Title:
Radarsensor für Kraftfahrzeuge
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Radarsensor (14) für Kraftfahrzeuge (10), der in Vorwärtsrichtung (x) des Fahrzeugs eine Reichweite von mehr als 70 m hat, mit einer Gruppenantenne mit mehreren in Breitenrichtung (y) des Fahrzeugs in einer Reihe in Abstand zueinander angeordneten Antennenelementen und mit einem Speisenetzwerk, das dazu eingerichtet ist, den Antennenelementen phasengleiche Sendesignale zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Antennenelementen so gewählt sind, dass die Gruppenantenne neben einer vorwärts gerichteten Hauptkeule (16) zwei Nebenkeulen (18) erzeugt, deren Maxima symmetrisch zur Hauptkeule bei Azimutwinkeln zwischen 20 und 60° relativ zur Hauptkeule liegen und deren Leistungsmaxima zwischen 0 und –20 dB des Leistungsmaximums der Hauptkeule (16) betragen.





Inventors:
Baur, Klaus (88487, Mietingen, DE)
Loesch, Benedikt (70195, Stuttgart, DE)
Meyer, Johannes (71034, Böblingen, DE)
Schoor, Michael (70195, Stuttgart, DE)
Application Number:
DE102016206787A
Publication Date:
10/26/2017
Filing Date:
04/21/2016
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:
H01Q3/00; G01S7/03; G01S13/93
Foreign References:
WO2005073753A12005-08-11
Claims:
1. Radarsensor (14) für Kraftfahrzeuge (10), der in Vorwärtsrichtung (x) des Fahrzeugs eine Reichweite von mehr als 70 m hat, mit einer Gruppenantenne (22) mit mehreren in Breitenrichtung (y) des Fahrzeugs in einer Reihe in Abstand zueinander angeordneten Antennenelementen (26) und mit einem Speisenetzwerk (30), das dazu eingerichtet ist, den Antennenelementen (26) phasengleiche Sendesignale (S) zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände (d) zwischen den Antennenelementen (26) so gewählt sind, dass die Gruppenantenne (22) neben einer vorwärts gerichteten Hauptkeule (16) zwei Nebenkeulen (18) erzeugt, deren Maxima symmetrisch zur Hauptkeule bei Azimutwinkeln (θ) zwischen 20 und 60° relativ zur Hauptkeule liegen und deren Leistungsmaxima zwischen 0 und –20 dB des Leistungsmaximums der Hauptkeule (16) betragen.

2. Radarsensor nach Anspruch 1, bei dem die Sendesignale (S) eine von Antennenelement zu Antennenelement verschiedene Amplitude haben.

Description:

Die Erfindung betrifft einen Radarsensor für Kraftfahrzeuge, der in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs eine Reichweite von mehr als 70 m hat, mit einer Gruppenantenne mit mehreren in Breitenrichtung des Fahrzeugs in einer Reihe in Abstand zu einander angeordneten Antennenelementen und mit einem Speisenetzwerk, das dazu eingerichtet ist, den Antennenelementen phasengleiche Sendesignale zuzuführen.

Stand der Technik

Radarsensoren dieser Art werden in Kraftfahrzeugen in Verbindung mit Fahrerassistenzsystemen, beispielsweise Abstandsregelsystemen oder Kollisionswarnsystemen eingesetzt und dienen dazu, das Verkehrsumfeld des Fahrzeugs zu erfassen. Insbesondere dienen solche Radarsensoren zur Messung der Abstände, Relativgeschwindigkeiten und Azimutwinkel vorausfahrender Fahrzeuge. Wenn die Antennenelemente eng genug bei einander liegen, wird durch die Ansteuerung der Antennenelemente mit phasengleichen Sendesignalen eine Richtcharakteristik erreicht, bei der eine ausgeprägte Hauptkeule in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs erzeugt wird, also bei einen Azimutwinkel von 0°, während Nebenkeulen weitgehend unterdrückt sind.

Mit zunehmendem Funktionsumfang der Fahrerassistenzsysteme besteht Bedarf an Sensorsystemen, die auch in der Lage sind, das Vorfeld des eigenen Fahrzeugs in den Zonen rechts und links neben der eigenen Fahrspur detaillierter zu erfassen, beispielsweise um an Kreuzungen auch querende Fahrzeuge erkennen zu können. Bisher werden zu diesem Zweck häufig kurzreichweitige Radarsensoren an den linken und rechten Ecken oder Seiten des Fahrzeugs eingesetzt.

