DE102010040692A1

DE102010040692A1 - Radarsensor für Kraftfahrzeuge, insbesondere LCA-Sensor

Info

Publication number: DE102010040692A1
Application number: DE102010040692A
Authority: DE
Inventors: Thomas Binzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2012-03-15
Also published as: CN103097910B; CN103097910A; JP2013541002A; US9140787B2; EP2616840A1; JP5890418B2; WO2012034736A1; US20130234881A1

Abstract

Radarsensor für Kraftfahrzeuge (44), mit einer Sendeantenne (Tx) in der Form einer planaren Gruppenantenne mit mehreren nebeneinander angeordneten Antennenelementen (10, 12, 14, 16), und mit einem Speisenetzwerk (26) zur Zufuhr von Mikrowellenleistung zu den Antennenelementen, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisenetzwerk (26) dazu ausgebildet ist, den Antennenelementen (10, 12, 14, 16) die Mikrowellenleistung mit einer von einem Ende der Reihe zum anderen mit konstanten Inkrementen zunehmenden Phasenverschiebung zuzuführen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Radarsensor für Kraftfahrzeuge, mit einer Sendeantenne in der Form einer planaren Gruppenantenne mit mehreren nebeneinander angeordneten Antennenelementen, und mit einem Speisenetzwerk zur Zufuhr von Mikrowellenleistung zu den Antennenelementen.
Antennen von Radarsensoren, die für den Einsatz in Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, werden häufig als Patchantennen auf einem HF-Substrat ausgeführt. Das erlaubt einen kostengünstigen Aufbau des Radarsensors. Durch Einsatz von Gruppenantennen lässt sich die gewünschte Richtcharakteristik des Radarsensors im Azimut und/oder in der Elevation erreichen, ohne dass eine Radarlinse benötigt wird. Häufig werden getrennte Antennen für die Abstrahlung des Radarsignals und für den Empfang des reflektierten Signals verwendet. Die gewünschte Richtcharakteristik der Sendeantenne im Azimut lässt sich dadurch erreichen, dass den mehreren nebeneinander auf dem Substrat angeordneten Antennenelementen die Mikrowellenleistung phasengleich zugeführt wird. Durch Interferenz entsteht dann eine Radarkeule, deren Hauptabstrahlrichtung rechwinklig zur Ebene des Substrats orientiert ist und die einen Azimutwinkelbereich von etwa –45° bis etwa +45° abdeckt. Auf der Empfangsseite werden ebenfalls mehrere nebeneinander angeordnete Antennenelemente oder Patches verwendet, die jedoch zu verschiedenen Empfangskanälen gehören, so dass anhand der Phasenunterschiede zwischen den von den verschiedenen Antennenelementen empfangenen Signalen auf den Azimutwinkel des Objekts geschlossen werden kann.
Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einer Rückraum-Radarsensorik für Kraftfahrzeuge, beispielsweise in einem LCA-System (Lane Change Aid), das den Fahrer bei einem Spurwechsel unterstützt, indem es vor Fahrzeugen warnt, die sich auf der eigenen Spur oder der Überholspur von hinten annähern. In diesem Fall muss die Radarsensorik in rückwärtiger Richtung eine große Reichweite haben, damit auch schnelle Fahrzeuge rechtzeitig erkannt werden können, und sie muss andererseits in der Lage sein, Fahrzeuge zu orten, die sich in geringem Abstand oder nahezu auf gleicher Höhe auf der Überholspur befinden und somit für den Fahrer im toten Winkel liegen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute und kostengünstige Radarsensorik zu schaffen, die es erlaubt, die oben genannten Anforderungen zu erfüllen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Radarsensor der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Speisenetzwerk dazu ausgebildet ist, den Antennenelementen die Mikrowellenleistung mit einer von einem Ende der Reihe zum anderen mit konstanten Inkrementen zunehmenden Phasenverschiebung zuzuführen.
