Titel

Radarsensor für Kraftfahrzeuge

Die Erfindung betrifft einen Radarsensor für Kraftfahrzeuge, mit einer Sendeantenne und einer getrennt von der Sendeantenne ausgebildeten Empfangsantenne.

Stand der Technik

Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit Fahrerassistenzsystemen ausgerüstet, die den Fahrer bei der Führung des Kraftfahrzeugs unterstützen. Beispiele für solche Fahrerassistenzsysteme sind Abstandsregelsysteme (ACC; Adaptive Cruise Control), die automatisch den Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug regeln, sowie Kollisionswarnsysteme oder Kollisionsvermeidungssysteme, die bei akuter Kollisionsgefahr einen Warnhinweis an den Fahrer ausgeben oder aktiv in die Fahrzeugführung eingreifen, um die Kollision abzuwenden. Zur Erfassung des Verkehrsumfelds werden in diesen Fahrerassistenzsystemen üblicherweise Radarsensoren eingesetzt, die typischerweise mit einer Radarfrequenz von 77 GHz arbeiten. Zum Senden und Empfangen der Radarsignale weisen diese Radarsensoren zumeist Patchantennen auf, die in Mikrostreifen- leitungstechnik realisiert sind. Beispielsweise kann eine solche Patchantenne durch ein rechteckiges metallisiertes Antennenelement gebildet werden, das auf _ _

einem hochfrequenztauglichen Substratmaterial in einem definierten Abstand zu einer darunterliegenden Massefläche angeordnet ist.

Zumeist weist der Radarsensor mehrere solcher Antennenelemente auf, die horizontal nebeneinander angeordnet sind und es ermöglichen, nicht nur die Abstände und Relativgeschwindigkeiten vorausfahrender Fahrzeuge und sonstiger Objekte zu messen, sondern auch ein gewisses Winkelauflösungsvermögen haben und somit auch die Richtungswinkel der Objekte bestimmen können. Neben Radarsensoren der hier betrachteten Art, bei denen ein bistatisches Antennenkonzept verwirklicht ist, d.h., bei denen getrennte Antennenelemente zum Senden und zum Empfangen vorgesehen sind, werden auch Radarsensoren mit monostatischen Antennenkonfigurationen eingesetzt, bei denen jedes Antennenelement sowohl zum Senden als auch zum Empfang der Radarsignale eingesetzt wird. Bei den heute gebräuchlichen Radarsensoren emittieren die Antennenelemente zumeist linear polarisierte Strahlung. Es sind jedoch auch Radarantennenelemente denkbar, die zirkulär polarisierte Strahlung senden und empfangen.

Mit zunehmendem Funktionsumfang der Fahrerassistenzsysteme steigen auch die Anforderungen an die Radarsensoren hinsichtlich ihrer Fähigkeit, immer komplexere Verkehrssituationen korrekt zu erfassen. Die Radarsensoren sollten deshalb in der Lage sein, die maßgeblichen Parameter der georteten Objekte, also deren Abstand, Relativgeschwindigkeit und Winkel mit hoher Genauigkeit und fehlerfrei zu messen, und sie sollten möglichst unempfindlich gegenüber Störsignalen sein.

Ein Problem stellt in diesem Zusammenhang das Phänomen der sogenannten Mehrfachreflexion da. Solche Mehrfachreflexionen können auftreten, wenn das gesendete Radarsignal und/oder das an dem Objekt reflektierte Radarecho nicht nur auf direktem Wege zum Objekt und wieder in den Radarsensor ge- langt, sondern an anderen Objekten im Ausbreitungsweg, beispielsweise an Leitplanken oder ggf. auch an der Fahrbahnoberfläche noch einmal oder ggf. auch mehrfach reflektiert wird. Die durch solche Mehrfachreflexionen entstehenden Signale können Scheinobjekte vortäuschen, die in Wahrheit gar nicht vorhanden sind, und sie können zu ungenauen oder völlig falschen Messungen der Objektwinkel und der Objektabstände führen, mit der Folge, dass vorausfahrende Fahrzeuge nicht der richtigen Fahrspur zugeordnet werden und es in der Folge zu Fehlreaktionen des Fahrerassistenzsystems kommt, beispielsweise zu Brems- oder Beschleunigungsvorgängen, die der Verkehrssituation nicht angemessen sind.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Radarsensor für Kraftfahrzeuge zu schaffen, mit dem sich die störenden Einflüsse von Mehrfachreflexionen besser unterdrücken lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sendeantenne zur Emission von in einer ersten Richtung zirkulär polarisierter Strahlung konfiguriert ist und die Empfangsantenne zum Empfang von Strahlung konfiguriert ist, die in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zirkulär polarisiert ist. Die von der Sendeantenne emittierte zirkulär polarisierte Strahlung wird an dem georteten Objekt reflektiert. Diese Reflexion führt zu einer Umkehr der Polarisationsrichtung, d.h., aus rechtszirkular polarisierter Strahlung wird linkszirkular polarisierte Strahlung und umgekehrt. Aufgrund dieser Umkehr der Polarisationsrichtung ist die Empfangsantenne in der Lage, das auf dem direkten Aus- breitungsweg übermittelte Signal zu empfangen. Wenn dagegen Mehrfachrefle- xionen auftreten, so kommt es bei jeder weiteren Reflexion zu einer erneuten Umkehr der Polarisationsrichtung. Die mehrfach reflektierten Signale erster Ordnung, also die Signale, die an dem georteten Objekt und genau einmal an einem anderen Objekt im Ausbreitungsweg reflektiert wurden, haben dann die falsche Polarisationsrichtung, so dass sie von der Empfangsantenne nur stark gedämpft empfangen werden. Dasselbe gilt für Mehrfachreflexionen höherer Ordnung mit einer geraden Gesamtanzahl von Reflexionen. Zwar werden mehrfach reflektierte Signale mit einer ungeraden Gesamtanzahl von Reflexionen, also beispielsweise dreifach reflektierte Signale, von der Empfangsantenne empfangen, jedoch wird, da die Intensität der Signale mit der Anzahl der Reflexionen stark abnimmt, durch die Bedämpfung vor allem der mehrfach reflektierten Signale erster Ordnung eine wirksame Störungsunterdrückung und somit eine deutlich verbesserte Genauigkeit und Verlässlichkeit erreicht.