In WO 2005/073753 A1 wird ein Radarsensor beschrieben, der dazu dient, den Rückraum des eigenen Fahrzeugs sowie eine Zone auf einer Seite neben dem eigenen Fahrzeug zu erfassen. Dazu werden den Antennenelementen der Gruppensignale einzeln steuerbare Sendesignale zugeführt, bei denen die Amplituden- und Phasenbeziehungen so gewählt sind, dass neben einer nach rückwärts gerichteten Hauptkeule eine zur Seite des Fahrzeugs gerichtete Nebenkeule erzeugt wird. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass bei hinreichend großem Abstand zwischen den einzelnen Antennenelementen Interferenzeffekte auftreten, die zur Ausbildung mehrerer Radarkeulen führen, die unter unterschiedlichen Azimutwinkeln abgestrahlt werden. Die Gewichtung zwischen den Radarkeulen lässt sich dann durch die Wahl der Amplituden- und Phasenbeziehungen der Sendesignale beeinflussen. Durch die einzelne Ansteuerung der Antennenelemente ist es so beispielsweise möglich, die Gewichtung zwischen der rückwärts gerichteten Hauptkeule und der seitwärts gerichteten Nebenkeule je nach Verkehrssituation zu variieren. Allerdings erfordert die einzelne Ansteuerung der verschiedenen Antennenelemente einen relativ hohen apparativen Aufwand.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, mit geringem Installationsaufwand eine verbesserte Erfassung des Verkehrsumfelds zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Radarsensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Abstände zwischen den Antennenelementen so gewählt sind, dass die Gruppenantenne neben einer vorwärts gerichteten Hauptkeule zwei Nebenkeulen erzeugt, deren Maxima symmetrisch zur Hauptkeule bei Azimutwinkeln zwischen 20 und 60° relativ zur Hauptkeule liegen und deren Leistungsmaxima zwischen 0 und –20 dB des Leistungsmaximums der Hauptkeule betragen.

Anders als bei herkömmlichen langreichweitigen Radarsensoren werden somit die Nebenkeulen nicht unterdrückt, sondern gezielt herbeigeführt und zur Überwachung der Räume links und rechts neben der eigenen Fahrspur genutzt, wobei gleichzeitig mit der leistungsstarken Hauptkeule eine langreichweitige Überwachung des Raums unmittelbar vor dem eigenen Fahrzeug durchgeführt wird. Bei einem winkelauflösenden Radarsensor, bei dem der Azimutwinkel der georteten Objekte anhand der Amplituden- und Phasenbeziehungen der empfangenen Signals geschätzt werden kann, lässt sich dann unterscheiden, ob ein Objekt aus der Richtung der Hauptkeule oder einer der Nebenkeulen geortet wurde.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Speisenetzwerk so gestaltet, dass die Sendesignale, die den verschiedenen Antennenelementen zugeführt werden, zwar phasengleich sind und somit von einem einzigen Oszillator abgeleitet werden können, sich jedoch in ihrer Amplitude unterscheiden, um die Nebenkeulen ersten Ordnung zu verstärken und gleichzeitig Nebenheulen höherer Ordnung stärker zu unterdrücken. Geeignet ist beispielsweise eine sogenannte Tschebyscheff-Belegung, bei der die Amplituden der Sendesignale von der Mitte der Reihe der Antennenelemente aus zu den entgegengesetzten Enden hin mit einer bestimmten Gesetzmäßigkeit symmetrisch abnehmen.

Die Abstrahlungscharakteristik der Gruppenantenne ist jedoch nicht nur von den Abständen und Amplituden- und Phasenbeziehungen der verschiedenen Antenennelemente abhängig, die die sogenannte Gruppencharakteristik definieren, sondern auch von der Einzelcharakteristik jedes Antennenelements, die durch die Geometrie dieses Antennenelements bestimmt ist. Vorzugsweise wird über die Abmessungen und die Geometrie der Antennenelemente und damit über die Einzelcharakteristik die Abstrahlcharakteristik insgesamt so beeinflusst, dass eine stärkere Richtwirkung erzielt wird. Auf diese Weise lässt sich die Hauptkeule relativ zu den beiden Nebenkeulen verstärken.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine Prinzipskizze eines Ortungssystems eines Kraftfahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Radarsensor;

2 ein Blockdiagramm des Radarsensors; und

3 bis 5 Antennencharakteristiken des Radarsensors für unterschiedliche Belegungen der Antennenelemente.