Durch Interferenz zwischen den von den verschiedenen Antennenelementen abgestrahlten Radarwellen kommt es dann zur Ausbildung eines asymmetrischen Antennendiagramms, so dass ein großer Teil der Mikrowellenleistung mit hoher Intensität in einer bestimmten Richtung abgestrahlt wird, und gleichzeitig ein kleinerer Teil der Mikrowellenleistung unter hohem Azimutwinkel nach einer Seite abgestrahlt wird. Auf diese Weise ist es möglich, den Nachfolgeverkehr auf der eigenen Spur und auf der Überholspur, bis in den toten Winkel hinein, mit einem einzigen Radarsensor zu erfassen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Speisenetzwerk so ausgebildet, dass auch die Amplitude der emittierten Mikrowellen von Antennenelement zu Antennenelement variiert, beispielsweise von einem Ende der Reihe der Antennenelemente zum entgegengesetzten Ende hin abnimmt. Dadurch wird die Leistungsverteilung der emittierten Radarstrahlung über den Azimutwinkel vergleichmäßigt, so dass Ortungslücken zwischen der Hauptkeule und den Nebenkeulen weitgehend geschlossen werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung mehrerer in einer horizontalen Reihe auf einem nicht gezeigten Substrat angeordneter Antennenelemente, mit Angabe eines Beispiels für die Phasen- und Amplitudenbelegung der einzelnen Antennenelemente;
2 ein Antennendiagramm für die Antennenanordnung und die Phasen- und Amplitudenbelegung gemäß 1;
3 eine Prinzipskizze eines Radarsensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
4 ein Ortungsdiagramm eines LCA-Radarsensors gemäß der Erfindung.
In 1 sind vier Antennenelemente 10, 12, 14, 16 gezeigt, die in gleichmäßigen Abständen in einer waagerechten Reihe auf einem nicht gezeigten HF-Substrat angeordnet sind. Die Antennenelemente sind hier als einzelne Patches dargestellt. Über ein Speisenetzwerk, das später näher beschrieben werden wird, erhalten die Antennenelemente ein Mikrowellensignal, das dann als Radarstrahlung abgestrahlt werden soll Der Mittenabstand d der Antennenelemente beträgt im gezeigten Beispiel eine halbe Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung (d = λ/2).
Die Phasen- und Amplitudenbelegung der Antennenelemente 10, 12, 14, 16 ist ebenfalls in 1 angegeben. In Bezug auf das Antennenelement 10 am linken Ende der Reihe (Phase = 0°) hat das zweite Antennenelement 12 eine Phasenverschiebung von 60°, das dritte Antennenelement 14 eine Phasenverschiebung von 120° und das vierte Antennenelement 16 eine Phasenverschiebung von 180°. Die Phasenverschiebung nimmt also mit gleichen Inkrementen (60°) zu, und die Antennenelemente 10 und 16 an den entgegengesetzten Enden der Reihe erhalten gegenphasige Signale.
Die Amplitude der Signale nimmt über die Reihe der Antennenelemente von links nach rechts linear ab. Wenn die Amplitude des äußersten linken Antennenelement 10 auf 1,0 normiert wird, so nimmt die Amplitude nach rechts von Antennenelement zu Antennenelement ab. Im gezeigten Beispiel nimmt die Amplitude degressiv auf 0,7 für das Antennenelement 12, 0,5 für das Antennenelement 14 und schließlich 0,35 für das Antennenelement 16 ab.
2 zeigt das Antennendiagramm, das aus der in 1 gezeigten Phasen- und Amplitudenbelegung resultiert. Die Kurve 18 in 2 gibt die relative Leistung der von den Antennenelementen 10, 12, 14, 16 emittierten Radarstrahlung als Funktion des Azimutwinkels an. Durch Interferenz zwischen den von den einzelnen Antennenelementen emittierten Strahlungsanteilen kommt es zu einem ausgeprägten. Maximum bei einem Azimutwinkel von etwa 20°. Für größere Azimutwinkel fällt die Leistung ab. Im Bereich von +20° bis –90° gibt dagegen einige Nebenmaxima, so dass die Leistung bis in den Bereich von etwa –60° auf relativ hohem Niveau bleibt. Durch die ungleichmäßige Amplitudenbelegung gemäß 1 wird erreicht, dass die Minima im Antennendiagramm relativ schwach ausgeprägt sind.
3 zeigt ein detailliertes Schaltbild der wesentlichen Komponenten eines Radarsensors mit einer Sendeantennenanordnung gemäß 1.
Die vier Antennenelemente 10, 12, 14, 16 bilden zusammen eine Sendeantenne Tx. Drei weitere Antennenelemente 20 sind in ungleichmäßigen lateralen Abständen angeordnet und bilden zusammen eine Empfangsantenne Rx. Die Antennenelemente 10–16 und 20 bestehen jeweils aus einer Spalte von Patches 22, in die das Mikrowellensignal phasengleich eingekoppelt wird. Durch Interferenz erhält man daher in der Elevation eine Richtcharakteristik mit einem ausgeprägten Hauptmaximum bei dem Elevationswinkel 0° (rechtwinklig zum Substrat). Diese Hauptmaximum erstreckt sich über einen Winkelbereich von etwa –45° bis etwa +45°. Nebenkeulen sind dagegen nur schwach ausgebildet.
