DE102009046491A1

DE102009046491A1 - Planare Antenneneinrichtung für eine Radarsensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102009046491A1
Application number: DE102009046491A
Authority: DE
Inventors: Volker Gross; Goetz Kuehnle; Andre Treptow
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-05-12
Also published as: WO2011054573A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine planare Antenneneinrichtung (15) für eine Radarsensorvorrichtung (12) mit mehreren vertikal ausgerichteten und in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Antennenspalten (15a, 15b), welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Antennenelemente (16a, 16b), insbesondere Patch-Elemente, aufweisen, wobei die Phasenzentren der Antennenspalten (15a, 15b) auf einer zu den Antennenspalten (15a, 15b) senkrechten Geraden (g) angeordnet sind. Die wenigstens eine erste der Antennenspalten (15a) ist in zwei nicht miteinander verbundene Subspalten (15a', 15a") aufgeteilt, welche jeweils dieselbe Anzahl an Antennenelemente(17a', 17a") aufweisen, wobei die separaten Signalabgriffe (17a', 17a") der Subspalten (15a', 15a") jeweils an abgewandten Enden der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine planare Antenneneinrichtung für eine Radarsensorvorrichtung mit mehreren vertikal ausgerichteten und in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Antennenspalten, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Antennenelemente, insbesondere Patch-Elemente, aufweisen, wobei die Phasenzentren der Antennenspalten auf einer zu den Antennenspalten senkrechten Geraden angeordnet sind. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Radarsensorvorrichtung und eine Vorrichtung, insbesondere ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
In Kraftfahrzeugen werden zunehmend Radarsensoren zur Erfassung des Verkehrsumfelds im Rahmen von Fahrerassistenzsystemen eingesetzt, beispielsweise zur radargestützten Abstandsregelung (Adaptive Cruise Control-Systeme/ACC). Ein derartiges Fahrgeschwindigkeitsregelungssystem ist beispielsweise aus Robert Bosch GmbH, "Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung ACC", Gelbe Reihe, Ausgabe 2002, Technische Unterrichtung, bekannt. Eine wichtige Messgröße der Radarsensoren mit dem Einsatzgebiet im Kraftfahrzeugbereich ist neben der Entfernung und der Geschwindigkeit auch der Winkel von Objekten. Hierbei ist sowohl der horizontale als auch der vertikale Winkel von Bedeutung. Der horizontale Winkel wird zur Schätzung des Querversatzes und damit zur Spurzuordnung verwendet. Der vertikale Winkel ist wichtig, um. eine Unterscheidung zwischen Objekten, die überfahrbar, unterfahrbar oder gegenfahrbar sind, durchzuführen. Objekte können somit als relevante oder nicht relevante Hindernisse eingestuft werden. Dies ist insbesondere auch bei Sicherheitsanwendungen von hoher Bedeutung, um Fehlauslösungen aufgrund metallischer Gegenstände (z. B. Dosen, Kanaldeckel usw.) zu vermeiden.
Derartige Radarsensoren weisen in der Regel aus Kostengründen keine Möglichkeit zur direkten Messung von Objekthöhen bzw. Elevationswinkeln auf. Bekannte Radarsensoren mit Elevationsschätzung realisieren dies beispielsweise durch eine mechanische Schwenkung oder indirekt über eine zeitliche Auswertung des Rückstreuverhaltens von Objekten.
Wegen ihrer flachen Bauform und leichten Herstellbarkeit, beispielsweise im Ätzverfahren, eignen sich sogenannte planare Antenneneinrichtungen oder Patch-Antennen für den Einsatz in den vorstehend genannten Radarsensoren besonders. Bei derartigen Antennen handelt es sich um eine flächige Anordnung von strahlenden Resonatoren (Antennenelemente bzw. Patch-Elemente/Patches), die jeweils mit definierter Amplitude und Phase belegt sind. Die Überlagerung der Strahlungsdiagramme der einzelnen Patch-Elemente ergibt das resultierende Strahlungsdiagramm der Antenne, wobei die Zeilen, die Charakteristik des Azimuts und die Spalten für die Charakteristik der Elevation verantwortlich sind. Die Antennenelemente werden üblicherweise in vertikal ausgerichteten Antennenspalten angeordnet.