In 1 ist in der Draufsicht ein Kraftfahrzeug 10 gezeigt, das eine zweispurige Fahrbahn 12 befährt. In der Frontpartie des Fahrzeugs ist mittig ein Radarsensor 14 eingebaut, der ein Radarsignal emittiert, dessen Abstrahlcharakteristik im wesentlichen durch drei Keulen bestimmt wird, nämlich eine in Fahrtrichtung x nach vorn gerichtete Hauptkeule 16 und zwei Gitterkeulen 18, die symmetrisch zu der Hauptkeule 16 liegen und mit dieser jeweils einen Winkel von knapp 45° bilden. Die Haupt- und Gitterkeulen 16, 18 geben den Ortungsbereich des Radarsensors 14 an, also den Bereich, in dem sich Objekte wie vorausfahrende Fahrzeuge oder andere Verkehrsteilnehmer befinden müssen, damit sie von dem Radarsensor 14 geortet werden können. Aufgrund der Gitterkeulen 18 ist der Radarsensor nicht nur für Objekte empfindlich, die sich in der von dem Fahrzeug 10 befahrenen Fahrspur oder den unmittelbar benachbarten Nebenspuren befinden, sondern auch für Objekte am Straßenrand. Die Reichweite der Hauptkeule 16 beträgt mindestens 70 m, vorzugsweise 200 m oder mehr, während die Gitterkeulen 18 jeweils eine etwas geringere Reichweite haben können.

In 2 sind die wesentlichen Komponenten des Radarsensors 14 in einem Blockdiagramm dargestellt. Ein Gehäuse 20 des Radarsensors nimmt eine Gruppenantenne 22 auf, die im gezeigten Beispiel durch drei auf einer gemeinsamen Platine 24 montierte Antennenelemente 26 (Patches) gebildet wird. Die Antennenelemente 26 sind mit gleichmäßigen Abständen d in einer Reihe angeordnet, die in Breitenrichtung y des Fahrzeugs 10 verläuft.

Ein lokaler Oszillator 28 erzeugt ein Radarsignal, beispielsweise mit einer Frequenz in der Größenordnung von 77 GHz, das durch ein Speisenetzwerk 30 in Sendesignale für die einzelnen Antennenelemente 26 aufgeteilt wird. Die Aufteilung des Signals erfolgt im gezeigten Beispiel mit Hilfe von Leitungstransformatoren 32, durch die das Signal so aufgeteilt wird, dass sich die Amplituden der einzelnen Sendesignale S voneinander unterscheiden. Die bei der Herstellung des Radarsensors festgelegte Konfiguration der Leitungstransformatoren 32 bestimmt somit die Amplitudenbelegung der Antennenelemente 26, die dann während der gesamten Betriebsdauer des Radarsensors stabil erhalten bleibt.

Die Leitungspfade des Speisenetzwerkes 30, die die Antennenelemente 26 mit den Leistungstransformatoren 32 verbinden, sind indessen so ausgelegt, dass alle Sendesignale S bei Eintreffen an den Antennenelementen 26 die gleiche Phase haben. In einer praktischen Ausführungsform können diese Leitungspfade einschließlich der Leitungstransformatoren gemeinsam mit den Antennenelementen 26 auf der Platine 24 angeordnet sein.

Wenn λ die Wellenlänge des Radarsignals ist, so sind die Abstände d zwischen den einzelnen Antennenelementen 26 größer als λ. Das hat zur Folge, dass sich die Antennenelemente 26 nicht wie ein einziges großflächiges Antennenelement verhalten, sondern es aufgrund von Interferenzeffekten zur Ausbildung von Gitterkeulen und damit insbesondere zur Ausbildung der ausgeprägten Nebenkeulen 18 kommt.

Die einzelnen Antennenelemente 26 haben beispielsweise die Form von rechteckigen Patches, deren Abmessungen so gewählt sind, dass jedes Antennenelement für sich allein eine gewisse Richtcharakteristik hat, die als Einzelcharakteristik bezeichnet wird. Die Interferenzen zwischen den einzelnen Antennenelementen führen dagegen zu einer Gruppencharakteristik, die von den Abständen d von Element zu Element abhängig ist, wobei diese Elemente idealisiert als Punktquellen betrachtet werden. Insgesamt setzt sich somit die Abstrahlungscharakteristik der Gruppenantenne 22 aus zwei Komponenten zusammen, nämlich der Einzelcharakteristik jedes einzelnen Antennenelements 26 und der Gruppencharakteristik. Die Richtwirkung der Einzelcharakteristik bewirkt im gezeigten Beispiel, dass die Hauptkeule 16 eine größere Reichweite hat als die Nebenkeulen 18.

