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Mit Hilfe von RADAR-Sensoren können zuverlässig und genau Informationen von Objekten aus der Umgebung, wie beispielsweise über den Abstand, der Geschwindigkeit und die Richtung, gewonnen werden.
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Entsprechende RADAR-Verfahren und -Systeme sind seit langem bekannt (
DE 043 34 079 C2 ) und werden in militärischen und zivilen Bereichen eingesetzt (
DE 043 13 568 C1 ). Die notwendige Technologie dafür war und ist allerdings noch sehr teuer, insbesondere die notwendigen Komponenten zur Erzeugung und Verarbeitung der Mikrowellensignale sind sehr kostenintensiv. Erst durch die Weiterentwicklung der Halbleitertechnik wird RADAR-Sensorik für breite Anwendungen interessant. Dazu zählen auch RADAR-Systeme in Fahrzeugen.
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Die ersten Long Distance RADAR (LDR) Fahrerassistenzsysteme (Adaptive Cruise Control, Long Range Forward Looking RADAR) bei 77 GHz werden bereits für die Fahrzeugoberklasse angeboten (
WO 1998/048296 A1 ). Weitere Short Range RADAR(SRR)-Anwendungen (Parking Aid, Blind Spot Detection, Side Impact, Stop and Go) werden derzeit entwickelt. Diese Systeme arbeiten vorzugsweise im Frequenzbereich um 24 GHz. Bei diesen Systemen werden bis zu 10 RADAR-Sensoren in ein Fahrzeug eingebaut, um zuverlässige und genaue Daten aus der PKW-Umgebung zu erhalten (
US 6,583,753 B1 ).
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Traditionelle Konzepte für Mikrowellen-RADAR-Module verwenden monolithisch integrierte Schaltkreise (z. B. MMICs auf GaAs) für die Erzeugung und Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen. Diese Komponenten bestimmen im wesentlichen den Preis des RADAR-Sensors. Als hochfrequenztaugliches Trägersubstrat wird häufig Dünnschichtkeramik oder Mehrlagen-PTFE verwendet. Beide Substrat-Technologien befinden sich im oberen Preissegment. Darüber hinaus sind Hochfrequenz-Schaltungen und Antennen üblicherweise auf unterschiedlichen Trägersubstraten aufgebaut. Als Übergänge zwischen diesen Substraten werden aufwändige mechanische Stecker oder Verbindungen eingesetzt, die schon bei 24 GHz nur geringe Toleranzen aufweisen dürfen, um die elektrischen Eigenschaften nicht deutlich zu verschlechtern.
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Die Auswerteelektronik gehört ebenfalls zu einem RADAR-Sensor (
EP 1 048 960 A3 ). Die empfangenen Signale werden auf eine tiefere Frequenz heruntergemischt und dann in digitale Signale gewandelt und typischerweise vom Zeit- in den Frequenzbereich transformiert. Sowohl diese Aufgabe als auch die Auswertung der resultierenden Information im Frequenzbereich übernimmt ein Mikroprozessor, der schließlich den Abstand und die relative Geschwindigkeit der detektierten Objekte an eine zentrale Recheneinheit im PKW über eine Standardschnittstelle weitergibt.
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Die derzeit realisierten RADAR-Sensoren sind daher wegen der Komplexität der unterschiedlichen Funktionen relativ groß und teuer.
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Hier bietet sich die LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)-Mehrlagentechnologie zur Realisierung an, da sowohl die Materialien (mittleres Preissegment) als auch die Prozessschritte zur technischen Fertigung im kostengünstigen Dickschicht-Siebdruckverfahren (unteres Preissegment) hervorragend geeignet sind. Der Mehrlagenaufbau bietet darüber hinaus die Möglichkeit, komplexe 3-dimesionale Strukturen zu entwerfen, diese preisgünstig und miniaturisiert zu realisieren und sowohl die Antennenvorrichtung als auch die elektronische Mikrowellen-Schaltung zu integrieren.
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Dabei kommt gerade der Antennenvorrichtung eine Schlüsselrolle zu. Die jeweils gewählte Antennenvorrichtung bestimmt maßgeblich die Reichweite und die räumliche Auflosung des RADAR-Sensors.
