehrsteilnehmer erfasst. Basierend auf den erfassten Daten kann ein Modell der Fahrzeugumgebung erzeugt werden und auf Veränderungen in dieser Fahrzeugumgebung reagiert werden.
Ein wichtiges Sensorprinzip ist dabei die Radartechnik. Die meisten heutzutage im Fahrzeugbereich eingesetzten Radarsensoren arbeiten als Multipuls-Radarsensoren (auch als Chirp Sequence-Radarsensoren bezeichnet), bei denen in kurzen Abständen mehrere frequenzmodulierte Pulse ausgesendet werden. Die Radarsensoren umfassen typischerweise mehrere Sende- und Empfangsantennen (Antennenarray), die ein Array virtueller Empfangskanäle des Radarsensors (RX/TX-Antennenpaare bzw. virtuelles Empfangsarray) bilden. In jedem virtuellen Empfangskanal erfolgt ein Heruntermischen in das Basisband, eine Filterung und anschließend eine Digitalisierung des so erhaltenen Basisbandsignals. Durch eine Vorverarbeitung der Basisbandsignale für jeden Empfangskanal kann eine Detektion und Lokalisierung eines Ziels, also eines Objekts in einem Sichtfeld des Radarsensors erfolgen.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 10 2014 219 113 A1 eine MIMO-Radarvorrichtung zum entkoppelten Bestimmen eines Elevationswinkels und eines Azimutwinkels eines Objekts sowie ein Verfahren zum Betreiben einer MIMO-Radarvorrichtung. Die MIMO-Radarvorrichtung umfasst: ein Antennenarray mit mehreren Sendeantennen, deren Phasenzentren entlang einer ersten Koordinatenrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind, und mehreren Empfangsantennen, deren Phasenzentren entlang der ersten Koordinatenrichtung voneinander beabstandet angeordnet sind. Das jeweilige Phasenzentrum zumindest einer der Sendeantennen ist von den jeweiligen Phasenzentren der übrigen Sendeantennen um einen Versatzwert entlang einer zweiten Koordinatenrichtung beabstandet. Das jeweilige Phasenzentrum zumindest einer der Empfangsantennen ist von den jeweiligen Phasenzentren der übrigen Sendeantennen um den Versatzwert entlang der zweiten Koordinatenrichtung beabstandet.
Nachteilig an bisherigen Ansätzen ist, dass die Antennenanordnung oft einen vergleichsweise großen Raum beansprucht, um ein ausreichend großes virtuelles Empfangsarray zu bilden. Es soll eine ausreichende Marge zur Auflösung von Winkelmehrdeutigkeiten erreicht werden. Zudem soll eine Gesamtgröße des Radarsensors möglichst klein und damit möglichst kostengünstig fertigbar sein.
Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt eine Antennenanordnung für einen Radarsensor, mit:

mehreren Empfangsantennen und mehreren Sendeantennen, die auf einer Leiterplatte angeordnet sind, wobei
ein Großteil der Sendeantennen bezüglich einer ersten Achse (x) an unterschiedlichen Positionen und bezüglich einer orthogonal zu der ersten Achse verlaufenden zweiten Achse (y) an derselben Position angeordnet sind;
ein Anteil der Empfangsantennen bezüglich der ersten Achse an unterschiedlichen Positionen und bezüglich der zweiten Achse an derselben Position angeordnet sind, wobei der Anteil der Empfangsantennen mindestens die Hälfte der Empfangsantennen umfasst;
mindestens eine versetzte Sendeantenne der mehreren Sendeantennen an einer anderen Position bezüglich der zweiten Achse als der Großteil der Sendeantennen angeordnet ist, wobei die andere Position bezüglich der zweiten Achse einen geringeren Abstand zu der Position des Großteils der Empfangsantennen aufweist als der Großteil der Sendeantennen; und
mindestens zwei versetzte Empfangsantennen der mehreren Empfangsantennen an anderen Positionen bezüglich der zweiten Achse als der Anteil der Empfangsantennen angeordnet sind, wobei die anderen Positionen bezüglich der zweiten Achse einen geringeren Abstand zu der Position des Großteils der Sendeantennen aufweisen als der Anteil der Empfangsantennen.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Radarsensor mit einer Antennenanordnung wie zuvor beschrieben. Der Radarsensor ist vorzugsweise zur Verwendung in einem Fahrzeug in einer Einbauposition ausgebildet, in der die erste Achse parallel zu einer Fahrzeugquerachse ausgerichtet ist und die zweite Achse parallel zu einer Fahrzeughochachse ausgerichtet ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorgenannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann der Radarsensor entsprechend der für die Antennenanordnung in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Ausgestaltungen ausgeführt sein.
