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Dokumentenidentifikation DE19710811B4 01.06.2006
Titel Vorrichtung zum gerichteten Abstrahlen und/oder Aufnehmen elektromagnetischer Wellen
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Pfizenmaier, Heinz, 71229 Leonberg, DE;
Schneemann, Joerg, Dr., 71554 Weissach, DE;
Mahr, Ulrich, Dr., 71522 Backnang, DE
DE-Anmeldedatum 15.03.1997
DE-Aktenzeichen 19710811
Offenlegungstag 17.09.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.06.2006
IPC-Hauptklasse H01Q 19/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01Q 1/32(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01Q 23/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01S 7/03(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gerichteten Abstrahlen und/oder Aufnehmen elektromagnetischer Wellen bestehend aus mindestens einem Sende-/Empfangselement sowie einer dielektrischen Linse. Das mindestens eine Sende-/Empfangselement, nachfolgend allgemein als Antennenelement bezeichnet, dient dabei der Erregung bzw. der eigentlichen Aufnahme der elektromagnetischen Welle. Die dielektrische Linse dient der Erzeugung einer Richtwirkung bzw. von gewünschten Antennenkeulen. Anwendung findete die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise bei einem Kraftfahrzeugradarsystem zur Detektion vorausfahrender Fahrzeuge.

Eine solche Vorrichtung bestehend aus mindestens einem Antennenelement sowie einer dielektrischen Linse ist beispielsweise aus der EP 498 524 bekannt. Dort wird ebenfalls ein Kraftfahrzeugradarsystem beschrieben, das zur Detektion vorausfahrender Fahrzeuge vorgesehen ist. Dabei handelt es sich in diesem Fall um einen sogenannten bistatischen Radarsensor, d. h. einen Radarsensor mit getrennten Antennen für den Sende- und für den Empfangsweg. Unabhängig von dieser Besonderheit besteht jede der beiden Antennen aus jeweils einer dielektrischen Linse und mindestens einem Antennenelement. Schwierigkeiten bereitet bei einer solchen Vorrichtung, insbesondere bei einer Sendeantenne, daß der Öffnungswinkel des oder der Antennenelemente in der Regel breiter ist als die dielektrische Linse. Dies bedeutet, daß ein Teil der erzeugten elektromagnetischen Welle an der dielektrischen Linse vorbeistrahlt. Dieser Anteil wird dementsprechend nicht von der dielektrischen Linse in der gewünschten Richtung fokussiert, was den Gesamtantennengewinn der Vorrichtung reduziert.

In der WO 97/02496 wird ein monostatischer Radarsensor beschrieben, der ebenfalls für eine Anwendung in Kraftfahrzeugen vorgesehen ist. Monostatisch bedeutet dabei, daß für den Sende- und den Empfangspfad dieselbe Antenne verwendet wird. Sie besteht in diesem Fall aus mindestens drei Antennenelementen, sowie einer davor angeordneten dielektrischen Linse. Um eine Überstrahlung der Linse im Sendefall zu vermeiden, ist hier vor jedem Antennenelement ein sog. Polyrod angeordnet. Darunter versteht man einen annähernd kegelförmigen dielektrischen Körper, der aufgrund seiner dielektrischen Eigenschaften eine Vorfokussierung der erzeugten elektromagnetischen Welle bewirkt. Schwierigkeiten bereitet bei dieser Anordnung die exakte Justage der einzelnen Polyrods. Jede auch noch so kleine Abweichung von der idealen Position bewirkt wiederum eine Überstrahlung der Linse.

Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es dementsprechend, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, bei der die Justage eines vorfokussierenden dielektrischen Körpers wesentlich vereinfacht ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Vorfokussierung eine flächig ausgedehnte dielektrische Scheibe verwendet wird. Diese bildet vorzugsweise die Deckfläche eines topfförmigen dielektrischen Körpers, der die Antennenelemente wie ein Gehäuse umschließt. Die Richtwirkung der dielektrischen Scheibe beruht auf dem Superstrate-Effekt, der beispielsweise in dem Aufsatz „Hochbündelnde Antennen mit geringen Verlusten für Millimeterwellenanwendungen" von Helmut Ostner und Jürgen Detlefsen, veröffentlicht auf der „ITG-Fachtagung Antennen" vom 12. bis zum 15.04.94, beschrieben ist. Aufgrund der flächigen Ausdehnung der dielektrischen Scheibe entfällt insbesondere die Notwendigkeit einer gegebenenfalls mehrfachen, seitlichen Ausrichtung des dielektrischen Körpers wie dies bei den Polyrods notwendig ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung bildet der topfförmige dielektrische Körper gemeinsam mit dem Trägermaterial der Antennenelemente ein hermetisch dichtes Gehäuse. Dies kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, neben den Antennenelementen insbesondere in Galliumarsenid gefertigte MMICs (Monolithic Microwave Integrated Circuits, monolithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise) unterzubringen. Solche MMICs benötigen in der Regel aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen eine hermetisch dichte Kapselung, die bei dieser Anordnung entfallen kann. Damit spart man sich eine vergleichsweise teure, eigene Abdichtung der Galliumarsenid MMICs. Selbstverständlich können bei Bedarf auch andere schutzbedürftige Bauelemente in diesem Gehäuse untergebracht werden.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Auf einer in diesem Fall metallischen Grundplatte 1 befindet sich eine vorzugsweise in Streifenleitertechnik gefertigte Schaltungsanordnung 2. Diese besteht aus einem dielektrischen Material, beispielsweise Quarz oder Cordierit, und besitzt auf ihrer Oberseite metallische Leitungsstrukturen. Neben Filterschaltungen und Verzweigungsstrukturen sind dies insbesondere drei in diesem Beispiel als Patchantennen ausgeführte Antennenelemente 3. Über dieser nachfolgend als MIC (Microwave Integrated Circuit) bezeichneten Schaltungsanordnung 2 befindet sich ein im Querschnitt U-förmiger, insgesamt damit topfförmiger, dielektrischer Körper 5. Er bildet gemeinsam mit der Grundplatte 1 ein Gehäuse um den MIC 2. Die Deckfläche 5a des dielektrischen Körpers 5 liegt parallel zur Oberfläche des MIC 2. Sie besitzt eine Dicke d2, die sich gemäß folgender Formel berechnet:

wobei bedeuten:
d2
die genannte Dicke
m
eine beliebige natürliche Zahl, m = 1, 2, 3...
&lgr;0
Freiraumwellenlänge der abgesendeten/empfangenen Welle
n2
Brechungsindex des Materials der Deckfläche des dielektrischen Körpers
&THgr;p
die gewünschte Strahlrichtung der Welle in Grad gemessen zur Senkrechten der Deckfläche

Der Abstand zwischen der Deckfläche 5a des dielektrischen Körpers und der Oberfläche des MIC 2 ist mit d1 bezeichnet und berechnet sich nach folgender Formel:

wobei bedeuten:
d1
der genannte Abstand
m
eine beliebige natürliche Zahl, m = 1, 2, 3...
&lgr;0
Freiraumwellenlänge der abgesendeten/empfangenen Welle
n1
Brechungsindex des Mediums zwischen der Deckfläche des topfförmigen dielektrischen Körpers und den Antennenelementen
&THgr;p
die gewünschte Strahlrichtung der welle in Grad gemessen zur Senkrechten der Deckfläche

Oberhalb von der Deckfläche 5a des dielektrischen Körpers 5 befindet sich eine Antennenlinse 7. Weiterhin ist innerhalb des von dem dielektrischen Körper 5 umschlossenen Bereichs ein MMIC 4 (Monolitic Microwave Integrated Circuit) eingezeichnet. An der linken Seitenwand des dielektrischen Körpers 5 sowie in der Grundplatte 1 sind hermetisch abgedichtete Leitungsdurchführungen 6 angedeutet.