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Ein vollintegrierter miniaturisierter RADAR-Sensor in LTCC-Mehrlagentechnologie mit integrierten Patch-Antennen bzw. Mikrostreifenleitungsantennen ist bereits realisiert und beschrieben (
DE 20 2004 019 199 U1 ). Die dort verwendeten planaren Antennen sind jedoch nur Antennen in Mikrostreifenleitungstechnik mit dem Nachteil, dass diese durch umgebende Metallteile, wie sie nun einmal bei Fahrzeugen stets vorhanden sind, leicht in ihrem Abstrahlungsverhalten beeinflusst werden können. Zwar kann dieser Einfluss prinzipiell bei der Konstruktion der Antennen berücksichtigt werden, jedoch sind für ein optimales Abstrahlungsverhalten dazu die individuellen Eigenschaften (Karosserieformen) der jeweiligen Fahrzeuge jedes Mal erneut zu berücksichtigen.
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Darüber hinaus zeigen aktuelle Forschungsergebnisse, dass die Kombination von speziell geformten Speiseleitungen in Mikrostreifenleitertechnik zusammen mit im Strahlungsfeld befindlichen Schlitzleitungsantennen weitere Freiheitsgrade hinsichtlich der optimalen Leistungsanpassung und Breitbandigkeit ergeben (Wen-Shan Chen, Fu-Mao Hsieh: A Broadband Design For A Printed Isosceles Triangular Slot Antenna for Wireless Communications In: Microwave Journal, Juli 2005.)
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Eine Vorrichtung zum Übertragen bzw. Abstrahlen hochfrequenter Wellen ist bereits aus der Druckschrift (
DE 102 44 206 A1 ) bekannt.
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Dort werden verschiedene Ausführungsformen einer TEM-Wellenleiteranordnung beschrieben, wobei im einfachsten Fall ein planarer Innenleiter zwischen einer darunter und einer darüber befindlichen Metallfläche angeordnet ist. Diese planare TEM-Leitung wird üblicherweise auch als „Triplate-Leitung” bezeichnet. Die hier zunächst beschriebene schlitzgekoppelte Abstrahlvorrichtung weist typischerweise vier Ebenen auf. Während die beiden Metallflächen in der ersten und der dritten Ebene auf Massepotential liegen, führt der planare Innenleiter in der zweiten Ebene das hochfrequente Signal. Diese Anordnung stellt somit gleichzeitig auch einen sehr flachen mit Dielektrikum gefüllten Hohlleiter dar. Mit Hilfe dieser Anordnung kann nun beispielsweise eine in einer vierten Ebene angeordnete, sogenannte Patch-Antenne angeregt werden. Dazu lässt man den planaren Innenleiter abrupt enden, woraufhin sich bei der entsprechenden Nutzsignalfrequenz aufgrund der Reflexion am Ende der Leitung eine stehende Welle ausbildet. Dadurch würden störende Hohlleitermoden bzw. Resonanzen im Nutzfrequenzband angeregt werden, die jedoch durch eine Anzahl seitlich zum planaren Innenleiter positionierter Durchkontaktierungseinrichtungen oder durch Seitenwände in bekannter Weise durch Erhöhung der Grenzfrequenz der Hohlleitermoden unterdrückt werden. Damit die stehende Welle auf dem in einer zweiten Ebene befindlichen planaren Innenleiter mit der in einer vierten Ebene befindlichen Patch-Antenne elektrisch verkoppelt werden kann, befindet sich in der dazwischen in der dritten Ebene angeordneten, in elektrischer Hinsicht auf Massepotential befindlichen Metallfläche ein hinreichen großer Koppelspalt. Durch diesen Koppelspalt hindurch erfolgt eine elektrische Verkopplung des vom planaren Innenleiter geführten hochfrequenten Nutzsignals mit der zu erregenden Patch-Antenne. Diese erste Ausführungsform wird von den Erfindern als schlitzgekoppelte Abstrahlvorrichtung bezeichnet, welche zudem bereits ebenfalls in LTCC-Technik realisierbar ist. Darüber hinaus finden sich auf dem beschriebenen Kopplungsverfahren aufbauend einige weitere Ausführungsformen, die auf dem gleichen physikalischen Prinzip basieren. So wird beispielsweise anstelle der Patch-Antenne ein weiterer planarer Innenleiter in einer darüber angeordneten „Triplate-Leitung” nach dem gleichen physikalischen Prinzip gespeist, was dann als Kopplungseinrichtung bezeichnet wird. Weitere Ausführungsformen werden durch Variation der geometrischen Verhältnisse erzielt, wobei dann auch die Geometrien des Kopplungsschlitzes so gewählt werden können, dass dieser sich bei der Frequenz des Nutzsignals in Resonanz befindet, wodurch er dann eine Schlitzantenne repräsentiert und dann auch ohne zusätzliche Patch-Antenne bereits als einfache Abstrahlvorrichtung nutzbar ist.
