DE4003057C2 - Radarsensor zur Totwinkelüberwachung bei einem Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Radarsensor zur Totwinkelüberwa­ chung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus der US 4,210,357 bekannt. Dabei ist vor dem optischen Spiegel der Außenrückspie­ gelanordnung ein optisch durchsichtiger gekrümmter Radarreflek­ tor angeordnet, welcher eine Umlenkung des Überwachungsstrahls eines am Rand angeordneten und von der Seite einspeisenden Ra­ darstrahlers bewirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen vorteilhaften derartigen im Außenrückspiegel integrierten Radarsensor anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 1 angegeben. Die Ansprüche 2, 4 und 14 beinhalten erfinderische Weiterbildungen, die weiteren Ansprü­ che beinhalten vorteilhafte Ausführungsformen der Erfin­ dung. Die Erfindung befaßt sich nicht mit der Anzeige des empfangenen Radarsignals.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine typische Verkehrssituation, bei der ein Fahrzeug von anderen überholt wird. Der Totwinkelbereich für das erste Fahrzeug ist punktiert, der gesamte vom Ra­ darsensor mindestens zu überwachende Bereich ist schraf­ fiert.

Fig. 2 zeigt diesen Bereich mit ungefähren Maßangaben. Der Totwinkelbereich liegt in der Differenz der Winkel ϕ zu ϕ₀. Sinnvoll ist eine Überwachung darüber hinaus bis ϕ_max.

Soll im Empfänger des Totwinkelradars ein Ziel mit kon­ stantem Radarquerschnitt, das sich entlang der Linie AB in konstanter Höhe über der Fahrbahn bewegt, einen näherungs­ weise konstanten Empfangspegel hervorrufen, so ist in der Azimutebene eine Cosecans-Richtcharakteristik oder eine ähnliche Richtcharakteristik der Antenne notwendig. In der Elevationsebene soll im Mittel der Höhenbereich, in dem sich Kraftfahrzeuge aufhalten, vom Radarstrahl erfaßt wer­ den. Aus diesen Anforderungen folgen Antennenquerabmessun­ gen von mindestens ca. 15 λ_M × 15 λ_M (λ_M = Freiraumwellen­ länge der Mikrowelle). Aus diesem Grund ist auch erst für Frequenzen ab ca. 40 GHz (mm-Wellen-Frequenzbereich) eine Integration des Radarsensors im Rückspiegelgehäuse mög­ lich.

Der optisch reflektierende Spiegel muß für die Millimeter­ welle durchstrahlbar eingerichtet werden, ohne daß seine optischen Eigenschaften beeinträchtigt werden. Zwei erfin­ derische Lösungen dieses Problems werden anhand der Fig. 6 und 7 beschrieben.

Erste Lösung:

Im allgemeinen besteht der optisch reflektierende Teil des KFZ-Rückspiegels aus einem Glasträger 11 mit einer Metal­ lisierung 12, deren Dicke klein gegenüber der Wellenlänge des Radarsignals ist (Fig. 6A). Ordnet man die Sende- und Empfangsantenne 10 hinter dem Spiegel an, muß die Metalli­ sierung 12 so verändert werden, daß ihre optischen Eigen­ schaften nicht wesentlich gestört werden, das Radarsignal jedoch die Metallisierung ohne oder mit nur geringer Dämp­ fung durchdringen kann. Dies wird gemäß der ersten Lösung dadurch erreicht, daß man die Metallisierung in Segmente unterteilt, die bezüglich der mm-Welle als künstliches Di­ elektrikum wirken. Die Dicke d das Glaskörpers 11 mit der Metallisierung 12 wird zur Minimierung des Reflexionsfak­ tors für die mm-Welle so gewählt, daß sie ca. λε/2 der sich im Inneren des Spiegels einstellenden Wellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen dieses Werts ent­ spricht. Die Wahl der Breite b der nicht metallisierten Bereiche muß so erfolgen, daß der optische Gesamteindruck des Spiegels nicht wesentlich gestört wird. Dies ist für Breiten b < 0,1 mm der Fall. Fig. 6B zeigt eine Segmentie­ rung des Spiegels in Streifen 13 und Rechtecke 14.

