WO2013034281A1 - Abbildender radarsensor mit schmaler antennenkeule und weitem winkel-detektionsbereich - Google Patents

Abbildender radarsensor mit schmaler antennenkeule und weitem winkel-detektionsbereich Download PDF

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    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for increasing the pivoting range of the antenna beam of the receiving array of imaging radar sensors.
  • Millimeter wave radar sensors e.g. As for automotive applications at short distances, in addition to a high range and angular resolution also have the widest possible angle detection range, so that the number of mounted around the vehicle sensors can be reduced to a minimum.
  • the sensors are usually used for the application "active safety" and serve in addition to the pedestrian protection and to support the driver in city traffic and in dense stop and go traffic.
  • the antenna opening angle can be reduced without increasing the physical size of the receiving antenna.
  • the illustrated methods have the purpose of reducing the antenna beam width by doubling the aperture by means of a synthetic array, but not increasing the maximum possible tilt angle.
  • the object of the invention is to provide a device, a method and a radar system, in which a coupling by approaching the antenna lines is avoided, and thus a wide tilt angle can be realized.
  • N number of antenna lines
  • a typical wavelength ⁇ is 3.9 mm, which corresponds to a transmission frequency of about 77GHz.
  • a typical line spacing is between 1, 5 or 1, 8 mm and 3 mm.
  • tilt angles of up to + -40 degrees can usually be achieved. Beyond that, approach the individual lines to the extent that a no longer negligible overcoupling between the lines is formed, and beam forming is no longer possible.
  • a radar sensor for detecting objects within a swivel range, comprising at least two switchable transmit antennas and a plurality of receive antennas.
  • the transmit antennas and receive antennas each extend oblong, parallel to each other, in a first direction.
  • the receiving antennas are arranged in a row.
  • the series extends in a second direction.
  • adjacent receiving antennas each have a distance d2 to each other.
  • the transmitting antennas are offset relative to each other with respect to the first direction, and a distance d from each other with respect to the second direction.
  • the distance d2 of adjacent receiving antennas is at least twice as large, preferably twice as large as the distance d of the transmitting antennas.
  • the number of receiving antennas is N. This allows swivel angles greater than 40 degrees. Panning angle is understood to be the deviation from the main direction of radiation. With a swivel angle of 70 ° can be swiveled in the range between -70 ° and + 70 °.
  • a first one of the transmitting antennas is fed such that the feed is in the second direction and a second one of the transmitting antennas is fed in such a way that the feeding takes place counter to the second direction.
  • this embodiment it is possible to arrange the drivers for the two transmitting antennas adjacent and then to branch off to the two transmitting antennas in two directions, whereby the lines between the transmitting amplifier and the transmitting antennas can be formed as short as possible and at the same time as uniform as possible.
  • the device for the pivoting of the antenna lobe comprises at least 2 transmitting antennas, a number of multiple equally spaced receiving antennas with so-called “linear uniform array", the transmitting antennas being arranged at a distance d from each other in this first embodiment, which corresponds to half the distance between two lines of reception, so that in this case no coupling occurs between the two transmitting antennas, these are as shown in Fig. 2, arranged opposite each other.
  • the receiving antennas would be arranged so close to each other that a non-negligible electromagnetic coupling between the individual antennas is created, which would disturb the diagram of the entire array.
  • an artificial array is generated, which comes to lie exactly between the receive lines, whereby the transmitters are operated consecutively in time and the receive signals from both measurement cycles.
  • the result for the first embodiment corresponds to one corresponds to a synthetic array, as illustrated in Fig. 3.
  • the phases of the received signals of the synthetic array with only one active transmitter correspond to the phases of the real array in the case of alternating transmitters.
  • the beam sweep is distorted by the Doppler effect. This is to be compensated by a Doppler filtering with subsequent correction calculation.
  • the device comprises a frequency generator for generating signals, which are emitted by the transmitting antennas in succession, at least one processing unit for performing at least one link of the received signals emitted by the receiving antennas according to the method of digital beam forming to produce a collimated antenna beam and a display device for display the position of the object.
  • an apparatus for beam steering of a radar sensor to extreme pivoting angles provided with at least two switchable transmission antennas.
  • a number of a plurality of receiving antennas arranged in series are provided, wherein the receiving antennas are arranged at a distance which is twice the distance which is necessary to pivot the beam in an unambiguous manner, wherein the transmitting antennas in the first embodiment are arranged at a distance opposite one another are, which corresponds to the distance required for a clear beam swing.
  • the device has a number of 8, 16 or 32 receiving antennas.
  • the position of the object can be displayed by means of the display device via an antenna diagram.