Der MIC 2 und der MMIC 4 enthalten in integrierter Technologie weite Teile der Hochfrequenzstufe des gesamten Radarsystems. Die in ihnen erzeugten elektromagnetischen Wellen werden über die Patchantennen 3 abgestrahlt und breiten sich zunächst einmal in dem von dem dielektrischen Körper 5 umschlossenen Raum aus. Entsprechend den physikalischen Randbedingungen der Maxwellschen Gleichungen können sie in den dielektrischen Körper 5 eintreten, diesen jedoch nur unter bestimmten Winkeln vollständig durchdringen. Durch die geeignete Wahl der Deckflächendicke d2, des Abstandes d1 sowie der Dielektrizitätszahl des Deckflächenmaterials wird die gewünschte Vorfokussierung auf die Linse 7 erreicht. So ergeben sich beispielsweise für eine Sendefrequenz von 75 GHz, der gewünschten Strahlrichtung der Welle von &THgr;p = 0°, einem Brechungsindex n1 = 1 (Luft) und einem Brechungsindex n2 = Wurzel(10) (Al2O3-Keramik):

d1 = 2 mm

d2 = 0,316 mm

Der Brechungsindex der Materialien ist dabei bekanntermaßen die Wurzel der zugehörigen Dielektrizitätszahl. Je größer das Verhältnis n2/n1 ist, desto besser ist die sich ergebende Vorfokussierung. Als Materialien für den dielektrischen Körper eignen sich deshalb insbesondere alle Materialien mit einer hohen Dielektrizitätszahl wie beispielsweise Al2O3-Keramik, CaZrO3-Keramik, Bariumpolytitanate oder MgCaTiO2.

Darüber hinaus muß die laterale Ausdehnung der Deckfläche 5a des dielektrischen Körpers so groß sein, daß sie die Wirkfläche aller Antennenelemente überdeckt. Diese Bedingung ist näherungsweise erfüllt, wenn die Ausdehnung in beiden lateralen Richtungen mindestens das Fünffache der Freiraumwellenlänge &lgr;0 beträgt. Im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften ist die laterale Ausdehnung des dielektrischen Körpers vorzugsweise rund. Aus konstruktiven Gründen können jedoch auch andere, beispielsweise rechteckige Grundflächen bevorzugt werden.

Das Gehäuse bestehend aus der Grundplatte 1 und dem dielektrischen Körper 5 ist vorzugsweise hermetisch dicht, d.h. die darin untergebrachten Bauelemente sind gasdicht von der Außenumgebung abgeschlossen. Dies ermöglicht vorteilhafterweise, den MMIC 4 ohne eigene, ansonsten unbedingt notwendige Kapselung auszuführen. Die Durchführungen 6 können dabei durch Einkleben oder Einlöten von Metallstiften in den dielektrischen Körper 5 und/oder die Grundplatte 1 und das MIC-Substrat 2 realisiert werden. Gegebenenfalls können dabei handelsübliche, metallische sog. Viaholes in den dielektrischen Körper und/oder das MIC-Substrat eingesetzt werden.

Der hermetisch dichte Abschluß des so gebildeten Gehäuses ist wie erwähnt vor allem dann notwendig, wenn Bauelemente aus Galliumarsenid verpackungslos untergebracht werden sollen, da dieses Material derzeit im Gegensatz zu Silizium nicht ausreichend durch eine Oxidschicht zu schützen ist. Ein fehlender Schutz würde jedoch das Dotierprofil der Bauelemente nachhaltig zerstören.

Die exakte Justage der Vorfokussierung reduziert sich in diesem Fall auf die möglichst exakte Herstellung des topfförmigen dielektrischen Körpers 5. Die Montage selbst erfolgt einfach durch Zusammenkleben oder -löten des Körpers mit der Grundplatte 1.

