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Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für einen Radarsensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einer Platine, auf der auf mindestens einer Hauptfläche mindestens ein flächiges Antennenelement gebildet ist.
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Radarsensoren werden in Kraftfahrzeugen für verschiedene Assistenzfunktionen eingesetzt, die den Fahrer bei der Führung des Fahrzeugs unterstützen, beispielsweise für Abstandsregelsysteme, Kollisionswarnsysteme oder Spurwechselassistenten.
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Die Antennenelemente sind zumeist als Patchantennen ausgeführt, also als elektrisch leitfähige Schichten mit begrenzter Ausdehnung auf einer Hauptfläche der Platine, also beispielsweise der Vorderseite oder der Rückseite der Platine. Zum Beispiel sind bei einem winkelauflösenden Radarsensor für ein Abstandsregelsystem mehrere Antennenpatches nebeneinander auf der Platine angeordnet, so dass durch Vergleich der Amplituden und Phasen der von den verschiedenen Antennenelementen empfangenen Radarechos der Azimutwinkel des georteten Objekts bestimmt werden kann. Die Radarstrahlung wird dabei hauptsächlich in der Richtung rechtwinklig zur Hauptfläche der Platine emittiert, jedoch auch in einen gewissen Winkelbereich um die Hauptabstrahlrichtung herum. Die Winkelverteilung der abgestrahlten Radarleistung und, beim Empfang, der Empfindlichkeit wird durch ein Antennendiagramm beschrieben und hat typischerweise die Form einer Keule. Aufgrund von Interferenzen zwischen den verschiedenen Antennenelementen und aufgrund von anderen Effekten kommt es jedoch auch zur Ausbildung von Nebenkeulen seitlich neben einer Hauptkeule. Der Winkelbereich, in dem Objekte geortet werden können, ist somit begrenzt und je nach Objektabstand mehr oder weniger lückenhaft.
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Bei manchen Anwendungen, beispielweise bei einem Spurwechselassistenten, ist es erforderlich, nicht nur das Vorfeld des eigenen Fahrzeugs zu überwachen, also insbesondere die eigene Fahrbahn, sondern auch den Raum rechts und links neben der Fahr- bahn sowie den Raum seitlich neben dem eigenen Fahrzeug. Hierzu müssen bisher zusätzliche Radarsensoren vorgesehen werden, wodurch sich der Installationsaufwand beträchtlich erhöht.
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Es ist auch vorgeschlagen worden, den Radarsensor so zu modifizieren, dass die Nebenkeulen verstärkt werden und damit der Ordnungsbereich aufgeweitet wird. Damit lässt sich jedoch nicht immer vermeiden, dass sich relevante Objekte im toten Winkel befinden und deshalb nicht geortet werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Radarsensor zu schaffen, der mit geringem Aufwand einen größeren Ortungswinkelbereich ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens ein weiteres flächiges Antennenelement auf einer Kantenfläche der Platine gebildet ist.
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Der erfindungsgemäße Radarsensor weist also wenigstens zwei Antennenelemente auf, die rechtwinklig zueinander orientiert sind, so dass auch ihre Hauptabstrahlrichtungen bzw. Hauptempfindlichkeitsrichtungen rechtwinklig zueinander orientiert sind. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, mit einem einzigen Radarsensor sowohl den Raum vor dem eigenen Fahrzeug als auch den Raum seitlich neben dem Fahrzeug zu überwachen. Dabei können die Antennenelemente so gestaltet werden, dass sich die Antennenkeulen der Antennen auf der Hauptfläche und der Kantenfläche ergänzen und somit tote Winkel weitgehend aufgefüllt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Platine mit einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung;
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2 einen Schnitt durch einen Randbereich einer Platine mit einem Antennenelement und einer Masseelektrode;
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3 einen Schnitt durch einen Randbereich einer Platine mit einem Antennenelement und einer Masseelektrode gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
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4 einen Schnitt durch einen Randbereich einer Platine mit einem Antennenelement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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5 eine Ansicht einer Kantenfläche einer Platine mit einem Array aus mehreren Antennenelementen;
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6 eine Ansicht einer Kantenfläche einer Platine mit einem seriell gespeisten Antennenarray;
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7 eine Teilansicht einer Platine mit einer auf einer Kantenfläche gebildeten Dipol-Antenne mit koplanarer Speisung;
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8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Dipol-Antenne auf einer Kantenfläche; und
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9 ein Beispiel einer Masseelektrode in einer mehrlagigen Platine.