  • Figure 1 shows schematically the functional blocks of a radar sensor
  • Figure 2 shows the arrangement of the antennas of the radar sensor
  • Figure 3 shows the real aperture and the resulting synthetic arrangement according to a first embodiment
  • Figures 4a, b illustrate how a beam sweep is performed
  • FIG. 5 shows an antenna diagram without beam sweep
  • FIG. 6 shows an antenna diagram with a strong beam swing.
  • Figure 7 shows the real aperture and the resulting synthetic arrangement according to an alternative embodiment
  • Figure 8 illustrates how a beam sweep in the alternative
  • Embodiment is performed with overlapping receiving antenna in synthetic antenna array
  • the invention relates to a frequency-modulated continuous wave radar (FMCW radar) according to FIG. 1, which monitors an area with the aid of digital beamforming.
  • the radar sensor consists of a transmitter with two outputs and several, in In this case, sixteen recipients.
  • Fig. 1 shows a transmitter with an integrated frequency modulator and 2 switchable outputs and 4 receiver blocks, each with four receiving channels. In the receiver blocks, the received signals are mixed down to a baseband.
  • FIG. 1 shows a radar sensor with a transmitter (1), two transmitting antennas (10), four receiver blocks (2) and sixteen receiving antennas (20).
  • the transmitter (1) contains a modulator (16), a frequency generator (13), a frequency divider (14), an adjustable amplifier (12) and two switchable drivers (11).
  • the frequency generator (13) generates an output signal with a continuously varying frequency between 76 to 77 GHz. The variation is effected by the modulator (16).
  • the output signal is output to the amplifier (12) whose amplitude is adjustable.
  • the output signal of the amplifier (12) is output to the inputs of the two drivers (11), which are switched on and off.
  • the outputs of the drivers (11) each drive one of the transmitting antennas (10).
  • the frequency generator (13) of the transmitter 2 outputs at its output also a signal to the frequency divider (14), which outputs an output signal which has half the frequency of the output signal of the frequency generator.
  • the receiver blocks 2 each contain a frequency multiplier (22) and four mixers (21).
  • the frequency multipliers (22) receive the output signal of the frequency divider (14) of the transmitter (1), respectively generate a signal with twice the frequency as their input signal, and output their respective generated signals to first inputs of the mixers (21).
  • the mixers (21) are each connected to second inputs, each having a receiving antenna (20), so that in the mixer (21) the signal received by the receiving antenna is mixed down in each case to a baseband.
  • the output signals of the mixers (21) are evaluated in a processing unit not shown in FIG. Fig. 2 shows the physical arrangement of the antennas in a first embodiment. It shows the arrangement of the transmitting antennas (10) and the receiving antennas (20) in plan view.
  • the transmit antennas (10) and the receive antennas (20) are implemented as patch antennas extending in an xy plane.
  • the receiving antennas (20) each have so-called antenna lines (28) which consist of nine receiving beam elements (24) and intervening connecting lines.
  • the receiving beam elements (24) of an antenna line (28) are arranged one behind the other so that the antenna line (28) is elongate and extends in the y direction.
  • the antenna lines (28) from the receiving antenna (20) are all parallel to each other and are at the same height with respect to the y-direction.
  • the antenna lines (28) are thus arranged next to one another with respect to the x direction, wherein the outer antenna lines are referred to as the right antenna line and the left antenna line, respectively.
  • the z-direction is shown in the drawing sheet.
  • the z-direction is the direction in which objects are to be detected.
  • the z direction is the direction of travel.
  • the antenna lines (28) each have a feed point, with which they are connected via a strip line (23) to an input of the receiver block (2).
  • the receiving antennas (20) each have only one antenna line (28), so that in each case only one antenna line (28) is connected via its respective feed point to an input of a receiver block (2).
  • the two transmitting antennas (10) each contain an antenna line (18).
  • the antenna lines (18) each have transmitter beam elements (17) and intermediate connection lines.
  • the emitter beam elements (17) of an antenna line (18) are lined up one behind the other so that the antenna line (18) is elongated and extends in the y direction.
  • the antenna lines (18) are all parallel to each other. However, in the antenna lines (18) with respect to each other the first direction (y) offset from each other. With respect to the second direction (x), the antenna lines 10 have a distance d from each other. The distance is always related to the phase centers of the respective antenna lines.
  • the distance d2 of adjacent receiving antennas (20) is twice as large as the distance d of the transmitting antennas (10).
  • a first one of the transmitting antennas (10) is fed in such a way that it is fed in the first direction y and a second one of the transmitting antennas (10) is fed in such a way that the feeding takes place counter to the first transmitting antenna in the direction (y).
  • the transmit antennas and the receive antenna array typically have a vertical beamwidth of 10 degrees.
