WO2009071368A1 - Bistatische arrayantenne sowie verfahren - Google Patents

Bistatische arrayantenne sowie verfahren Download PDF

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WO2009071368A1 PCT/EP2008/063735 EP2008063735W WO2009071368A1 WO 2009071368 A1 WO2009071368 A1 WO 2009071368A1 EP 2008063735 W EP2008063735 W EP 2008063735W WO 2009071368 A1 WO2009071368 A1 WO 2009071368A1
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Thomas Binzer
Dirk Steinbuch
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H01Q19/062—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for focusing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/003—Bistatic radar systems; Multistatic radar systems

Definitions

  • the invention is based on a bistatic array antenna with a focusing device for beam focusing.
  • the invention also provides a method for operating such an antenna.
  • Send and receive the same antenna is used, for example according to WO 2006 / 029926A1.
  • a focusing means for beam focusing in preferred directions of the array antenna is formed in such a way. Det and arranged that both a beam bundling in a first preferred direction for the array elements of the transmission mode, as well as in another second preferred direction for the array elements of the receiving operation, can be combined with separate for transmitting and receiving operation array elements beam bundling with a very small footprint, especially in
  • a focusing means in the form of a bifocal lens, in particular a bifocal cylindrical lens, beam focusing is achieved in a plane in which no digital beam forming takes place, preferably in elevation.
  • the beam focusing in preferential directions for elevation can be adjusted optimally and independently of the azimuth separately according to the array elements for transmission mode and reception mode.
  • the array elements are arranged opposite to the focusing means / the bifocal cylindrical lens so that the phase source point of the receiving and transmitting array elements is located in each focal point of the focusing means / bifocal lens.
  • the array elements for reception mode and for transmission mode can be arranged separately in elevation, instead of side by side as in conventional solutions. This leads to a significantly lower space requirement.
  • the beam focusing preferably takes place in elevation by array elements on a substrate and the focusing agent / bifocal lens and in azimuth only by the array elements on the substrate. For beam focusing / digital beam forming in Azimuth, the entire base width of the antenna array is available, allowing wide beam sweep in azimuth during transmission and reliable evaluation in reception mode.
  • patch, slot elements or patch elements with polyrod can be used on a substrate.
  • elevation can several array elements or rows of array elements are used to ensure optimum sidelobe suppression.
  • FIG. 1 shows a plan view of an antenna array with separate regions of array elements for transmitting and receiving operation
  • FIG. 2 shows a section through a bifocal lens
  • Figure 3 is a side view of the antenna array with upstream bifocal lens.
  • a focusing means is provided for beam focusing in two preferred directions of a radar array antenna for bistatic operation, d. H. for a transmission mode, in each case other array elements are provided than for a receiving operation.
  • the focusing means effects beam focusing in a first preferred direction of the elevation for the transmission mode and beam focusing in another second preferred direction of the elevation for the reception mode.
  • a bifocal lens is described as the focusing means, in particular a bifocal cylindrical lens with two different focal points.
  • a bifocal cylindrical lens it is also possible to use corresponding grating structures or other dielectric structures which likewise have two focal points or focal lines.
  • FIG. 1 shows the arrangement of the array elements 1 for the transmission mode and the array elements 2 for the reception mode.
  • the array elements 1 are for the transmit mode and 2 for the receive mode according to the invention on each other.
  • the array elements 1 and 2 in each case three array rows in elevation 3 and in each case 24 array columns in azimuth 5 are arranged.
  • array elements 1 and 2 patch elements, slot elements or patch elements with polyrod are provided on or in a substrate 4.
  • the control of the array elements 1 for the transmission operation is carried out by a high-frequency oscillator 6.
  • the individual array elements 1 are connected together in groups of 3x3 elements in elevation and azimuth.
  • the control via phase shifter 11, in order to set a desired directional characteristic of the radiation lobes and possibly also switch to can.
  • the array elements are also interconnected to groups of 3x3 elements each. Of course, this configuration can also be chosen differently. In each case two of these groups of array elements 2 are guided to a mixing device 7, each having two mixers on a chip.
  • a part of the signal of the oscillator 6, which generates the signal to be transmitted diverted and used as a local oscillator signal, so that the transmitted signal and the signal of the local oscillator the same Have frequency.
  • the intermediate frequency then corresponds to the frequency difference between the local oscillator signal and the received signal and is dependent on the Doppler shift for a Doppler radar.
  • an FMCW radar we modulate the frequency of the transmitted signal and consequently also the local oscillator frequency in a ramp.
  • the intermediate frequency is then dependent on the signal propagation time and thus the distance of the located object and is in the order of 0 to a few 100 KHz.
  • the mixed different reception signals (intermediate frequency signals) of the mixing devices 7 are sampled time-synchronously (digitized) and subjected to a known digital beamforming (DBF, Digital Beam Forming). Due to the fixed phase and amplitude relationship of the individual received signals in azimuth, the angular information of radar targets can be extracted in addition to the distance.
  • DBF Digital Beam Forming
  • the array elements 1 for transmitting operation and the array elements 2 for receiving operation are each located at a focal point of the bifocal cylindrical lens 9, respectively, and the phase source points of the transmitting and receiving array surfaces are each located at a focal point of the bifocal lens 9.
  • the beam focusing of the bistatic array antenna is thus carried out in elevation by the array elements 1 and 2 on the substrate 4 and the bifocal lens 9 and in azimuth only by the array elements on the substrate 4 by means of digital beam forming.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

