Titel

Antennenelement und Antennenarray

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antennenelement und ein Antennenarray.

Stand der Technik

Radarvorrichtungen ermöglichen eine genaue Bestimmung von Relativgeschwindigkeiten von Objekten sowie bei Verwendung geeigneter Modulationsverfahren zusätzlich von Abständen oder Winkelpositionen der Objekte. Aus diesem Grund sind

Radarvorrichtungen im Automobilbereich weit verbreitet.

Im Gigahertz-Bereich kommen typischerweise Patchantennen zum Einsatz. Diese sind besonders einfach und kostengünstig auf Hochfrequenz-Substraten bereitstellbar. Eine Metallfläche, welche eine Länge von etwa der halben Wellenlänge der Radarstrahlung aufweist, dient hierbei als Resonator.

Bei dem strahlenden Element kann es sich beispielsweise um einen einzelnen Patch handeln. Häufig ist jedoch eine bessere Fokussierung der Radarstrahlen erforderlich, d. h. eine verbesserte Richtcharakteristik mit schmaleren Keulen. In Panelantennen werden daher mehrere Patches kombiniert. In einem derartigen Antennenarray sind sämtliche Patches mit einer gemeinsamen Quelle gekoppelt, welche elektrische Leistung in die Patches einspeist. Die Kopplung kann hierbei parallel oder auch seriell mittels eines Leistungsteilemetzwerkes erfolgen.

Aus der US 2007/0279303 Al ist eine Antennenstruktur für derartige seriell gespeiste Antennenelemente offenbart. Zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, die Abstände zwischen Antennenelementen oder die Abmessungen der Antennenelemente zu variieren. Beispielweise können die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Antennenelementen zum Ende einer gemeinsamen Einspeiseleitung hin zunehmen. Typischerweise sind die Antennenelemente bzw. Antennen derart ausgestaltet, dass die Hauptkeule bzw. Hauptaussenderichtung der ausgesendeten Radarstrahlung senkrecht zum Substrat verläuft. In einigen Anwendungen kann es jedoch vorteilhaft sein, die Richtcharakteristik der Antennen anzupassen, sodass die Hauptaussenderichtung nicht senkrecht zum Substrat verläuft, sondern einen gewissen Winkel einschließt.

Insbesondere bei Radarvorrichtungen, welche im Heckbereich eines Fahrzeugs oder in den Eckbereichen angeordnet sind, kann eine derartige Anpassung der Richtcharakteristik vorteilhaft sein.

Ein bekannter Mechanismus, um starke Richtwirkungen zu erzielen, sind Phased-Array- Antennen. Hierbei handelt es sich um phasengesteuerte Gruppenantennen mit einer Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Einzelstrahlem, wobei ein Phasenwinkel der Einzelstrahler anpassbar ist. Durch geeignete Ansteuerung kann die Sendeenergie in der gewünschten Richtung durch konstruktive Interferenz verstärkt und in unerwünschten Richtungen durch destruktive Interferenz verringert oder ausgelöscht werden.

Phased-Array- Antennen erfordern jedoch relativ aufwändige Mechanismen zur

Anpassung der Phasen der jeweiligen Einzelstrahler. Dadurch sind derartige Antennen typischerweise relativ kostenintensiv und komplex herzustellen. Phased-Array-Technik findet sich somit häufig im militärischen Bereich, die Einsatzmöglichkeiten für

Automobilanwendungen sind jedoch eher beschränkt.

Es besteht somit ein Bedarf an kostengünstigen Antennen mit Richtwirkungen, welche von der senkrechten Richtung abweichen.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung stellt ein Antennenelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Antennenarray mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 bereit.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Antennenelement mit einer Einspeiseleitung zum Einspeisen elektrischer Leitung. Das Antennenelement weist weiter eine erste Vielzahl von Abstrahlelementen auf, welche auf einer ersten Seite der Einspeiseleitung angeordnet sind. Weiter weist das Antennenelement eine zweite Vielzahl von Abstrahlelementen auf, welche auf einer zweiten Seite der Einspeiseleitung angeordnet sind. Die Abstrahlelemente sind seriell mit der Einspeiseleitung gekoppelt und werden von der Einspeiseleitung mit elektrischer Leistung gespeist. Die

Abstrahlelemente sind weiter dazu ausgebildet, elektrische Strahlung auszusenden. Die erste Vielzahl von Abstrahlelementen unterscheidet sich von der zweiten Vielzahl von Abstrahlelementen in einer Verteilung von räumlichen Abmessungen der

Abstrahlelemente und/oder in einer Verteilung von Abständen benachbarter

Abstrahlelemente.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Antennenarray mit einer Vielzahl von gemeinsam gespeisten Antennenelementen.

