DE102004059915A1

DE102004059915A1 - Radarsystem

Info

Publication number: DE102004059915A1
Application number: DE102004059915A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schoeberl; Thomas Focke; Thomas Hansen; Martin Schneider; Joerg Schoebel; Volker Gross; Oliver Brueggemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2006-06-14
Also published as: CN101076741A; US20080258964A1; WO2006063915A1; EP1828805A1

Abstract

Bei einem Radarsystem ist ein Umschalter (40) vorgesehen zur Umschaltung zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Richtcharakteristiken insbesondere für unterschiedliche Entfernungsbereiche mindestens zweier Sendeantennen (41, 42). Empfangsseitig erfolgt eine gemeinsame Auswertung der digitalisierten Signale mindestens zweier Empfangsantennen (51, 52) im Sinne einer Korrelation der Empfangsantennensignale.

Description

Seit einigen Jahren sind im Bereich der Fahrerassistenzfunktionen mit vorausschauenden Erfassungssystemen Radarsensoren primär im Frequenzbereich 76 bis 77 GHz im Einsatz. Diese werden bislang noch im Oberklassesegment zur Realisierung der Assistenzfunktion „adaptiver Tempomat (ACC = Adaptive Cruise Control)" im Geschwindigkeitsbereich 30 bis 180 km/h verwendet.
Die bisherigen am Markt verfügbaren Radarsensoren zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
„Reichweite bis ca. 120 ... 150 m,

– horizontale Erfassung im Bereich ±4° ±10°,
– Winkelgenauigkeit ca. 0,5°.

Eine Einschränkung heutiger Sensoren besteht darin, dass die Bautiefe vergleichsweise groß ist bzw. die Forderung der Fahrzeughersteller nach wesentlich flacheren Sensoren nur unzureichend erfüllt werden kann.
Die Begrenzung der horizontalen Erfassungsbreite, die aus den gewählten Antennenkonzepten resultiert, ist ebenfalls nachteilig, da z.B. Einscherer erst sehr spät erkannt werden oder relevante Objekte in engen Kurven häufiger aus dem „Blickfeld" verschwinden. Hier ist insbesondere für ein automatisches Staufolgeverfahren eine Erweiterung des Sichtfeldes im nahen bis mittleren Entfernungsbereich zwingend erforderlich. Hier wird zur Zeit z.B. daran gedacht, Zusatzsensoren wie Video oder, für den Ultranahbereich bis ca. 3 m, Ultraschall-Sensoren zu verwenden.
Eine weitere wesentliche Einschränkung ist darin zu sehen, dass die bislang eingesetzten Radarsensoren zwar Objekte in ihrer Winkelablage im oben genannten horizontalen Erfassungsbereich sehr präzise bestimmen können (Winkelgenauigkeit), aber dies ist im allgemeinen nur dann zuverlässig möglich, wenn nur ein Objekt in einem bestimmten Abstand und mit einer bestimmten Relativgeschwindigkeit zu erfassen ist. Befinden sich zwei oder mehr Objekte im selben Abstand und haben diese unter Umständen auch die gleiche Geschwindigkeit, so können die heutigen Radarsensoren nur dann einzelne Objekte voneinander trennen, wenn die Radarkeule bzw. die Halbwertsbreite der Radarkeule schmaler ist als der Winkelabstand der zu trennenden Objekte. Für eine bestimmte Halbwertsbreite eines Antennenstrahls ist bei gegebener Frequenz bzw. Wellenlänge jedoch eine bestimmte Größe der Antennenapertur erforderlich. Bei kreisrunder Antennenapertur mit dem Durchmesser D und einer konstanten Belegung gilt näherungsweise folgender Zusammenhang für die Halbwertsbreite υ in Grad:
mit der Wellenlänge λ (λ = 3,9 mm bei 77 GHz). Soll beispielsweise eine Winkeltrennung von mindestens 2° erreichbar sein, so wäre nach obiger Formel bereits ein Aperturdurehmesser D ≥ 115 mm zu wählen. Dieses ist für einen ACC-Sensor nicht akzeptabel, da die maximal zulässige Baugröße auf deutlich kleinere Abmaße begrenzt ist. Andererseits ist ein derartiges Trennvermögen von ca. 2° und gegebenenfalls noch darunter erforderlich, um eine eindeutige Fahrspur-Zuordnung bei größeren Objektentfernungen durchführen zu können. Der Aperturdurchmesser D eines beispielhaften Sensors beträgt z.B. 75 (60) mm. Hieraus ergibt sich die minimal mögliche Halbwertsbreite bei einer einzelnen Radarkeule zu 3,1° (3,8°). Die reale Halbwertsbreite ist deutlich größer, da eine konstante Aperturbelegung nicht erfolgt, sondern die Belegung zum Rand hin abnimmt. Bei zum Rand hin abnehmenden Aperturbelegungen steigt der Vorfaktor in obiger Formel (59°) an auf Werte zwischen 80°... 100°, das heißt die Halbwertbreite bewegt sich im Bereich von 4,2° ... 5,2° (für D = 75 min) bzw. 5,2° ... 6,5° (für D = 60 mm).

Aus der DE 197 14 570 A1 ist ein mehrstrahliges Radarsystem bekannt, bei dem mehr Sendeelemente als Empfangselemente vorhanden sind, wobei die vorhandenen Sendeelemente sowohl einzeln als auch in beliebiger gleichzeitiger Kombination einschaltbar sind. Auch die Empfangselemente lassen sich umschalten. Damit kann der beobachtbare Winkelbereich verbreitert werden.

