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Die
Erfindung betrifft einen Radarsensor für Automobilanwendungen, der
gepulste Strahlung emittiert. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren
zur Herstellung eines solchen Radarsensors.
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Solche
Radarsensoren sind per se bekannt. Als Automobilanwendungen von
Radarsensoren werden im Allgemeinen Anwendungen wie Einparkhilfe,
Totwinkelüberwachung,
Unfall-Antizipierung (Pre-Crash
Sensing), Start/Stopp-Betrieb oder Fahrbetrieb mit Abstandsüberwachung
und/oder Abstandsregelung (Cruise Control-Unterstützung) in Frage
kommen.
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Dabei
werden für
die Fahrzeugumfeldüberwachung
auf der einen Seite und die Detektion weiter entfernter Objekte
auf der anderen Seite in der Regel verschiedene Sensoren eingesetzt,
die mit verschiedenen Radarfrequenzen arbeiten. Bei der Nahfeldüberwachung
kommt es auf eine hohe Ortsauflösung (Abstand
und Winkel) an, während
die Winkelinformation bei größeren Entfernungen
weniger wichtig ist.
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Für eine Abstandsüberwachung
mit größeren Reichweiten
wird bei auf dem Markt erhältlichen Radarsensoren
mit etwa 76 Gigahertz gearbeitet. Diese Frequenzen bringen jedoch
den Nachteil mit sich, dass wegen der kurzen Wellenlänge, die
im Mikrowellenbereich liegt, keine Standardbauteile mehr verwendbar
sind.
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Für die Nahfeldüberwachung
wird dagegen der sogenannte ISM-Frequenzbereich
um etwa 24 Gigahertz benutzt, in dem breitbandig ausgestrahlt werden
darf. Ein breitbandiges Signal ist wünschenswert, da sich die örtliche
Auflösung
reflektierender Objekte, also der kleinstmögliche Abstand, bei dem zwei
getrennte Objekte als getrennt erkannt werden, mit zunehmender Bandbreite
verbessert. Zur weiteren Bandbreitenerhöhung werden die per se bekannten
Radarsensoren in der Regel gepulst betrieben, da sich die Signalbandbreite
mit kürzer
werdender Pulsbreite vergrößert.
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Der
per se bekannte Radarsensor weist planar angeordnete, schlitzgekoppelte
Patchantennen auf, die über
eine zugeordnete Apertur in einer metallischen Massefläche und über ein
zwischen Massefläche
und Strahlungsfläche
angeordnetes Dielektrikum von einem Speisenetzwerk des Radarsensors zur
Abstrahlung elektromagnetischer Wellen angeregt werden. Die Abmessungen
des per se bekannten Radarsensors sind mit einer Länge und
Breite von einigen Zentimetern und einer Tiefe von einem bis etwa
3 cm so, dass er sich in übliche
Stoßfänger von
Kraftfahrzeugen integrieren lässt.
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Unter
Anwendung von Triangulations-Algorithmen und mit Hilfe von mehreren
Radarsensoren können
Objekte in einem weiten Winkelbereich detektiert werden. Die Richtcharakteristik
der Sende- and Empfangsantennen wird dabei mit Hilfe des Interferenzprinzips
geometrisch und mit Hilfe von Signal-Phasenunterschieden bzw. mit Signal-Laufzeitunterschieden
durch ca. 4 bis 6 Patches (Strahlungsflächen) auf 3 dB bei einem Winkel
von ca. 15-25 Grad in der einen Richtung and ca. 70 Grad in der
anderen Richtung eingestellt.
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Ein
Vorteil der planaren Antennenstrukturen gegenüber konventionellen Antennen
liegt darin, dass sie sich in kostengünstiger und kompakter Leichtbauweise
unter Benutzung von Standardbauteilen fertigen lassen und leicht
mit Mikrostreifenleitungsschaltungen integriert werden können.
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Für kleine
Objekt-Detektions-Reichweiten ist dieses kostengünstige Prinzip ausreichend.