Vorteile der Erfindung

Durch Verwendung von Abstrahlelementen mit unterschiedlichen Verteilungen der räumlichen Abmessungen oder Abstände kann bereits für ein einziges Antennenelement eine gewünschte Richtwirkung erzielt werden. Verantwortlich ist hierfür die konstruktive und destruktive Interferenz der ausgesendeten Radarwellen. Da die Abstrahlelemente auf den beiden Seiten der Einspeiseleitung unterschiedlich verteilt sind, ergibt sich in Summe eine Hauptkeule, welche von der senkrechten Richtung des Substrats abweicht. Somit kann eine hochempfindliche Antenne bereitgestellt werden.

Weiter kann auf zusätzliche Maßnahmen zur Formung der Radarstrahlen verwendet werden, insbesondere auf Pins und reaktive Elemente, welche die abgestrahlte Leistung negativ beeinflussen können. Im Vergleich zu Phased-Array- Antennen zeichnet sich das Antennenelement weiter durch eine kompakte Bauweise auf, da auf zusätzliche

Phasenteiler verzichtet werden kann. Dies ist insbesondere im Automobilbereich vorteilhaft, wo die zur Verfügung stehenden Raumbereiche optimal ausgenutzt werden müssen.

Da eine zusätzliche Phasensteuerung mittels eines Phasenteilers nicht erforderlich ist, kann eine besonders kostengünstige Antenne mit vorgegebener Richtcharakteristik bereitgestellt werden. Unter räumlichen Abmessungen kann für rechteckige Patches oder Abstrahlelemente eine Breite und eine Länge des entsprechenden Abstrahlelementes verstanden werden. Für Abstrahlelemente, welche nicht rechteckig ausgebildet sind, können unter den räumlichen Abmessungen beispielsweise die Durchmesser oder Flächeninhalte der Abstrahlelemente verstanden werden.

Unter einer Verteilung der räumlichen Abmessungen ist die Abfolge der Abmessungen entlang der Einspeiseleitung zu verstehen. Verschiedene Verteilungen bedeutet somit vorzugsweise, dass die Abstrahlelemente nicht nur versetzt zueinander an den beiden Seiten der Einspeiseleitung angeordnet sind, sondern vielmehr zumindest an einer Stelle die Abfolgen der Abstände oder Abmessungen der Abstrahlelemente auf einer Seite nicht mit entsprechenden Abfolgen der Abstände oder Abmessungen der Abstrahlelemente auf der anderen Seite in Übereinstimmung gebracht werden können.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Antennenelement um eine Panelantenne, welche flach auf einem Substrat angeordnet ist.

Durch geeignete Wahl der Dimensionen bzw. Abmessungen und der Abstände der Abstrahlelemente kann eine ausreichend hohe Abstrahlleistung in einem breiten

Winkelbereich erzielt werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Antennenelements umfassen die

Verteilungen der Abmessungen und/oder Abstände eine Dolph-Tschebyscheff- Verteilung, eine uniforme Verteilung und/oder eine Binomialverteilung.

Gemäß einer Weiterbildung des Antennenelements sind die Abstrahlelemente der ersten Vielzahl und/oder der zweiten Vielzahl der Abstrahlelemente als geschlitzte Patches ausgebildet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Antennenelements sind die

Abstrahlelemente über Streifenleitungen mit der Einspeiseleitung gekoppelt. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Abstrahlelemente jedoch auch mittels kapazitiver Kopplungen und/oder Schlitzkopplungen mit der Einspeiseleitung gekoppelt sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Antennenelements ist das Antennenelement als Dipolantennenelement ausgebildet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Antennenelements sind die Einspeiseleitung und/oder die Abstrahlelemente als Streifenelemente ausgebildet. Bei dem

Antennenelement kann es sich somit insbesondere um ein Streifenleiterantennenelement handeln.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Antennenelements ist die erste Vielzahl von Abstrahlelementen relativ zur zweiten Vielzahl von Abstrahlelementen entlang der Einspeiseleitung versetzt angeordnet.