Eine synchrone Messung der horizontalen und vertikalen Objektwinkel wird bei planaren Antenneneinrichtungen oft durch zweidimensionale Antennenarrays mit großem Hardware- und Rechenaufwand erreicht.
In der DE 10 2004 039 743 A1 ist eine Antennenstruktur mit Patch-Elementen angegeben.
Aus der DE 102 56 524 A1 ist eine Einrichtung zur Messung von Winkelpositionen unter Verwendung von Radarpulsen und sich überlappenden Strahlcharakteristiken mindestens zweier Antennenelemente bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine planare Antenneneinrichtung für eine Radarsensorvorrichtung vorgeschlagen mit mehreren vertikal ausgerichteten und in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Antennenspalten, welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Antennenelemente, insbesondere Patch-Elemente, aufweisen, wobei die Phasenzentren der Antennenspalten auf einer zu den Antennenspalten senkrechten Geraden angeordnet sind, wobei wenigstens eine erste der Antennenspalten in zwei nicht miteinander verbundene Subspalten aufgeteilt ist, welche jeweils dieselbe Anzahl an Antennenelementen und jeweils einen separaten Signalabgriff aufweisen, wobei die separaten Signalabgriffe der Subspalten jeweils an abgewandten Enden der wenigstens einen ersten Antennenspalte angeordnet sind.
Durch diese Maßnahmen wird eine einfache Möglichkeit zur direkten Messung von Vertikalwinkeln eines Objekts mit herkömmlichen, geringfügig modifizierten planaren Antennen bereitgestellt. Die vertikale Winkelschätzung erfolgt sozusagen über einen örtlichen Versatz. Dies wird durch die Aufspaltung einer der Antennenspalten in zwei Substrukturen bzw. Subspalten erreicht. Da diese nicht durch eine Leitung miteiander verbunden sind, kann der Elevationswinkel über einen Phasenvergleich der Empfangssignale dieser beiden Subspalten bestimmt werden. Jede der Subspalten wird einzeln abgegriffen. Dadurch kann der an den Subspalten auftretende Phasenversatz ausgewertet werden, welcher lediglich von dem Elevationswinkel von Objekten abhängig ist. Die wenigstens eine erste Antennenspalte kann in vorteilhafter Weise sowohl zur Elevationsschätzung als auch weiterhin zur Schätzung des azimutalen Winkels genutzt werden. Zur Schätzung des Azimutwinkels müssen lediglich die beiden Signalabgriffspunkte der Subspalten beispielsweise in einem Steuergerät der Radarsensorvorrichtung addiert werden. Sonach ist bei der erfindungsgemäßen planaren Antenneneinrichtung nur ein zusätzlicher Kanal, d. h. der weitere Signalabgriff an den Subspalten vonnöten, um neben der bekannten azimutalen Winkelschätzung auch eine Schätzung des Elevationswinkels durchzuführen. Die Phasenzentren der Antennenspalten sind auf einer zu den Antennenspalten senkrechten Geraden angeordnet. Unter Phasenzentrum der Antennenspalten wird deren elektronischer Referenzpunkt verstanden. Somit ist sinnvollhafter Weise eine aufwandsneutrale Bestimmung des Justagewinkels in Elevationsrichtung sowie eine Klassifikation von Objekten hinsichtlich Über- bzw. Unterfahrbarkeit möglich.
Die Antennenspalten können jeweils dieselbe Anzahl von liniengespeisten Antennenelementen aufweisen, welche jeweils in vertikaler Richtung einen konstanten Abstand zueinander aufweisen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Signalsumme der Signalabgriffe der Subspalten der wenigstens einen ersten Antennenspalte einen Elevationswinkel von null Grad aufweist und der vertikale Abstand der Subspalten einer ersten Antennenspalte zueinander gleich der Wellenlänge der Trägerfrequenz in Luft ist. Somit kann die erste Antennenspalte auch zur azimutalen Schätzung verwendet werden. Durch die Addition der Signalabgriffe wird exakt dasselbe Elevationsverhalten wie bei den übrigen Antennenspalten erzielt.
Durch den Phasenunterschied zwischen den beiden Subspalten der wenigstens einen ersten Antennenspalte ist ein Elevationswinkel oder ein Schätzwert des Elevationswinkels wenigstens eines von der Radarsensorvorrichtung erfassten Objekts bestimmbar.