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Für große Entfernungen
von z.B. 40 Metern zum Objekt, ist jedoch ein vergleichsweise stark
gebündelter
Strahl notwendig, da sich sonst Umgebungseinflüsse zu stark auswirken würden. Eine
Realisierung eines stärker
gebündelten
Strahls mit der herkömmlichen
planaren Antennentechnik auf der Bases des aktuellen Interferenzprinzips
würde mehr Patches
und damit einen höheren
Platzbedarf erfordern. Die Antennen-Fläche würde dann die Größe des Sensors
bestimmen, und die Größe der zukünftigen
Sensoren würde
die Größe der aktuellen
Radarsensoren bei weitem überschreiten.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
eines preisgünstigen Radarsensors
für Automobil-Anwendungen, der
neben der Detektion von nahen Objekten auch die Detektion weiter
entfernter Objekte unter Verwendung von Standardbauteilen mit einem
einzigen Radarsensor erlaubt, dessen geometrische Abmessungen die Abmessungen
des per se bekannten Radarsensors nicht wesentlich überschreitet.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Radarsensor der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
dass der Radarsensor eine Antenne mit wenigstens einem schichtweise
strukturierten Block besitzt, der nach dem Yagi-Prinzip angeordnete
Metallschichten aufweist, die jeweils durch eine dielektrische Zwischenschicht
voneinander getrennt sind, wobei wenigstens eine der Metallschichten
durch ein Speisenetzwerk mit einer Radarfrequenz erregt wird.
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Ferner
wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
dadurch gelöst,
dass eine Antenne des Radarsensors als wenigsten ein schichtweise
strukturierter Block mit nach dem Yagi-Prinzip angeordneten Metallschichten
hergestellt wird, die jeweils durch eine dielektrische Zwischenschicht
voneinander getrennt sind und wobei wenigstens eine der Metallschichten
mit einem Speisenetzwerk gekoppelt wird.
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Durch
diese Merkmale wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst. Der
erfindungsgemäße Radarsensor
für Automobil-Anwendungen ist in einer
kostengünstigen
Weise realisierbar und kann gleichzeitig nahe and ferne Objekte
detektieren. Seine Größe ist mit
der des bekannten Radarsensors vergleichbar. Eine Yagi-Antenne stellt
bekanntlich einen Längsstrahler
aus mehreren Dipolen dar, bei dem die Ströme, die für eine gewünschte Richtwirkung erforderlich
sind, durch Strahlungskopplung erzeugt werden. Durch das Ersetzen
von Metall-Patches des per se bekannten Radarsensors durch eine oder
mehrere geschichtete Blockstrukturen wird eine stärkere Richtwirkung
erzielt.
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Es
ist bevorzugt, dass die dielektrischen Zwischenschichten jeweils
aus Keramik mit einer Dielektrizitätskonstante zwischen 5 und
50 bestehen.
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Der
relativ hohe Dielektrizitätswert
der Keramik verringert die Wellenlänge, so dass relativ viele Lagen
zum Yagi-Prinzip beitragen können,
ohne dass die Blockhöhe
der Blockstrukturen zu groß wird. Auf
diese Weise wird bereits mit einem einzelnen schichtweise strukturierten
Block mit nach dem Yagi-Prinzip angeordneten Metallschichten eine
beachtliche Richtwirkung erreicht.
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Es
ist ferner bevorzugt, dass wenigstens zwei der Metallschichten von
dem Speisenetzwerk durch separate Strukturen phasengekoppelt erregt werden.
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Bevorzugt
ist auch, dass die einzelnen Schichten des schichtweise strukturierten
Blocks wenigstens bereichsweise muldenförmig ausgestaltet sind.
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Bevorzugt
ist ferner, dass sich der schichtweise strukturierte Block sich
mit zunehmender Entfernung von der Ankopplung an das Speisenetzwerk verjüngt.
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Auch
diese Ausgestaltungen erhöhen
die Richtwirkung eines schichtweise strukturierten Blocks mit nach
dem Yagi-Prinzip angeordneten Metallschichten weiter. Das gilt sowohl
für jede
Einzelmaßnahme
als auch für
jede Kombination dieser Maßnahmen.
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Ferner
ist bevorzugt, dass nahe der Einspeisung hochfrequenter elektromagnetischer
Energie angeordnete Metallflächen
dichter gestaffelt sind als weiter entfernt angeordnete Metallflächen.
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Es
hat sich gezeigt, dass dadurch die Anregung der weiter außen liegenden
Metallflächen
verbessert wird. Auch diese Maßnahme
ist mit den vorstehend offenbarten bevorzugten Ausgestaltungen kombinierbar.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass
mehrere der schichtweise strukturierten Blöcke zu einer Anordnung zusammengefasst
sind, wobei die einzelnen Blöcke phasengekoppelt
erregt werden.