Gemäß einer Ausführungsform des Antennenelements können die Abstände zwischen den Abstrahlelementen auf beiden Seiten konstant sein oder die gleiche Verteilung aufweisen, während sich die Verteilungen der Abmessungen unterscheiden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Antennenelements können die Abmessungen der Abstrahlelemente auf beiden Seiten konstant sein oder die gleiche Verteilung aufweisen, während sich die Verteilungen der Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Antennenelementen für die beiden Seiten, d. h. für die erste Vielzahl von

Abstrahlelementen und die zweite Vielzahl von Abstrahlelementen, unterscheiden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Antennenelements unterscheidet sich mindestens ein Abstrahlelement der ersten Vielzahl von Abstrahlelementen von sämtlichen Abstrahlelementen der zweiten Vielzahl von Abstrahlelementen in der Breite und/oder dem Abstand zu einem benachbarten Abstrahlelement der ersten Vielzahl von Abstrahlelementen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung des Antennenelements sind die

Verteilungen der Abmessungen und/oder Abstände derart gewählt, dass ein

Abstrahlmaximum der ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung bei einer von einer senkrechten Richtung abweichenden Abstrahlrichtung auftritt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Draufsicht auf ein Antennenelement gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 eine Illustration der Strahlungsleistung als Funktion des Abstrahlwinkels für das in Figur 1 gezeigte Antennenelement;

Figur 3 eine schematische Draufsicht auf ein Antennenelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Figur 4 eine schematische Draufsicht auf ein Antennenarray gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 5 eine lllustration der Strahlungsleistung als Funktion des Abstrahlwinkels für das in Figur 4 gezeigte Antennenarray. ln allen Figuren sind gleiche bzw. fünktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele ln Figur 1 ist ein beispielhaftes Antennenelement 1 a illustriert. Das Antennenelement la ist als Panelantennenelement ausgestaltet, welches auf einem (nicht gezeigten) Substrat ausgebildet ist. Das Antennenelement 1 a kann als Radar-Sendeeinrichtung oder als Radar-Empfängereinrichtung ausgestaltet sein. Das Antennenelement la kann auch Element eines Antennenarrays sein.

Das Antennenelement 1 a weist eine geradlinig verlaufende Einspeiseleitung 2 auf, welche als Streifenleitung ausgestaltet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So muss die Einspeiseleitung 2 nicht zwingend geradlinig verlaufen.

Die flach ausgebildete Einspeiseleitung 2 weist Abstrahlelemente 31 bis 36 und 41 bis 46 auf, welche an einer ersten bzw. linken Seite der Einspeiseleitung 2 und einer zweiten bzw. rechten Seite der Einspeiseleitung 2 angeordnet sind. Die Abstrahlelemente 31 bis 36 und 41 bis 46 sind als Patches ausgestaltet, welche direkt mit der Einspeiseleitung 2 verbunden bzw. gekoppelt sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Ausgestaltung beschränkt. So können die Abstrahlelemente 31 bis 36 und 41 bis 46 über Koppelelemente, etwa mit der Einspeiseleitung 2 verbundene Streifenelemente, mit der Einspeiseleitung gekoppelt sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Abstrahlelemente 31 bis 36 und 41 bis 46 auch über kapazitive Kopplungen und/oder Schlitzkopplungen mit der

Einspeiseleitung 2 gekoppelt sein.

Über die Einspeiseleitung 2 wird elektrische Leistung in die Abstrahlelemente 31 bis 36 und 41 bis 46 eingespeist. Die Abstrahlelemente 31 bis 36 und 41 bis 46 werden dadurch zum Aussenden elektromagnetischer Wellen und vorzugsweise von Radarstrahlung angeregt. Insbesondere kann das Antennenelement 1 a zum Aussenden von Radarwellen im Gigahertzbereich ausgestaltet sein, insbesondere zum Betrieb im 77-Gigahertz- Frequenzband, welches im Automobilbereich verbreitet ist.