In Anspruch 6 ist eine Radarsensorvorrichtung angegeben. Als Radarsensor kommen beispielsweise ein Long-Range-Radarsensor (LRR), ein Mid-Range-Radarsensor (MRR) oder ein Short-Range-Radarsensor (SRR) in Betracht.
Eine Vorrichtung, insbesondere ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeugs ist in Anspruch 7 angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung prinzipmäßig beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines Fahrerassistenzsystems bzw. einer adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung in einem Kraftfahrzeug; und
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen planaren Antenneneinrichtung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ein in 1 gezeigtes Kraftfahrzeug 10 mit einer adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 11 als Fahrerassistenzsystem weist als Objektdetektionssensor eine an der Frontpartie des Kraftfahrzeugs 10 angebrachte Radarsensorvorrichtung 12 auf, in deren Gehäuse auch eine Steuereinrichtung 14 der adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 11 untergebracht ist. Die Radarsensorvorrichtung 12 dient der Detektion von Objekten in einem Umfeld des Kraftfahrzeugs 10. Die Radarsensorvorrichtung 12 ist mit der Steuereinrichtung 14 verbunden. Die Steuereinrichtung 14 ist über einen Datenbus 16 (CAN, MOST, oder dergleichen) mit einer elektronischen Antriebs-Steuereinheit 18, einer Bremssystem-Steuereinheit 20 sowie mit einer HMI-Steuereinheit 22 einer Mensch-/Maschine-Schnittstelle verbunden. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können die Steuereinheit 14 und die HMI-Steuereinheit 22 auch in einer Steuereinrichtung der adaptiven Geschwindigkeitsregelvorrichtung 12, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sein.
Die Radarsensorvorrichtung 12 misst mit Hilfe eines Mehrstrahlradars die Abstände, Relativgeschwindigkeiten und Azimutwinkel von vor dem Kraftfahrzeug 10 befindlichen Objekten, welche Radarwellen reflektieren. Die in regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise alle 10 ms, empfangenen Rohdaten werden in der Steuereinrichtung 14 ausgewertet, um einzelne Objekte zu identifizieren und zu verfolgen und um insbesondere ein unmittelbar auf der eigenen Fahrspur vorausfahrendes Fahrzeug zu erkennen und als Zielobjekt auszuwählen.
Wie weiter aus 1 ersichtlich, weist die Radarsensorvorrichtung 12 eine erfindungsgemäße planare Antenneneinrichtung 15 (siehe 2) auf, mit welcher auch ein vertikaler Winkel von erfassten Objekten bestimmt bzw. geschätzt werden kann.
In 2 ist die erfindungsgemäße planare Antenneneinrichtung 15 für die Radarsensorvorrichtung 12 näher dargestellt. Wie aus 2 ersichtlich, weist die planare Antenneneinrichung 15 eine vertikal ausgerichtete erste Antennenspalte 15a und zwei weitere vertikal ausgerichtete Antennenspalten 15b auf, welche jeweils sechs liniengespeiste Antennenelemente 16a, 16b bzw. Patch-Elemente aufweisen und welche in einer Ebene parallel zueinander angeordnet sind. Die Phasenzentren der Antennenspalten 15a, 15b sind auf einer zu den Antennenspalten 15a, 15b senkrechten Geraden g angeordnet.
Die Antennenspalten 15a, 15b weisen jeweils dieselbe Anzahl von liniengespeisten Antennenelementen 16a, 16b auf, welche jeweils in vertikaler Richtung einen konstanten Abstand Δεr zueinander aufweisen.
Die erste Antennenspalte 15a ist in zwei Subspalten 15a', 15a'' aufgeteilt, welche nicht über eine Leitung miteinander verbunden sind und welche jeweils drei bzw. dieselbe Anzahl an Antennenelementen 16a und jeweils einen separaten Signalabgriff 17a', 17a'' aufweisen, wobei die separaten Signalabgriffe 17a', 17a'' der Subspalten 15a', 15a'' wie aus 2 ersichtlich jeweils an abgewandten Enden der ersten Antennenspalte 15a angeordnet sind. Die Antennenspalten 15b weisen jeweils einen Signalabgriff 17b auf.
