DE69529118T2

DE69529118T2 - Radar-Sender/Empfänger

Info

Publication number: DE69529118T2
Application number: DE69529118T
Authority: DE
Inventors: Philip Blakelock; David Dawson; Heinz Pfizenmaier; Brian Prime
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-06-01
Filing date: 1995-05-24
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2015-05-25
Also published as: KR960001781A; EP0685930A1; ATE229708T1; JP3600940B2; DE69529118D1; EP0685930B1; JPH0843529A; GB9410985D0; KR100374911B1; US5587713A

Description

vorliegende Erfindung betrifft Radarsender/empfänger für den Einsatz zum Beispiel in Kraftfahrzeugen.
Verschiedene Typen von Abstandsmesssensoren werden zur Zeit für den Einsatz in Automobilsicherheitsprogrammen geprüft, wobei die grundsätzliche Anwendung als autonome, intelligente Fahrtregelung (Autonomous Intelligent Cruise Control - AICC) bezeichnet wird.
Ein Fahrzeug, das mit einer herkömmlichen Fahrtregelung ausgerüstet ist, kann dazu angehalten werden, eine Straßengeschwindigkeit zu halten, die durch den Fahrer vorgewählt wird, bis das Bremspedal betätigt wird, worauf das Fahrzeug zum Normalbetrieb zurückkehrt. AICC ermöglicht es, eine herkömmliche Fahrtregelungsfunktion zu erweitern, wobei die Brems- und die Gasdrosselungsfunktionen der Fahrtregelung ohne Eingreifen des Fahrers arbeiten. Diese Funktion wird durch den Sensor am AICC-Fahrzeug ermöglicht, der in der Lage ist, den Abstand, die seitliche Position quer zur Fahrbahn und die relative Geschwindigkeit von in der Nähe befindlichen Fahrzeugen zu bestimmen. Daher kann ein Fahrzeug, das in der Betriebsart der autonomen Fahrtregelung betrieben wird, automatisch zum Stehen gebracht werden, wenn ein Objekt im Fahrweg des Fahrzeugs entdeckt wird. Die vorgewählte Fahrgeschwindigkeit kann wiederum aufgenommen werden, sobald das Objekt sich nicht länger im Fahrweg des AICC-Fahrzeugs befindet, was dem Fahrzeug autonome Steuerung im Stop-and-go-Verkehr erlaubt.
Ein Typ von Radar, der für diese Anwendung besonders geeignet ist, ist jener des frequenzmodulierten Dauerstrichs (frequency modulated continuous wave - FMCW), vor allem auf Grund seiner Einfachheit, der möglichen geringen Kosten und der relativen Einfachheit nachfolgender Signalverarbeitung.
In solch einem Radar wird ein durch Spannung geregelter Schwingkreis (voltage controlled oscillator - VCO) angeordnet, um HF-Energie von nominell 76,5 GHz zu erzeugen, wobei die Frequenz über einen Bereich durch Anlegen einer Spannungsrampe von bekannter Dauer bei gegebener bekannter Frequenzrampenrate verändert werden kann. Wenn diese HF-Energie dann mittels einer Antenne auf ein reflektierendes Ziel ausgestrahlt wird, hat sich in der Zeit, die von der Energieleistung verbraucht wird, um das Ziel zu erreichen und zur Antenne zurückzukehren, die Frequenz des VCO verändert und durch Mischen des reflektierten Signals mit der neu erzeugten Schwingkreisfrequenz, die als die örtliche Oszillator ansteuerung (local oscillator - L. O) an den Mischverstärker verwendet wird, kann der Zielabstand aus der Differenzfrequenz errechnet werden.
Grundsätzlich können zwei Antennen vorhanden sein, eine für das Abstrahlen und eine für den Empfang. In der Praxis ist eine einzelne Antenne erstrebenswert, um die Größe und die Kosten insbesondere für den Automobileinsatz zu minimieren. Um ein FMCW-Radar in einer (monostatischen) Form mit einer einzelnen Antenne einzubauen, ist es normalerweise der Fall, dass die Sende- und Empfangsfunktionen an der Antenne mittels eines Mikrowellenzirkulators verbunden werden.
US-A-3 955 194 offenbart einen Radarsensor, der in der Lage ist, zwischen Objekten, die sich dem Sensor nähern, und solchen, die sich vom Sensor entfernen, zu unterscheiden.
Die zweifache Rat-Race-Vorrichtung ist vorzugsweise als ein Mikrostripmuster von elektrischen Leitern auf einem elektrisch isolierenden Substrat ausgebildet.
Eine Radarsender/empfänger-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben, wobei:
Fig. 1 schematisch eine bekannte Form der Sender/Empfänger-Anordnung zeigt, und
Fig. 2 eine Sender/Empfänger-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Zuerst mit Bezug auf Fig. 1 erlaubt ein Zirkulator 1 idealerweise die Ausbreitung von HF-Energie von einem Oszillator 2 nur in die Richtung des Pfeils, so dass die gesamte HF-Energie, die den Zirkulator 1 erreicht, vom Antennenausgang gesendet wird. In ähnlicher Weise wird sich HF-Energie, die von einem Ziel reflektiert und durch die Antenne (nicht gezeigt) empfangen wird, nur in einen Mischverstärker 3 ausbreiten. HF-Energie wird vom Oszillator 2 über einen Richtungskoppler 4 abgezweigt, um als das örtliche Oszillatorsignal für den Mischverstärker 3 zu dienen. Abgesehen vom Bereitstellen der örtlichen Oszillatoransteuerung für den Mischverstärker 3, bringt der Koppler 4 auch Verluste und verschlechtert dadurch die Sendeleistung.