Die Abstrahlelemente 31 bis 36 und 41 bis 46 lassen sich in eine erste Vielzahl 3 von Abstrahlelementen 31 bis 36 auf der linken bzw. ersten Seite der Einspeiseleitung 2 und in eine zweite Vielzahl 4 von Abstrahlelementen 41 bis 46 auf der rechten bzw. zweiten Seite der Einspeiseleitung 2 unterteilen. Die erste Vielzahl 3 von Abstrahlelementen 31 bis 36 bzw. die zweite Vielzahl 4 von Abstrahlelementen 41 bis 46 sind jeweils seriell mit der Einspeiseleitung 2 gekoppelt.

Die erste Vielzahl 3 von Abstrahlelementen 31 bis 36 unterscheidet sich in der in Figur 1 gezeigten Ausgestaltung von der zweiten Vielzahl 4 von Abstrahlelementen 41 bis 46 in der Verteilung der Breiten der Abstrahlelemente 31 bis 36 und 41 bis 46. Sowohl die Abstrahlelemente 31 bis 36 der ersten Vielzahl 3 von Abstrahlelementen 31 bis 36 als auch die Abstrahlelemente 41 bis 46 der zweiten Vielzahl 4 von Abstrahlelementen 41 bis 46 sind rechteckig ausgebildet und weisen jeweils eine identische Länge z auf, welche orthogonal zur Einspeiseleitung 2 gemessen wird. Weiter sind die Abstände x zwischen aufeinanderfolgenden Abstrahlelementen 31 bis 36 und 41 bis 46 jeweils identisch. Die Abstände x entsprechen vorzugsweise der Wellenlänge der ausgesendeten

Radarstrahlung.

Die Breiten D der Abstrahlelemente 31 bis 36 der ersten Vielzahl 3 von

Abstrahlelementen 31 bis 36 sind jeweils fest. Die Breiten D werden hierbei parallel zur Einspeiseleitung 2 gemessen. Die erste Vielzahl 3 von Abstrahlelementen 31 bis 36 weist somit eine uniforme Verteilung der Breiten auf.

Die Breiten Dl bis D6 der Abstrahlelemente 41 bis 46 der zweiten Vielzahl 4 von Abstrahlelementen 41 bis 46 folgen einer Dolph-Tschebysche ff- Verteilung. Das Verhältnis der Breiten Dl bis D6 entspricht somit dem Verhältnis von Tschebyscheff- Polynomen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Breiten Dl bis D6 einer beliebigen anderen Verteilung folgen, etwa einer Binomialverteilung. Durch Wahl geeigneter Verteilungen kann die Abstrahlcharakteristik des Antennenelements la eingestellt werden.

Gemäß weiteren Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ die Längen z der Abstrahlelemente 31 bis 36 und 41 bis 46 variieren. Vorzugsweise unterscheidet sich die Verteilung der Längen z der ersten Vielzahl 3 der Abstrahlelemente 31 bis 36 von der Verteilung der Längen z der zweiten Vielzahl 4 der Abstrahlelemente 41 bis 46.

Gemäß weiteren Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ die Abstände x zwischen aufeinanderfolgenden Abstrahlelement 31 bis 36 und 41 bis 46 variieren.

Vorzugsweise unterscheidet sich die Verteilung der Abstände x der ersten Vielzahl 3 der Abstrahlelemente 31 bis 36 von der Verteilung der Abstände x der zweiten Vielzahl 4 der Abstrahlelemente 41 bis 46.

In Figur 2 ist eine Abstrahlleistung des in Figur 1 gezeigten Antennenelements 1 a als Funktion eines Azimutwinkels Q illustriert. Wie zuerkennen ist, weist die

Abstrahlcharakteristik ein Maximum bei einem von 0 Grad verschiedenen Winkel auf, d. h. die Hauptabstrahlrichtung verläuft nicht senkrecht zum Substrat. Dadurch ist das Antennenelement 1 a insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich, etwa im vorderen oder hinteren Rand- bzw. Eckbereich gut geeignet.