  • the horizontal beam width of the transmitter is designed so that the desired detection range of + -70 degrees is approximately illuminated. The same applies to the horizontal beam width of the individual lines of the receive array.
  • the received signals are converted by the receiver into the baseband in the correct phase and digitized.
  • the signals radiated, reflected and received by the alternating transmission antennas are now combined in the subsequent signal processor to form the synthetic array. Beam shaping and tilting are now carried out using the "digital beamforming" method.
  • FIG. 3 shows the real aperture and the resulting synthetic arrangement according to a first embodiment.
  • the signals of the individual lines are first weighted. This is typically done by a so-called "Dolph Chebychev" function. If now a beam pivoting about the angle ⁇ be performed, then the signals of the individual lines are to be moved by a multiple of the angle ⁇ in the phase by the method outlined in Figures 4a and 4b.
  • the angle ⁇ is calculated according to the formula d
  • FIG. 5 shows the antenna diagram without beam sweep.
  • the antenna pattern at the extreme tilt angle of 70 ° can be seen. Because of the oblique angle of view, broadening of the antenna beam initially occurs. Furthermore, the antenna gain is reduced, since the diagrams of the individual lines at this extreme angle also have a reduced profit. Likewise, the side lobes rise. Nevertheless, the diagram is sufficiently good to detect objects at the outer edge of the detection area. The angle measurement accuracy is reduced according to the broadening of the main lobe of the array diagram.
  • FIG. 7 shows the real aperture and the resulting synthetic arrangement with the antenna lines used for beam steering according to an alternative embodiment.
  • the antenna lines located outside in the synthetic array due to the distance d3 of three times d between the transmitting antennas Tx1 and Tx2 in a second direction, the antenna lines located outside in the synthetic array, with a distance greater than d to the next inner antenna line, can not be taken into account for beam steering because they do not meet the criterion for the extreme swing angle.
  • the alternative embodiment shows the translation of the array of receive antenna lines through an outer by d3 in a second direction to the nearest inner antenna line, which allows overlap of the receive signal in the synthetic array for velocity correction. If now a beam pivoting about the angle ⁇ be performed, the signals of the individual lines are to be moved in the phase by a multiple of the angle ⁇ according to the outlined in Figure 8 method for the received signal considered in the beam sweep.
  • the angle ⁇ is calculated according to the formula

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Gegenständen innerhalb eines Schwenkbereichs, mit mindestens zwei schaltbaren Sendeantennen (10), einer Vielzahl von Empfangsantennen (20), wobei die Sendeantennen (10) und Empfangsantennen (20) sich jeweils länglich, parallel zueinander, in eine erste Richtung (y) erstrecken, und die Empfangsantennen (10) in einer Reihe angeordnet sind und die Reihe sich in eine zweite Richtung (x) erstreckt, wobei die Empfangsantennen (20) und die Sendeantennen (10) so angeordnet sind, das sie durch die sequenzielle Ansteuerung der Senderantennen und der Positionen der Sende- und Empfangsantennen ein synthetisches Empfangsantennenarray für die Strahlschwenkung erzeugen, wobei der sich ergebene Abstand der Positionen der Empfangsantennen im synthetischen Empfangsantennenarray in der zweiten Richtung d entspricht, wobei die benachbarten Empfangsantennen im der Vorrichtung einen Abstand von d2 oder größer aufweisen und d2 doppelt so groß ist wie der Abstand d.

Description

Beschreibung
Abbildender Radarsensor mit schmaler Antennenkeule und weitem Winkel- Detektionsbereich
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung des Schwenkbereichs des Antennenstrahls des Empfangsarrays von abbildenden Radarsensoren.
Millimeterwellen-Radarsensoren, z. B. für automobile Anwendungen bei kurzen Entfernungen, sollen neben einer hohen Entfernungs- und Winkelauflösung auch einen möglichst breiten Winkeldetektionsbereich besitzen, damit die Anzahl der um das Fahrzeug montierten Sensoren auf ein Minimum reduziert werden kann.
Die Sensoren werden in der Regel für die Applikation„aktive Sicherheit" eingesetzt und dienen neben dem Fußgängerschutz auch zur Unterstützung des Fahrers im Stadtverkehr sowie im dichten Stop- und Go-Verkehr.
Aus der Dissertation von Dr. Winfried Mayer mit dem Titel„Abbildender Radarsensor mit sendeseitig geschalteter Gruppenantenne", Cuvillier Verlag, Göttingen 2008, ISBN 978-3-86727-565-1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bekannt, welches mit der Technik der digitalen Strahlformung, bei denen ein Antennenarray mit mehreren Sendern und mehreren Empfängern eingesetzt wird, ein Gebiet überwacht.