Unzulänglichkeiten im Zirkulator 1 treten in zwei Bereichen auf, nämlich als Einfügungsverlust und Isolation. Unvollkommene Isolation bedeutet, dass ein Anteil der Sendeleistung (typischerweise -20 dB) in den Mischverstärkerempfangsanschluss hineingelangt und ein Anteil des reflektierten Signals zum Oszillator 2 zurückkehrt. Unvollkommener Einfügungsverlust bedeutet, dass ungefähr 0,8 dB Verlust sowohl während der Übertragung zur Antenne und während des Empfangs von der Antenne auftritt. Diese Faktoren verschlechtern die Leistung eines auf einem Zirkulator basierenden FMCW- Radars.
Für Automobilanwendungen mit millemetrischen Frequenzen ist es unwahrscheinlich, dass diese Technik auf eine ausreichend kostengünstige Weise umgesetzt werden könnte.
Die zweifache Rat-Race-Anordnung, die in Fig. 2 dargestellt ist, erzielt Übertragung und Empfang mit einer einzelnen Antenne, aber in einer kostengünstigen Weise.
Der teure Zirkulator 1 wird durch einen 3 dB Hybridkoppler oder einen Rat-Race-Koppler 5 ersetzt, erzielt jedoch dieselben Funktionen. Der Hybridkoppler 5 kann auf einem entsprechenden, kostengünstigen Mikrostripmedium unter Verwendung photolithographischer Techniken verwirklicht werden, so dass keine zusätzlichen Kosten über jene des Definierens der Hauptmikrostripschaltung hinaus anlaufen.
Die Länge der Mikrostripübertragungsleitung zwischen jedem der vier Anschlüsse beträgt:
Anschluss a zu Anschluss b: λ/4
Anschluss b zu Anschluss d: λ/4
Anschluss d zu Anschluss c: 3λ/4
Anschluss c zu Anschluss a: λ/4,
wobei λ einer Wellenlänge von 76,5 GHz entspricht.
Für eine Eingabe an Anschluss a breitet sich die Leistung entlang der Übertragungsleitung sowohl im Uhrzeigersinn als auch gegen den Uhrzeigersinn aus. Die zwei Komponenten der Leistung, die an Anschluss d ankommen, befinden sich in Gegenphase und daher gibt es in einem perfekten Rat-Race-Koppler keine Leistungsausgabe von Anschluss d. Die zwei Komponenten der Leistung, die an Anschluss b und Anschluss c ankommen, befinden sich in Phase, daher wird die Leistung in gleichem Maße in jeden Anschluss aufgeteilt. Daher kommen 50% der Oszillatorleistung bei Anschluss c an, um die L. O.-Ansteuerung an den Mischverstärker bereitzustellen, und 50% wird an die Antenne durch Anschluss b weitergegeben.
Während der Annahme für ein empfangenes Signal, das am Anschluss b von der Antenne ankommt, gibt es keine Ausgabe von c. Die Leistung wird gleichmäßig in die Anschlüsse d und a aufgeteilt. Die Leistung, die aus Anschluss a austritt, wird als verloren betrachtet, da sie nur nach unten umgewandelt wird, wenn sie Anschluss d erreicht, wobei sich dieser Verlust als erhöhter Umwandlungsverlust darstellt. Nichtsdestoweniger hat sich die Gesamtleistung der zwei FMCW-Radare als vergleichbar herausgestellt, da sowohl der Zirkulator 1 als auch der L. O.-Koppler 4, zusammen mit dem ihnen zuzuordnenden Einfügungsverlust in diesem Bauplan weggelassen werden.
Die Übertragungsleistung vom Anschluss c und die empfangene Signalleistung vom Anschluss d werden an die jeweils entsprechenden Anschlüsse g und f eines zweiten Rat-Race-Kopplers 4 weitergegeben, welcher die hereinkommende Signalleistung an jedem Anschluss g und f 50 : 50 zwischen den Mischverstärkerdioden 5 und 6 aufteilt, wobei die Senderleistung in entgegengesetzter Phase und die empfangene Leistung in gleicher Phase an die zwei Dioden angelegt wird.
Die zweifache Rat-Race-Koppler-Lösung bietet identische Funktionalität zur Zirkulatorlösung, kann jedoch mit wesentlich geringeren Kosten als der herkömmliche Zirkulator verwirklicht werden. Vergleichend gemessene Leistung ist im Folgenden zusammengefasst:
Man wird verstehen, dass im Vergleich zum einfachen Leitermuster des Mikrostrip-Rat-Race-Kopplers die vorher vorgeschlagene Zirkulator-Anordnung ein genau bearbeitetes Loch oder eine genau bearbeitete Vertiefung für eine Ferriteinlage im Substrat benötigt, auf welcher die Sender-Empfängerschaltung ausgebildet wird, wobei die Ferriteinlage selbst genau bearbeitet sein muss und die elektrischen Leiter des Zirkulators in Bezug auf die Ferriteinlage genau positioniert sein müssen. Diese Faktoren neigen dazu, die Herstellungsrate zu senken und höhere Ausschussraten als bei einfachen photolithographischen Verfahren zum Ausbilden von Mikrostripmustern zu verursachen.
Bei einer Betriebsfrequenz von 76,5 GHz kann ein Mikrostrip-Rat-Race-Koppler, der auf einem 125 Mikrometer dicken Quarzsubstrat ausgebildet ist, zum Beispiel einen mittleren Durchmesser in der Größenordnung von 1 mm aufweisen und mit elektrischen Leitern in der Größenordnung 0,2 mm breit ausgebildet sein. Diese Abmessungen würden sich natürlich für andere Substratmaterialien, abhängig von der dielektrischen Konstante des Materials, verändern.