Die WO 2004/051308 A1 betrifft eine Einrichtung zur Messung von Winkelpositionen unter Verwendung von Radarpulsen und sich gegenseitig überlappenden Antennen-Strahlcharakteristiken mindestens zweier Antennenelemente. Empfangsseitig erfolgt eine gemeinsame Auswertung von Empfangssignalen mindestens zweier Antennenelemente.

Vorteile der Erfindung

Mit den Maßnahmen gemäß Anspruch 1, das heißt bei einem Radarsystem bestehend aus mindestens zwei Sendeantennen mit zwei unterschiedlichen Richtcharakteristiken, insbesondere für unterschiedliche Entfernungsbereiche, einem Umschalter zur Umschaltung zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Richtcharakteristiken, mindestens zwei Empfangsantennen, einer Auswerteeinrichtung zur gemeinsamen Auswertung der digitalisierten Signale mindestens zweier Empfangsantennen im Sinne einer Korrelation der Empfangsantennensignale, lässt sich ein sehr breiter horizontaler Erfassungsbereich, z.B. bis zu ±40°, bei mittleren Reichweiten (1 ... 50 m), z.B. zur frühzeitigen Erkennung von Einscherern in diesem Entfernungsbereich, und ein schmaler horizontaler Erfassungsbereich, z.B. ±6°, bei großen Reichweiten (80 ... 150 m) erreichen.

Die unterschiedlichen Entfernungsbereiche lassen sich flexibel und gegebenenfalls dynamisch umschalten. Durch die Möglichkeit des Einsatzes digitaler Auswerteverfahren kann eine hohe Winkeltrennung, insbesondere durch Parameterschätzverfahren erreicht werden. Damit ist eine sichere Erfassung einer Gassensituation oder eine Trennung eng benachbarter und unter Umständen sehr unterschiedlicher Fahrzeuge möglich. Durch Verwendung von Planarstrahlern, insbesondere Patchelemente, die einzeln oder insbesondere spaltenweise ansteuerbar sind, lässt sich eine geringe Bautiefe erreichen. Das Frontend-Design des Radarsystems ist skalierbar, das heißt durch spezielle Ausführungsformen kann das Frontend an besondere Anforderungen, z.B. an Ortungsfeld, Reichweite, angepasst werden und dadurch z.B. im Heckbereich Verwendung finden für Tote-Winkel-Überwachung, Spurwechsel-Assistent etc., gegebenenfalls auch mit einer anderen Ausgestaltung der digitalen Signalauswertung. Die Erfindung gestattet den Einsatz moderner Auswerteverfahren, deren Winkeltrennvermögen nicht unmittelbar mit der Größe der strahlenden Apertur zusammenhängt, sondern theoretisch von dieser sogar nahezu unabhängig ist.

Derartige Verfahren sind unter dem Begriff „unterraumbasierte Parameterschätzverfahren" bereits seit Mitte der 80-er Jahre bekannt. Wichtigste Vertreter sind die Verfahren Music und Esprit. Diese Ansätze basieren auf der Verwendung mehrerer paralleler Antennenelemente auf Empfangsseite mit jeweils gleichen, einander überlappenden Richtcharakteristiken und der Auswertung der Korrelationseigenschaften dieser quasi zeitsynchron vorliegenden parallelen Empfangssignale mittels digitaler Signalverarbeitung. Diese Ansätze erlauben bei ausreichendem Signal-zu-Rauschabstand (S/N Signal to noise ratio) an den Empfängern eine hoch präzise Winkeltrennung selbst bei stark unterschiedlicher Reflektivität der zu trennenden Objekte.

Zur Realisierung derartiger Antennenanordnungen ist die Verwendung von planaren Antennenstrukturen, wie sogenannter Patch-Antennen, oder anderer planarer Antennenstrukturen wie Dipole oder kurzer, am Ende leer laufender Leitungsstücke („Stubs") besonders vorteilhaft, die darüber hinaus die Möglichkeit bieten, maximal flache Frontends zur Minimierung der Bautiefe zu erhalten. Zur Realisierung einer maximalen horizontalen Erfassung ohne sogenannte „Grating Lobes" mit entsprechenden Mehrdeutigkeiten in der Winkelschätzung haben die parallelen Einzelstrahler vorzugsweise einen Abstand in der Größenordnung der halben Freiraum-Wellenlänge, also ca. 2 mm bei 77 GHz.

Bei Verwendung derartiger paralleler Anordnungen sind sogenannte digitale Strahlformungsmethoden einsetzbar, bei denen eine gebündelte Strahlkeule erst durch digitale Signalverarbeitung gebildet wird, nicht aber in der analogen Hochfrequenzebene wie bei einer Linsenantennen oder Parabolantenne. Die digitale Strahlformung ist insbesondere vorteilhaft zur Detektion weit entfernter Objekte, da dadurch ein ausreichendes S/N gebildet wird und so eine zuverlässige Ortung möglich ist.

Bei bisherigen Frontends mit digitaler Strahlformung ist das Sichtfeld auf ca. ±10° beschränkt und somit nur begrenzt nutzbar für die Funktionen, die eine deutlich breitere azimutale Erfassung des vorausliegenden Fahrzeugumfeldes erfordern.