Durch den zeitlich aufeinanderfolgenden Einsatz der Sender, kann der Antennenöffnungswinkel verkleinert werden, ohne dass dabei die physikalische Größe der Empfangsantenne zunimmt.
In der Veröffentlichung IM„N.Kees.E.Schmidhammer and J.Detlefsen" Improvement of angular resolution of a millimeterwave imaging System by transmitter location multiplexing." in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., Orlando, FL. May1995, vol.2, pp.969-972" wird ein Verfahren zur Erzeugung einer synthetischen Antennenapertur beschrieben, mit dessen Hilfe die Antennenstrahlbreite reduziert und damit die Winkelauflösung verbessert werden kann.
Die dargestellten Verfahren haben den Zweck der Reduzierung der Antennenbeambreite durch Verdoppelung der Apertur mit Hilfe eines synthetischen Arrays, nicht jedoch der Erhöhung des maximal möglichen Schwenkwinkels.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung, ein Verfahren sowie ein Radarsystem zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Verkopplung durch Annäherung der Antennenzeilen vermieden wird, und damit ein weiter Schwenkwinkel realisiert werden kann.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der maximal mögliche Schwenkwinkel Omax eines linearen Antennenarrays mit gleichem Zeilenabstand berechnet sich nach der Formel τηαχ =
Figure imgf000004_0001
mit
λ: Wellenlänge
d: Zeilenabstand der Einzelzeilen
N: Anzahl der Antennenzeilen
Eine typische Wellenlänge λ ist 3,9 mm, was einer Sendefrequenz von etwa 77GHz entspricht. Ein typischer Zeilenabstand ist zwischen 1 ,5 bzw. 1 ,8 mm und 3 mm.
Aus der Formel ergibt sich, dass der Schwenkwinkel also umso größer ist, je kürzer der Abstand zwischen den Antennenzeilen ist.
Bei einer sog. Microstrip-Patch-Antenne im Millimeterwellenbereich lassen sich üblicherweise Schwenkwinkel bis zu +-40 Grad erzielen. Darüberhinaus nähern sich die Einzelzeilen soweit an, dass eine nicht mehr zu vernachlässigende Überkopplung zwischen den Zeilen entsteht, und eine Strahlformung nicht mehr möglich ist.
Es wird ein Radarsensor zum Erfassen von Gegenständen innerhalb eines Schwenkbereichs, mit mindestens zwei schaltbaren Sendeantennen und einer Vielzahl von Empfangsantennen bereitgestellt. Die Sendeantennen und Empfangsantennen erstrecken sich jeweils länglich, parallel zueinander, in eine erste Richtung.
Die Empfangsantennen sind in einer Reihe angeordnet. Die Reihe erstreckt sich in eine zweite Richtung. Dabei haben benachbarte Empfangsantennen jeweils einen Abstand d2 zueinander.
In einer ersten Ausführungsform sind die Sendeantennen in Bezug auf die erste Richtung zueinander versetzt, und in Bezug auf die zweite Richtung einen Abstand d voneinander angeordnet. Der Abstand d2 benachbarter Empfangsantennen ist mindestens doppelt so groß, vorzugsweise doppelt so groß, wie der Abstand d der Sendeantennen.
Durch den Versatz der Sendeantennen ist es möglich, den Abstand zwischen den Sendeantennen so klein zu wählen, wie es für große Schwenkwinkel notwendig ist, ohne dass die Abstrahlcharakteristik einer Sendeantenne stark von dem Vorhandensein der jeweils anderen Sendeantenne gestört wird.
Vorzugsweise gilt folgendes : arcsin -1 > 40°
Figure imgf000005_0001
wobei die Anzahl der Empfangsantennen N ist. Damit sind Schwenkwinkel größer 40 Grad möglich. Unter Schwenkwinkel wird die Abweichung von der Hauptstrahlrichtung verstanden. Bei einem Schwenkwinkel von 70 ° kann in dem Bereich zwischen -70° und +70° geschwenkt werden. In der ersten Ausführungsform wird eine erste der Sendeantennen derart gespeist, dass die Einspeisung in die zweite Richtung erfolgt und eine zweite der Sendeantennen derart gespeist wird, dass die Einspeisung entgegen der zweiten Richtung erfolgt.
Dadurch ist es bei dieser Ausführungsform möglich, die Treiber für die beiden Sendeantennen benachbart anzuordnen und dann zu den beiden Sendeantennen in zwei Richtungen abzuzweigen, wodurch die Leitungen zwischen den Sendeverstärker und den Sendeantennen möglichst kurz und zugleich möglichst gleichmäßig ausgebildet werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Anmeldung umfasst die Vorrichtung zur Schwenkung der Antennenkeule mindestens 2 Sendeantennen, eine Anzahl mehrerer in Reihe angeordneter Empfangsantennen mit gleichem Abstand sog. „linear uniform array" , wobei die Sendeantennen in dieser ersten Ausführungsform zueinander in einem Abstand d angeordnet sind, welcher dem halben Abstand zwischen zwei Empfangszeilen entspricht. Damit hierbei keine Überkopplung zwischen den beiden Sendeantennen entsteht, sind diese wie in Fig. 2 dargestellt, einander gegenüberliegend angeordnet.