Im Azimut entspricht die Richtcharakteristik der Sendeantenne Tx dagegen dem Antennendiagramm nach 2, so dass man insgesamt, ohne Verwendung einer Radarlinse, einen in der Vertikalen gebündelten, in der Horizontalen jedoch asymmetrisch aufgefächerten Radarstrahl erhält.
Die Mikrowellenleistung für die Sendeantenne Tx wird von einem Oszillator 24 erzeugt und den einzelnen Antennenelementen 10, 12, 14, 16 über ein paralleles Speisenetzwerk 26 zugeführt. Dieses Netzwerk verzweigt sich vom Ausgang des Oszillators 20 zunächst in zwei Äste 26, die sich in der Länge um λ/3, als ein Drittel der Wellenlänge λ unterscheiden. Jeder Ast 26 verzweigt sich dann wieder in zwei Äste 30 bzw. 32 mit einem Längenunterschied von jeweils λ/6. Auf diese Weise wird die in 1 gezeigte Phasenbelegung erreicht. Zur Einstellung der Amplitudenbelegung enthält jeweils einer der Äste 28, 30 und 32 einen sogenannten Impedanztransformator 34, mit dem die an die betreffenden Antennenelemente weitergeleitete Leistung um das gewünschte Maß angepasst wird.
Die drei Antennenelemente 20 der Empfangsantenne Rx sind mit einem Dreikanalmischer 36 verbunden, der das von jedem einzelnen Antennenelement 20 empfangene Signal mit dem vom Oszillator 24 gelieferten Sendesignal mischt. An den Ausgängen 38 des Dreikanalmischers 26 erhält man als Mischprodukte Zwischenfrequenzsignale, deren Frequenz dem Frequenzunterschied zwischen der von der Sendeantenne Tx emittierten Strahlung und der zur gleichen Zeit von dem betreffenden Antennenelement 20 der Empfangsantenne Rx empfangenen Strahlung entspricht. Da die Frequenz des Oszillators 24 rampenförmig moduliert wird (FMCW-Radar; Frequency Modulated Continuous Wave) ist die Frequenz der Zwischenfrequenzsignale sowohl von der Signallaufzeit und damit vom Abstand des georteten Objekts als auch von der Dopplerverschiebung und damit von der Relativgeschwindigkeit des Objekts abhängig. Die Phasenunterschiede zwischen den Zwischenfrequenzsignalen repräsentieren entsprechende Phasenunterschiede zwischen den Radarechos, die von den verschiedenen Antennenelementen 20 empfangen werden. Diese Phasenunterschiede sind von der unterschiedlichen Länge der Signalwege zu den nebeneinander angeordneten Antennenelementen 20 abhängig und geben daher Aufschluss über den Azimutwinkel des georteten Objekts.
Die Auswertung der Zwischenfrequenzsignale ist als solche bekannt und wird hier nicht näher beschrieben.
Die Antennenelemente 10, 12, 14, 16 der Sendeantenne und die Antennenelemente 20 der Empfangsantenne sowie das Speisenetzwerk 26 können in Mikrostreifentechnik auf einem gemeinsamen Substrat gebildet sein, das auch den Dreikanalmischer 36. und den Oszillator 24 sowie ggf. weitere Komponenten des Radarsensors aufnimmt.
In 4 ist ein Ortungsfeld 40 eines erfindungsgemäßen Radarsensors 42 gezeigt. Der Radarsensor 42 ist so im Heck eines Kraftfahrzeugs 44 eingebaut, dass der Azimutwinkel 0° der y'-Achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems (x', y') entspricht, das gegenüber einem Fahrzeug-Koordinatensystem (x, y) etwas verdreht ist (die y-Achse entspricht der Rückwärts-Fahrtrichtung des Fahrzeugs).
Im gezeigten Beispiel ist der Radarsensor 42 ein Rückraum-Radarsensor, der Teil eines LCA-Systems, das den Fahrer bei einem beabsichtigten Spurwechsel vor dem Nachfolgeverkehr warnt. In diesem Beispiel besteht der Nachfolgeverkehr aus Fahrzeugen 46, 48, die sich auf der Überholspur nähern (hier bei Linksverkehr). Der Radarsensor ist so orientiert, dass seine weit reichende Hauptkeule (um den Azimutwinkel von +20°) die Überholspur und einen großen Teil der eigenen Spur des Fahrzeugs 44 abdeckt. So kann z. b. das Fahrzeug 46 frühzeitig erfasst werden. Das Fahrzeug 48 hat gerade zum Überholen angesetzt und befindet sich für den Fahrer des Fahrzeugs 44 im toten Winkel. Aufgrund der asymmetrischen Form des Ortungsfeldes kann jedoch auch das Fahrzeug 48 noch erfasst werden.

