DE19644164A1 - Kraftfahrzeug-Radarsystem - Google Patents

Kraftfahrzeug-Radarsystem

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Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug-Radar­ system nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Solche Kraftfahrzeug-Radarsysteme werden beispielsweise im Rahmen einer automatischen Geschwindigkeitsregelung eines Fahrzeugs zur Detektion vorausfahrender Fahrzeuge eingesetzt. Zum Schutz des Radarsystems vor Witterungseinflüssen befindet sich dabei üblicherweise eine strahlendurchlässige Abdeckung, d. h. in der Regel ein dielektrischer Körper im Strahlengang der elektromagnetischen Wellen. Häufig ist dieser Körper Bestandteil eines Gehäuses, das ein solches Kraftfahrzeug-Radarsystem umgibt. Vorzugsweise kann dieser Körper als dielektrische Linse ausgebildet sein und damit gleichzeitig zur Fokussierung der verwendeten elektro­ magnetischen Wellen dienen. Er kann jedoch auch wie in früheren Entwicklungsstufen solcher Systeme rein als Radom ohne gewollte fokussierende Wirkung ausgebildet sein. Die Wirkungsweise dielektrischer Linsen auf elektromagnetische Wellen ist allgemein beispielsweise in "Antenna Engineering Handbook" von H. Jasik oder in "Antennas" von J.D. Kraus, beide erschienen im McGraw-Hill-Verlag, beschrieben.
Ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug-Radarsystem ist beispiels­ weise in der EP 0 498 524 A2 beschrieben. Dabei handelt es sich in dieser Schrift um ein sogenanntes bistatisches Radarsystem, d. h. ein Radarsystem mit zwei getrennten Antennen für den Sende- und für den Empfangsweg. Das Sende­ element ist ein Hornstrahler, als Empfangselemente dienen drei nebeneinander angeordnete Patchantennenelemente. Das Sendeelement und die Empfangselemente sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, wobei sich eine Trennwand zwischen dem Sendeelement und den Empfangselementen befindet und so das gemeinsame Gehäuse in zwei getrennte Bereiche unterteilt. Jeder dieser beiden Gehäusebereiche ist in Strahlrichtung des Radarsystems mit einer dielektrischen Linse abgeschlossen.
Problematisch ist bei einem solchen Radarsystem, insbesondere wenn es zur Detektion vorausfahrender Fahrzeuge im Frontbereich eines Fahrzeugs montiert ist, daß sich durch aufgewirbelten Schmutz, Schnee oder Schneematsch, Eis und nicht zuletzt Feuchtigkeit Beläge auf der dielektrischen Linse bzw. allgemeiner auf einem dielektrischen Körper, der ein Fenster für die elektromagnetischen Wellen bildet, ablagern. Diese Beläge bewirken eine unerwünschte Dämpfung der hindurchtretenden elektromagnetischen Wellen, was letztendlich sogar zu Fehlfunktionen und zum Ausfall des Radarsystems führen kann. Dabei besteht dieses Problem natürlich unabhängig davon, ob es sich bei dem verwendeten Radar um ein Mikrowellen-Radar, wie in der zitierten Schrift, oder um ein Laser-Radar handelt.
Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es dementsprechend, ein Kraftfahrzeug-Radarsystem anzugeben, das angepaßt ist an die besonderen Umwelt- und Witterungsbedingungen, die sich bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug und insbesondere in dessen schmutzgefährdeten Bereichen ergeben. Insbesondere sollen Funktionsbeeinträchtigungen durch Verschmutzungen und Ablagerungen auf einer äußeren, dielektrischen Abdeckung im Strahlengang des Radarsystems erkannt und gegebenenfalls beseitigt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein äußerer dielektrische Körper im Strahlengang des Radar­ systems mindestens eine Anordnung aus elektrisch leitfähigen Bahnen besitzt. Dabei soll diese Anordnung so dimensioniert und/oder angeordnet sein, daß ihre Auswirkung auf den Strahlengang der elektromagnetischen Wellen vernachlässigbar ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Anordnung aus Leiterbahnen besteht, deren Breite maximal λ/10 beträgt und deren Abstände voneinander mindestens λ/4 groß sind. Dabei bezeichnet λ die Freiraumwellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Wellen. Die Leiterbahnen selbst sollen weitgehend senkrecht zur Polarisationsebene der abgestrahlten bzw. empfangenen Wellen verlaufen.