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Durch
ein solches phasenrichtig erfolgendes Einspeisen von HF-(Hochfrequenz)-Energie
in mehrere Blöcke
kann die Richtwirkung einer LTCC-Yagi-Block-Anordnung weiter erhöht werden.
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Weiter
ist bevorzugt, dass der Radarsensor mehrere der genannten Anordnungen
aufweist und dass die mehreren Anordnungen phasengekoppelt erregt
werden.
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Auch
diese Ausgestaltung erhöht
die Richtwirkung der Antenne weiter.
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Bevorzugt
ist auch, dass die vom Speisenetzwerk bereitgestellte Radarfrequenz
24 Gigahertz beträgt.
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Dieses
Merkmal erlaubt eine Kombination der an sich bekannten breitbandigen
Nahfeldüberwachung
im ISM-Frequenzbereich mit der erfindungsgemäß erzielten Detektion weiter
entfernter Objekte durch gerichtete Abstrahlung.
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Mit
Blick auf Verfahren ist bevorzugt, dass die dielektrischen Zwischenschichten
mit eingebetteten Metallschichten als LTCC-Schichten (Low Temperature Cofired Ceramics)
erzeugt werden.
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Die
LTCC-Technologie ist zur Herstellung monolithischer keramischer
Mehrschichtsysteme geeignet, in die elektrisch sehr gut leitendes
Material wie metallische Schichten zu integrieren sind.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten 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.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 schematisch eine Gesamtansicht
eines Radarsensors für
Kraftfahrzeuganwendungen;
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2 eine schematische Schnittdarstellung des
Radarsensors nach 1 mit
einem inneren Aufbau, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist,
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines
schichtweise strukturierten Blocks, wie er bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung die Strahlungsflächen
(Patches) der 2 ersetzt;
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4 ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5 eine schematische Schnittdarstellung eines
schichtweise strukturierten Blockes nach einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung
eines schichtweise strukturierten Blocks mit verschiedenen Schichtabständen, und
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7 eine schematische Darstellung
eines schichtweise strukturierten Blocks mit sich in Längsrichtung
verjüngendem
Querschnitt.
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Die
Ziffer 10 in der 1 bezeichnet
die schematische Gesamtansicht eines Radarsensors mit einem Gehäuse 12,
das von einem Deckel 14 abgeschlossen wird. Die gestrichelten
Linien 15 geben die Ausrichtung oder Anordnung von einzelnen Strahlungselementen
innerhalb des Gehäuses 12 an.
Die Ziffer 16 bezeichnet ein Anschlusselement, über das
dem Radarsensor 10 beispielsweise eine Versorgungsspannung
zugeführt
wird und/oder über das
der Radarsensor 10 Signale an Steuergeräte eines Kraftfahrzeugs ausgibt
oder von einem Steuergerät
Signale erhält.
Der mit der Ziffer 17 bezeichnete Pfeil gibt die Richtung
der Längsachse
des Kraftfahrzeugs an.
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Die
Orientierung des Radarsensors 10 relativ zur Richtung 17 der
Längsachse
stellt eine typische Einbaulage des Radarsensors 10 bei
einer Kraftfahrzeug-Anwendung dar. Die Erfindung ist aber selbstverständlich nicht
auf eine solche relative Ausrichtung des Radarsensors 10 zur
Richtung 17 der Längsachse
des Kraftfahrzeugs beschränkt.
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2 zeigt einen bekannten
inneren Aufbau des Radarsensors 10 nach 1 im Teilschnitt. In der 2 bezeichnet die Ziffer 18 ein
Speisenetzwerk, das mit dem Anschlusselement 16 aus 1 in Verbindung steht und
das auf der ersten Seite 20 eines Hochfrequenzsubstrates 22 angeordnet
ist. Eine metallische Massefläche 24 ist
auf der zweiten Seite 26 des Hochfrequenzsubstrates 22 angeordnet.
Der Radarsensor 10 weist ferner wenigstens eine Strahlungsfläche 28 (Patch)
auf, die über
eine Apertur 30 in der metallischen Massefläche 24 und über ein
zwischen der Massefläche 24 und
der Strahlungsfläche 28 angeordnetes
Dielektrikum 32 von dem Speisenetzwerk 18 zur
Abstrahlung elektromagnetischer Wellen angeregt wird. Bei dem bekannten
Radarsensor ist die Strahlungsfläche 28 auf
dem Dielektrikum 32 angeordnet und wird daher von dem Dielektrikum 32 gestützt und
getragen. Das Dielektrikum 32 ist bei dem bekannten Radarsensor
in der Regel als aushärtender
Schaum realisiert.