Bei der Erfindung müssen empfangsseitig auf der Hochfrequenz-Ebene keine Strahlkeulen ausgebildet werden, vielmehr können die Empfangssignale einzelner Antennenspalten direkt digital, bzw. nach entsprechender Digitalisierung, weiterverarbeitet werden (digitale Strahlformung) im Sinne einer Korrelation der Antennensignale. Bei Mehrzielszenarien können die sich durch die Strahlformung auf digitaler Ebene ergebenden Einschränkungen dadurch umgangen werden, dass hochauflösende Schätzverfahren zur Winkelbestimmung eingesetzt werden.

Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

1 ein Blockschaltbild für ein Radar-Frontend,

2 ein Einzelantennenelement,

3 seriengespeiste Antennenelemente,

4 parallel gespeiste Antennenelemente,

5 und 6 Ausgestaltungen von Sendeantennen mit mehreren Einzelstrahlern,

7 eine Sendeantenne ausgeführt als Einzelelement,

8 eine Sendeantenne ausgeführt mit mehreren Einzelelementen und spezieller Verbindung,

9 ein Radar-Frontend mit zwei unterschiedlichen Lokaloszillatorfrequenzen für Sende- und Empfangszweig,

10 die Umschaltung zwischen zwei Sendeantennen,

11 Zu-/Abschaltung von Elementen innerhalb einer Antenne,

12 bis 14 Empfangskonzepte mit Erweiterung durch Verstärker und Multiplexer,

15 die Verteilung des Lokaloszillatorsignals mit Zwischenverstärkern.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt ein Blockschaltbild für ein Radar-Frontend 1. Dieses Frontend 1 besteht im einzelnen aus:

– einer gegebenenfalls über eine PLL und gegebenenfalls über einen DRO stabilisierten, modulierbaren, vorzugsweise in sogenannten MMICs hochintegrierten 77 GHz Quelle 2 (sogenannter modulierter Lokaloszillator), einer Sendeeinheit 4 bestehend aus:
– mindestens zwei unterschiedlichen Sendeantennen 41 und 42 in planarer Technologie (Patchantennen), von denen eine Antenne 41 so ausgelegt ist, dass sie durch entsprechende Überlagerung der Wellen der zu Antenne 41 gehörenden Einzelstrahler eine vergleichsweise stark gebündelte Antennenkeule erzeugt, eine weitere Antenne 42 die so ausgelegt ist, dass sie durch entsprechende Überlagerung der Wellen der zu Antenne 42 gehörenden Einzelstrahler eine vergleichsweise breite azimutale Antennencharakteristik erzeugt oder aus nur einem Strahlerelement besteht, gegebenenfalls weiteren Sendeantennen die so ausgelegt sind, dass sie weitere, spezielle Sendecharakteristiken erzeugen,
– einem 77 GHz Umschalter 40 zur Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Sendeantennen, das heißt zwischen den Antennen 41 und 42 und gegebenenfalls weiteren Antennen,
– einer Empfangseinheit 5 bestehend aus mindestens zwei parallelen, empfangenden Einzelstrahlern 51 und 52 und gegebenenfalls weiterer in planarer Technologie (Patchantennen), deren Empfangssignale durch eine Mischereinheit 50 in unmittelbarer Antennennähe in ein Zwischenfrequenzband (Basisband) herabgemischt werden, und
– einem Leistungsteiler 3, sogenannter Tx-Rx-Leistungsteiler, zur Aufteilung der Lokaloszillatorleistung der 77 GHz Quelle 2 in die jeweils in der Sendeeinheit 4 und in der Empfangseinheit 5 benötigten Anteile.