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In 1 ist schematisch eine Platine 10 mit zwei parallelen Hauptflächen 12 (Vorderund Rückseite, in der Zeichnung ist nur die Vorderseite sichtbar) und umlaufenden Kantenflächen 14, 16 gezeigt, die mit elektronischen Bauelementen 18 und Antennenelementen 20, 22 bestückt ist und einen wesentlichen Bestandteil eines Radarsensors für ein Kraftfahrzeug bildet. Bei der Platine 10 kann es sich um ein in der Radartechnik übliches Mikrowellensubstrat handeln und sie kann, obgleich dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, mehrere einander abwechselnde Lagen aus leitendem und nichtleitendem Material aufweisen. Die Gesamtdicke der Platine 10 und damit die Breite der Kantenflächen 14, 16 beträgt beispielsweise 0,5 bis 2 mm.
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Im gezeigten Beispiel sind auf der Hauptfläche 12, die in Fahrtrichtung des Fahrzeugs nach vorn weist, in bekannter Weise vier flächige Antennenelemente 20 (Antennenpatches) nebeneinander angeordnet, die über nicht gezeigte Speiseleitungen mit dem elektronischen Bauelement 18, beispielsweise einem MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) verbunden sind. Die durch Auswertung der von den vier nebeneinander angeordneten Antennenelementen 20 empfangenen Signale wird ein gewisses Winkelauflösungsvermögen des Radarsensors im Azimut erreicht.
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Im hier gezeigten Beispiel ist ein monostatisches Antennenkonzept verwirklicht, d. h., die Antennenelemente 20 dienen sowohl als Sendeantennen als auch als Empfangsantennen. Bei Verwendung einer Antenne als reine Sende und der zweiten als reine Empfangsantenne kann auch ein bistatisches System realisiert werden. Die Mikrowellenleistung wird in der Form einer Keule rechtwinklig zu der Hauptfläche 12 abgestrahlt. Eine entsprechende Keule gibt auch die Empfindlichkeit des Radarsensors für die an Radarzielen reflektierten Radarechos an. Die Hauptanstrahlrichtung und damit zugleich Hauptempfindlichkeitsrichtung der Antennenelemente 20 ist in 1 mit X bezeichnet.
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Eine Besonderheit der hier gezeigten Antennenanordnung besteht darin, dass auch auf den seitlichen Kantenflächen 14 der Platine 10 zusätzliche Antennenelemente 22 angeordnet sind, die über entsprechende Zuleitungen 24 mit dem elektronischen Bauelement 18 verbunden sind. Die Zuleitungen 24 sowie auch die Zuleitungen zu den Antennenelementen 20 können als Mikrostreifenleitungen oder Koplanarleitungen ausgebildet sein.
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Die flächigen Antennenelemente 22 (Patches) auf den Kantenflächen 14 sind rechtwinklig zu den Antennenelementen 20 auf der Hauptfläche 12 orientiert und dienen ebenfalls sowohl zum Senden als auch zum Empfangen. Ihre Hauptabstrahl- und Empfindlichkeitsrichtungen sind mit +Y und –Y bezeichnet und stehen senkrecht auf der Hauptabstrahlrichtung X der Antennenelemente 20. Die Antennenelemente 22 ermöglichen somit insbesondere die Ortung von Objekten, die sich seitlich links und rechts vor oder neben dem eigenen Fahrzeug befinden und damit außerhalb der Antennenkeule der Antennenelemente 20 liegen.