Um nun beispielsweise einen Schwenkwinkel von 70 Grad zu realisieren, wären die Empfangsantennen derart dicht beieinander anzuordnen, dass eine nicht zu vernachlässigenden elektromagnetische Verkopplung zwischen den Einzelantennen entsteht, welche das Diagramm des gesamten Arrays stören würde. Um diese zu vermeiden, wird nach dem Prinzip des„Transmitter location Multiplexing", wie es in IM beschrieben wird, ein künstliches Array erzeugt, welches genau zwischen den Empfangszeilen zum Liegen kommt. Dabei werden die Sender zeitlich aufeinanderfolgend betrieben und die Empfangssignale aus beiden Meßzyklen miteinander verknüpft. Das Ergebnis für die erste Ausführungsform entspricht einem entspricht einem synthetischen Array, wie es in Fig. 3 abgebildet ist. Die Phasen der Empfangssignale des synthetischen Arrays bei nur einem aktiven Sender entsprechen dabei den Phasen des realen Arrays bei alternierenden Sendern. Bei bewegten Objekten wird die Strahlschwenkung durch den Dopplereffekt verfälscht. Dieses ist durch eine Dopplerfilterung mit anschließender Korrekturrechnung zu kompensieren.
In einer alternativen Ausführungsform wir die Überlagerung von realer und synthetischer Empfangsantennenzeile die Doppler-Phasenverschiebung messtechnisch erfasst und damit die Korrekturrechnung wie im Patent DE 102011113015.6 „Abbildender Radarsensor mit synthetischer Vergrößerung der Antennenaperatur und zweidimensionaler Strahlschwenkung" beschrieben durchgeführt, dessen Inhalt diesbezüglich auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
Ferner umfasst die Vorrichtung einen Frequenzgenerator zur Erzeugung von Signalen, welche von den Sendeantennen zeitlich aufeinanderfolgend abgegeben werden, mindestens eine Verarbeitungseinheit zur Durchführung mindestens einer Verknüpfung der von den Empfangsantennen abgegebenen Empfangssignale nach der Methode der digitalen Strahlformung zur Erzeugung eines gebündelten Antennenstrahls und eine Wiedergabeeinrichtung zur Darstellung der Position des Objekts.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Anmeldung wird eine Vorrichtung zur Strahlschwenkung eines Radarsensors zu extremen Schwenkwinkeln, mit mindestens zwei schaltbaren Sendeantennen bereitgestellt. Dabei sind eine Anzahl mehrerer in Reihe angeordneter Empfangsantennen vorgesehen, wobei die Empfangsantennen in einem Abstand angeordnet sind, welcher dem doppelten Abstand entspricht, der nötig ist um den Strahl in eindeutiger Weise zu schwenken, wobei die Sendeantennen bei der ersten Ausführungsform gegenüberliegend in einem Abstand angeordnet sind, welcher dem Abstand entspricht der für eine eindeutige Strahlschwenkung erforderlich ist. Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung eine Anzahl von 8, 16 oder 32 Empfangsantennen auf.
Gemäß vorteilhafter Weiterbildung ist die Position des Objekts mittels der Wiedergabeeinrichtung über ein Antennendiagramm darstellbar.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleich Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt schematisch die Funktionsblöcke eines Radarsensors;
Figur 2 zeigt die Anordnung der Antennen des Radarsensors;
Figur 3 zeigt die reale Apertur und die sich ergebene synthetische Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
Figur 4 a,b veranschaulichen, wie eine Strahlschwenkung durchgeführt wird;
Figur 5 zeigt ein Antennendiagramm ohne Strahlschwenkung
Figur 6 zeigt ein Antennendiagramm mit einer starken Strahlschwenkung.
Figur 7 zeigt die reale Apertur und die sich ergebende synthetische Anordnung gemäß einer alternativen Ausführungsform;
Figur 8 veranschaulicht, wie eine Strahlschwenkung bei der alternativen
Ausführungsform mit überlappender Empfangsantenne in synthetischen Antennenarray durchgeführt wird;
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleich Bezugszeichen versehen.