Die jeweiligen Einzelstrahler 43 der Sendeantennen 41, 42 und Empfangsantennen 51, 52 können wie die 2 bis 4 zeigen, aus einem einzelnen Patch 60 oder aber aus mehreren, vertikal übereinander angeordneten Patchen bestehen (Antennenspalte). Letzteres ist bei Verzicht auf weitere bündelnde Einheiten, z.B. Zylinderlinse, vorteilhaft, um in der Elevationsebene sowohl sende- als auch empfangsseitig die Energie parallel zur Fahrbahnebene zu bündeln. Die Speisung der Patche in einer Spalte erfolgt als Serienspeisung 61, Parallelspeisung 62 (corporate feed) oder als Kombination daraus. Auch eine strahlungsgekoppelte Speisung z.B. über mehrlagige Schlitz-Patch oder Patch-Patch Ankopplungen ist möglich. Die Antennenspalte sei also senkrecht zur Fahrbahnoberfläche angeordnet. Die Bündelung in Elevation könnte sowohl sende- als auch empfangsseitig auch durch Verwendung einer zylindrischen Linse erfolgen, dann wäre ein Einzelstrahler durch ein einzelnes Patch darstellbar. Deren Brennlinie würde dann ca. mit den Mittellinien der Einzelpatche übereinstimmen.
Wesentlich ist, dass bezogen auf die azimutale Ebene der Sendeeinheit 4 sogenannte analoge Strahlformungsmethoden Verwendung finden sollen, während die Empfangseinheit 5 so gestaltet ist, dass gemeinsam mit einer nachgeschalteten Auswerteeinheit sogenannte digitale Strahlformungsverfahren verwendet werden. Dieses wird im wesentlichen durch parallel angeordnete Empfangs-Einzelstrahler mit einer quasi parallelen, gegebenenfalls auch über eine Multiplexeinheit geführten, Weiterverarbeitung erreicht. Erst dieser digitale Ansatz auf Empfangsseite durch parallel betriebene einzelne Empfangsantennen bzw. Empfangs-Einzelstrahler 51, 52 und gegebenenfalls weitere erlaubt den Einsatz von Verfahren, die eine hohe Trennbarkeit im Winkel, d.h. deutlich geringer als die Halbwertsbreite einer gebündelten Radarkeule, zur Verfügung stellen.
Zur Darstellung der 77 GHz Quelle 2 können kommerziell erhältliche Chips bzw. Chipsätze in MMIC Technologie oder auch andere 77 GHz erzeugende Elemente wie z.B. Gunn-Elemente verwendet werden.
Die erste Sendeantenne 41 wird gemäß 5 durch die Verwendung mehrerer Einzelstrahler 43 und deren Verbindung auf HF-Analogsignalebene 44 realisiert. Die analoge Verbindung 44 im Sinne eines Leistungsteilers erlaubt z.B. die Belegung der Einzelstrahler durch eine bestimmte Amplitudenverteilung. Diese kann z.B. so gewählt werden, dass die sogenannten Nebenkeulen der Antenne 41 ein sehr geringes Niveau unterhalb der Hauptkeule einnehmen, z.B. –30 dB. Hierdurch ist es im Gegensatz zu bisher üblichen Sensoren möglich, Störungen durch „Beleuchtung" von Objekten außerhalb der Hauptkeule sehr gering zu halten. Beispielsweise erlaubt die Verwendung von sieben Einzelstrahlern in Antenne 41 eine Hauptkeulenbreite von ±6,5° bei einer Absenkung der Nebenkeulen auf –28 dB. 6 zeigt eine Variante von vier Spalten von Einzelstrahlern 43.
Die zweite Sendeantenne 42 wird dazu verwendet, eine möglichst breite azimutale Ausleuchtung zu erzielen. Beispielsweise ermöglicht die Verwendung eines einzigen Strahlerelements in Antenne 42 gemäß 7 eine Hauptkeulenbreite von ca. ±40°. Es ist aber durchaus auch möglich, durch die gezielte Auslegung einer mehrelementigen Antenne 42 mit einem speziellen Leistungsteiler 45 (gemäß 8) größere Hauptkeulenbreiten als ±40° zu erzielen.
Die Verwendung der stark bündelnden Antenne 41 würde es erlauben, Objekte in großer Entfernung, z.B. 80 m ... 150 m, zu erfassen, aber nur in einem schmalen Winkelbereich. Dies hat den Vorteil, dass Störungen von Straßenrandbebauungen, insbesondere von Leitplanken, sehr stark reduziert werden können.
Die Verwendung der azimutal breit abstrahlenden Antenne 42 würde es erlauben, Objekte z.B. im Vorfeld des Egofahrzeugs in einem sehr breiten azimutalen Erfassungsbereich zu orten. Da die 77 GHz Energie aber nicht fokussiert, sondern „breit" abgestrahlt wird, werden entferntere, Objekte nur gering beleuchtet, so dass deren Reflexionen gering und damit auch nicht störend sind. Antenne 41 wäre somit die Antenne für den Betriebsmodus LRR (Long Range Radar), während Antenne 42 für den Modus MRR (Medium Range Radar) oder SRR (Short Range Radar) eingesetzt werden würde und z.B. der rechtzeitigen Erfassung von Einscherern oder sonstiger relevanter Objekte im Äußeren (nahen bis mittleren Entfernungs-) Bereich dienen würde. Wichtig für die Modi MRR/SRR ist, dass die empfangenden Einzelstrahler 51, 52 und gegebenenfalls weitere eine breite azimutale Strahlcharakteristik aufweisen. Die Gesamteinheit mit den beschriebenen Umschaltmöglichkeiten kann als ein URR (Universal Range Radar) bezeichnet werden.