Die Antennenanordnung ist insbesondere für den Betrieb als MIMO-Radarsystem geeignet, Multiple Input Multiple Output Radar. Der Radarsensor kann insbesondere als mobiles System zum Einbauen in ein Fahrzeug ausgebildet sein. Ein mobiles System ist dabei insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass es sich während des Betriebs fortbewegt bzw. fortbewegen kann. Radarsensoren, die in einem Fahrzeug eingebaut sind, müssen insbesondere besonders kompakt ausgebildet sein und hohen Anforderungen bezüglich der Echtzeiterfassung von Objekten genügen.
Die Antennenanordnung ist dabei als zweidimensionale Antennenanordnung (Antennenarray) ausgebildet, die mehrere Empfangsantennen und mehrere Sendeantennen umfasst. Jede der Antennen weist ein Phasenzentrum auf. Die Sendeantennen und die Empfangsantennen sind vorzugsweise als Patchantennen ausgebildet. Alle Antennen liegen auf einer gemeinsamen Leiterplatte. Es ist vorgesehen, dass ein Großteil der Sendeantennen und ein Anteil der Empfangsantennen jeweils bezüglich der zweiten Achse an derselben Position angeordnet sind. Mindestens eine Sendeantenne ist gegenüber dem Großteil der Sendeantennen in Richtung der Empfangsantennen versetzt angeordnet. Mindestens zwei Empfangsantennen sind gegenüber dem Anteil der Empfangsantennen in Richtung der Sendeantennen versetzt angeordnet.
Die Anordnung bietet im Vergleich zu bisherigen Ansätzen insbesondere den Vorteil, dass der Abstand zwischen zwei Sendeantennen (insbesondere der Abstand zwischen deren Phasenzentren) so groß gewählt werden kann, dass eine Verarbeitungseinheit mit entsprechendem Abschirmelement auf derselben Leiterplatte platziert werden kann. Durch diese Platzierung bei einer derartigen Antenne mit drei Elevationsstufen kann die Gesamtgröße der Leiterplatte kleiner gewählt werden und somit ein kosteneffizientes Design umgesetzt werden. Zudem weisen die virtuellen Kanäle des virtuellen Antennenarrays der Antennenanordnung nach der MIMO-Verarbeitung eine große Abstandsdiversität auf, was zu einer hohen Robustheit bei der Winkelmehrdeutigkeitslösung durch die resultierende große Marge im Beamformerspektrum führt. Die Anordnung ermöglicht eine Auswertung in drei Elevationsstufen. Hierdurch wird eine Trennung von Radarzielen von ihren Spiegelungen auf der Straße bzw. in der Fahrzeugebene ermöglicht. Es ergibt sich eine präzise und zuverlässige Zieleerfassung über einen vergleichsweise großen Azimutwinkelbereich. Mehrdeutigkeiten in Azimut- und Elevationsrichtung sind durch die Anordnung der Antennen auflösbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Abstände zwischen den Empfangsantennen des Anteils der Empfangsantennen bezüglich der ersten Achse jeweils identisch. Vorzugsweise betragen die Abstände ein ganzzahliges Vielfaches von 3 λ, besonders bevorzugt genau 3 λ. Insbesondere kann sich die Wellenlänge λ hierbei auf eine Frequenz von ca. 77 GHz beziehen, wie sie im Automotive-Radarbereich verwendet wird. Durch die Wahl eines jeweils identischen Abstands ergibt sich ein vorteilhaftes virtuelles Empfangsarray mit ausreichend großer Abstandsdiversität.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die mindestens zwei versetzten Empfangsantennen an identischen Positionen bezüglich der zweiten Achse angeordnet. Um ein regelmäßiges virtuelles Empfangsarray zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn beide versetzte Empfangsantennen an identischen Positionen angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine Regelmäßigkeit, die eine zuverlässige Auswertung von Reflexionen ermöglicht. Die Datenverarbeitung wird vereinfacht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt ein Abstand zwischen den mindestens zwei versetzten Empfangsantennen bezüglich der ersten Achse kein ganzzahliges Vielfaches von λ und vorzugsweise 1,13 λ. Durch die Wahl eines Abstands, der kein ganzzahliges Vielfaches von λ beträgt, kann eine effiziente Datenauswertung bei der Erkennung von Mehrdeutigkeiten erreicht werden. Es ergibt sich eine effiziente Berechenbarkeit.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Abstände zwischen den Sendeantennen des Großteils der Sendeantennen bezüglich der ersten Achse jeweils identisch und betragen vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches von 3 λ, besonders bevorzugt genau 9 λ. Die resultierenden virtuellen Kanäle haben damit vorteilhafte Abstände zum Erkennen von Hindernissen im Fahrzeugbereich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt ein Abstand zwischen der mindestens einen versetzten Sendeantenne und dem Großteil der Sendeantennen bezüglich der zweiten Achse und/oder ein Abstand zwischen der mindestens einen versetzten Empfangsantenne und dem Anteil der Empfangsantennen bezüglich der zweiten Achse 1,5 λ. Es ergibt sich ein vorteilhaftes virtuelles Empfangsarray.