Bei einer bistatischen Arrayantenne erfolgt eine Strahlbündelung in Vorzugsrichtungen der Arrayantenne mittels eines Fokussiermittels (9) derart, dass sowohl eine Strahlbündelung in einer ersten Vorzugsrichtung für die Arrayelemente (1) des Sendebetriebs, als auch in einer anderen zweiten Vorzugsrichtung für die Arrayelemente (2) des Empfangsbetriebs erfolgt.

Description

Beschreibung
Titel
Bistatische Arrayantenne sowie Verfahren
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer bistatischen Arrayantenne mit einem Fokussiermit- tel zur Strahlbündelung aus. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antenne.
Für einen Radarsensor mit digitaler Strahlformung benötigt man große Anten- nenarrays, insbesondere dann, wenn schmale Strahlen (Beams) wie beim Long Range Radar benötigt werden. Dies steht jedoch im Konflikt mit dem Wunsch einen in der Fläche möglichst kleinen Sensor herzustellen. Alternativ kann man ei- ne (Zylinder-) Linse verwenden, die zu einer Verschmälerung der Beams in einer
Ebene führt (Elevation) und die Anzahl der Antennenelemente in Elevation vermindert, beispielsweise gemäß der WO 2006/048352 A2. Die geometrischen Abmessungen in Azimuth- Richtung ändern sich dadurch jedoch nicht.
Eine andere Alternative wäre ein monostatisches Radarsystem, bei dem zum
Senden und Empfangen die gleiche Antenne verwendet wird, beispielsweise gemäß der WO 2006/029926A1. Dies bedeutet aber, dass Sende- und Empfangscharakteristik nicht unabhängig voneinander gewählt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Mit der bistatischen Arrayantenne gemäß Anspruch 1, bei der ein Fokussiermittel für eine Strahlbündelung in Vorzugsrichtungen der Arrayantenne derart ausgebil- det und angeordnet ist, dass sowohl eine Strahlbündelung in einer ersten Vorzugsrichtung für die Arrayelemente des Sendebetriebs, als auch in einer anderen zweiten Vorzugsrichtung für die Arrayelemente des Empfangsbetriebs erfolgt, lässt sich mit für Sendebetrieb und Empfangsbetrieb getrennten Arrayelementen eine Strahlbündelung mit einem sehr geringen Flächenbedarf, insbesondere in
Elevation erreichen.
Außerdem ist bei der Ausgestaltung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 zusätzlich eine digitale Strahlformung mit schmalen Strahlungskeulen und Winkel- Schätzungen, insbesondere in Azimuth- Richtung ebenfalls mit sehr geringem Flächenbedarf zu erreichen.
Bei Verwendung eines Fokussiermittels in Form einer bifokalen Linse, insbesondere einer bifokalen Zylinderlinse, wird eine Strahlbündelung in einer Ebene er- reicht, in der keine digitale Strahlformung stattfindet, vorzugsweise in Elevation.
Die Strahlbündelung in Vorzugsrichtungen für Elevation lässt sich so optimal und unabhängig vom Azimuth getrennt nach den Arrayelementen für Sendebetrieb und Empfangsbetrieb einstellen.
Vorzugsweise werden die Arrayelemente gegenüber dem Fokussiermittel/der bifokalen Zylinderlinse so angeordnet, dass sich der Phasenquellpunkt der Arrayelemente für Empfangsbetrieb und für Sendebetrieb in jeweils einem Brennpunkt des Fokussiermittels/der bifokalen Linse befindet. Damit können die Arrayelemente für Empfangsbetrieb und für Sendebetrieb in Elevation getrennt überein- ander angeordnet werden, statt wie bei herkömmlichen Lösungen nebeneinander. Dies führt zu einem erheblich geringeren Flächenbedarf. Die Strahlbündelung erfolgt vorzugsweise in Elevation durch Arrayelemente auf einem Substrat und dem Fokussiermittel/bifokalen Linse und in Azimuth nur durch die Arrayelemente auf dem Substrat. Für die Strahlbündelung/digitale Strahlformung in Azi- muth steht die gesamte Basisbreite des Antennenarrays zur Verfügung und gestattet so eine weite Strahlschwenkung in Azimuth im Sendebetrieb sowie eine zuverlässige Auswertung im Empfangsbetrieb.
Als Arrayelemente können alternativ Patch-, Schlitzelemente oder Patch- Elemente mit Polyrod auf einem Substrat verwendet werden. In Elevation können mehrere Arrayelemente bzw. Zeilen von Arrayelementen verwendet werden, um eine optimale Nebenkeulenunterdrückung zu gewährleisten.
Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Aufsicht auf ein Antennenarray mit getrennten Bereichen von Arrayelementen für Sende- und Empfangsbetrieb,
Figur 2 einen Schnitt durch eine Bifokallinse,
Figur 3 eine Seitenansicht des Antennenarrays mit vorgelagerter bifokaler Linse.
Ausführungsformen der Erfindung