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Die Druckschrift (
DE 102 44 206 A1 ) stellt somit den am nächsten kommenden Stand der Technik dar.
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Allerdings ist diese Erfindung nicht besser geeignet, weil mit den dort beschriebenen Vorrichtungen hinsichtlich der räumlichen Strahlungskeulen nur sehr einfache Abstrahlvorrichtungen möglich sind. Ein komplexes Antennenarray mit einer Vielzahl von Einzelstrahlern, die gleichzeitig mit hochfrequenten Signalen mit jeweils unterschiedlicher Phasenlage gespeist werden müssen, damit es zur Ausbildung spezieller räumlicher Richtcharakteristiken der Antennenvorrichtung kommen kann, erfordert zwangsläufig zusätzliche Schaltungselemente wie beispielsweise in einer weiteren Ebene vergrabene Verteilnetzwerke und damit verbundene vergrabene Arrays von einzelnen Antennenelementen als speisende Strahler, welche dann erst die eigentlichen in den Raum abstrahlenden Patch-Antennen Elemente speisen. Dies ist jedoch erstmalig bei der hier vorgestellten neuen Erfindung realisiert worden.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine von der unmittelbaren Umgebung wenig beeinflussbare universelle, das heißt von der benachbarten Karosserieform unabhängige Antennenvorrichtung so in den RADAR-Sensor zu einzufügen, dass bei sehr hohem Wirkungsgrad möglichst viel Hochfrequenz-Funktionalität auf einem preisgünstigen Schaltungsträger integriert, die gesamte Hochfrequenzschaltung miniaturisiert und die Zuverlässigkeit, Reichweite und räumliche Auflösung des RADAR-Sensors erhöht wird.
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Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind im Patentanspruch 2 angegeben.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Kombination einer planaren resonanten Schlitzleitungsantenne mit einer planaren Antennenstruktur in Mikrostreifenleitungstechnik zum einen durch eine verbesserte breitbandige Anpassung der Wirkungsgrad und dadurch bedingt die Reichweite und die räumliche Auflösung des RADAR-Sensors verbessert werden kann und zum anderen durch direkte Strahlungskopplung der dualen Antennen für zahlreiche Anwendungsfälle auf ein Verteilnetzwerk verzichtet werden kann, wodurch sich die Abmessungen und Herstellungskosten des RADAR-Sensors weiter verringern lassen.
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Weiterhin ist der Strahlungswiderstand von resonanten Schlitzleitungsantennen typischerweise sehr gering. Dadurch haben die je nach jeweiligem Fahrzeugtyp unterschiedlich angeordneten Metallteile in der Nähe der planaren dualen Antennenvorrichtung einen signifikant geringeren Einfluss und müssen nicht individuell berücksichtigt werden.