In einer bevorzugten Ausgestaltung entspricht ein Abstand zwischen der mindestens einen versetzten Sendeantenne und dem Großteil der Sendeantennen bezüglich der zweiten Achse einem Abstand zwischen den mindestens zwei versetzten Empfangsantennen und dem Anteil der Empfangsantennen. Zusätzlich oder alternativ beträgt ein Abstand zwischen der mindestens einen versetzten Sendeantenne und den mindestens zwei versetzten Empfangsantennen bezüglich der zweiten Achse 3,5 λ. Weiter zusätzlich oder alternativ beträgt ein Abstand zwischen dem Großteil der Sendeantennen und dem Anteil der Empfangsantennen bezüglich der zweiten Achse kein ganzzahliges Vielfaches von λ und vorzugsweise 6,5 λ. Durch diese Wahl der Abstände kann eine gleichmäßige Verteilung der virtuellen Kanäle innerhalb des virtuellen Antennenarrays bereitgestellt werden. Es ergeben sich virtuelle Rasterpositionen, die in unterschiedlichen virtuellen Ebenen angeordnet sind. Das entstehende virtuelle Empfangsarray ermöglicht eine einfache Auswertung der Umgebung.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Sendeantenne des Großteils der Sendeantennen an einer identischen Position bezüglich der ersten Achse wie eine Empfangsantenne der mindestens zwei versetzten Empfangsantennen angeordnet. Es ergibt sich ein eindeutig definierter Sichtbereich, innerhalb dessen eine zuverlässige Objekterkennung möglich ist. Weiter ergibt sich ein regelmäßig angeordnetes virtuelles Empfangsarray, bei dem eine maximale Ausdehnung in Richtung der ersten Achse ausgenutzt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die mindestens eine versetzte Sendeantenne genau eine Sendeantenne und die mindestens zwei versetzten Empfangsantennen genau zwei Empfangsantennen. Insbesondere ist es möglich und vorteilhaft, dass eine Sendeantenne und zwei Empfangsantennen versetzt angeordnet sind, um Mehrdeutigkeiten aufzulösen. Die Prozessierung und Datenverarbeitung bleiben einfach und effizient berechenbar. Dennoch wird eine ausreichend zuverlässige Auswertung und Erkennung von Mehrdeutigkeiten ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung entsprechen die beiden Abstände zwischen der versetzten Sendeantenne und den zwei versetzten Empfangsantennen bezüglich der ersten Achse jeweils keinem ganzzahligen Vielfachen von λ. Vorzugsweise betragen diese beiden Abstände zwischen 5 λ und 8 λ, besonders bevorzugt 6,37 λ und 7,5 λ. Zusätzlich oder alternativ beträgt ein Abstand zwischen der versetzten Sendeantenne und einer Sendeantenne des Großteils der Sendeantennen bezüglich der ersten Achse ein ganzzahliges Vielfaches von λ und vorzugsweise 7,5 λ. Zusätzlich oder alternativ betragen die Abstände zwischen einer der zwei versetzten Empfangsantennen und einer Empfangsantenne des Anteils der Empfangsantennen bezüglich der ersten Achse kein ganzzahliges Vielfaches von λ. Zusätzlich oder alternativ beträgt ein erster Abstand zwischen einer ersten Empfangsantenne der zwei versetzten Empfangsantennen und einer Empfangsantenne des Anteils der Empfangsantennen bezüglich der ersten Achse kein ganzzahliges Vielfaches von λ, vorzugsweise 2,36 λ. Zusätzlich oder alternativ beträgt ein zweiter Abstand zwischen einer zweiten Empfangsantenne der zwei versetzten Empfangsantennen und einer Empfangsantenne des Anteils der Empfangsantennen bezüglich der ersten Achse kein ganzzahliges Vielfaches von λ und vorzugsweise 1,5 λ. Durch die Wahl dieser unregelmäßigen Abstände ergibt sich eine effiziente Möglichkeit, Mehrdeutigkeiten zuverlässig zu erkennen und aufzulösen. Durch die Verwendung eines Abstands von 7,5 λ (ca. 29 mm) kann eine State-of-the-Art Verarbeitungseinheit zwischen den Antennen positioniert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Antennenanordnung genau vier Empfangsantennen und genau drei Sendeantennen. Vorzugsweise umfasst der Anteil der Empfangsantennen genau zwei Empfangsantennen und der Großteil der Sendeantennen genau zwei Sendeantennen. Durch die Wahl von insgesamt sieben Antennen wird die Verarbeitung der Daten des virtuellen Empfangsarrays leistbar und effizient in Echtzeit berechenbar. Es ergibt sich eine ausreichende