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2 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Platine 10 in der Ebene II in 2 und lässt erkennen, dass das Antennenelement 22 in eine Vertiefung der Kantenfläche 14 eingelassen ist, die durch vorstehende Stege 26 begrenzt wird. Bei den Stegen 26 kann es sich Verbindungsstege handeln, die bei der Herstellung der Platine 10 zunächst mehrere zu einem gemeinsamen Nutzen gehörende Platinen miteinander verbinden, bevor der Nutzen in die einzelnen Platinen aufgeteilt wird. Die Stege werden dann mechanisch entfernt. Das Antennenelement 22 kann dann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass zunächst die gesamte Kantenfläche 14 einschließlich der Stege 26 metallisiert wird, und dann die Stege 26 so weit abgefräst werden, dass dort die Metallschicht wieder entfernt wird.
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Eine andere Herstellungsmöglichkeit besteht darin, dass in den Nutzen, aus dem die Platinen 10 gebildet werden, zunächst Schlitze gefräst werden, die außerhalb der Stege 26 einzelne Platinen voneinander trennen, und dass dann die Innenflächen dieser Schlitze metallisiert werden und erst dann die Stege 26 durchtrennt werden, um die Nutzen in die einzelnen Platinen aufzuteilen.
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Im allgemeinen benötigen die Antennenelemente 20, 22 einen Massebezug, d. h., eine Masseelektrode, die parallel in Abstand zu dem Antennenelement verläuft durch eine isolierende Schicht von diesem getrennt ist. Im Fall der Antennenelemente 20 kann diese Masseelektrode in bekannter Weise durch eine leitende Schicht gebildet werden, die eine innere Lage der Platine 10 bildet.
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2 zeigt eine entsprechende Masseelektrode 28 für das auf der Kantenfläche 14 gebildete Antennenelement 22. Diese Masseelektrode 28 wird durch eine Serie von Bohrungen 30, sogenannte Durchkontaktierungen oder Vias, gebildet, die normalerweise dazu dienen, zwei elektrisch leitende Lagen der Platine 10 miteinander zu verbinden. Solche Vias bestehen aus Bohrungen, die durch die nichtleitenden Lagen der Platine 10 hindurchgehen und deren Innenflächen metallisiert sind. Die Metallisierungen der Vias sind innerhalb der Platine mit Masse verbunden und bilden zusammen die Masseelektrode 28 für das Antennenelement 22. Bei den Vias kann es sich um sogenannte Mikrovias handeln, die von einer Oberfläche der Platine ausgehen und sich zu einer inneren leitenden Lage der Platine erstrecken, oder auch um sogenannte Buried Vias, die zwei leitende innere Lagen der Platine verbinden und durch Oberflächenlagen der Platine bedeckt sind, so dass sie von außen nicht sichtbar sind.
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Als alternative Ausführungsform zeigt 3 eine Masseelektrode 28', die durch eine einzelne Bohrung 32 mit sehr großem Durchmesser gebildet wird, beispielsweise mit einem Durchmesser von etwa 3 bis 5 mm, der in der Größenordnung etwa den Abmessungen des Antennenelements 22 entspricht.
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Eine Masseelektrode kann auch dadurch gebildet werden, dass hinter dem Antennenelement eine rechteckige Fläche entfernt wird, z.B. mit einem Fräser, und die Innenflächen des entstandenen Hohlraums metallisiert werden. Zur Kontaktierung des Antennenelement kann dann jeweils noch eine dünne Lage Substrat (z.B. 0,1 mm–1 mm) auf der Platinenober- und Unterseite aufgebracht werden. Auf dieser zusätzlichen Lage wird dann die elektrisch leitfähige Verbindung zum Antennenelement hergestellt.