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Mit der Erfindung wird erreicht, dass ein RADAR-Sensor zur Kurzstreckenüberwachung durch die konsequente Nutzung der LTCC-Mehrlagentechnologie besonders kompakt, preisgünstig und robust realisiert und die Strahlungseigenschaften der integrierten planaren dualen Antennenvorrichtung universell optimiert werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 bis 11 erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch den Lagenaufbau mit den einzelnen Keramik-Trägersubstratlagen (8) und die Anordnung der hybriden Mikrowellenkomponenten (6) auf der Unterseite des RADAR-Sensors im Querschnitt,
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2 die Aufsicht auf die Oberseite des RADAR-Sensors mit einem breitbandigen Patch-Antennenarray (1) in planarer Mikrostreifenleitungstechnik,
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3 die Aufsicht auf die Ebene der Antennenvorrichtung, die sich unter der Oberfläche der Oberseite innerhalb des LTCC-Monoblocks befindet, mit einem vergrabenen Verteilnetzwerk (3) und einem vergrabenen Array von einzelnen Antennenelementen (2),
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4 die Aufsicht auf die innerhalb des LTCC-Monoblocks angeordnete abschirmende Erdungsebene (4) mit einem Ausführungsbeispiel einer zur Speisung des Verteilnetzwerkes (3) der Antennenvorrichtung (2) bzw. zur direkten Speisung des breitbandigen Patch-Antennenarrays (1) verwendeten resonanten Schlitzleitungsantenne (9),
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5 schematisch, als Ausführungsbeispiel für die Ankopplung einer planaren Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) an die resonante Schlitzleitungsantenne (9), die Aufsicht auf die innerhalb des LTCC-Monoblocks angeordnete abschirmende Erdungsebene (4) mit der verwendeten resonanten Schlitzleitungsantenne (9), wobei die am Ende leerlaufende planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) die resonanten Schlitzleitungsantenne (9) um eine genau definierte Länge (L) überlappt,
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6 schematisch, als Ausführungsbeispiel für die Ankopplung einer planaren Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) an die resonante Schlitzleitungsantenne (9), die Aufsicht auf die innerhalb des LTCC-Monoblocks angeordnete abschirmende Erdungsebene (4) mit der verwendeten resonanten Schlitzleitungsantenne (9), wobei die planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) in kurzem Abstand von der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) durch ein mit metallisch leitender Paste gefülltes Verbindungsloch (7) mit der abschirmenden Erdungsebene (4) verbunden ist.
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7 schematisch den Lagenaufbau des RADAR-Sensors im Querschnitt, wobei die zur Speisung verwendete planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) in kurzem Abstand von der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) durch ein mit metallisch leitender Paste gefülltes Verbindungsloch (7) mit der abschirmenden Erdungsebene (4) verbunden ist und die so erregte resonanten Schlitzleitungsantenne (9) ihrerseits wiederum das vergrabenen Verteilnetzwerk (3) mit dem vergrabenen Array von einzelnen Antennenelementen (2) durch Strahlungskopplung speist,
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8 schematisch den Lagenaufbau des RADAR-Sensors im Querschnitt, wobei die zur Speisung verwendete planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) in kurzem Abstand von der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) durch ein mit metallisch leitender Paste gefülltes Verbindungsloch (7) mit der abschirmenden Erdungsebene (4) verbunden ist und die so erregte resonante Schlitzleitungsantenne (9) ihrerseits wiederum direkt das auf der Oberseite des RADAR-Sensors befindliche breitbandige Patch-Antennenarray (1) durch Strahlungskopplung speist wodurch auf das vergrabenen Verteilnetzwerk (3) mit dem vergrabenen Array von einzelnen Antennenelementen (2) verzichtet werden kann,
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9 schematisch, als Ausführungsbeispiel für die Ankopplung von zwei planaren Leitungen in Mikrostreifenleitungstechnik (5), die sich in unterschiedlichen Ebenen befinden, an die resonante Schlitzleitungsantenne (9), die Aufsicht auf die innerhalb des LTCC-Monoblocks angeordnete abschirmende Erdungsebene (4) mit der verwendeten resonanten Schlitzleitungsantenne (9), wobei die sich in unterschiedlichen Ebenen befindlichen planaren Leitungen in Mikrostreifenleitungstechnik (5) jeweils in kurzem Abstand von der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) durch jeweils mit metallisch leitender Paste gefüllte Verbindungslöcher (7) mit der abschirmenden Erdungsebene (4) verbunden sind,
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10 schematisch den Lagenaufbau des RADAR-Sensors im Querschnitt, wobei die zur verwendeten planaren Leitungen in Mikrostreifenleitungstechnik (5) jeweils in kurzem Abstand von der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) durch mit metallisch leitender Paste gefüllte Verbindungslöcher (7) mit der abschirmenden Erdungsebene (4) verbunden sind und die so erregte resonanten Schlitzleitungsantenne (9) ihrerseits wiederum das vergrabenen Verteilnetzwerk (3) mit dem vergrabenen Array von einzelnen Antennenelementen (2) durch hochfrequente magnetische Ankopplung speist,
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11 schematisch die Aufsicht auf die Unterseite des RADAR-Sensors mit einem Ausführungsbeispiel der planaren Leitungen in Mikrostreifenleitungstechnik (5), der Mikrowellen-Elektronikschaltungen mit hybriden Mikrowellenkomponenten (6) und einem breitbandigen Strahlerelement (10) zur Speisung der Schlitz leitungsantenne.