Anzahl an virtuellen Kanälen, die auch im Falle eines bewegten Systems ausreichend schnell berechnet werden können. Durch die Anordnung in drei Zeilen ergibt sich eine Möglichkeit direkte Objektdetektionen von deren Spiegelungen über die Fahrbahnebene zu unterscheiden. Eine zuverlässige Objekterkennung wird ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Radarsensors umfasst der Radarsensor eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der empfangenen Radarsignale, die auf derselben Leiterplatte angeordnet ist und vorzugsweise ein elektromagnetisches Abschirmelement umfasst. Durch die Verwendung der Verarbeitungseinheit auf derselben Leiterplatte ergibt sich eine Kostenreduktion. Es wird möglich, alle Bauteile auf einer einzelnen Leiterplatte zu integrieren. Diese Leiterplatte kann in einem gemeinsamen Fertigungsschritt gefertigt werden. Es ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Kosten bei der Herstellung und hinsichtlich des Platzbedarfs. Die Verarbeitungseinheit kann dabei insbesondere die entsprechenden Hochfrequenz-Sende- und Empfangsteile umfassen und als Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) Chip ausgebildet sein. Die Verarbeitungseinheit kann auch weitere Auswertungsfunktionen erfüllen bzw. eine Auswerteeinheit umfassen und als entsprechendes Systemon-Chip (SoC) ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind zwei Sendeantennen der mehreren Sendeantennen, vorzugsweise zwei Sendeantennen des Großteils der Sendeantennen auf zwei bezüglich der ersten Achse gegenüberliegenden Seiten der Verarbeitungseinheit angeordnet. Zusätzlich oder alternativ sind zwei Empfangsantennen der mehreren Empfangsantennen, vorzugsweise zwei Empfangsantennen des Anteils der Empfangsantennen, auf zwei bezüglich der ersten Achse gegenüberliegenden Seiten der Verarbeitungseinheit angeordnet. Durch die Positionierung der Verarbeitungseinheit zwischen zwei Sende- bzw. Empfangsantennen ergeben sich Vorteile hinsichtlich der realisierbaren Größe des virtuellen Empfangsarrays. Insbesondere ergibt sich ein großes virtuelles Empfangsarray bei minimaler Größe der Leiterplatte.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Radarsensors ist die Verarbeitungseinheit bezüglich der zweiten Achse in einem Bereich des Großteils der Sendeantennen angeordnet. Die Verarbeitungseinheit ist in einer Position auf der Leiterplatte, in der die Sendeantennen des Großteils der Sendeantennen (insbesondere deren Mittelpunkte bzw. Phasenzentren) bezüglich der zweiten Achse innerhalb der Ausdehnung der Verarbeitungseinheit angeordnet sind.
Ein Radarsensor sendet ein Radarsignal aus und empfängt Reflexionen des Radarsignals an Objekten (auch als Ziele bezeichnet) innerhalb eines Sichtfelds des Radarsensors. Ein Objekt kann insbesondere ein anderes Fahrzeug, aber auch ein anderer Verkehrsteilnehmer (Fußgänger, Radfahrer etc.) oder ein feststehendes Objekt (Baum, Haus, Verkehrszeichen etc.) sein. Das Sichtfeld bezeichnet ein Gebiet, innerhalb dessen Objekte erfasst werden können. Ein Radarsensor kann mehrere Einzelsensoren umfassen, die beispielsweise eine 360°-Rundumsicht ermöglichen und somit ein vollständiges Abbild der Umgebung eines Fahrzeugs aufzeichnen können. Unter einem Großteil versteht sich hierin insbesondere die jeweilige Gesamtheit der Antennen bis auf eine einzige oder auch mehr als die Hälfte der Antennen. Unter einem Anteil der Antennen versteht sich hierin insbesondere eine Teilmenge der Antennen, die zumindest zwei Antennen umfasst aber auch zumindest zwei Antennen nicht umfasst. Ein Anteil kann insbesondere die Hälfte der Antennen umfassen. Abstände und Positionen von Antennen sind hierin insbesondere in Bezug auf deren Phasenzentren zu verstehen. Insbesondere sind die Positions- und Abstandsangaben in Bezug zu Mittelpunkten von rechteckigen Patches zu verstehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung in einer Draufsicht;
2 ein virtuelles Antennenarray der Antennenanordnung;
3 eine schematische Ansicht einer Antennenanordnung mit einer Verarbeitungseinheit; und
4 eine schematische Darstellung einer Auflösung von Mehrdeutigkeiten.