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Wenn die Platine 10 elektrisch leitfähige innere Lagen enthält, die nicht als Zuleitung zu den Antennenelementen 22 oder dienen, so versteht es sich, dass diese inneren Lagen elektrisch von den Antennenelementen 22 isoliert sein müssen. Das bedeutet, dass entweder die leitfähigen inneren Lagen der Platine 10 gegenüber der Kantenfläche 14 zurückliegen, die die Antennenelemente 22 trägt, oder dass die leitfähige innere Lage dicht unter der Oberfläche (Hauptfläche 12) der Platine liegt und die Antennenelemente 22 so schmal gehalten sind, dass sie nicht an diese leitfähige Lage heranreichen.
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Wie 4 zeigt, kann auch die Vertiefung in der Kantenfläche 14, die das Antennenelement aufnimmt, durch eine Bohrung gebildet werden, die die Kante der Platine 10 lediglich in der Form eines Kreissegments anschneidet und deren Metallisierung dann ein Antennenelement 22' mit leicht konkaver Form bildet.
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Es ist auch möglich, mehrere Antennenelemente 22 auf einer gemeinsamen Kantenfläche 14 der Platine 10 anzuordnen, wie beispielsweise in 5 gezeigt ist. In diesem Beispiel werden an drei Antennenelemente 22 auf der Kantenfläche 14 über parallele Zuleitungen 24 von einer der Hauptflächen 12 der Platine aus gespeist.
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6 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der die Antennenelemente 22 über eine auf der Kantenfläche 14 verlaufende gemeinsame Zuleitung 24' seriell gespeist werden. Die Antennenelemente 22 und die verschiedenen Abschnitte der Zuleitung 24' werden in diesem Fall durch Fräsungen oder Bohrungen 34 gebildet, die die Kantenfläche 14 der Platine 10 kreissegmentförmig anschneiden und in der Tiefe an der Zuleitung 24' enden. Diese Bohrungen können wahlweise auch mit einem Laser hergestellt werden.
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7 illustriert ein Beispiel, bei dem zwei Antennenelemente 22 auf der Kantenfläche 14 eine Dipolantenne bilden, die koplanar von einer Hauptfläche 12 der Platine aus gespeist werden. Die Hauptfläche 12 ist in diesem Fall metallisiert und bildet Masseelektroden 36, die durch Schlitze für Zuleitungen 24'' zu den Antennenelementen 22 voneinander getrennt sind. Die Zuleitungen 24'' werden in diesem Fall durch metallische Leiterbahnen gebildet, die zu den Masseelektroden 36 koplanar sind. Alternativ ist auch eine Speisung mit Mikrostreifenleitungen möglich.
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Wahlweise können die Antennenelemente 22 auch unabhängig voneinander gespeist und als bistatische Konfiguration genutzt werden.
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8 zeigt ein Antennenelement 22, dessen Ausdehnung eine halbe Wellenlänge (λ/2) beträgt und das eine von entgegengesetzten Seiten her gespeiste Dipolantenne bildet.
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9 zeigt eine mehrlagige Platine 10' mit einer oberen Lage 10a, einer mittleren Lage 10b und einer unteren Lage 10c. Die oberen und unteren Oberflächen der mittleren Lage 10b und der unteren Lage 10c können metallisiert sein, während auf der Oberseite der oberen Lage 10a eine Zuleitung 24 für ein (hier nicht gezeigtes) Antennenelement auf der Kantenfläche 14 gebildet ist. Die zugehörige Masseelektrode 28 wird durch Durchkontaktierungen 30a und 30b gebildet.
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Die Durchkontaktierungen 30a erstrecken sich beiderseits der Zuleitung 24 und in Abstand zu dieser über die gesamte Dicke der Platine. Die Durchkontaktierung 30b sowie zusätzliche Durchkontaktierungen 30c erstrecken sich nur durch die mittlere Lage 10b und die untere Lage 10c.