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Der in 1 dargestellte Lagenaufbau zeigt, dass das hier erläuterte Ausführungsbeispiel fünf miteinander verbundene Keramik-Trägersubstratlagen (8) besitzt.
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Auf der Oberseite des RADAR-Sensors ist ein breitbandiges Patch-Antennenarray (1) in Mikrostreifenleitungstechnik mit bündelnder Strahlungscharakteristik angeordnet. Dieses wird über eine Strahlungskopplung gespeist durch ein in den Innenlagen vergrabenes Verteilnetzwerk (3) und dem damit verbundenen vergrabenen Array von einzelnen Antennenelementen (2). Durch den besonderen Entwurf von vergrabenem Array von einzelnen Antennenelementen (2) und außenliegendem breitbandigen Patch-Antennenarray (1) erhält die Antenne eine zusätzlich vergrößerte Bandbreite.
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Auf der Unterseite des miniaturisierten LTCC-Monoblocks ist die Hochfrequenzschaltung aus planaren Leitungen in Mikrostreifenleitungstechnik (5) und eingebondeten oder aufgelöteten hybriden Mikrowellenkomponenten (6) zum Senden und Empfangen eines frequenzmodulierten Signals (FMCW-RADAR) oder anderen geeigneten Signalen aufgebaut. Die einzelnen hybriden Mikrowellenkomponenten (6) bestehen vorzugsweise aus preisgünstigen diskreten Halbleiterbauelementen ohne Gehäuse (Transistorchips und Dioden) und weiteren SMD-Bauteilen. Passive HF-Strukturen (z. B. Wellenleiter oder Filter) oder die planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) werden auf die jeweiligen Keramik-Trägersubstratlagen (8) im kostengünstigen Siebdruckverfahren aufgedruckt. Seine robusten Eigenschaften erhält das Modul aus den physikalischen Charakteristika der Keramik-Trägersubstratlagen (8) sowie den Gold- und Silberleiterbahnen.
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Eine bedeutende Struktur ist die Kopplung zwischen dem elektronischen Teil der Mikrowellen-Elektronikschaltung und der Antennenvorrichtung.
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Die 1 zeigt den Querschnitt durch den fünflagigen Aufbau des Moduls. Es wird eine duale Antennenstruktur verwendet, das heilt es werden in unmittelbarer Nähe gleichzeitig sowohl Mikrostreifenleitungsantennen als auch die damit verkoppelte und dazu duale Schlitzleitungsantenne verwendet. Durch eine resonante Schlitzleitungsantenne (9) in der vergrabenen abschirmende Erdungsebene (4) wird das von der Mikrowellen-Elektronikschaltung erzeugte Mikrowellen-Signal in das vergrabene Verteilnetzwerk (3) zur phasenrichtigen Speisung des vergrabenen Arrays von einzelnen Antennenelementen (2) eingekoppelt. Dieses wiederum regt das breitbandiges Patch-Antennenarray (1)
auf der Oberseite des LTCC-Monoblocks an. zur Erregung der resonante Schlitzleitungsantenne (9) stehen zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung, von denen die wichtigsten Möglichkeiten weiter unten erläutert werden. Durch diesen relativ einfachen Aufbau entfällt sowohl der teure mikrowellentaugliche HF-Stecker als auch andere mechanisch konstruierte Übergänge wie z. B. Steckverbindungen.
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Die 2 zeigt die Aufsicht auf die Oberseite des RADAR-Sensors. Neben der oberen Keramik-Trägersubstratlage (8) ist nur das breitbandige Patch-Antennenarray (1) zu erkennen, welches aus planaren Mikrostreifenleitungen gebildet wird.