3 zeigt ein Beispiel einer Gruppencharakteristik für eine Anordnung mit drei Punktstrahlern. Gezeigt ist die normierte Leistung (in dB) des Radarsignals als Funktion des Azimutwinkels θ, den die jeweilige Abstrahlrichtung mit der Vorwärtsrichtung x bildet. Man erkennt die Hauptkeule 16 bei θ = 0° und die ausgeprägten Nebenkeulen 18, die hier etwa bei θ = ±40° liegen. Darüber hinaus sind schwächere Maxima 34 höherer Ordnung zu erkennen, von denen jeweils eines zwischen der Hauptkeule und einer der Nebenkeulen liegt.

Die Charakteristik nach 3 erhält man, wenn die Sendesignale S für alle drei Antennenelemente 26 die gleiche Amplitude haben.

4 zeigt eine entsprechende Gruppencharakteristik für den Fall, dass eine andere Amplitudenbelegung gewählt wird, insbesondere eine Amplitudenbelegung, bei der die Sendesignale für die beiden äußeren Antennenelemente eine kleinere Amplitude haben als das Sendesignal für das zentrale Element. Ein Beispiel einer geeigneten Amplitudenbelegung ist eine sogenannte Tschebyscheff-Belegung. Man erkennt in 4, dass durch diese Amplitudenbelegung die Maxima 34 höherer Ordnung stärker unterdrückt werden, so dass entsprechend mehr Leistung für die Hauptkeule 16 und die beiden primären Nebenkeulen 18 zur Verfügung steht.

5 zeigt ein Antennendiagramm im Fernfeld, das auch den Effekt einer speziellen Einzelcharakteristik der Antennenelemente 26 berücksichtigt. Die Folge ist, dass die Nebenkeulen 18 gegenüber der Hauptkeule 16 etwas unterdrückt sind, so dass ihr Leistungsmaximum um etwa 10 dB kleiner ist als das Leistungsmaximum der Hauptkeule 16.

In dem in 2 gezeigten Beispiel dienen die Antennenelemente 26 nicht nur zum Senden der Radarsignale, sondern auch zum Empfang der Radarechos. In jedem Ast des Speisenetzwerkes ist ein Mischer 36 angeordnet, der das vom Antennenelement 26 empfangene Radarecho mit einem Teil des Sendesignals S mischt und das Mischprodukt an eine Auswerteschaltung 38 ausgibt. Entsprechend dem Funktionsprinzip eines FMCW-Radars (Frequency Modulated Continuous Wave) ist das von dem Oszillator 28 erzeugte Signal in seiner Frequenz rampenförmig moduliert. Die Frequenz der von den Mischern 36 erzeugten Mischprodukte, die auch als Basisbandsignale bezeichnet werden, entspricht jeweils dem Frequenzunterschied zwischen dem Sendesignal S und dem empfangenen Radarecho. Aufgrund der Modulation des Sendesignals ist dieser Frequenzunterschied einerseits von der Steigung der Modulationsrampe und der Laufzeit des Signals vom Radarsensor 14 zum Objekt und zurück vom Objekt zum Radarsensor abhängig. Andererseits ist dieser Frequenzunterschied aufgrund des Doppler-Effektes auch von der Relativgeschwindigkeit des reflektierenden Objekts abhängig. Aus den Basisbandsignalen, die man für mindestens zwei Frequenzrampen mit unterschiedlicher Steigung erhält, lassen sich dann in der Auswerteschaltung 38 in bekannter Weise der Abstand und die Relativgeschwindigkeit des georteten Objekts errechnen. Durch Vergleich der Amplituden und Phasen der von den verschiedenen Antennenelementen 26 erhaltenen Zwischenfrequenzsignale lässt sich außerdem der Azimutwinkel des Objekts bestimmen.

In einer modifizierten Ausführungsform können auch mehr als drei Antennenelemente 26 vorgesehen sein, um eine größere Winkelauflösung des Radarsensors zu erreichen.

Ebenso sind Ausführungsformen denkbar, bei denen die Antennenelemente 26 nur zum Senden dienen und für den Empfang der Radarechos ein oder mehrere separate Antennenelemente vorgesehen sind (bistatisches Antennenkonzept). In dem Fall hat die Empfangsantennenanordnung vorzugsweise eine weit aufgefächerte Empfangskeule, so dass sie in der Lage ist, Radarechos von jeder der mehreren Sendekeulen zu empfangen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • WO 2005/073753 A1 [0004]