Die metallbeschichtete Innenseite des Glasträgers 11 kann vorteilhafterweise zur weiteren Verringerung des Reflexi­ onsfaktors für die mm-Welle mit zusätzlichen dielektri­ schen Anpaßstrukturen versehen werden, beispielsweise mit einer weiteren Glasschicht der Dicke von ungefähr λε/2.

Die Strukturierung der Metallisierung 12 kann so beschaf­ fen sein, daß die Polarisation des Radarsignals beeinflußt wird. Beispielsweise sind mehrere hintereinander angeord­ nete dielektrische Schichten (z. B. Glasschichten) mit mä­ anderförmiger Metallstrukturierung denkbar, die eine Pola­ risationswandlung von linearer in zirkulare Polarisation oder umgekehrt vornehmen.

Die zweite Lösung für einen optischen Spiegel, der für mm- Wellen durchlässig ist, ist in Fig. 7 gezeigt. Es ist ein Interferenzspiegel mit mehreren, für optische Frequenzen wirksamen Reflexionsschichten. Dieser Interferenzspiegel mit dielektrischen Schichten der Dicke λ₀/4 (λ₀ = optische Wellenlänge) von abwechselnd niedrigem bzw. hohem Bre­ chungsindex n₁ bzw. n₂ ist bezogen auf die Wellenlänge des Radarsignals extrem dünn und für diese transparent. Als dielektrische Materialien kommen beispielsweise Titandio­ xid und Magnesiumfluorid in Frage. Der Glasträger 11 weist vorteilhafterweise eine Dicke d von ungefähr einer halben Radarwellenlänge λε oder einem ganzzahligen Vielfachen da­ von auf.

Für den Radarsensor kommen im wesentlichen drei Ausfüh­ rungsformen in Frage:

• 1. Millimeterwellen-Signalerzeugung und -Signalverarbei­ tung in Hohlleitertechnik, zusammengefaßt in einem mm-Wel­ len-Block 2 mit einer Antenne, die oben genannte Anforde­ rungen bezüglich Abmessungen und Richtcharakteristik er­ füllt. Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit einer Reflektoran­ tenne 5 auf der Innenrückwand 1 des Spiegelgehäuses. Die Speisung erfolgt über ein Speisehorn 4. Der optische Spie­ gel 3 ist von der Radarantenne mechanisch entkoppelt. Fig. 4 zeigt eine Ausführung mit einer dielektrischen Linse 7, die wiederum von einem Speisehorn 4 durchstrahlt wird. Die Linse 7 sitzt auf einem Radom 6. Fig. 5 zeigt eine Ausführung mit einer planaren Antenne mit Strahler­ elementen 9 und Speisung 8.
• 2. Millimeterwellen-Signalerzeugung und -Signalverarbei­ tung in planarer Technik (vorzugsweise Mikrostreifenlei­ tungstechnik), zusammengefaßt im mm-Wellen-Block 2 mit ei­ ner Antenne wie unter 1).
• 3. Millimeterwellen-Signalerzeugung und -Signalverarbei­ tung in Bildleitungstechnik (Image Line), zusammengefaßt im mm-Wellen-Block 2 mit einer Antenne wie unter 1).

Vorteilhaft ist im besonderen die Kombination der Ausfüh­ rung 2 mit einer planaren Antenne, wenn eine große Stück­ zahl von Radargeräten hergestellt werden soll. Der mm-Wel­ len-Block kann in diesem Fall beispielsweise als monoli­ thisch integrierte mm-Wellen-Schaltung (MMIC) auf GaAs und die Antenne auf photoätztechnischem Wege auf einem ge­ eigneten dielektrischen Trägermaterial hergestellt werden.