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Angeregt werden die Strahlerelemente des breitbandigen Patch-Antennenarrays (1) durch Strahlungskopplung von unten und zwar entweder durch eine im LTCC-Monoblock vergrabene Antennenvorrichtung, die aus einem vergrabenen Verteilnetzwerk (3) mit angeschlossenem vergrabenen Array von einzelnen Antennenelementen (2) besteht oder direkt durch die resonante Schlitzleitungsantenne (9), wie es in 8 beispielhaft dargestellt ist.
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Die 3 zeigt beispielhaft die Aufsicht auf die Ebene der Antennenvorrichtung, die sich unter der Oberfläche der Oberseite innerhalb des LTCC-Monoblocks befindet, mit einem vergrabenen Verteilnetzwerk (3) und einem vergrabenen Array von einzelnen Antennenelementen (2), die unter der Oberfläche liegen und deren Anordnung daher von außen nicht erkennbar ist, weil die jeweiligen Keramik-Trägersubstratlage (8) für das menschliche Auge nicht durchsichtig sind.
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Die 4 zeigt die von außen ebenfalls nicht erkennbare Aufsicht auf die innerhalb des LTCC-Monoblocks angeordnete abschirmende Erdungsebene (4) mit der, hier beispielhaft mittig und quer angeordneten, als Primärstrahler verwendeten resonante Schlitzleitungsantenne (9). Andere Anordnungen der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) sind möglich und können je nach Anwendungsfall vorteilhaft sein. Diese resonante Schlitzleitungsantenne (9) wird von der auf der Unterseite befindlichen Mikrowellen-Elektronikschaltungen zunächst angeregt und speist dann mit ihrem Strahlungsfeld die übrige jeweilige Antennenvorrichtung in Mikrostreifenleitertechnik. Es handelt sich hierbei also um ein komplexes Antennensystem, bei dem zueinander duale Strahler, nämlich sowohl Mikrostreifenleiter-Strahler, als auch Schlitzleitungs-Strahler, die über ihr jeweiliges, nah benachbartes Strahlungsfeld miteinander eng verkoppelt sind, gleichzeitig verwendet werden. Dabei ist der Strahlungswiderstand der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) im Gegensatz zum Strahlungswiderstand der Mikrostreifenleiter-Strahler sehr niederohmig (ca. 30 Ohm) und damit weitgehend unempfindlich gegenüber metallischen Karosserieteilen. Prinzipiell würde bereits die resonante Schlitzleitungsantenne (9) genügen, um eine hinreichende Wechselwirkung mit den umgebenden Objekten zu bewirken. Allerdings ist die Strahlungscharakteristik noch nicht optimal. Die zusätzlichen Mikrostreifenleiter-Strahler bewirken erst eine optimale Bündelung und Ausrichtung der vom RADAR-Sensor ausgesendeten bzw. von den zu überwachenden Objekten reflektierten und vom RADAR-Sensor empfangenen elektromagnetischen Feldenergie.
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Durch die resonanten elektrischen Eigenschaften ist die Ankopplung der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) an die Mikrowellen-Elektronikschaltung sehr intensiv, und zwar sowohl in Senderichtung als auch in Empfangsrichtung.
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Die Länge der Schlitzleitung ist typischerweise so dimensioniert, dass diese bei der mittleren Betriebsfrequenz (hier 24 GHz) hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften einer halben Wellenlänge entspricht, damit sie im Betrieb in Resonanz gerät. Durch geringfügiges Verlängern oder Verkürzen der Länge der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) können zusätzliche Freiheitsgrade zur Anpassung gewonnen werden, weil sie durch diese leichte Verstimmung entweder etwas induktiver oder kapazitiver wirkt.
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Für die Ankopplung der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) an planare Leitungen in Mikrostreifenleitungstechnik (5) stehen zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung, von denen die wichtigsten nachfolgend erläutert werden.
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Prinzipiell kann die elektrische Feldkomponente in der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) unmittelbar durch dielektrische Verschiebungsstromkomponenten, die von geeignet gestalteten planare Leitungen in Mikrostreifenleitungstechnik (5) ausgehen, angeregt werden. Zahlreiche Beispiele sind durch die oben zitierte Veröffentlichung von Chen und Hsieh bekannt und sollen hier nicht wiederholt werden. In 11 ist eine dieser Möglichkeiten in Form eines breitbandigen Strahlerelementes (10) angedeutet. Die für diesen RADAR-Sensor verwendeten Ankopplungen favorisieren jedoch die magnetische Form der Ankopplung, da dabei der erzielte Wirkungsgrad signifikant höher ist und die erforderliche Bandbreite durch das zusätzliche breitbandige Patch-Antennenarray (1) ohnehin sichergestellt ist.