Bei der Erfindung ist ein Fokussiermittel vorgesehen für eine Strahlbündelung in zwei Vorzugsrichtungen einer Radar-Arrayantenne für den bistatischen Betrieb, d. h. für einen Sendebetrieb sind jeweils andere Arrayelemente vorgesehen als für einen Empfangsbetrieb. Das Fokussiermittel bewirkt eine Strahlbündelung in einer ersten Vorzugsrichtung der Elevation für den Sendebetrieb und eine Strahlbündelung in einer anderen zweiten Vorzugsrichtung der Elevation für den Empfangsbetrieb. Im Weiteren wird als Fokussiermittel eine bifokale Linse beschrieben, insbesondere eine bifokale Zylinderlinse mit zwei unterschiedlichen Brennpunkten. Anstelle einer solchen bifokalen Zylinderlinse können auch entspre- chende Gitterstrukturen oder andere dielektrische Strukturen eingesetzt werden, die ebenfalls zwei Brennpunkte bzw. Brennlinien aufweisen.
Figur 1 zeigt die Anordnung der Arrayelemente 1 für den Sendebetrieb und die Arrayelemente 2 für den Empfangsbetrieb. In Bezug auf die Elevationsrichtung 3 liegen die Arrayelemente 1 für den Sendebetrieb und 2 für den Empfangsbetrieb erfindungsgemäß übereinander. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 sind jeweils drei Arrayzeilen in Elevation 3 und jeweils 24 Arrayspalten in Azimuth 5 angeordnet. Als Arrayelemente 1 und 2 sind Patch- Elemente, Schlitz- Elemente o- der Patch- Elemente mit Polyrod auf bzw. in einem Substrat 4 vorgesehen. Die Ansteuerung der Arrayelemente 1 für den Sendebetrieb erfolgt von einem Hochfrequenzoszillator 6 aus. Die einzelnen Arrayelemente 1 sind zu Gruppen von jeweils 3x3 Elementen in Elevation und Azimuth zusammengeschaltet. In Azimuth 5, d. h. in einer weiteren Vorzugsrichtung, die sowohl den Arrayelementen 1 für den Sendebetrieb als auch den Arrayelemente 2 für den Empfangsbetrieb gemein ist, erfolgt die Ansteuerung über Phasenschieber 11, um eine gewünschte Richtcharakteristik der Strahlungskeulen einstellen zu können und gegebenenfalls auch umschalten zu können. Für den Empfangsbetrieb sind die Arrayelemente ebenfalls zu Gruppen von jeweils 3x3 Elementen zusammengeschaltet. Natürlich kann diese Konfiguration auch anders gewählt werden. Jeweils zwei dieser Gruppen von Arrayelementen 2 werden auf eine Mischeinrichtung 7 geführt, die jeweils zwei Mischer auf einem Chip aufweist. Bei Verwendung einer homodynen Mischung, wie etwa bei der WO 2006/029926A1 wird von dem Signal des Oszillators 6, der das zu sendende Signal erzeugt, ein Teil abgezweigt und als Lokaloszillatorsignal verwendet, so dass das gesendete Signal und das Signal des lokalen Oszillators die gleiche Frequenz haben. Die Zwischenfrequenz entspricht dann dem Frequenzunterschied zwischen dem Lokaloszillatorsignal und dem empfangenen Signal und ist bei einem Dopplerradar von der Dopplerverschiebung abhängig. Bei einem FMCW-Radar wir die Frequenz des gesendeten Signals und folglich auch die Lokaloszillatorfrequenz rampenförmig moduliert. Die Zwischenfrequenz ist dann auch von der Signallaufzeit und damit vom Abstand des georteten Objekts abhängig und liegt in einer Größenordnung von 0 bis wenige 100 KHz.
In einer Auswerteeinrichtung 8 werden die gemischten verschiedenen Emp- fangssignale (Zwischenfrequenzsignale) der Mischeinrichtungen 7 zeitsynchron abgetastet (digitalisiert) und einer bekannten digitalen Strahlformung (DBF, Digital Beam Forming) unterzogen. Aufgrund der festen Phasen- und Amplitudenbeziehung der einzelnen Empfangssignale in Azimuth, kann neben der Entfernung auch die Winkelinformation von Radarzielen extrahiert werden. Vor der Ebene des Substrates 4 auf dem sich die Arrayelemente 1 und 2 befinden, wird eine bifokale Zylinderlinse 9, deren Schnitt Figur 2 zeigt, angeordnet. In der Seitenansicht gemäß Figur 3 ist ersichtlich, dass sich die Arrayelemente 1 für Sendebetrieb und die Arrayelemente 2 für Empfangsbetrieb jeweils in einem Brennpunkt der bifokalen Zylinderlinse 9 befinden bzw. die Phasenquellpunkte der Sende- und Empfangsarrayflächen befinden sich jeweils in einem Brennpunkt der Bifokallinse 9. Die Strahlenbündelung der bistatischen Arrayantenne erfolgt demnach in Elevation durch die Arrayelemente 1 und 2 auf dem Substrat 4 und der Bifokallinse 9 und in Azimuth nur durch die Arrayelemente auf dem Substrat 4 mittels digitaler Strahlformung.
Wenn in Elevation, wie in Figur 1 dargestellt, mehrere Zeilen von Arrayelementen vorgesehen sind, kann eine optimale Nebenkeulenunterdrückung gewährleistet werden.