Claims

1. Frequenzmodulierte Dauerstrichradar-Sender-/Empfänger-Anordnung, die folgendes umfaßt: einen elektrischen Oszillator (2); eine Antenne; ein Mischermittel (5, 6) und eine Doppelratrace- Einrichtung einschließlich eines ersten und zweiten Ringübertragungswegs (5, 3) mit jeweils einem ersten, zweiten, dritten und vierten Port, ein Mittel, das den zweiten und dritten Port (a, b) des ersten Ringübertragungswegs an den Oszillator bzw. die Antenne ankoppelt, ein Mittel, das den ersten und vierten Port (c, d) des ersten Ringübertragungswegs an den ersten bzw. dritten Port (g, f) des zweiten Ringübertragungswegs ankoppelt, und ein Mittel, das sowohl den zweiten als auch den vierten Port (e, h) des zweiten Ringübertragungswegs an das Mischermittel ankoppelt, wobei der erste und zweite Ringübertragungsweg jeweils einen Umfang von im wesentlichen eineinhalb Wellenlängen bei der Nennbetriebsfrequenz des Oszillators aufweisen und der erste und zweite Port, der zweite und dritte Port und der dritte und vierte Port bei der Nennbetriebsfrequenz im wesentlichen mit einem Viertel einer Wellenlänge beabstandet sind.

2. Radar-Sender-/Empfänger-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Mischermittel eine erste und zweite Diode enthält, die jeweils an den zweiten und vierten Port des zweiten Ringübertragungswegs angekoppelt sind.

3. Radar-Sender-/Empfänger-Anordnung nach einem der beiden vorausgangenen Ansprüche, wobei die Doppelratrace-Einrichtung als ein Mikrostreifenmuster aus Leitern auf einem elektrisch isolierenden Substrat ausgebildet ist.