Die Erfindung betrifft ein frequenzmoduliertes Dauerstrich Radar (FMCW-Radar) nach Fig. 1 , welches ein Gebiet mit Hilfe der digitalen Strahlformung überwacht. Der Radarsensor besteht dabei aus einem Sender mit zwei Ausgängen und mehreren, in diesem Fall sechszehn Empfängern. Fig. 1 zeigt einen Sender mit integriertem Frequenzmodulator und 2 schaltbaren Ausgängen und 4 Empfänger-Blöcke mit je vier Empfangskanälen. In den Empfängerblöcken werden die Empfangssignale auf ein Basisband herabgemischt.
Figur 1 zeigt dabei einen Radarsensor mit einem Sender (1 ), zwei Sendeantennen (10), vier Empfängerblöcken (2) und sechszehn Empfangsantennen (20). Der Sender (1 ) enthält einen Modulator (16), einen Frequenzgenerator (13), einen Frequenzteiler (14), einen einstellbaren Verstärker (12) sowie zwei schaltbare Treiber (11 ). Der Frequenzgenerator (13) erzeugt ein Ausgangssignal mit einer kontinuierlich variierenden Frequenz zwischen 76 bis 77 GHz. Die Variation wird durch den Modulator (16) bewirkt. Das Ausgangssignal wird an den Verstärker (12) ausgegeben, dessen Amplitude einstellbar ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers (12) wird an die Eingänge der zwei Treibern (11 ), die ein- und ausschaltbar sind, ausgegeben. Die Ausgänge der Treiber (11 ) treiben jeweils eine der Sendeantennen (10).
Der Frequenzgenerator (13) des Senders 2 gibt an seinem Ausgang auch ein Signal an den Frequenzteiler (14) aus, der ein Ausgangssignal ausgibt, das die halbe Frequenz des Ausgangssignals des Frequenzgenerators hat.
Die Empfängerblöcke 2 enthalten halten jeweils einen Frequenzmultiplizierer (22) und vier Mischer (21 ). Die Frequenzmultiplizierer (22) empfangen das Ausgangssignal des Frequenzteilers (14) des Senders (1 ), erzeugen jeweils ein Signal mit der doppelten Frequenz als ihr Eingangssignal, und geben jeweils ihre erzeugten Signale an erste Eingänge der Mischer (21 ) aus. Die Mischer (21 ) sind jeweils mit zweiten Eingängen mit jeweils einer Empfangsantenne (20) verbunden, sodass in dem Mischer (21 ) das von der Empfangsantenne empfangene Signal jeweils auf ein Basisband herabgemischt wird. Die Ausgangssignale der Mischer (21 ) werden in einer Figur 1 nicht gezeigten Verarbeitungseinheit ausgewertet. Fig. 2 zeigt die physikalische Anordnung der Antennen bei einer ersten Ausführungsform. Sie zeigt dabei die Anordnung der Sendeantennen (10) und der Empfangsantennen (20) in der Draufsicht. Die Sendeantennen (10) und die Empfangsantennen (20) sind als Patchantennen ausgeführt, die sich in einer x-y- Ebene erstrecken. Die Empfangsantennen (20) weisen jeweils sogenannte Antennenzeilen (28) auf, die aus jeweils neun Empfangsstrahlelementen (24) und dazwischen liegenden Verbindungsleitungen bestehen. Die Empfangsstrahlelemente (24) einer Antennenzeile (28) sind hintereinander aufgereiht, sodass die Antennenzeile (28) länglich ist und sich in y-Richtung erstreckt. Die Antennenzeilen (28) von der Empfangsantenne (20) verlaufen alle parallel zueinander und befinden sich auf gleicher Höhe in Bezug auf die y-Richtung. Die Antennenzeilen (28) sind somit im Bezug auf die x-Richtung nebeneinander angeordnet, wobei die äußere Antennenzeilen als rechte Antennenzeile beziehungsweise als linke Antennenzeile bezeichnet werden.
Die z-Richtung zeigt aus dem Zeichnungsblatt nach oben. Die z-Richtung ist die Richtung, in der Gegenstände detektiert werden sollen. Wenn beispielsweise der Radarsensor in einem Landfahrzeug implementiert ist und Gegenstände in Fahrtrichtung detektieren soll, ist die z-Richtung die Fahrrichtung.
Die Antennenzeilen (28) weisen jeweils einen Einspeisepunkt auf, mit dem sie über eine Streifenleitung (23) mit einem Eingang des Empfängerblocks (2) verbunden sind. Die Empfangsantennen (20) jeweils nur eine Antennenzeile (28), sodass jeweils nur eine Antennenzeile (28) über seinen jeweiligen Einspeisepunkt mit einem Eingang eines Empfängerblocks (2) verbunden ist.