Entsprechend dem oben zitierten Aufsatz von Ostner und Detlefsen kann insbesondere die Deckfläche 5a des dielektrischen Körpers auch aus schichtweise verschiedenen dielektrischen Materialien bestehen. Darüber hinaus können die Seitenwände des dielektrischen Körpers 5 aus einem anderen Material aus dem der Deckfläche hergestellt sein. Als weitere Modifikationen des skizzierten Ausführungsbeispiels können die Seitenwände, beispielsweise aus konstruktiven Gründen, schräg zur Deckfläche 5a angebracht sein. Ebenso ist die Ausführung der Erfindung nicht darauf beschränkt, die Antennenelemente und die dazugehörige Schaltung in Streifenleitertechnik auszuführen. So kommen als Antennenelemente auch alle anderen Ausführungsformen, wie beispielsweise &lgr;/2-Dipole oder Hornstrahler in Frage. Nicht zuletzt ist es aufgrund des Terms sin2&THgr;p in den oben angegebenen Formeln denkbar, die Linse 7 schräg vor dem dielektrischen Körper 5 anzubringen.

Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein in diesem Fall dreistrahliges Radarsystem, d.h. ein Radarsystem mit drei getrennten Antennenkeulen. Die hier gezeigte Vorfokussierung kann jedoch ebenso auch bei anderen Sende- und/oder Empfangsvorrichtungen genutzt werden, wie beispielsweise für einstrahlige Radarsysteme oder für Richtfunksysteme.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum gerichteten Abstrahlen und/oder Aufnehmen elektromagnetischer Wellen bestehend aus mindestens einem Sende-/Empfangselement (3), einer dielektrischen Linse (7) und mindestens einem weiteren dielektrischen Körper (5), der zwischen dem mindestens einen Sende-/Empfangselement und der dielektrischen Linse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine weitere dielektrische Körper flächig ausgedehnt über dem mindestens einen Sende-/Empfangselement liegt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine weitere dielektrische Körper topfförmig über dem mindestens einen Sende-/Empfangselement liegt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der topfförmige dielektrische Körper einer Kapselung von verpackungslosen IC's dient, die sich in der Umgebung des mindestens einen Sende-/Empfangselements befinden.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verpackungslosen IC's auf Galliumarsenid gefertigte MMIC's (monolithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise) sind und daß die genannte Kapselung diese hermetisch dicht umschließt.
  5. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfläche des topfförmigen dielektrischen Körpers im Strahlengang der empfangenen und/oder abgesendeten elektromagnetischen Wellen liegt und daß die Deckfläche eine Ausdehnung von mindestens dem Fünffachen der Freiraumwellenlänge besitzt.
  6. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfläche des topfförmigen dielektrischen Körpers eine Dicke d2 besitzt, die zumindest näherungsweise folgende Bedingung erfüllt:
    wobei bedeuten:

    d2 die genannte Dicke

    m eine beliebige natürliche Zahl, m = 1, 2, 3...

    &lgr;0 Freiraumwellenlänge der abgesendeten/empfangenen Welle

    n2 Brechungsindex des Materials der Deckfläche des dielektrischen Körpers

    &THgr;p die gewünschte Strahlrichtung der Welle in Grad gemessen zur Senkrechten der Deckfläche
  7. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Deckfläche des topfförmigen dielektrischen Körpers und der Ebene, in der sich das mindestens eine Sende-/Empfangselement befindet, ein Abstand d1 besteht, der zumindest näherungsweise folgende Bedingung erfüllt:
    wobei bedeuten:

    d1 der genannte Abstand

    m eine beliebige natürliche Zahl, m = 1, 2, 3...

    &lgr;0 Freiraumwellenlänge der abgesendeten/empfangenen Welle

    n1 Brechungsindex des Mediums zwischen der Deckfläche des topfförmigen dielektrischen Körpers und dem mindestens einen Sende-/Empfangselement

    &THgr;p die gewünschte Strahlrichtung der Welle in Grad gemessen zur Senkrechten der Deckfläche
  8. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfläche des dielektrischen Körpers aus Keramik besteht.
  9. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckfläche des dielektrischen Körpers aus schichtweise verschiedenen dielektrischen Materialien aufgebaut ist.
  10. Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der topfförmige dielektrische Körper und/oder ein mit ihm verbundenes Trägermaterial hermetisch dichte, elektrisch wirksame Durchführungen besitzt.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

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