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3 stellt eine erste Ausgestaltung
eines Strahlers mit Merkmalen eines erfindungsgemäßen Radarsensors
dar. Die Ziffer 34 bezeichnet einen schichtweise strukturierten
Block, der nach dem Yagi-Prinzip angeordnete Metallschichten 36, 38, 40 und 42 aufweist.
Die Metallschichten 36, 38, 40 und 42 sind
in dielelektrische Schichten 44, 46, 48, 50 und 52 eingebettet.
Die Anordnung der Metallschichten 36, 38, 40 und 42 stellt
eine Yagi-Anordnung dar.
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Eine
erste Metallschicht 36 ist über eine erste dielektrische
Schicht 24, die Apertur 30 in der metallischen
Massefläche 24 und
das Hochfrequenzsubstrat 22 mit dem Speisenetzwerk 18 gekoppelt. Das
Speisenetzwerk 18 regt elektrische Schwingungen in der
ersten metallischen Fläche 36 an,
die über weitere
dielektrische Schichten 46, 48, und 50 die weiteren
metallischen Flächen 38, 40 und 42 anregen.
Durch die Yagi-Anordnung
wird die Richtwirkung der von den einzelnen metallischen Flächen abgestrahlten
elektromagnetischen Wellen verstärkt.
Der Pfeil 54 gibt die bevorzugte Abstrahlrichtung an.
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Ergänzend können weitere
metallische Schichten mit dem Speisenetzwerk 18 gekoppelt sein.
Bei phasenrichtiger Einspeisung von hochfrequenter elektromagnetischer
Energie an mehreren in Abstrahlrichtung hintereinander liegenden Metallflächen 36, 38 wird
die Richtwirkung eines Blocks 34 erhöht. In der 3 wird eine solche Mehrfacheinspeisung
durch die zusätzlich
zur Kopplung über
die Apertur 30 vorhandene elektrisch leitende Verbindung
eines Speisenetzwerkanschlusses 58 mit einem Anschluss 56 an
einer weiteren Metallfläche 38 realisiert.
Die Ziffer 60 bezeichnet ein phasenverschiebendes Element,
beispielsweise eine Kapazität und/oder
eine Induktivität
und/oder ein gegebenenfalls steuerbares Netzwerk aus Kapazitäten und/oder Induktivitäten. Eine
solche weitere Verbindung ist lediglich optional zu verstehen. Die
Erfindung entfaltet ihre Wirkungen auch bereits mit der Ankopplung
einer Metallfläche 36 an
das Speisenetzwerk 18.
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In
der 3 sind die Metallschichten äquidistant
in die Keramik eingebettet. Diese Anordnung ist jedoch nicht zwingend,
wie weiter unten näher
erläutert
wird.
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Für die Herstellung
der dielektrischen Schichten 44, 46, 48, 50 und 52 wird
Keramikmaterial bevorzugt, da die hohe Dielektrizitätskonstante
von Keramik die Wellenlänge
der innerhalb des Block 34 übertragenen elektromagnetischen
Wellen stark verringert. Daraus ergibt sich, dass relativ viele
Metallschicht/Keramik-Wechsellagen hintereinander angeordnet werden
können,
ohne dass die Höhe
eines Blocks 34 zu groß wird.
Auf diese Weise wird bereits mit einem einzigen Block 34 eine
verbesserte Richtwirkung erzielt.
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Zur
weiteren Verbesserung der Richtwirkung können mehrere solcher Yagi-Blöcke 34 miteinander zu
Gruppen gekoppelt werden. Bei phasenrichtiger Ansteuerung der einzelnen
Blöcke 34 innerhalb
einer Gruppe ergibt sich eine konstruktive Interferenz der von den
einzelnen Yagi-Blöcken 34 ausgehenden elektromagnetischen
Wellen, was zu der verbesserten Richtwirkung führt. So können beispielsweise sechs oder
je sechs Yagi-Blöcke
längs einer
oder mehrerer Linien 15 in 1 ausgerichtet
sein.
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Weiter
kann die Richtwirkung dadurch erhöht werden, dass mehrere solcher
phasengekoppelten Gruppen konstruktive Interferenzen erzeugen. Dabei können auch
Gruppen von Patches mit Gruppen von Yagi-Blöcken zusammengefasst werden.