Zum Schutz des Radarsensors vor Schmutz und Feuchtigkeit ist ein Radom 6 notwendig (Fig. 3 bis 5), welches für das Radarsignal durchlässig sein muß. Als Radom kann eine zu­ sätzliche Schicht aus dielektrischem Material mit einer Dicke von einer halben Radarwellenlänge oder einem ganz­ zahligen Vielfachen davon verwendet werden. Vorstellbar ist auch, das Radom auf seiner Innenseite direkt mit der planaren Antennenstruktur oder planaren Antennen- und Schaltungsstruktur auszuführen. Das Radom kann mit Mitteln zur Beeinflussung der Polarisation des Radarsignals, wie oben beschrieben, versehen werden. Auf das zusätzliche Ra­ dom kann verzichtet werden, wenn zwischen Glasträger 3 bzw. 11 und Rückspiegelgehäuse 1 eine Abdichtung vorgese­ hen wird. In diesem Fall dient der metallisierte Glasträ­ ger als Radom.

Falls eine breitbandige Minimierung des Reflexionsfaktors für die mm-Welle angestrebt wird, sind weitere dielektri­ sche Anpaßschichten oder -strukturen auf dem Radom und/oder dem Glasträger des Rückspiegels denkbar. Solche Schichten und Strukturen sind aus der Literatur bekannt und Stand der Technik.

Für den Fall, daß der optisch reflektierende Spiegel des KFZ-Rückspiegels in seinem Reflexionswinkel auf Sitzhal­ tung und Größe des Fahrers eingestellt werden muß, müssen optischer Spiegel 3 und Radarantenne mechanisch entkoppelt sein, damit bei einer Spiegelverstellung die Richtung des Radarstrahls nicht verändert wird. Wird das gesamte Spie­ gelgehäuse verstellt, so muß über eine Mechanik die Milli­ meterwellenantenne in ihrer Position stabil gehalten wer­ den.

Ist eine mechanische Verstellung des optischen Spiegels nicht oder nur geringfügig notwendig, so sieht eine bevor­ zugte Ausführungsform der Erfindung die Antennenstruktur oder sogar Antennen- und Schaltungsstrukturen in planarer Technik auf der Innenseite des Spiegels 3 vor.

In der in Fig. 8 beispielhaft gezeigten bevorzugten Anord­ nung ist die Metallisierung 12 gleichzeitig als Antenne ausgebildet, wobei als Strahlungselemente kleine Schlitze dienen, die in die Metallisierung geätzt werden. Die Länge L der Schlitze wird dabei etwa zu λε/2 der mm-Welle ge­ wählt, während man die Schlitze so breit macht, daß keine Beeinträchtigung des Spiegelverhaltens bemerkbar ist (b < 0,1 mm). Die Speisung der Dipole erfolgt durch eine auf die Metallisierung 12 aufgebrachte Dickfilm- bzw. Dünnfilmschaltung 15, 16, die auch die aktiven Bauteile bzw. Baugruppen enthält. Fig. 8B enthält eine skizzenhafte Anordnung eines solchen Sendemoduls mit Oszillator 17, Leitungsnetzwerk 18 und Verstärkern 19. Durch geeignete Einstellung der Amplituden- und Phasenbeziehungen zwischen den Dipolen kann eine Formung der Abstrahlcharakteristik erreicht werden.

Die Ausführungsform ist für einen in einem größeren Win­ kelbereich verstellbaren optischen Spiegel zu benutzen, wenn die momentane Stellung des Spiegel- und Antennenträ­ gers erfaßt und die Strahlungsrichtung der Antenne elek­ tronisch korrigiert werden (phasengesteuerte Antenne).