Vorzugsweise ist der äußere dielektrische Körper im Strahlengang des Radarsystems als Linse ausgebildet und dient somit gleichzeitig zur Fokussierung oder Streuung der hindurchtretenden elektromagnetischen Wellen.
Eine so dimensionierte, elektrisch leitfähige Anordnung kann nun einzeln oder in Kombination dazu genutzt werden, den dielektrischen Körper zu beheizen, auf ihm abgelagerte Verschmutzungen und Beläge festzustellen und/oder eine Funktionsüberprüfung des Radarsystems durchzuführen.
Je nach gewünschter Anwendung kann oder muß sich diese leitfähige Anordnung auf der Innenseite des dielektrischen Körpers, d. h. der Seite, die den Sende-/Empfangselementen zugewandt ist, der Außenseite oder auch innerhalb des dielektrischen Körpers selbst befinden.
Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ist, daß es zunächst­ einmal die gestellte Aufgabe löst, d. h. es gewährleistet eine sichere und zuverlässige Funktion auch unter den rauhen Umweltbedingungen, die sich bei einem Einsatz in oder an einem Kraftfahrzeug ergeben. So kann die elektrisch leitfähige Anordnung von einem Heizstrom durchflossen werden und so den dielektrischen Körper von Belägen wie Eis, Schnee oder Schneematsch befreien. Ebenso kann mit Hilfe eines Heizstroms der dielektrische Körper getrocknet oder trocken gehalten werden.
Unterteilt man die elektrisch leitfähige Anordnung in mindestens zwei voneinander getrennte Anteile, kann der Grad einer Verschmutzung oder eines Belages auf dem dielektrischen Körper bestimmt werden. Dabei muß sich die leitfähige Anordnung natürlich auf der Außenseite des dielektrischen Körpers befinden. Nun wird der elektrische Widerstand und die Kapazität zwischen den beiden getrennten Anteilen der Anordnung gemessen. Beide Größen gehen ein in den sogenannten Verlustwinkel tan δ eines Belagmaterials. Aus diesem läßt sich dann wiederum eine Aussage über die Dämpfungseigenschaften des Belags ableiten.
Besonders vorteilhaft ist eine Kombination dieser beiden genannten Nutzungsmöglichkeiten. So kann zum einen in Abhängigkeit einer festgestellten Verschmutzung bzw. eines festgestellten Belags ein Heizstrom, der die elektrisch leitfähige Anordnung durchfließt, eingeschaltet werden. Andererseits kann durch die Aufteilung in mindestens zwei Bereiche die Heizleistung auf einfache Weise variiert werden, beispielsweise für ein schnelles Freiheizen einer eisbedeckten Linse mit einer hohen Heizleistung und ein anschließendes Freihalten der Linse mit einer reduzierten Heizleistung.
Bildet zumindest ein Teil der elektrisch leitfähigen Anordnung eine Laufzeitleitung, kann auf einfache Weise die Funktion des Radarsystems anhand einer Zielsimulation überprüft werden. Dazu wird ein Radarimpuls bzw. ein Teil eines Radarimpulses in diese Leitung eingespeist. Bei einem bistatischen Radarsystem wird dieser Impuls nach Durchlaufen der Leitung in die Empfangsantenne eingekoppelt. Bei einem monostatischen System wird die Leitung am Ende reflektierend abgeschlossen und der eingespeiste Impuls somit wiederum in Richtung der einen kombinierten Antenne zurückgeworfen. Aufgrund der jeweils bekannten Signallaufzeit der Leitung erhält man ein Kontrollsignal für eine Funktionsüberprüfung des Radarsystems.