So kann beispielsweise eine 3 × 6
Anordnung mit zwei äußeren Reihen
von Patches mit einer mittleren Reihe von sechs Yagi-Blöcken kombiniert
werden.
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Jeder
Block 34 wird bevorzugt mit der LTCC (Low Temperature Cofired
Ceramic) Technologie hergestellt.
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Diese
Technologie ist besonders gut zur Herstellung monolithischer Strukturen
aus Keramik mit integrierten Metallschichten geeignet. Im Rahmen der
LTCC-Technologie wird zunächst
eine Keramikgrünfolie
hergestellt, die einen organischen Binder enthält und die Glaskeramik aufweist.
Glaskeramik besteht aus einem Keramikmaterial und einem Glasmaterial.
Anschließend
werden Öffnungen
in der Keramikgrünfolie
erzeugt und mit den späteren
metallischen Schichten gefüllt.
Dann werden die Keramikgrünfolien
mit den metallischen Schichten übereinandergestapelt
und zu einem Verbund laminiert. Der Verbund wird dann zu einem Block
mit monolithischem Vielschichtaufbau gesintert.
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Nach
dem Sinterprozess ist die Antenne aus den metallischen Schichten 36, 38, 40 und 42 in
der Keramik des Mehrschichtkörpers
des Blocks 34 eingebettet. Die Abmessung der Antenne hängt von
der (effektiven) Dielektrizitätskonstante
der Keramik ab. Je höher
die Dielektrizitätskonstante
der Keramik ist, desto kleiner ist die Höhe des Blocks 34.
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4 zeigt ein Verfahren zur
Herstellung eines erfindungsgemäßen Radarsensors.
Dabei wird in einem ersten Schritt 62 wenigstens ein schichtweise
strukturierter Block 34 mit nach dem Yagi-Prinzip angeordneten
Metallschichten 36, 38, 40 und 42 hergestellt,
die jeweils durch eine dielektrische Zwischenschicht 46, 48,
und 50 voneinander getrennt sind. Die Zahl der Metallschichten
und trennenden keramischen Zwischenschichten ist nicht auf eine
bestimmte Zahl festgelegt. Je höher
die Zahl der Schichten ist, desto besser wird die Richtwirkung sein.
Die Zahl der Schichten kann dadurch beschränkt sein, dass eine bestimmte
Bauhöhe
für den Radarsensor 10 einzuhalten
ist.
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Dieser
Schritt 56 erfolgt bevorzugt nach der oben genannten LTCC-Technologie.
In einem zweiten Schritt 64 wird der Block mit einem Speisenetzwerk 18 gekoppelt
und in einem dritten Schritt 66 in ein Gehäuse eingebettet.
Die Kopplung mit dem Speisenetzwerk 18 kann über eine
Apertur 30 in einer Massefläche 24 erfolgen, die
auf einer Seite eines Hochfrequenzsubstrats 22 gegenüber einem Speisenetzwerk 18 angeordnet
ist. Die Kopplung kann jedoch auch auf andere Weise, beispielsweise durch
eine galvanische Kopplung der ersten Metallschicht 36 mit
dem Speisenetzwerk 18 erfolgen.
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5 zeigt eine schematische
Schnittdarstellung eines schichtweise strukturierten Blockes 34 nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung. Diese Ausgestaltung
sieht vor, dass die Metallflächen 36, 38, 40 und 42 sowie
die zugehörigen
Keramikschichten 44, 46, 48, 50 und 52 muldenförmig (konkav)
ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung ergibt eine weitere Verbesserung
der Richtwirkung.
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In
der 6 ist ein schichtweise
strukturierter Block 34 mit Metallschichten 36, 38, 40 und 42 dargestellt,
die nicht äquidistant
in die Keramik eingebettet sind. Die nahe der Einspeisung hochfrequenter elektromagnetischer
Energie über
der Apertur 30 dichter gestaffelten Metallflächen bilden
eine Übergangszone,
die die Anregung der weiter außen
liegenden Metallflächen
verbessert.
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7 stellt eine schematische
Darstellung eines schichtweise strukturierten Blocks 34 mit
sich in Längsrichtung verjüngendem
Querschnitt dar. Auch diese Ausgestaltung verbessert die Richtwirkung
des Blockes 34.