In der 1 ist eine zweidimensionale Antennenanordnung 10 in einer Draufsicht schematisch dargestellt. Die dargestellte Antennenanordnung 10 umfasst insgesamt vier Empfangsantennen RX1-RX4 und drei Sendeantennen TX1-TX3, die im dargestellten Beispiel als Patchantennen auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Die Kreuze repräsentieren die Phasenzentren der Antennen. Die waagerechte Achse wird hierin als erste Achse x bezeichnet. Die senkrechte Achse wird hierin als zweite Achse y bezeichnet. Die Senderichtung wäre dabei (im Wesentlichen) orthogonal zur Bildebene.
Die Antennenanordnung 10 kann insbesondere Teil eines Radar-Messsystems beziehungsweise eines Radarsensors sein, der nicht gesondert dargestellt ist. Insbesondere kann die Antennenanordnung 10 in einem mobilen Radarsensor beziehungsweise einem Radarsensor, der an einem Fahrzeug angebracht wird, integriert sein. Mit dem Radarsensor beziehungsweise mit der Antennenanordnung 10 können Ziele in der Umgebung des Radarsensors bzw. des Fahrzeugs detektiert werden.
In der 1 sind die Relativabstände zwischen den Sendeantennen TX1-TX3 sowie die Relativabstände zwischen den Empfangsantennen RX1-RX4 dargestellt. Die Angaben beziehen sich auf die Phasenzentren. Diese dargestellten Relativabstände und Anordnungen jeweils innerhalb der Gruppe der Sendeantennen TX1-TX3 und der Gruppe der Empfangsantennen RX1-RX4 haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Die relative Anordnung beziehungsweise die Relativabstände zwischen den beiden Gruppen können gegebenenfalls variiert werden in anderen Ausführungsformen. Wie dargestellt ist es besonders vorteilhaft, wenn die (Gruppe der) Sendeantennen TX1-TX3 in Richtung der ersten Achse x unterhalb der (Gruppe der) Empfangsantennen RX1-RX4 angeordnet sind. Diese Anordnung ist auch bei einer entsprechenden Anordnung eines Radarsensors im Fahrzeug vorteilhafterweise zu verwenden. Insbesondere der Abstand zwischen den Gruppen kann aber auch verändert werden.
Die in der 1 angegebenen Abstände sind dabei jeweils also Relativabstände innerhalb der mehreren Empfangsantennen RX1-RX4 beziehungsweise innerhalb der mehreren Sendeantennen TX1-TX3 in Bezug auf die Wellenlänge λ. Jeweils eine Empfangsantenne RX1 beziehungsweise Sendeantenne TX1 definiert dabei einen Ursprung (0 λ; 0 λ). Die Positionen der anderen Empfangsantennen RX2-RX4 beziehungsweise Sendeantennen TX2, TX3 sind dann relativ zu diesem Ursprung angegeben. Die Angaben beziehen sich dabei auf die Wellenlänge der ausgesendeten und empfangenen elektromagnetischen Strahlung des Radarsensors.
Es ist vorgesehen, dass ein Großteil der Sendeantennen GT bezüglich der ersten Achse x an unterschiedlichen Positionen und bezüglich der zweiten Achse y an derselben Position angeordnet sind. Der Großteil der Sendeantennen GT hat also dieselbe y-Koordinate. In der Darstellung umfasst der Großteil der Sendeantennen GT dabei zwei Sendeantennen TX1, TX3. Mindestens eine versetzte Sendeantenne VT ist bezüglich der zweiten Achse y an einer anderen Position als der Großteil der Sendeantennen GT angeordnet. Diese andere Position weist bezüglich der zweiten Achse y einen geringeren Abstand zu den Empfangsantennen RX1-RX4 auf. Die versetzte Sendeantenne VT ist in ihrer y-Koordinate insoweit in Richtung der Empfangsantennen RX1-RX4 versetzt angeordnet.
Ein Anteil der Empfangsantennen AE ist bezüglich der ersten Achse x an unterschiedlichen Positionen und bezüglich der zweiten Achse y an derselben Position angeordnet. Der Anteil der Empfangsantennen AE hat also dieselbe y-Koordinate. Mindestens zwei versetzte Empfangsantennen VE sind bezüglich der zweiten Achse y an einer anderen Position als der Anteil der Empfangsantennen AE angeordnet. Im vorliegenden Beispiel sind zwei versetzte Empfangsantennen VE vorgesehen. Die andere Position der versetzten Empfangsantennen VE weist bezüglich der zweiten Achse y einen geringeren Abstand zu der Position der Sendeantennen TX1-TX3 auf als der Anteil AE der Empfangsantennen. Insoweit sind auch die mindestens zwei versetzten Empfangsantennen VE in ihren y-Koordinaten in Richtung der Sendeantennen TX1-TX3 versetzt angeordnet.