Generell können Mehrfachreflexionen nicht nur durch Objekte außerhalb des eigenen Fahrzeugs verursacht werden, beispielsweise durch Leitplanken, sondern auch durch die Einbauumgebung, also beispielsweise durch Teile des Fahrzeugs, in das der Radarsensor eingebaut ist. Da durch den erfindungsgemäßen Radarsensor auch solche Reflexionen unterdrückt werden, wird auch eine größere konstruktive Freiheit hinsichtlich des Einbaus des Radarsensors in das Fahrzeug erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Radarsensors;

Fig. 2 und 3 Skizzen von Verkehrssituationen zur Illustration verschiedener Typen von Mehrfachreflexionen an Objekten, die zur Verkehrsinfrastruktur gehören; und

Fig. 4 eine Prinzipskizze zur Illustration von Mehrfachreflexionen, die aufgrund einer speziellen Einbauweise des Radarsensors in ein Fahrzeug hervorgerufen werden können.

In Fig. 1 ist in einer stark vereinfachten Skizze der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Radarsensors 10 dargestellt. Auf einer Oberfläche einer Platine 12 aus einem hochfrequenztauglichen Material sind eine Sendeantenne 14 und eine Empfangsantenne 16 gebildet. Die Antennen sind als Patchantennen ausgebildet und haben die Form annähernd rechteckiger Flächen auf der Oberfläche des Substrats 12. Auf der nicht sichtbaren Rückseite des Substrats befindet sich eine durchgehende Masseschicht.

Die Sendeantenne 14 ist über eine auf der Oberfläche des Substrats gebildete Zuleitung 18, beispielsweise eine Mikrostreifenleitung, mit einem lokalen Oszillator 20 verbunden, der das zu sendende Radarsignal erzeugt. Als Beispiel soll angenommen werden, dass der Radarsensor nach dem FMCW-Prinzip

(Frequency Modulated Continuous Wave) arbeitet. Der Oszillator 20 ist dann ein spannungsgesteuerter Oszillator, der ein Radarsignal mit einer rampenför- mig modulierten Frequenz erzeugt. Die Mittenfrequenz beträgt typischerweise 76,5 GHz. Die Frequenzmodulation wird von einer Treiberschaltung 22 gesteuert, die unter anderem die Steuerspannung für den Oszillator 20 liefert.

Die Empfangsantenne 16 ist über eine eigene Zuleitung 24 mit einem Eingang eines Mischers 26 verbunden. Ein anderer Eingang dieses Mischers ist mit dem Ausgang des Oszillators 20 verbunden. Der Mischer 26 mischt das von der Empfangsantenne 14 empfangene Signal (Radarecho) mit dem vom Oszillator 20 erhaltenen Signal und erzeugt so an seinem Ausgang ein in ein Basisband heruntergemischtes Signal, dessen Frequenz dem Frequenzunterschied zwischen dem empfangenen Signal und dem Signal des Oszillators entspricht. Dieses Basisbandsignal wird in der Treiberschaltung 22 in bekannter Weise weiter ausgewertet.