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Die 5 zeigt schematisch die Aufsicht auf die Ankopplung einer planaren Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5), die sich auf einer Keramik-Trägersubstratlage (8) befindet an eine resonante Schlitzleitungsantenne (9), die sich in der abschirmenden Erdungsebene (4) befindet. Die Keramik-Trägersubstratlage (8) ist hier zur besseren Darstellung durchsichtig dargestellt.
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Die planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) überkreuzt die resonante Schlitzleitungsantenne (9) weitgehend rechtwinklig und endet abrupt nach einer Länge (L). Durch den Leerlauf am Ende der planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) bildet sich am Ende ein Spannungsknoten. Die Länge (L) ist so dimensioniert, dass sie einer viertel Wellenlänge im Medium, also der Keramik-Trägersubstratlage (8), entspricht. Dadurch wird der Spannungsknoten am offenen Ende der planaren Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) am Ort der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) in einen Stromknoten transformiert. Durch die hohe Stromstärke wird die magnetische Feldkomponente im Medium, also der Keramik-Trägersubstratlage (8), unter der resonanten Schlitzleitungsantenne (9), maximal, wodurch wiederum die Ankopplung an die resonante Schlitzleitungsantenne (9) sehr intensiv wird.
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Dabei können die Impedanzverhältnisse und damit der Grad der Anpassung weiter optimiert werden:
Die resonante Schlitzleitungsantenne (9) bildet ähnlich wie ein Hohlleiter in ihrer geometrischen Mitte eine maximale elektrische Feldstärkenkomponente aus, die zu den elektrisch kurzgeschlossenen Enden immer weiter verschwindet. Die magnetische Feldkomponente hingegen ist in der Mitte minimal und steigt zu den elektrisch kurzgeschlossenen Enden hin signifikant an, weil dort bei Resonanz kräftige Ströme fließen.
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Dies bedeutet, dass die resonante Schlitzleitungsantenne (9) genau in ihrer Mitte eine hohe Impedanz besitzt, die zu den jeweiligen Enden hin geringer wird. Durch die seitliche Wahl des lateralen Ortes der Überkreuzung der planaren Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) mit der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) kann das Impedanzniveau wunschgemäß ausgewählt bzw. optimiert werden.
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Die 6 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine weitere Möglichkeit der Ankopplung einer planaren Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5), die sich auf einer Keramik-Trägersubstratlage (8) befindet, an eine resonante Schlitzleitungsantenne (9), die sich in der abschirmenden Erdungsebene (4) befindet. Die Keramik-Trägersubstratlage (8) ist hier zur besseren Darstellung wiederum durchsichtig dargestellt.
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Die planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) überkreuzt die resonante Schlitzleitungsantenne (9) weitgehend rechtwinklig und endet unmittelbar hinter dieser an einem mit metallisch leitender Paste gefüllten Verbindungsloch (7), welches die planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) mit der abschirmenden Erdungsebene (4) verbindet. Dadurch wird die planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) an ihrem Ende kurzgeschlossen und es bildet sich durch die Kurzschlussstromstärke eine starke Magnetfeldkomponente aus, wodurch wiederum die Ankopplung an die resonante Schlitzleitungsantenne (9) sehr intensiv wird. Dabei können auch bei dieser Ankopplungsmethode die Impedanzverhältnisse und damit der Grad der Anpassung durch die Wahl des Ortes der Überkreuzung, wie bereits im Zusammenhang mit der 5 erläutert worden ist, weiter optimiert werden.