Besonders vorteilhaft ist, daß eine erfindungsgemäße Anordnung auf dem dielektrischen Körper sehr einfach und kostengünstig herzustellen ist. So können die Leiterbahnen bei einem Körper aus Keramik in hinreichend bekannter Dickschichttechnologie aufgebracht werden. Bei Körpern aus Kunststoff können die Leiterbahnen mit ebenfalls bekannten Verfahren sehr kostengünstig aufgedruckt werden.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Radarsystem im Querschnitt,
Fig. 2 die Ansicht eines Radarsystems mit einer erfindungs­ gemäßen Anordnung zur Beheizung,
Fig. 3a und b Querschnitte erfindungsgemäßer, vorzugsweise linsenförmiger dielektrischer Körper,
Fig. 4a und b die Ansicht eines Radarsystems mit einer erfindungsgemäßen Laufzeitleitung zur Funktionsüberprüfung,
Fig. 5 die Ansicht eines Radarsystems mit einer kombinierten Anordnung zur Beheizung und Funktions-Über­ prüfung,
Fig. 6 die Ansicht eines Radarsystems mit einer erfindungs­ gemäßen Anordnung zur Erkennung von Belägen und
Fig. 7 die Ansicht eines Radarsystems mit einer kombinierten, erfindungsgemäßen Anordnung zur Erkennung von Belägen und zur Beheizung.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Radarsystems in einem Gehäuse 10. In Strahlrichtung 13 der elektromagnetischen Wellen wird das Gehäuse 10 durch einen dielektrischer Körper 11 abgeschlossen. Dieser bildet für elektromagnetische Wellen ein Fenster und schützt so das Radarsystem vor äußeren Witterungseinflüssen. Innerhalb des Gehäuses 10 befinden sich Sende-/Empfangselemente 12 sowie eine Baugruppe 14 mit mehreren, unterschiedlichen Bau­ elementen 15. Der dielektrische Körper 11 ist entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung linsenförmig ausgebildet und dient gleichzeitig zur Fokussierung der elektromagnetischen Wellen. Auf seiner Innenseite, d. h. der Seite, die den Sende-/Empfangselementen 12 zugewandt ist, ist eine Anordnung aus elektrisch leitfähigen Bahnen 16 aufgebracht.
Fig. 2 zeigt die Ansicht oder Draufsicht des erfindungs­ gemäßen Radarsystems aus Fig. 1 mit dem Gehäuse 10 und dem dielektrischen Körper 11. Auf dem oder wahlweise innerhalb des dielektrischen Körpers 11 befindet sich eine Anordnung 21 aus einer mäanderförmigen, elektrisch leitfähigen Bahn. Die Breite dieser Bahn beträgt dabei maximal λ/10. Der Abstand zweier nebeneinander laufender Bahnen ist mindestens λ/4. Für eine hier beispielhaft angenommene Polarisations­ richtung der elektromagnetischen Welle von 45° rechts geneigt, verlaufen die einzelnen Bahnen überwiegend 45° links geneigt. Überwiegend bedeutet dabei, daß die kurzen Verbindungen zweier parallel laufender Bahnen natürlich von dieser Ausrichtung abweichen. Beginn und Ende der mäander­ förmigen Anordnung 21 sind als Anschlußkontakte 22 ausgeführt. Hier kann ein Strom eingespeist werden, um den dielektrischen Körper 11 auf diese Weise zu beheizen.
Fig. 3a und b zeigen entsprechend der bevorzugten Weiter­ bildung der Erfindung linsenförmige dielektrische Körper im Querschnitt. Fig. 3a zeigt dabei eine plankonvexe Linse 30, auf deren konvexer Oberfläche eine mäanderförmige Anordnung 31 gemäß Fig. 2 aufgebracht ist. Fig. 3b zeigt eine konvexe Linse 32 mit beidseitig gewölbten Oberflächen. Die elektrisch leitfähige Anordnung 33 befindet sich in einer Ebene zwischen den beiden gewölbten Oberflächen. Zur Herstellung kann diese Linse beispielsweise aus zwei einzelnen plankonvexen Linsen zusammengesetzt sein. Dabei können die beiden Hälften M1 und M2 aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Darüber hinaus kann eine erfindungs­ gemäße Anordnung natürlich auch auf der Innenseite einer Linse aufgebracht sein. Ein Beispiel dafür ist in der Querschnittsansicht in Fig. 1 gezeigt. Ebenso ist eine Realisierung der Erfindung mit beliebigen anderen Linsenformen denkbar.