Claims

Ansprüche
1. Bistatische Arrayantenne, wobei ein Fokussiermittel (9) für eine Strahlbündelung in Vorzugsrichtungen der Arrayantenne derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sowohl eine Strahlbündelung in einer ersten Vorzugrichtung für die Arrayelemente (1) des Sendebetriebs, als auch in einer anderen zweiten Vorzugsrichtung für die Arrayelemente (2) des Empfangsbetriebes erfolgt.
2. Bistatische Arrayantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine insbesondere digitale Strahlformung in einer weiteren Vorzugsrichtung
(5) vorgesehen ist, die den Arrayelementen (1) für den Sendebetrieb wie auch den Arrayelementen (2) für den Empfangsbetrieb gemein ist.
3. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussiermittel (9) eine bifokale Linse, insbesondere eine bifokale
Zylinderlinse, ist.
4. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Vorzugsrichtung Elevationsrichtungen bezüg- lieh der Ebene des Antennenarrays sind.
5. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vorzugsrichtung eine Azimuth- Richtung bezüglich der Ebene des Antennenarrays ist.
6. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Phasenquellpunkt der Arrayelemente (2) für Empfangsbetrieb wie auch der Phasenquellpunkt der Arrayelemente für Sendebetrieb (1) in jeweils einem Brennpunkt der Fokussiermittel/bifokalen Linse (9) befindet.
7. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arrayelemente für den Empfangsbetrieb (2) und die Arrayelemente für den Sendebetrieb (1) in Elevation getrennt übereinander angeordnet sind.
8. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Arrayelemente (1, 2) Patch- Elemente auf einem Substrat (4) angeordnet sind.
9. Arrayantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Arrayelemente (1, 2) Schlitze in einem Substrat (4) angeordnet sind.
10. Verfahren zum Betreiben einer bistatischen Arrayantenne mit einem Fokus- siermittel (9) für eine Strahlbündelung, wobei das Fokussiermittel (9) derart ausgebildet und vor den Arrayelementen (1, 2) angebracht wird, dass jeweils eine Strahlbündelung in einer ersten Vorzugsrichtung für Arrayelemente (1) im Sendebetrieb, als auch in einer anderen zweiten Vorzugsrichtung für Arrayelemente (2) im Empfangsbetrieb eintritt.
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