Die bisherigen Ausführungen gelten in analoger Weise für ein Empfangsmodul, das entweder lokal vom Sendemodul ge­ trennt oder aber in lokaler Deckung mit diesem aufgebaut werden kann. Im zweiten Fall ist eine Schaltungstechnik vorzusehen, die es erlaubt, die Schlitze sowohl als Sende- als auch als Empfangselemente zu verwenden.

Claims (21)

1. Radarsensor zur Totwinkelüberwachung bei einem Kraftfahrzeug mit einem in den Außenrückspiegel integrierten Millimeterwel­ lenradar, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Spiegel für Millimeterwellen durchstrahlbar eingerichtet ist.

2. Radarsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasträger (11) des optischen Spiegels (3) eine Dicke von ungefähr λε/2 oder einem ganzzahligen Vielfachen davon aufweist, wobei λε die Millimeterwellenlänge im In­ neren des Spiegels ist, und daß die Metallisierung (12) auf der Rückseite des Spiegels in Segmenten (13, 14) aus­ geführt ist.

3. Radarsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht metallisierten Bereiche auf der Rückseite des Spiegels eine Breite b < 0,1 mm aufweisen.

4. Radarsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Spiegel (3) auf einem Glasträger (11) mehrere dielektrische Schichten (n₁, n₂) von jeweils der Dicke λ₀/4, mit λ₀ gleich der optischen Wellenlänge, von abwechselnd niedrigem bzw. hohem Brechungsindex aufweist.

5. Radarsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Schichten (n₁, n₂) aus Titandioxid bzw. Magnesiumfluorid bestehen.

6. Radarsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasträger (11) eine Dicke von ungefähr λε/2 oder einem ganzzahligen Vielfachen davon aufweist, wobei λε die Millimeterwellenlänge im Spiegel ist.

7. Radarsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugung und Signalverarbeitung in Hohllei­ tertechnik erfolgt.

8. Radarsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugung und -verarbeitung in planarer Technik erfolgt.

9. Radarsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugung und -verarbeitung in Bildleitungs­ technik erfolgt.

10. Radarsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Abstrahlung und Empfang der Millimeterwellen über eine Reflektorantenne (5) an der In­ nenrückwand des Spiegelgehäuses (1) erfolgen, die von ei­ nem Horn (4) gespeist wird.

11. Radarsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Abstrahlung und Empfang der Millime­ terwellen über eine Linsenantenne (7) hinter dem optischen Spiegel (3) erfolgen, die von einem Horn (4) gespeist wird.

12. Radarsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Abstrahlung und Empfang der Millime­ terwellen über eine planare Antenne (9) hinter dem opti­ schen Spiegel (3) erfolgen.

13. Radarsensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antenne über eine Mechanik bei Bewegun­ gen des Spiegels in seiner Position stabil gehalten wird.

14. Radarsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung (12) des optischen Spiegels (3) gleichzeitig als Antenne benutzt wird, indem in die Metal­ lisierung die Antennenstruktur geätzt ist.

15. Radarsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisung der Antenne über eine Dickfilm- oder Dünnfilmschaltung (16, 18) auf der Rückseite der Metalli­ sierung erfolgt.

16. Radarsensor nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlerelemente der Antenne elektro­ nisch phasengesteuert sind.

17. Radarsensor nach Anspruch 8, 12 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signalerzeugung und Signalverarbei­ tung in einer monolithisch integrierten Millimeterwellen­ schaltung erfolgt.

18. Radarsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Glasträger (11) oder einem Radom (6) dielektrische Anpaßschichten oder -strukturen zur breitbandigen Minimierung des Reflexions­ faktors für die Millimeterwelle aufgebracht sind.

19. Radarsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallisierung (12) auf mehrere hinter­ einandergefügte dielektrische Schichten verteilt ist und mäanderförmige Strukturen aufweist.

20. Radarsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen optischem Spiegel (3) und Radarsensor ein Radom (6) angebracht ist.

21. Radarsensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des Radoms (6) Antennenstrukturen und/oder Schaltungsstrukturen und/oder Anpassungsstruktu­ ren direkt aufgebracht sind.