Weitere Sendeantennen können eingesetzt werden, um z.B. weitere bestimmte Sendecharakteristiken zu erzeugen, z.B. azimutal oder gegebenenfalls auch vertikal geschwenkte Beams, das heißt Radarkeulen, deren Maximum nicht in die zum Frontend senkrechte sondern in davon abweichende Richtungen weist. Auch die Antennen 41 und 42 könnten bereits so ausgelegt werden, dass ihre Hauptstrahlrichtungen bereits von der senkrechten des Frontends abweichende Richtungen besitzen, um z.B. bestimmte Einbauszenarien am Fahrzeug zu ermöglichen, bei denen der Sensor z.B. nicht senkrecht zur Fahrzeugachse verlaufen kann.
Üblicherweise strahlt die jeweils verwendete Sendeantenne 41 oder 42 oder gegebenenfalls weitere ein moduliertes 77 GHz Signal ab. Hierbei kann es sich z.B. um ein FMCW, Puls, FSK, Pseudonoise (PN) oder auch um weitere übliche Radar-Modulationsverfahren, oder auch um Kombinationen der genannten Verfahren handeln.
Der 77 GHz Umschalter 40 dient der Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Sendeantennen, das heißt im Schaltmodus a) sendet nur die Antenne 41 und im Schaltmodus b) nur Antenne 42. Mit weiteren Schaltmodi können gegebenenfalls weitere Antennen mit weiteren speziellen Sendecharakteristiken die zur Verfügung stehende Sendeleistung abstrahlen. Derartige 77 GHz Umschalter sind bereits in integrierter Technologie (MMICs) verfügbar, können aber auch durch Verwendung sogenannter pin-Dioden in einem diskreten Aufbau realisiert werden.
Die Empfangseinheit 5 mit den empfangenden Einzelstrahlern 51 und 52 und gegebenenfalls weiterer dient zur Aufnahme der an einzelnen Objekten reflektierten Wellen. Je nach Modulationsart kann aus einem Frequenzversatz, einem Laufzeit- oder einem Phasenunterschied zum Sendesignal auf den Abstand und über den sogenannten Doppler-Effekt auch auf die Relativgeschwindigkeit dieser Objekte geschlossen werden. Desweiteren fallen die reflektierten Wellen auf den parallelen, empfangenden Einzelstrahlern schräg und daher mit unterschiedlichen Phasenbeziehungen ein, sofern diese Objekte eine seitliche Ablage zur Normalen des Antennenfrontendes aufweisen. Durch Analyse dieser Phasenbeziehungen lässt sich auch die Winkelablage dieser Objekte berechnen. Klassische Verfahren wie das Monopuls-Verfahren führen diese Analyse durch einen Betragsvergleich mehrerer Empfangssignale von einander azimutal überlappenden Strahlkeulen durch. Das Monopuls-Verfahren kann man sowohl mit sogenannten analog geformten Strahlkeulen durchführen, die man z.B. über eine dielektrische Linse erzeugen kann, oder aber man erzeugt diese überlappenden Strahlkeulen erst durch digitale Signalverarbeitung (digitale Strahlformung) in der Auswerteeinheit. Ein anderes Verfahren wäre das horizontale Abscannen des Erfassungsbereichs mit nur einer Strahlkeule. Hierbei wäre dann die Winkelablage aus der Amplitudenverteilung über den Winkel zu bestimmen. Aber bei allen diesen sogenannten klassischen Winkelschätzverfahren ist die Trennfähigkeit auf die Halbwertsbreite (n) der Strahlkeule (n) begrenzt.
Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich bezüglich der Empfangseinheit insbesondere auf die digitale Strahlformung. Hierbei werden zunächst die parallel in der Empfangseinheit anliegenden Empfangssignale mehrerer Empfangs-Einzelstrahler über eine Mischereinheit 50 ins analoge Basisband herabgemischt, verstärkt und gefiltert, digitalisiert und in der Prozessoreinheit mit komplexen Gewichtungsfaktoren multipliziert und schließlich addiert, d.h. es wird eine Korrelation, insbesondere gewichtete Summation, verschiedener Einzelstrahler im digitalen Bereich vorgenommen. Dieser Ansatz ergibt dann ebenfalls strahlgeformte Signale, jedoch auf ausschließlich digitale Art. Für die Winkelschätzung können auch das Monopuls-Verfahren oder das kontinuierliche Abscannen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind aber auch Verfahren anwendbar, die nicht der Begrenzung der Winkeltrennfähigkeit auf die Halbwertsbreite der Strahlkeulen unterliegen. Diese sogenannten „unterraumbasierten Parameterschätzverfahren" analysieren die Korrelationseigenschaften der Empfangs-Einzelstrahler. Durch Zerlegung der empfangenen Signale in einen sogenannten Signal- und Rauschunterraum ergibt sich die Möglichkeit einer sehr hohen Winkeltrennfähigkeit.
Der Leistungsteiler 3 kann in der Form eines sogenannten Wilkinson-Teilers, eines sogenannten T-Teilers, eines Ringhybrids oder eines Leitungskopplers realisiert sein. Weitere Ausführungsformen sind eine planare Linse, z.B. Rotman-Linse, oder ein Teiler mit einem/mehreren integrierten Verstärkern (active power splitter), der insgesamt als MMIC aufgebaut sein kann.
Alle 77 GHz Leitungselemente werden vorzugsweise in Mikrostreifenleitertechnik aufgebaut, die Erfindung ist davon jedoch unabhängig.
Nachfolgend werden alternative Ausführungsformen sowie Realisierungsdetails aufgezeigt:

– mehr als zwei Sendeantennen,
– mehr als zwei Empfangs-Einzelelemente,
– 77 GHz Quelle durch MMICs oder Gunn-Element realisiert,
– 77 GHz Quelle durch eine PLL-Einheit und gegebenenfalls einen DRO stabilisiert moduliert,
– zwei Quellen 21 gemäß 9 mit unterschiedlichen Frequenzen f₁ und f₂ für Sende- und Empfangszweig: damit arbeitet das System empfangsseitig mit einer Zwischenfrequenz (Quellen können sich z.B. durch Teiler/PLL oder Vervielfachung auf eine Referenz 20 beziehen).

10 zeigt eine erste Ausführungsform des Umschalters 40 innerhalb der Sendeeinheit 4 in Form von Umschaltung zwischen den Antennen 41 und 42 und 11 eine Ausführungsform in Form der Zu-/Abschaltung von Elementen innerhalb einer Antenne: es wird zwischen den Antennen 41 (Teil der gesamten Antenne) und 42 (gesamte Antenne) umgeschaltet.
Die 12 bis 14 zeigen die Empfangseinheit 5 erweitert um LNA (Low Noise Amplifier) 70, Multiplex-Einheit 71 und ZF-Vorverstärker 72. In einer ersten Variante gemäß 12 wird die Mischer-Einheit 50 erweitert um LNA 70 und/oder ZF-Vorverstärker 72. In einer zweiten Variante gemäß 13 schaltet eine Multiplex-Einheit 71 mehrere Empfangsantennen 51, 52 sukzessiv auf die Mischereinheit 50, die um LNA 70 und/oder ZF-Vorverstärker 72 erweitert sein kann. Die Multiplex-Einheit dient zur Reduzierung der Anzahl der weiterzuverarbeitenden Empfangskanäle. In einer dritten Variante gemäß 14 schaltet die Multiplex-Einheit 71 mehrere Empfangsantennen 51, 52 mit zugehörigen LNAs 70 sukzessiv auf die Mischereinheit 50, die um LNA und/oder ZF-Vorverstärker erweitert sein kann. Letztere Variante ist vorteilhaft, wenn das Rauschen der Multiplex-Einheit zu hoch ist.
15 zeigt eine Erweiterung der Tx-LO-Verteilung mit Verstärkern, die an einer oder mehrere der Positionen 80, 81, 82, 83 eingesetzt werden können. Vorverstärker 80 zwischen Tx-Rx Leistungsteiler 3 und der Mischereinheit 50 der Empfangseinheit 5 oder Vorverstärker 81 innerhalb der LO-Verteilung in der Empfangseinheit auf die einzelnen Mischer dienen zur Bereitstellung der erforderlichen Lokaloszillator-Leistungspegel für einen ausreichend guten Mischprozess (bezüglich der Mischer-Konversionsverluste und des Mischer-Zusatzrauschens). Ihre Verwendung ist abhängig von der Auslegung des Leistungsteilers 3, der Anzahl der Empfangs-Einzelstrahler und des gewählten Mischerkonzepts. Alternativ/zusätzlich kann auch ein Verstärker 82 zwischen Tx-Rx-Leistungsteiler 3 und der Sendeeinheit 4 oder ein oder mehrere Verstärker 83 zwischen Antennenumschalter 40 und einer oder mehrerer Sendeantennen 41, 42 eingesetzt werden.
Leistungsteiler 3, Umschalter 40, Mischereinheit 50, um LNAs 70 erweiterte Mischereinheit, Multiplex-Einheit 71, Vorverstärker 80 und ZF-Vorverstärker 72 können zum Teil diskret aufgebaut, teilweise hochintegriert in MMICs oder auch alle gemeinsam in ein MMIC hochintegriert sein. Die Bündelungseigenschaften in Elevation der Sendeantennen 41, 42 und gegebenenfalls weiterer können unterschiedlich sein. Die Bündelungseigenschaften in Elevation der Empfangs-Einzelstrahler 51, 52 und gegebenenfalls weiterer können ebenfalls unterschiedlich sein.
In Automobilradarsystemen wird häufig eine FMCW (frequency-modulated continous wave)-Modulation eingesetzt. Um Abstands- und Geschwindigkeitsinformation voneinander trennen zu können, müssen zwei oder mehrere Modulationsrampen mit unterschiedlichen Parametern (z.B. Rampensteigung) verwendet werden. Die erforderliche Zuordnung der durch die Ziele in den einzelnen Rampen erzeugten Frequenzlinien zueinander ist besonders schwierig bei separater Verarbeitung/Digitalisierung der Signale von (planaren) Einzelelementen (wie sie z.B: für die unterraumbasierten Parameterschätzverfahren eingesetzt werden), weil empfangsseitig keine Beschränkung der Antennencharakteristik in Azimut oder bestenfalls eine Beschränkung auf den Bereich des Nahbereichs-/MRR-/Modus existiert. Es werden also prinzipiell Reflexionen von allen Zielen im Erfassungsbereich der Empfangsantenne empfangen, so dass die Zuordnung der Frequenzlinien zueinander schon allein durch die Anzahl der Ziele sehr schwierig wird. Besonders im Fernbereich kann die Anzahl detektierter Ziele im Erfassungsbereich der Empfangsantennen extrem groß werden. Daher muss durch zusätzliche Maßnahmen soweit wie möglich sichergestellt werden, dass nur Signale von Zielen empfangen oder verarbeitet werden, die für den jeweiligen Betriebszustand relevant sind. Dazu dienen vorzugsweise folgende Maßnahmen:

– die Charakteristik der Sendeantenne für den Fernbereich wird auf einen relativ schmalen Winkelbereich in der Größenordnung von ±4° bis ±8° beschränkt, so dass auf der Autobahn Kurven noch hinreichend ausgeleuchtet werden, ansonsten aber nur Ziele im Fahrschlauch bestrahlt werden. Die Nebenkeulen der Sendeantenne müssen außerdem möglichst stark unterdrückt werden, weil Ziele im Nahbereich, auch z.B. Leitplanken, die über die Nebenkeulen bestrahlt werden, sonst zu relativ starken Empfangssignalen führen würden.
– Damit wird es notwendig, einen zweiten Betriebszustand für den Nahbereich einzuführen. In diesem Betriebszustand wird eine Sendeantenne mit breiter azimutaler Strahlcharakteristik verwendet, weil für Applikationen im Stadtverkehr,
z.B. Staufolgefahren, Pre-Crash-Funktionen usw. ein großer Winkelbereich in Azimut, z.B. ±60°, abgedeckt werden muss.
– Da im Betriebszustand Nahbereich keine sehr hohe Reichweite gefordert wird, kann die Sendeleistung zusätzlich zum sowieso niedrigerem Antennengewinn wegen der breiten Hauptkeule gekoppelt an die Umschaltung auf den Nahbereich reduziert werden. Dies verringert in erwünschter Weise die Reichweite.