Fig. 4a und b zeigen ebenfalls eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Radarsystem mit einem Gehäuse 10 und einem dielektrischen Körper 11. Elektrisch leitfähige Anordnungen 40 und 43 sind als Laufzeitleitung ausgebildet. Sie befinden sich zur Überprüfung des Radarsystems vorzugsweise auf der Außenseite des dielektrischen Körpers 11. In Fig. 4a ist die Laufzeitleitung 40 ringförmig im Randbereich des Strahlengangs der elektromagnetischen Wellen angeordnet. Aus diesem Grund kann hier auf einen Abstand der einzelnen Bahnen zueinander von mindestens λ/4 verzichtet werden. Ebenso kann die jeweilige Polarisationsrichtung in diesem Fall unberücksichtigt bleiben. Mit 41 ist ein als Patch­ element ausgeführter Einspeisepunkt bezeichnet. Mit 42 ist das Ende der Laufzeitleitung bezeichnet, das für das hier beispielhaft betrachtete, monostatische Radarsystem reflektierend abgeschlossen, d. h. entweder leerlaufend oder kurzgeschlossen ist. In Fig. 4b ist eine Laufzeitleitung mäanderförmig außerhalb des Strahlengangs der elektro­ magnetischen Wellen angeordnet. Nur ein Einspeisepunkt 44, der ebenfalls beispielhaft als Patchelement ausgeführt ist, befindet sich innerhalb des Strahlengangs. Bei einem bistatischen Radarsystem könnte das Ende der Leitung 43 ebenfalls als Patchelement ausgeführt sein und so die eingespeiste Leistung zur entsprechenden Empfangsantenne überkoppeln. Für das hier gezeigte monostatische Radarsystem ist das Leitungsende 43 wiederum reflektierend abge­ schlossen. Alternativ kann die Einkopplung eines Radar­ impulses zu Testzwecken auch durch eine galvanische Verbindung der Laufzeitleitung 40, 43 mit einer Sende-/Empfangs­ einrichtung des Radarsystems erfolgen.
Der Rückleiter der Laufzeitleitung 40, 43 ist wahlweise entweder wie bei einer Mikrostreifenleitung als leitende Fläche auf einer Rückseite des dielektrischen Körpers 11 oder als Koplanarleitung realisiert. Ähnlich wie bei Draht­ antennen kann je nach konkreter Realisierung auch ganz auf einen Rückleiter verzichtet werden.
Eine andere Realisierung einer Laufzeitleitung ist in Fig. 5 gezeigt. In diesem Beispiel ist die Laufzeitleitung mit der beheizbaren, mäanderförmigen Anordnung aus Fig. 2 kombiniert. Gleiche Bezeichnungen weisen dementsprechend auf dort beschriebene Bestandteile des Radarsystems hin. Ergänzend sind hier in der Mitte der mäanderförmigen Anordnung ein Einspeisepunkt 51 in Form einer Patchantenne und zwei Entkopplungsnetzwerke 52 am Anfang und am Ende der Anordnung eingebracht. Die Entkopplungsnetzwerke 52 lassen einen Heizstrom in Form von Gleichstrom passieren. Gleich­ zeitig bilden sie jedoch für hochfrequente Mikrowellen­ signale einen Kurzschluß. Dementsprechend werden Mikro­ wellensignale von den Entkopplungsnetzwerken 52 reflektiert.
Realisiert werden die Entkopplungsnetzwerke 52 vorzugsweise durch breitbandige, sogenannte "radial stubs", das sind kreissegmentförmige Leitungsstrukturen entsprechend der Darstellung in Fig. 5. Gemäß einer bevorzugten Weiter­ bildung dieses Ausführungsbeispiels beinhalten die Entkopplungsnetzwerke 52 Pindioden, mit denen ihre Abschluß­ impedanz verändert werden kann. Vorzugsweise sind die Entkopplungsnetzwerke damit ein- und ausschaltbar.
Auch Fig. 6 zeigt die Ansicht oder Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Radarsystem mit einen Gehäuse 10 und einem dielektrischen Körper 11. Überdeckt wird der dielektrische Körper 11 von zwei kammförmigen Anordnungen 61 und 62, die eng ineinander verzahnt sind, sich dabei jedoch nicht berühren. Zur deutlicheren Unterscheidung ist die Anordnung 61 hier mit gestrichelten Linien gezeichnet. Jedoch handelt es sich auch hier um eine elektrisch zusammenhängende Struktur. Zwischen den beiden verzahnten Anordnungen 61 und 62 kann ein Widerstand R und eine Kapazität c gemessen werden. Diese hängen vom Verlustwinkel tan δ des Materials zwischen den beiden Anordnungen und damit auch von dem Verlustwinkel tan δ eines gegebenenfalls vorhandenen Belages ab. Auf diese Weise kann die Signaldämpfung eines Belages und damit der Grad einer Verschmutzung bestimmt werden. Natürlich muß die elektrisch leitfähige Anordnung 61, 62 für diese Anwendung auf der Außenseite des dielektrischen Körpers 11 aufgebracht sein.