In der 2 ist schematisch ein virtuelles Antennenarray 12 der Antennenanordnung 10 gemäß 1 dargestellt. Das virtuelle Antennenarray 12 umfasst insgesamt zwölf virtuelle Kanäle Ch-Ch2. Die virtuellen Kanäle Ch-Ch2 verteilen sich innerhalb des virtuellen Antennenarrays 12 auf drei virtuelle Ebenen E1-E3. Die vertikalen Abstände zwischen den Ebenen E1-E3 und die Position und Anordnung der virtuellen Kanäle Ch-Ch2 ergeben sich direkt aus der Anordnung der Empfangsantennen RX1-RX4 und Sendeantennen TX1-TX3 wie in der 1 dargestellt. Die virtuellen Ebenen E1-E3 erstrecken sich entlang einer horizontalen Richtung. Die virtuelle Ebene E1 bildet in Bezug auf die Darstellung eine obere virtuelle Ebene, die virtuelle Ebene E2 bildet in Bezug auf die Darstellung eine zentrale virtuelle Ebene und die virtuelle Ebene E3 bildet eine untere virtuelle Ebene.
Das dargestellte virtuelle Antennenarray 12 weist eine große virtuelle Arrayapertur auf. Hieraus ergibt sich eine hohe Winkelauflösung im Azimutwinkel. Durch die drei virtuellen Ebenen E1-E3 ergibt sich eine Möglichkeit, in Elevationsrichtung zu separieren. Durch die dargestellte hohe Diversität in der Anordnung der einzelnen virtuellen Kanäle Ch-Ch2 ergibt sich eine hohe Robustheit in Bezug auf die Auflösung von Winkelmehrdeutigkeiten. In anderen Worten resultiert die teilweise unregelmäßige Anordnung der Sende- und Empfangsantennen in der 1 darin, dass es möglich wird, Mehrdeutigkeiten aufzulösen. Hierdurch kann eine präzise und zuverlässige Detektion von Zielen über Azimut und Elevation ermöglicht werden. Unter einer Detektion von Zielen wird dabei insbesondere eine Detektion von deren Position (in Azimut, Elevation und Range) und auch deren Dopplergeschwindigkeit verstanden.
In der 3 ist schematisch eine weitere Ausführungsform der Antennenanordnung 10 dargestellt. Die Empfangsantennen RX1-RX4 sowie die Sendeantennen TX1-TX3 sind auf der Leiterplatte an denselben Positionen wie in der 1 angeordnet. Zwischen der Empfangsantenne TX1 und der Empfangsantenne TX2 ist ausreichend Raum, um eine Verarbeitungseinheit 14 anzuordnen. Die Verarbeitungseinheit 14 ist dabei insbesondere ein HF-Chip. Insbesondere wird ein Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC, als Verarbeitungseinheit 14 verwendet. Die Verarbeitungseinheit 14 umfasst vorzugsweise auch ein elektromagnetisches Abschirmelement (EMC-Shield), durch das die Verarbeitungseinheit 14 von elektromagnetischer Strahlung abgeschirmt werden kann, um Fehldetektionen zu vermeiden. In der Verarbeitungseinheit 14 werden die Signale der unterschiedlichen virtuellen Kanäle bzw. der unterschiedlichen Empfangsantennen ausgewertet. Durch die Anordnung der Empfangsantennen und Sendeantennen auf der Leiterplatte kann bei einer Antenne mit drei Elevationsstufen die Leiterplatte sehr klein ausgeführt werden, auch wenn auf der Leiterplatte eine Verarbeitungseinheit 14 integriert ist. Es ergibt sich ein kosteneffizient realisierbares Design.
In der 4 ist schematisch ein Ansatz zur Auswertung und zur Auflösung von Mehrdeutigkeiten basierend auf der Antennenanordnung dargestellt. Bezugnehmend auf die 2 bilden die Kanäle CH3, CH4, CH6, Ch1 und Ch2 ein regulär angeordnetes Hauptarray. Dieses Hauptarray erlaubt insbesondere in Richtung des Azimuts eine effiziente Auswertung beziehungsweise ein effizientes Beamforming. Zur Auflösung von Winkelmehrdeutigkeiten in Azimutrichtung werden mehrere Paare von Kanälen verwendet. Die gemittelten Monopulsphasen der Paare werden mit den theoretisch erwarteten Monopulsphasen an allen möglichen Azimutwinkelhypothesen verglichen, um Winkelmehrdeutigkeiten aufzulösen. Im dargestellten Beispiel werden die Paare (Ch1, Ch2), (Ch5, Ch6) sowie (Ch9, Ch10) verwendet.