Ziele, die nicht im Entfernungsbereich liegen, der vom jeweiligen Betriebszustand abgedeckt wird, können für FMCW-Modulation durch einen mit dem Betriebszustand umgeschalteten passenden Filter für die Basisbandsignale unterdrückt werden. Die Basisband-Frequenz, die durch die Entfernung hervorgerufen wird, ist deutlich größer als die Basisband-Frequenz durch die Dopplerverschiebung. Damit können z.B. mit einem Hochpassfilter für den Fernbereich die nahen Ziele und mit einem Tiefpassfilter für den Nahbereich die entfernten Ziele unterdrückt werden. Für die Eckfrequenzen des Filters muss wegen der Entfernungsunsicherheit, bedingt durch die Dopplerkomponenten, eine gewissen Überlappung der Durchlassbereiche vorgesehen werden. Die genannte Filtercharakteristik wird üblicherweise noch von einer zusätzlichen Hochpass-Charakteristik überlagert. Letztere dient dazu, die Entfernungsdynamik (Empfangsleistung ist proportional R^–4) teilweise auszugleichen. Die Parameter der Modulation (z.B. Rampensteigung bei FMCW) sind entsprechend zu wählen.
Die hier beschriebene Reduktion der Anzahl detektierter Ziele auf den im jeweiligen Entfernungsbereich relevanten Winkelbereich wirkt sich außerdem günstig auf das Tracking der Ziele aus. Im allgemeinen ist die Qualität der Zieldetektionen eines FMCW-Rampendurchlaufs nicht so gut, dass alle Ziele mit Sicherheit erkannt und in ihrer Position bestimmt werden. Weiterhin treten Geisterechos und nicht eindeutig auflösbare Zuordnungen der Frequenzlinien auf. Diese Unsicherheiten lassen sich beseitigen, wenn Ziele über mehrere Rampendurchläufe in einer Zielliste gespeichert und verfolgt werden, gegebenenfalls mit Prädiktion der zu erwartenden Position und Bestätigung eines Ziels erst nach mehrmaliger konsistenter Detektion. Dieses sogenannte Tracking wird umso schwieriger und rechenaufwendiger, je mehr Ziele zu verarbeiten sind. Eine Reduktion der Anzahl zu verarbeitender Ziele ist auch hier sehr hilfreich.
Ein Bereich des Eingangspegels von –120 ... +5 dBm sollte von der Eingangsstufe (Mischer) gegebenenfalls LNA toleriert werden. Im Modus Fernbereich ist dabei eine Übersteuerung der Eingangsstufe akzeptabel, solange ausschließlich Intermodulationsprodukte der starken Signale aus dem Nahbereich auftreten. Diese Intermodulationsprodukte liegen im Basisband genau wie die zugehörigen Eingangssignale bei niedrigen Frequenzen und werden durch den oben beschriebenen umschaltbaren Filter entfernt. Im Modus Nahbereich muss die Sendeleistung hingegen so weit abgesenkt werden, dass keine Übersteuerung und Intermodulation mehr auftritt.
Für die Digitalisierung mit hinreichend schnellen und preisgünstigen A/D-Wandlern muss die Dynamik im Basisband auf einen Bereich von ca. 60 dB (10 Bit) beschränkt werden. Dies geschieht im Modus Fernbereich durch die Hochpass-Charakteristik des NF-Signalpfades, wodurch Anteile bei niedrigeren Frequenzen unterdrückt werden. Durch eine Reduktion der Sendeleistung im Nahbereich können die Anforderungen an das umschaltbare Filter und an die damit verbundene Umschaltung der NF-Verstärkung reduziert werden.
Wenn der Spalten-Abstand größer ist als halbe Freiraumwellenlänge ist, treten Mehrdeutigkeiten in der Winkelbestimmung auf (analog zu grating lobes = höhere Beugungsordnungen bei der Strahlformung). Daher darf der Spaltenabstand entweder nicht signifikant größer sein als eine halbe Freiraumwellenlänge oder es müssen die Nebenkeulen der Sendeantenne im Bereich der Grating lobes so klein sein, dass dort keine Ziele mehr detektiert werden.
Die Höhe der Ziele in Elevation beträgt maximal 4 m (LKW) typisch ca. 2 m. Da nicht von vornherein bekannt ist, welche Bereiche eines Fahrzeugs die stärksten Radarziele darstellen, sollten PKWs und Motorräder im Fernbereich ungefähr auf ihrer vollen Höhe bestrahlt werden (LKWs bieten im allgemeinen wesentlich stärkere Radarziele). Im Nahbereich müssen Ziele nicht in voller Höhe erfasst werden, weil durch den geringeren Abstand auch schwächere Reflexionszentren am Ziel ein hinreichendes Empfangssignal erzeugen. In der Breite der Strahlkeule sollte außerdem eine gewissen Toleranz gegen Nicken und/oder Beladung des Fahrzeugs enthalten sein. Ein Öffnungswinkel von typisch 3 bis 4° ist damit hinreichend für Fernbereich (2 m Höhe in 30 m Entfernung). Gleichzeitig reduziert diese schmale Hauptkeule Reflexionen vom Boden, die zu unerwünschten Signalen bzw. zu nicht-existierenden Zielen (clutter) führen.
Ein Öffnungswinkel von 4° beleuchtet jedoch bei 3 m Abstand in der Höhe nur noch einen Bereich von ca. 20 cm, in dem sich ein Reflexionszentrum befinden müsste. Daher ist eine Vergrößerung des Öffnungswinkels für Nahbereich auf ca. 5 bis 20° (1 m Höhe in 3 ... 10 m Entfernung) notwendig. Dabei sollte es ausreichen, die Bereiche, in denen üblicherweise die stärksten Reflexionen auftreten (Nummernschild und umgebende Bereiche, Radkästen, ...) zu bestrahlen.
Nachfolgende werden die wichtigen Merkmale nochmals zusammengefasst:

– Antennenumschaltung der Sendeantenne für zwei Entfernungsbereiche,
– Nahbereich: möglichst breite und flache Charakteristik für Detektion von Radarzielen bis zu einer ersten Entfernungsgrenze (bzw. Frequenzgrenze bei FMCW-Modulation),
– Fernbereich: Hauptkeule so gestaltet, dass der Fahrschlauch auf Autobahnen oder Landstraßen unter Einbeziehung typischer Kurvenradien abgedeckt wird (typischerweise ±8°, sinnvoller Bereich etwa bis ±4° bis ±12°), und möglichst geringe Nebenkeulen (typischerweise –30 dB und geringer); Verarbeitung der detektierten Radarziele erfolgt erst ab einer zweiten Entfernungsgrenze (bzw. Frequenzgrenze bei FMCW-Modulation),
– Überlappung der Entfernungsgrenzen,
– Empfangsseitig digitale Verarbeitung insbesondere mehrere Antennenspalten ins Basisband geführt und digitalisiert, wobei auch eine Umschaltung der Spalten auftreten kann,
– Spalten der Empfangsantenne mit breiter Strahlcharakteristik in Azimut, wie z.B. Einzelpatches in Elevation zu einer Spalte angeordnet.

Optional können diese Merkmale noch mit mindestens einem der folgenden Merkmale kombiniert werden:

1. Sendeantenne für Fernbereich hat in Elevation eine relativ schmale Keule, ca. 3 bis 5°, Sendeantenne für Nahbereich hat in Elevation eine breitere Hauptkeule, z.B. 20°,
2. Umschaltung der Charakteristik des Basisband-Filters gegebenenfalls mit Umschaltung der Verstärkung,
3. Reduktion der Sendeleistung für den Modus Nahbereich,
4. Modulationsumschaltung (FMCW-Parameter oder anderes Modulationsprinzip (Doppler, Puls-Doppler, FSK)),
5. Schaltbare LNAs vor den Mischern,
6. Verwendung hoch auflösender Winkelschätzverfahren zusammen mit digitaler Strahlformung und klassischen Auswertemethoden.

Claims

Radarsystem bestehend aus: – mindestens zwei Sendeantennen mit unterschiedlichen Richtcharakteristiken insbesondere für unterschiedliche Entfernungsbereiche, – einem Umschalter (40) zur Umschaltung zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Sendecharakteristiken, – mindestens zwei Empfangsantennen (51, 52), – einer Auswerteeinrichtung zur gemeinsamen Auswertung der digitalisierten Signale der mindestens zwei Empfangsantennen im Sinne einer Korrelation der Empfangsantennensignale.
Radarsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine empfangsseitige digitale Strahlformung.
Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung so ausgebildet ist, dass die Detektion von Radarzielen nach Entfernungsbereichen selektierbar ist.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Nahbereich eine sehr breite horizontale Richtcharakteristik vorgesehen ist und für einen Fernbereich eine schmale Richtcharakteristik.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Richtcharakteristiken durch Überlagerung der Richtcharakteristiken von mehreren einzelnen Antennenelementen realisiert sind.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein modulierbarer Lokaloszillator (2, 20) vorgesehen ist mit einem Leistungsteiler zur Aufteilung der Lokaloszillatorleistung für Sende- und Empfangseinheit.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der mindestens zwei Empfangsantennen über eine Mischereinheit in das analoge Basisband herabmischbar sind und nach Digitalisierung mit komplexen Gewichtsfaktoren multiplizierbar und addierbar sind.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der mindestens zwei Empfangsantennen einem unterraumbasierten Parameterschätzverfahren unterziehbar sind zur Analyse ihrer Korrelationseigenschaften.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine empfangsseitige Multiplex-Einheit (71) vorgesehen ist, mittels derer die Signale mehrerer Empfangsantennen sukzessiv auf eine Mischeinheit schaltbar sind.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Entfernungsbereiche bzw. die ihnen zugeordneten Richtcharakteristiken überlappend ausgebildet sind und die Verarbeitung der detektierten Radarziele erst ab einer vorgegebenen Mindestentfernungsgrenze erfolgt.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Antennenelemente Patch-Einzelstrahler und/oder Spalten von Einzelstrahlern vorgesehen sind, die in Serien- oder Parallelspeisung betreibbar sind.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein umschaltbares Basisbandfilter vorgesehen ist, das Ziele außerhalb eines ausgewählten Entfernungsbereiches unterdrückt.
Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Reduzierung der Sendeleistung für den Betrieb in einem Nahbereich vorgesehen sind.