Wie der Figur 2 zu entnehmen, kann eine Hauptabstrahlrichtung bei einem Azimutwinkel von etwa 25 Grad erreicht werden. Weiter kann eine große Stabilität des

Strahlungsmusters erzielt werden, wobei die Abstrahlrichtung und die Abstrahlleistung in einem Bandbereich von etwa 3 Gigahertz im Wesentlichen konstant bleiben. Selbst nach Änderung der Abstrahlrichtung kann darüber hinaus eine hohe Abstrahlleistung in einem großen Winkelbereich von etwa 90 Grad Breite erzielt werden. Weiter kann ein guter Nebenkeulenpegel in der Elevationsebene erzielt werden, wobei in einem Bandbereich von 3 Gigahertz Breite um eine Frequenz von 76,5 Gigahertz im Wesentlichen keine Änderung der Hauptabstrahlrichtung auftritt.

In Figur 3 ist ein Antennenelement lb gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung illustriert. Das Antennenelement lb weist eine erste Vielzahl 8 von

Abstrahlelementen 81 bis 84 auf, wobei die Breiten vl bis v4 der Abstrahlelemente 81 bis 84 einer Binomialverteilung folgen. Die Abstrahlelemente 81 bis 84 sind jeweils als geschlitzte Abstrahlelemente ausgebildet. Das Antennenelement lb weist weiter eine zweite Vielzahl 9 von Abstrahlelementen 91 bis 95 auf, wobei die Breiten ul bis u5 einer Dolph-Tschebysche ff- Verteilung folgen. Die Abstände x zwischen aufeinanderfolgenden Abstrahlelementen 81 bis 84 und 91 bis 95 sind jeweils konstant.

Die Abstrahlelemente der ersten Vielzahl 8 und zweiten Vielzahl 9 sind aufgrund der unterschiedlichen Breiten leicht versetzt zueinander angeordnet, um die Phase entsprechend einzustellen.

Vorzugsweise nimmt die Breite der Abstrahlelemente jeweils zum Rand der

Einspeiseleitung 2 hin ab, wie für die zweite Vielzahl 4 der Abstrahlelemente 41 bis 46 des in Figur 1 gezeigten Antennenelements 1 a und für die erste Vielzahl 8 und zweite Vielzahl 9 von Abstrahlelementen des in Figur 3 gezeigten Antennenelements lb illustriert. ln Figur 4 ist ein Antennenarray 7 illustriert. Das Antennenarray weist sechs

Antennenelemente lc auf, welche jeweils eine erste Vielzahl 5 von Abstrahlelementen 51 bis 56 mit binominal verteilten Breiten dl bis d6 und eine zweite Vielzahl 6 von

Abstrahlelementen 61 bis 65 mit konstanten Breiten d aufweisen.

Die Antennenelemente lc sind jeweils paarweise über erste bis sechste Streifenleitungen 21 bis 26 mit siebten und achten Streifenleitungen 27, 28 verbunden, welche mit einer neunten Streifenleitung 29 gekoppelt sind. Über die neunte Streifenleitung 29 kann elektrische Energie in die jeweiligen Streifenleitungen 2 der einzelnen Antennenelemente lc eingekoppelt werden. Über unterschiedlich gewählte Längen der ersten bis sechsten Streifenleitungen 21 bis 26 können Phasenunterschiede zwischen den einzelnen Antennenelementen lc erreicht werden und dadurch kann eine geeignete

Abstrahlcharakteristik erzielt werden.

Anstelle der in Figur 4 gezeigten Antennenelemente lc können beliebige

Antennenelemente mit ungleich verteilten Abstrahlelementen eingesetzt werden, insbesondere die in den Figuren 1 und 3 gezeigten Antennenelemente la, lb.

In Figur 5 ist die Abstrahlleistung des in Figur 4 gezeigten Antennenarrays 7 als Funktion des Azimutwinkels Q illustriert. Die Abstrahlcharakteristik weist ein Maximum bei einem Wert von -45 Grad auf. Das erzielbare Maximum ist darüber hinaus deutlich stärker ausgeprägt als dies bei Verwendung von Antennenelementen mit gleich verteilten Abstrahlelementen der Fall wäre.