In der 4 ist auf der vertikalen Achse die Leistung L des Beamformers in dB angegeben. Auf der horizontalen Achse ist der Azimutwinkel A in Grad angegeben. Wie dargestellt ergibt sich aus dem Hauptarray eine hohe Winkelauflösung (durchgezogene Linie). Ebenfalls ergeben sich jedoch Mehrdeutigkeiten (mehrere Peaks). Auf der rechten Seite ist die Monopulsphase M abgetragen (gepunktete Linie). Durch die drei zuvor genannten Paare von Kanälen kann über einen Vergleich der gemessenen Monopulsphasen mit den theoretisch erwarteten Monopulsphasen eine Mehrdeutigkeit erkannt bzw. aufgelöst werden. Im dargestellten Beispiel ergibt sich eine vergleichsweise hohe Marge von 72°, durch optimierte Abstände zwischen den Monopulsen.
Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element oder eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Einheiten ausführen. Ein Element, eine Einheit, eine Schnittstelle, eine Vorrichtung und ein System können teilweise oder vollständig in Hard- und/oder in Software umgesetzt sein. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Antennenanordnung
12: virtuelles Antennenarray
14: Verarbeitungseinheit
RX1-RX4: Empfangsantennen
TX1-TX3: Sendeantennen
VE: versetzte Empfangsantenne
VT: versetzte Sendeantenne
E1-E3: virtuelle Ebenen
AE: Anteil der Empfangsantennen
GT: Großteil der Sendeantennen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014219113 A1 [0004]

Claims

Antennenanordnung (10) für einen Radarsensor, mit: mehreren Empfangsantennen (RX1-RX4) und mehreren Sendeantennen (TX1-TX3), die auf einer Leiterplatte angeordnet sind, wobei ein Großteil der Sendeantennen (GT) bezüglich einer ersten Achse (x) an unterschiedlichen Positionen und bezüglich einer orthogonal zu der ersten Achse verlaufenden zweiten Achse (y) an derselben Position angeordnet sind; ein Anteil der Empfangsantennen (AE) bezüglich der ersten Achse an unterschiedlichen Positionen und bezüglich der zweiten Achse an derselben Position angeordnet sind, wobei der Anteil der Empfangsantennen mindestens die Hälfte der Empfangsantennen umfasst; mindestens eine versetzte Sendeantenne (VT) der mehreren Sendeantennen an einer anderen Position bezüglich der zweiten Achse als der Großteil der Sendeantennen angeordnet ist, wobei die andere Position bezüglich der zweiten Achse einen geringeren Abstand zu der Position des Großteils der Empfangsantennen aufweist als der Großteil der Sendeantennen; und mindestens zwei versetzte Empfangsantennen (VE) der mehreren Empfangsantennen an anderen Positionen bezüglich der zweiten Achse als der Anteil der Empfangsantennen angeordnet sind, wobei die anderen Positionen bezüglich der zweiten Achse einen geringeren Abstand zu der Position des Großteils der Sendeantennen aufweisen als der Anteil der Empfangsantennen.
Antennenanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Abstände zwischen den Empfangsantennen (RX1-RX4) des Anteils der Empfangsantennen (AE) bezüglich der ersten Achse (x) jeweils identisch sind und vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches von 3 λ betragen, besonders bevorzugt genau 3 λ.
Antennenanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei versetzten Empfangsantennen (VE) an identischen Positionen bezüglich der zweiten Achse (y) angeordnet sind.
Antennenanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen den mindestens zwei versetzten Empfangsantennen (VE) bezüglich der ersten Achse (x) kein ganzzahliges Vielfaches von λ beträgt und vorzugsweise 1,13 λ beträgt.
Antennenanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Abstände zwischen den Sendeantennen (TX1-TX3) des Großteils der Sendeantennen (GT) bezüglich der ersten Achse (x) jeweils identisch sind und vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches von 3 λ betragen, besonders bevorzugt genau 9 λ.
Antennenanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen der mindestens einen versetzten Sendeantenne (VT) und dem Großteil der Sendeantennen (GT) bezüglich der zweiten Achse (y) und/oder ein Abstand zwischen den mindestens zwei versetzten Empfangsantennen (VE) und dem Anteil der Empfangsantennen (AE) bezüglich der zweiten Achse 1,5 λ beträgt.
Antennenanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen der mindestens einen versetzten Sendeantenne (VT) und dem Großteil der Sendeantennen (GT) bezüglich der zweiten Achse (y) einem Abstand zwischen den mindestens zwei versetzten Empfangsantennen (VE) und dem Anteil der Empfangsantennen (AE) entspricht; ein Abstand zwischen der mindestens einen versetzten Sendeantenne und den mindestens zwei versetzten Empfangsantennen bezüglich der zweiten Achse 3,5 λ beträgt; und/oder ein Abstand zwischen dem Großteil der Sendeantennen und dem Anteil der Empfangsantennen bezüglich der zweiten Achse kein ganzzahliges Vielfaches von λ und vorzugsweise 6,5 λ, beträgt.
Antennenanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Sendeantenne (TX1-TX3) des Großteils der Sendeantennen (GT) an einer identischen Position bezüglich der ersten Achse (x) wie eine Empfangsantenne (RX1-RX4) der mindestens zwei versetzten Empfangsantennen (VE) angeordnet ist.
Antennenanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine versetzte Sendeantenne (VT) genau eine Sendeantenne (TX1-TX3) umfasst und die mindestens zwei versetzten Empfangsantennen (VE) genau zwei Empfangsantennen (RX1-RX4) umfassen.
Antennenanordnung (10) nach Anspruch 9, wobei die beiden Abstände zwischen der versetzten Sendeantenne (VT) und den zwei versetzten Empfangsantennen (VE) bezüglich der ersten Achse (x) jeweils keinem ganzzahligen Vielfachen von λ entsprechen und vorzugsweise zwischen 5 λ und 8 λ, besonders bevorzugt 6,37 λ und 7,5 λ, betragen; ein Abstand zwischen der versetzten Sendeantenne und einer Sendeantenne (TX1-TX3) des Großteils der Sendeantennen (GT) bezüglich der ersten Achse kein ganzzahliges Vielfaches von λ und vorzugsweise 7,5 λ beträgt; die Abstände zwischen einer der zwei versetzten Empfangsantennen und einer Empfangsantenne (RX1-RX4) des Anteils der Empfangsantennen (AE) bezüglich der ersten Achse kein ganzzahliges Vielfaches von λ betragen; ein erster Abstand zwischen einer ersten Empfangsantenne der zwei versetzten Empfangsantennen und einer Empfangsantenne des Anteils der Empfangsantennen bezüglich der ersten Achse kein ganzzahliges Vielfaches von λ und vorzugsweise 2,63 λ beträgt; und/oder ein zweiter Abstand zwischen einer zweiten Empfangsantenne der zwei versetzten Empfangsantennen und einer Empfangsantenne des Anteils der Empfangsantennen bezüglich der ersten Achse kein ganzzahliges Vielfaches von λ und vorzugsweise 1,5 λ beträgt;
Antennenanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Antennenanordnung genau vier Empfangsantennen (RX1-RX4) und genau drei Sendeantennen (TX1-TX3) umfasst; und der Anteil der Empfangsantennen (AE) vorzugsweise genau zwei Empfangsantennen umfasst und der Großteil der Sendeantennen (GT) vorzugsweise genau zwei Sendeantennen umfasst.
Radarsensor mit einer Antennenanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Radarsensor vorzugsweise zur Verwendung in einem Fahrzeug in einer Einbauposition ausgebildet ist, in der die erste Achse (x) parallel zu einer Fahrzeugquerachse ausgerichtet ist und die zweite Achse (y) parallel zu einer Fahrzeughochachse ausgerichtet ist.
Radarsensor nach Anspruch 12, mit einer Verarbeitungseinheit (14) zum Verarbeiten empfangener Radarsignale, die auf derselben Leiterplatte angeordnet ist und vorzugsweise ein elektromagnetisches Abschirmelement umfasst.
Radarsensor nach Anspruch 13, wobei zwei Sendeantennen der mehreren Sendeantennen (TX1-TX3), vorzugsweise zwei Sendeantennen des Großteils der Sendeantennen (GT), auf zwei bezüglich der ersten Achse (x) gegenüberliegenden Seiten der Verarbeitungseinheit (14) angeordnet sind; und/oder zwei Empfangsantennen der mehreren Empfangsantennen (RX1-RX4), vorzugsweise zwei Empfangsantennen des Anteils der Empfangsantennen (AE), auf zwei bezüglich der ersten Achse (x) gegenüberliegenden Seiten der Verarbeitungseinheit angeordnet sind.
Radarsensor nach Anspruch 14, wobei die Verarbeitungseinheit (14) bezüglich der zweiten Achse (y) in einem Bereich des Großteils der Sendeantennen (GT) angeordnet ist.