Die Sendeantenne 14 ist durch Abschrägungen 28 an zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken sowie durch die Lage der Einspeisung (Anschlusspunkt der Zuleitung 18 an das Antennenpatch) so konfiguriert, dass durch das eingespeiste Signal in dem Patch zwei Oszillationsmoden in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen und mit um 90° versetzten Phasen angeregt werden, so dass die Sendeantenne zirkulär polarisierte Radarstrahlung emittiert, also je nach Abstrahlrichtung entweder rechtszirkular polarisierte Strahlung oder links- zirkular polarisierte Strahlung. Als Beispiel soll angenommen werden, dass die Sendeantenne 14 linkszirkular polarisierte Strahlung emittiert.

In der Praxis kann das emittierte Signal auch einen gewissen linear polarisier- ten Strahlungsanteil enthalten, so dass die Strahlung streng genommen elliptisch polarisiert ist. Der linear polarisierte Strahlungsanteil kann hier jedoch vernachlässigt werden.

Die Empfangsantenne 16 ist im gezeigten Beispiel spiegelbildlich zu der Sen- deantenne 14 ausgebildet. In jedem Fall ist die Empfangsantenne 16 so konfi- guriert, dass sie vorzugsweise rechtszirkular polarisierte Strahlung empfängt. Zwar kann die Empfangsantenne 16 auch andere Strahlungskonnponenten empfangen, insbesondere auch linkszirkular polarisierte Strahlung, jedoch ist für diese Strahlungskomponenten die Bedampfung deutlich stärker, so dass der Empfang von Signalkomponenten, die nicht linkszirkular polarisiert sind, deutlich unterdrückt wird.

Während in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Konfiguration der Sende- und Empfangsantennen 14, 16 für zirkulär polarisierte Strahlung durch die Abschrägungen 28 erreicht wird, lässt sich eine solche Konfiguration auch mit anderen Mitteln erreichen, beispielsweise durch je zwei Zuleitungen, die in zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Kanten des Antennenpatches münden und deren Längen so auf die Wellenlänge des Radarsignals abgestimmt sind, dass sich eine Phasendifferenz von 90° ergibt.

In dem hier gezeigten vereinfachten Beispiel weist der Radarsensor lediglich ein Paar von Sende- und Empfangsantennen auf. In der Praxis wird der Radarsensor jedoch üblicherweise mehrere solcher Paare aufweisen, die so angeordnet sind, dass ein gewisses Winkelauflösungsvermögen des Radarsensors erreicht wird. Ebenso können diese in Gruppen mit mehreren Elementen angeordnet sein, um eine höhere Fokussierung der abgestrahlten Leistung (höherer Antennengewinn) und damit größere Reichweiten zu ermöglichen.

Die Wirkungsweise des oben beschriebenen Radarsensors soll nun anhand der Fig. 2 bis 4 erläutert werden.

Fig. 2 zeigt in der Draufsicht eine Verkehrssituation, in der ein Kraftfahrzeug 30, das mit dem in Fig. 1 gezeigten Radarsensor 10 ausgerüstet ist, eine Fahrbahn 32 befährt, die auf der in Fahrtrichtung linken Seite durch eine Leitplanke 34 begrenzt wird. Der Radarsensor 10 ortet ein vorausfahrendes Fahrzeug 36. Wie in Fig. 2 durch durchgehende Pfeile symbolisiert wird, sendet der Radarsensor 10 ein Radarsignal 38, das entsprechend der Konfiguration der Sendeantenne 14 linkszirkular polarisiert ist, was durch einen Buchstaben "L" an dem betreffenden Pfeil symbolisiert wird. Das gesendete Radarsignal 38 trifft auf die Rück- front des vorausfahrenden Fahrzeugs 36 und wird dort reflektiert. Bei dieser Reflexion kommt es zu einer Umkehr der Polarisationsrichtung, so dass sich ein einfach reflektiertes Signal 40 auf direktem Wege vom georteten Fahrzeug 36 zum Radarsensor 10 ausbreitet. Aufgrund der Umkehr der Polarisationsrichtung ist dieses einfach reflektierte Signal 40 rechtszirkular polarisiert, was durch einen Buchstaben "R" symbolisiert wird. Da die Empfangsantenne 16 des Radarsensors speziell für den Empfang von rechtszirkular polarisierter Strahlung konfiguriert ist, wird dieses direkt reflektierte Signal mit geringstmöglicher Dämpfung empfangen und über den Mischer 26 an die Treiberschaltung 22 weitergeleitet.