Die zwei Sendeantennen (10) enthalten jeweils eine Antennenzeile (18). Die Antennenzeilen (18) weisen jeweils Senderstrahlelemente (17) und dazwischen liegenden Verbindungsleitungen auf. Die Senderstrahlelemente (17) einer Antennenzeile (18) sind hintereinander aufgereiht, sodass die Antennenzeile (18) länglich ist und sich in y-Richtung erstreckt. Die Antennenzeilen (18) verlaufen alle parallel zueinander. Allerdings in die Antennenzeilen (18) zueinander in Bezug auf die erste Richtung (y) zueinander versetzt. In Bezug auf die zweite Richtung (x) weisen die Antennenzeilen 10 einen Abstand d voneinander auf. Der Abstand wird stets auf die Phasenschwerpunkte der jeweiligen Antennenzeilen bezogen.
Der Abstand d2 benachbarter Empfangsantennen (20) ist doppelt so groß wie der Abstand d der Sendeantennen (10).
Eine erste der Sendeantennen (10) wird derart gespeist, dass die Einspeisung in die ersten Richtung y erfolgt und eine zweite der Sendeantennen (10) wird derart gespeist, dass die Einspeisung entgegen der ersten Sendeantenne in Richtung (y) erfolgt.
Die Sendeantennen und das Empfangsantennenarray haben typischerweise eine vertikale Beambreite von 10 Grad. Die horizontale Beambreite des Senders ist so gestaltet, dass der gewünschte Detektionsbereich von +-70 Grad näherungsweise ausgeleuchtet wird. Das gleiche gilt für die horizontale Beambreite der Einzelzeilen des Empfangsarrays.
Die Empfangssignale werden vom Empfänger phasenrichtig in das Basisband umgesetzt und digitalisiert. Die von den alternierenden Sendeantennen abgestrahlten, reflektierten und empfangenen Signale werden nun im nachfolgenden Signalprozessor zum synthetischen Array zusammengeführt. Die Strahlformung und Schwenkung erfolgt nun nach der Methode des„digital Beamforming".
Figur 3 zeigt die reale Apertur und die sich ergebene synthetische Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform.
Um die Nebenzipfel des Antennenarrays zu reduzieren, werden zunächst die Signale der Einzelzeilen gewichtet. Dies erfolgt typischerweise nach einer sog. „Dolph- Chebychev'-Funktion. Soll nun eine Strahlschwenkung um den Winkel Θ durchgeführt werden, so sind die Signale der Einzelzeilen nach der in den Figuren 4a und 4b skizzierten Methode um ein Vielfaches des Winkels α in der Phase zu verschieben.
Der Winkel α errechnet sich nach der Formel d
— — 2 * TT »— * sin Θ mit
λ : Wellenlänge
d: Zeilenabstand des synthetischen Arrays
Figur 5 zeigt das Antennendiagramm ohne Strahlschwenkung. In Figur 6 ist das Antennendiagramm beim extremen Schwenkwinkel von 70° zu sehen. Wegen des schrägen Blickwinkels tritt zunächst eine Verbreiterung des Antennenstrahls auf. Ferner reduziert sich der Antennengewinn, da die Diagramme der Einzelzeilen bei diesem extremen Winkel ebenfalls einen reduzierten Gewinn haben. Desgleichen steigen die Nebenzipfel an. Das Diagramm ist aber dennoch ausreichend gut, um Objekte am äußeren Rand des Detektionsbereichs zu erkennen. Die Winkelmessgenauigkeit reduziert sich dabei entsprechend der Verbreiterung der Hauptkeule des Arraydiagramms.
Figur 7 zeigt die reale Apertur und die sich ergebene synthetische Anordnung mit den für die Strahlschwenkung verwendeten Antennenzeilen gemäß einer alternativen Ausführungsform. Bei der alternativen Ausführungsform resultiert durch den Abstand d3 von dreimal d zwischen den Sendeantennen Tx1 und Tx2 in einer zweiten Richtung, dass die im synthetischen Array außenliegenden Antennenzeilen, mit einem Abstand von größer d zur nächst innenliegenden Antennenzeile für die Strahlschwenkung nicht berücksichtigt werden können weil sie das Kriterium für den extremen Schwenkwinkel nicht erfüllen. Weiterhin zeigt die alternative Ausführungsform die Umsetzung der Anordnung der Empfangsantennenzeilen durch eine äußere um d3 in einer zweiten Richtung zur nächst innenliegenden Antennenzeile entfernten welches eine Überlappung der Empfangssignal im synthetischen Array zur Geschwindigkeitskorrektur ermöglicht. Soll nun eine Strahlschwenkung um den Winkel Θ durchgeführt werden, so sind die Signale der Einzelzeilen nach der in Figur 8 skizzierten Methode für die bei der Strahlschwenkung berücksichtigten Empfangssignal um ein Vielfaches des Winkels α in der Phase zu verschieben.