Die Speisung der Antennenspalten 15a, 15b an den Signalabgriffen 17a', 17a'', 17b erfolgt über einen nicht dargestellten Baustein, welcher als MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) ausgebildet und Teil der Radarsensorvorrichtung 12 bzw. der Steuereinrichtung 14 oder damit verbunden sein kann.
Die Signalsumme der Signalabgriffe 17a', 17a'' der Subspalten 15a, 15a'' der ersten Antennenspalte 15a weist einen Elevationswinkel von null Grad auf. Der vertikale Abstand ΔεLuft der Subspalten 15a', 15a'' der ersten Antennenspalte 15a zueinander entspricht der Wellenlänge der Trägerfrequenz in Luft. Durch den Phasenunterschied der beiden Subspalten 15a', 15a'' der ersten Antennenspalte 15a ist ein Elevationswinkel oder ein Schätzwert des Elevationswinkels wenigstens eines von der Radarsensorvorrichtung 12 erfassten Objekts bestimmbar.
Der Abstand der Mittelpunkte der Subspalten 15a', 15a'' zueinander bzw. deren örtlicher Versatz ist in 2 mit Δ bezeichnet. Der Abstand Δ entspricht dabei auch dem Aufwand der für einen Shift bzw. eine Verschiebung notwendig wäre, um die beiden Subspalten 15a', 15a'' übereinander zu legen.
Der Steuervektor a für die Übertragungseigenschaft der planaren Antenneneinrichtung 15 ergibt sich zu:
wobei n die Anzahl der Abstände Δεr von miteinander verbundenen Antennenelementen 16a der beiden Subspalten 15a', 15a'' innerhalb des örtlichen Versatzes Δ und φ der Einfallswinkel in Elevation ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004039743 A1 [0006]
DE 10256524 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Robert Bosch GmbH, ”Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung ACC”, Gelbe Reihe, Ausgabe 2002, Technische Unterrichtung [0002]

Claims

Planare Antenneneinrichtung (15) für eine Radarsensorvorrichtung (12) mit mehreren vertikal ausgerichteten und in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Antennenspalten (15a, 15b), welche jeweils wenigstens zwei liniengespeiste Antennenelemente (16a, 16b), insbesondere Patch-Elemente, aufweisen, wobei die Phasenzentren der Antennenspalten (15a, 15b) auf einer zu den Antennenspalten (15a, 15b) senkrechten Geraden (g) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste der Antennenspalten (15a) in zwei nicht miteinander verbundene Subspalten (15a', 15a'') aufgeteilt ist, welche jeweils dieselbe Anzahl an Antennenelementen (16a) und jeweils einen separaten Signalabgriff (17a', 17a'') aufweisen, wobei die separaten Signalabgriffe (17a', 17a'') der Subspalten (15a', 15a'') jeweils an abgewandten Enden der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a) angeordnet sind.
Planare Antenneneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenspalten (15a, 15b) jeweils dieselbe Anzahl von liniengespeisten Antennenelementen (16a, 16b) aufweisen, welche jeweils in vertikaler Richtung einen konstanten Abstand (Δεr) zueinander aufweisen.
Planare Antenneneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalsumme der Signalabgriffe (17a', 17a'') der Subspalten (15a', 15a'') der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a) einen Elevationswinkel von null Grad aufweist.
Planare Antenneneinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Abstand (Δε Luft) der Subspalten (15a', 15a'') der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a) zueinander der Wellenlänge der Trägerfrequenz in Luft entspricht.
Planare Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Phasenunterschied zwischen den beiden Subspalten (15a', 15a'') der wenigstens einen ersten Antennenspalte (15a) ein Elevationswinkel oder ein Schätzwert des Elevationswinkels wenigstens eines von der Radarsensorvorrichtung (12) erfassten Objekts bestimmbar ist.
Radarsensorvorrichtung (12) mit wenigstens einer planaren Antenneneinrichtung (15) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
Vorrichtung, insbesondere Fahrerassistenzsystem (11) eines Kraftfahrzeugs (10) mit wenigstens einer Radarsensorvorrichtung (12) gemäß Anspruch 6 zur Detektion von Objekten in einem Umfeld des Kraftfahrzeugs (10), und einer Steuereinrichtung (14), welche mit der wenigstens einen Radarsensorvorrichtung (12) verbunden ist.