Fig. 7 zeigt ein ähnliches Bild wie Fig. 6. Im Gegensatz dazu sind hier die beiden elektrisch leitfähigen Anordnungen 71 und 72 jedoch jeweils als Heizkreise mit Kontakten 73 und 74 ausgebildet. Wiederum kann zur Feststellung einer Verschmutzung ein Widerstand R und eine Kapazität c zwischen den beiden Anordnungen gemessen werden. Zusätzlich kann an den Kontakten 73 und 74 wiederum ein Heizstrom zur Beheizung des Körpers in die Anordnung eingespeist werden.
Abschließend sei gesagt, daß die hier gezeigten Realisie­ rungen von erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Anordnungen als mögliche und bevorzugte Beispiele angesehen werden. Selbstverständlich ist der Erfindungsgedanke jedoch auch mit weiteren, hier nicht gezeigten Anordnungen realisierbar. Ebenso ist der dielektrische Körper, wie in den Figuren gezeigt, bevorzugt als Linse ausgebildet. Es kann sich jedoch ebenso um einen Körper handeln, der aus einem größeren dielektrischen Stück geformt ist und der nur in Teilbereichen linsenförmig ist. Ebenso kann der dielektrische Körper allein als Radom, das heißt ohne eine fokussierende Wirkung verwendet sein.

Claims (12)

1. Kraftfahrzeug-Radarsystem mit mindestens einem Sende-/Empfangs­ element (12) zum Senden und/oder Empfangen elektro­ magnetischer Wellen, wobei sich mindestens ein dielektrischer Körper (11) im Strahlengang (13) mindestens eines Sende-/Empfangselements (12) befindet und dadurch dieses mindestens eine Sende-/Empfangselement (12) vor Witterungseinflüssen schützt, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine dielektrische Körper (11) eine Anordnung aus elektrisch leitfähigen Bahnen (16) besitzt.
2. Kraftfahrzeug-Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Anordnung aus Leiterbahnen besteht, deren Breite maximal λ/10 beträgt und deren Abstände voneinander mindestens λ/4 betragen, wobei λ die Freiraumwellenlänge der elektromagnetischen Wellen bezeichnet.
3. Kraftfahrzeug-Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Bahnen der genannten Anordnung überwiegend senkrecht zur Polarisations­ richtung der genannten elektromagnetischen Wellen angeordnet sind.
4. Kraftfahrzeug-Radarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine dielektrische Körper eine dielektrische Linse zur Fokussierung oder Streuung der elektromagnetischen Wellen ist.
5. Kraftfahrzeug-Radarsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Anordnung aus elektrisch leitfähigen Bahnen auf einer Oberfläche des mindestens einen dielektrischen Körpers aufgebracht ist.
6. Kraftfahrzeug-Radarsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die genannte Anordnung aus elektrisch leitfähigen Bahnen innerhalb des mindestens einen dielektrischen Körpers befindet.
7. Kraftfahrzeug-Radarsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Anordnung aus elektrisch leitfähigen Bahnen zur Beheizung des mindestens einen dielektrischen Körpers dient.
8. Kraftfahrzeug-Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Anordnung aus elektrisch leitfähigen Bahnen eine Laufzeitleitung bildet, mit der ein Radarziel simuliert werden kann.
9. Kraftfahrzeug-Radarsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Laufzeitleitung gleich­ zeitig einen Heizkreis zur Beheizung des dielektrischen Körpers bildet.
10. Kraftfahrzeug-Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Anordnungen aus elektrisch leitfähigen Bahnen vorhanden sind, zwischen denen ein elektrischer Widerstand und eine Kapazität meßbar sind, wobei die gemessenen Werte des Widerstandes und der Kapazität als Indikatoren für den Grad einer Verschmutzung oder eines Belages des dielektrischen Körpers herangezogen werden.
11. Kraftfahrzeug-Radarsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei elektrisch leitfähigen Anordnungen kammförmig ausgebildet sind und dabei so ineinander greifen, daß sie sich nicht berühren.
12. Kraftfahrzeug-Radarsystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei elektrisch leitfähigen Anordnungen, zwischen denen ein elektrischer Widerstand und eine Kapazität meßbar sind, gleichzeitig auch zwei getrennt schaltbare Heizkreise bilden.
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