Claims

Radarsensor für Kraftfahrzeuge (44), mit einer Sendeantenne (Tx) in der Form einer planaren Gruppenantenne mit mehreren nebeneinander angeordneten Antennenelementen (10, 12, 14, 16), und mit einem Speisenetzwerk (26) zur Zufuhr von Mikrowellenleistung zu den Antennenelementen, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisenetzwerk (26) dazu ausgebildet ist, den Antennenelementen (10, 12, 14, 16) die Mikrowellenleistung mit einer von einem Ende der Reihe zum anderen mit konstanten Inkrementen zunehmenden Phasenverschiebung zuzuführen.
Radarsensor nach Anspruch 1, bei dem die Antennenelemente (10, 16) an den entgegengesetzten Enden der Reihe gegenphasig angesteuert werden.
Radarsensor nach Anspruch 2, mit vier Antennenelementen (10, 12, 14, 16), bei denen die Phasenverschiebung von Antennenelement zu Antennenelement 60° beträgt.
Radarsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Speisenetzwerk (22') weiterhin dazu ausgebildet ist. den Antennenelementen (10, 12, 14, 16) die Mikrowellenleistung mit unterschiedlicher Amplitude zuzuführen.
Radarsensor nach Anspruch 4, bei dem die Amplitude längs der Reihe der Antennenelemente (10, 12, 14, 16) in der Richtung abnimmt, in der die Phasenverschiebung zunimmt.
Fahrerassistenzsystem für Kraftfahrzeuge, mit einer Radarsensorik (42) zur Ortung von Objekten (46, 48), die sich in geringen bis großen Längsabständen hinter dem eigenen Fahrzeug (44) befinden, einschließlich Objekten (48) die sich fast auf gleicher Höhe auf einer Nebenspur befinden, dadurch gekennzeichnet, dass die Radarsensorik durch einen einzigen Radarsensor (42) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gebildet wird.