Da die Rückfront des vorausfahrenden Fahrzeugs 36 im Winkel schräg zur Fahrbahnrichtung stehende Flächen bzw. gekrümmte Flächen aufweist, wird ein gewisser Anteil der auftreffenden Strahlung auch schräg zurück zur Leitplanke 34 reflektiert und trifft dann erst nach nochmaliger Reflexion an der Leit- planke wieder auf die Empfangsantenne des Radarsensors 10. Dieses Signal bildet somit ein mehrfach reflektiertes Signal 40, genauer, ein zweifach reflektiertes Signal, das in Fig. 2 durch einen gestrichelt eingezeichneten Pfeil symbolisiert wird. Aufgrund der Umkehr der Polarisationsrichtung bei der ersten Reflexion am Fahrzeug 36 ist dieses mehrfach reflektierte Signal 40 auf dem Weg zur Leitplanke 34 rechtszirkular polarisiert ("R"), jedoch wird bei der Reflexion an der Leitplanke 34 die Polarisationsrichtung erneut umgekehrt, so dass das Signal 40 den Radarsensor 10 als linkszirkular polarisiertes Signal ("L") erreicht. Dieses Signal wird deshalb von der Empfangsantenne 16 nur stark gedämpft empfangen. Da das mehrfach reflektierte Signal 42 bei der Ortung des vorausfahrenden Fahrzeugs 36 ein Störsignal darstellt, das insbesondere die Winkelmessung verfälscht, wird durch die Unterdrückung dieses Signals eine verbesserte Messgenauigkeit erreicht.

Fig. 3 illustriert eine andere Möglichkeit, wie Mehrfachreflexionen entstehen können. Der Radarsensor 10 ist wie üblich so konfiguriert, dass das gesendete Signal 38 zu einer relativ schmalen Keule in Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs 30 gebündelt wird. Das wird beispielsweise durch eine vor den Antennenelementen angeordnete Radarlinse und/oder durch eine geeignete Anordnung und geeignete Phasenbeziehungen zwischen mehreren Sende-Antennenpatches erreicht. Dennoch hat die vom Radarsensor 10 gesendete Radarkeule eine gewisse Breite in der horizontalen Richtung quer zur Fahrtrichtung. Diese

Strahlaufweitung ist durchaus erwünscht, da sie auch die Ortung winkel versetzt fahrender Fahrzeuge ermöglicht. Außerdem kommt es unvermeidlich zur Bildung von stärker zur Seite gerichteten Nebenkeulen.

Ein Teil der vom Radarsensor 10 emittierten Strahlung wird sich deshalb schräg zur Seite ausbreiten und so auf die Leitplanke 34 treffen, dass er durch diese zur Rückfront des vorausfahrenden Fahrzeugs 36 reflektiert wird. Nach erneuter Reflexion an der Rückfront des vorausfahrenden Fahrzeugs 36 wird auch ein Teil dieser Strahlung wieder auf die Empfangsantenne 16 des Radarsensors 10 treffen. Somit kann es auch im vorwärts gerichteten Ausbreitungspfad vom Radarsensor 10 zum Objekt, hier also zum vorausfahrenden Fahrzeug 36, zu Mehrfachreflexionen kommen. In Fig. 3 wird durch gestrichelte Pfeile ein zweifach reflektiertes Signal 44 dargestellt, der vom Radarsensor 10 über die Leitplanke 34 zum Fahrzeug 36 und von diesem zurück zum Radarsensor verläuft. Dieses mehrfach reflektierte Signal 44 führt zwar nicht zu einer so starken Verfälschung des Richtungswinkels, unter dem das Fahrzeug 36 geortet wird, kann jedoch aufgrund der größeren Signallaufzeit einen größeren Abstand des vorausfahrenden Fahrzeugs vortäu- sehen und generell das empfangene Signalbild so "verschmieren", dass eine genaue Identifizierung und Ortung einzelner Objekte erschwert wird.

Das mehrfach reflektierte Signal 44 ist auf dem Weg vom Radarsensor zur Leit- planke 34 linkszirkular polarisiert ("L"), auf dem Weg von der Leitplanke 34 zum Fahrzeug 36 rechtszirkular polarisiert ("R"), und auf dem Weg vom Fahrzeug 36 zurück zum Radarsensor 10 wieder linkszirkular polarisiert ("L"). Durch die für rechtszirkular polarisierte Strahlung konfigurierte Empfangsantenne 16 wird somit auch dieses mehrfach reflektierte Signal wirksam unterdrückt.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Einbausituation des Radarsensors 10 in das Kraftfahrzeug 30, bei der der Einbauort des Radarsensors auf der Seite, zu der die Radarstrahlung emittiert wird und von der die Radarechos wieder empfangen werden, von Komponenten 46 flankiert wird, beispielsweise von Karosserieteilen des Kraftfahrzeugs, an denen die von den Objekten reflektierte Radarstrahlung erneut reflektiert werden kann. Neben einfach reflektierten Signalen 48 erreichen den Radarsensor 10 somit auch in dieser Konstellation mehrfach reflektierte Signale 50, die die Objektortung stören können. Auch bei diesen Signalen ist bei der erneuten Reflexion an den Komponenten 46 eine erneute Umkehr der Polarisationsrichtung eingetreten, so dass auch in diesem Fall die störenden Signale nur stark bedämpft empfangen werden.