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Die 7 zeigt zur näheren Erläuterung den Lagenaufbau des RADAR-Sensors für die im Zusammenhang mit 6 beschriebenen Ankopplungsmethode, während bereits der 1 die im Zusammenhang mit 5 beschriebene Ankopplungsmethode entnommen werden kann. Während die von der Mikrowellen-Elektronikschaltungen bzw. von geeigneten hybriden Mikrowellenkomponenten (6) gespeiste planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) in 1 an ihrem Ende offen ist, was der Möglichkeit der Ankopplung einer planaren Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5), die sich auf einer Keramik-Trägersubstratlage (8) befindet, an eine resonante Schlitzleitungsantenne (9), die sich in der abschirmenden Erdungsebene (4) befindet, gemäß 5 entspricht, wird die von der Mikrowellen-Elektronikschaltungen bzw. von geeigneten hybriden Mikrowellenkomponenten (6) gespeiste planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5) in 7 an ihrem Ende durch mit metallisch leitender Paste gefülltes Verbindungsloch (7), was der Möglichkeit der Ankopplung einer planaren Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5), die sich auf einer Keramik-Trägersubstratlage (8) befindet an eine resonante Schlitzleitungsantenne (9), die sich in der abschirmenden Erdungsebene (4) befindet, gemäß 6 entspricht.
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Die 8 zeigt zur näheren Erläuterung einen vereinfachten Lagenaufbau des RADAR-Sensors. Dieser ergibt sich für den Fall, dass auf das vergrabene Array von einzelnen Antennenelementen (2) und das vergrabene Verteilnetzwerk (3) verzichtet wird und das breitbandiges Patch-Antennenarray (1) direkt vom Nahbereichs-Strahlungsfeld der resonanten Schlitzleitungsantenne (9) erregt wird. Für bestimmte Anwendungsfälle genügt dieser vereinfachte Lagenaufbau.
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Die 9 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine weitere Möglichkeit der Ankopplung von zwei planaren Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5), die sich auf einer oder zwei unterschiedlichen Keramik-Trägersubstratlagen (8) befinden an eine resonante Schlitzleitungsantenne (9), die sich in der abschirmenden Erdungsebene (4) befindet. Die jeweiligen Keramik-Trägersubstratlagen (8) sind hier zur besseren Darstellung wiederum durchsichtig dargestellt.
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Die planaren Leitungen in Mikrostreifenleitungstechnik (5) überkreuzen die resonante Schlitzleitungsantenne (9) weitgehend rechtwinklig und enden jeweils unmittelbar hinter dieser an jeweils einem mit metallisch leitender Paste gefüllten Verbindungsloch (7), welches die jeweiligen planaren Leitungen in Mikrostreifenleitungstechnik (5) mit der abschirmenden Erdungsebene (4) verbindet. Dadurch werden die planaren Leitungen in Mikrostreifenleitungstechnik (5) an ihrem Ende kurzgeschlossen und es bilden sich dort starke Magnetfeldkomponenten aus, wodurch wiederum die Ankopplungen an die resonante Schlitzleitungsantenne (9) sehr intensiv wird.
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Auch die gemischte Kombination der Ankopplung gemäß 5 und der Ankopplung gemäß 6 ist prinzipiell möglich und kann für spezielle Anwendungsfälle sinnvoll sein.
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Die 10 zeigt zur näheren Erläuterung den Lagenaufbau des RADAR-Sensors für die im Zusammenhang mit 9 beschriebenen Ankopplungsmethode. Das vergrabene Verteilnetzwerk (3) wird durch ein mit metallisch leitender Paste gefülltes Verbindungsloch (7) mit der abschirmenden Erdungsebene (4) verbunden.
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Die Aufsicht auf die Unterseite des RADAR-Sensors mit der schematisch dargestellten Mikrowellen-Elektronikschaltung, bestehend aus planare Leitung in Mikrostreifenleitungstechnik (5), die als gedruckte Leiterbahnstrukturen realisiert werden können und hybriden Mikrowellenkomponenten (6), die aus einigen eingebondeten oder eingelöteten diskreten Halbleiterbauelementen bestehen können, ist in der 11 dargestellt. Integrierte Schaltungen zur Aufbereitung der Signale sind ebenfalls dort platziert. Auch sind Anschlüsse für die erforderlichen Verbindungsstecker vorgesehen, damit die vom RADAR-Sensor erfassten Informationen an die Bordelektronik des jeweiligen Fahrzeuges weiter gegeben werden kann.
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Die elektronische Mikrowellenschaltung ist gut sichtbar und frei zugänglich, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, gegebenenfalls anwendungsbezogene Modifikationen vornehmen zu können.