Der Winkel α errechnet sich nach der Formel
d
a =—2 * π *— * sin9
λ
mit
λ : Wellenlänge
d: Zeilenabstand des synthetischen Arrays
Bezugszeichenliste Sender
Empfängerschaltung
Sendeantenne
Treiber
Verstärker
Frequenzgenerator
Frequenzteiler
Modulator
Sendearrayelement
Empfangsantenne
Mischer
Frequenzteiler
Streifenleitung
Empfangsarrayelement
Chip

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Bestimmung der Position von Objekten, insbesondere sich bewegender Objekte, mit
mindestens zwei schaltbaren Sendeantennen (10),
einer Vielzahl von Empfangsantennen (20),
wobei die Sendeantennen (10) und Empfangsantennen (20) sich jeweils länglich, parallel zueinander, in eine erste Richtung (y) erstrecken, - und die Empfangsantennen (10) in einer Reihe angeordnet sind und die Reihe sich in eine zweite Richtung (x) erstreckt, wobei benachbarte Empfangsantennen (20) jeweils einen Abstand d2 zueinander haben,
wobei die Sendeantennen (10) in Bezug auf die erste Richtung (y) zueinander versetzt sind, und in Bezug auf die zweite Richtung (x) einen Abstand d voneinander haben, und der Abstand d2 benachbarter Empfangsantennen (20) mindestens doppelt so groß wie der Abstand d der Sendeantennen (10) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei benachbarte innenliegende Empfangsantennen (20) jeweils einen Abstand d2 in der zweiten Richtung zueinander haben,
wobei die beiden äußeren Empfangsantennen einen Abstand von d2 oder d3 in der zweiten Richtung zur nächstgelegenen Empfangsantenne haben,
wobei d der Abstand der benachbarte Empfangsantennen im synthetisch erzeugten Antennenarray ist und d2 mindestens doppelt so groß und d3 mindestens dreimal so groß ist,
wobei der Abstand der Senderantennen zur Erzeugung des synthetischen Antennenarrays in der zweiten Richtung d oder d3 groß ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Anzahl der Empfangsantennen verwendet im synthetischen Antennenarray zur Strahlformung N ist, die Empfangsantennen (20) Signale mit einer Wellenlänge λ empfangen und folgendes gilt:
Figure imgf000016_0001
- -j-l | > 40°
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei der eine erste der Sendeantennen (10) derart gespeist wird, dass die Einspeisung in die erste Richtung (y) erfolgt und eine zweite der Sendeantennen (10) derart gespeist wird, dass die Einspeisung entgegen der zweiten in Richtung (y) erfolgt, wobei vorzugsweise der Abstand in der zweiten Richtung zwischen den Sendeantennen d beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei der die Sendeantennen (10) derart gespeist werden, dass die Einspeisung in die zweite Richtung (y) erfolgt, wobei der Abstand in der zweiten Richtung zwischen den Sendeantennen d3 beträgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei die zweite Richtung (x) senkrecht zur ersten Richtung (y) ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
mit einem Frequenzgenerator (13) zum Erzeugen von Signalen, welche von einer ersten der Sendeantennen (10) in einem ersten Zyklus und von einer zweiten der Sendeantennen (10) in einem zeitlich danach folgenden zweiten Zyklus abgegeben werden.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anzahl von mehr als, vorzugsweise 8, 16 oder 32, oder gleich 4 Empfangsantennen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
mit einer Wiedergabeeinrichtung zum Darstellen oder zur Datenausgabe einer Position des Objekts.
10. Verfahren zur Strahlschwenkung eines Radarsensors zu extremen Schwenkwinkeln, mit den Verfahrensschritten:
Sequentieller Betrieb von zwei versetzten Sendeantennen und Empfang der reflektierten Signale durch ein Empfangsantennen-Array,
Digitalisierung der Empfangssignale,
Verschachtelte Anordnung der Signale der Empfangskanäle zur Formung eines synthetischen Arrays,
Verknüpfung der Empfangssignale nach der Methode der digitalen Strahlformung zu einem gebündelten Antennenstrahl,
Durchführung einer Geschwindigkeitskorrektur, abgeleitet aus dem zeitlichen Versatz zwischen den beiden Sendesignalen und Geschwindigkeitsfilterung mittels einer zweidimensionalen FFT durch Vergleich von Ausgangssignalen von sich überlagernden Antennenzeilen, welche dem gebündelten Antennenstrahl entsprechen
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch
Durchführung einer Geschwindigkeitskorrektur, abgeleitet aus dem zeitlichen Versatz zwischen den beiden Sendesignalen und Geschwindigkeitsfilterung mittels einer zweidimensionalen FFT durch Vergleich von Ausgangssignalen zweier Empfangssignale.
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