DE3821215C2 - Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor für Kraftfahrzeuganordnungen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach dem Doppler-Prinzip, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Wegmeßsystem für streckengebundene Fahrzeuge unter Verwendung eines Doppler-Radargerätes ist aus CH 6 16 240 bekannt. Dieses Wegmeßsystem ermittelt unter Verwendung eines mit einem Doppler-Radargerät arbeitenden Wegmessers aus dem reflektierten Signal die Dopplerfrequenz, aus der im Empfangszweig der zurückgelegte Weg bestimmt werden kann. Dieses be­ kannte System hat einen Sendeteil, einen Empfangsteil sowie eine Auswerte­ elektronik.

Ferner ist aus der US 41 07 680 ein Geschwindigkeitssensor für Bodenfahrzeuge bekannt, dessen Antennen, Zirkulatoren sowie Mischer auf einem einstückig ausgeführten Trägerkörper angeordnet sind. Dieser Trägerkörper besteht aus zwei Schenkeln, die jeweils eine Antenne tragen und einen Winkel von 90° bilden. An den freien Enden der beiden Schenkeln fügt sich jeweils ein zur Befestigung vorgesehenes Flanschteil an.

Schließlich ist aus der DE 32 09 094 A1 eine Vorrichtung zur Raumüber­ wachung mittels Doppler-Radar bekannt, die einen Mikrowellen-Oszillator, eine Sende-Empfangs-Antenne und einen Detektor umfaßt. Diese Komponenten sind in Streifenleitertechnik ausgebildet und auf demselben Trägermaterial angeordnet, d. h. als Trägermaterial dient eine Isolierplatte, die auf einer Oberflächenseite mit einer auf Massepotential gehaltenen leitenden Schicht versehen ist und auf ihrer anderen Oberflächenseite den Oszillator, die Antenne, den Detektor sowie die entsprechenden Verbindungsleitungen trägt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Geschwindigkeits-Weg­ strecken-Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, der insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen geeignet ist, sich also einfach an ein Infor­ mationssystem, beispielsweise ein Bus-System eines Kraftfahrzeuges, ankoppeln läßt und einen alle Komponenten des Sensors integrierenden flachen Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patent­ anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, das in Streifenleitertechnik aus­ geführte Antennensystem als auch den ebenfalls in Streifenleitertechnik aus­ geführten Sende- und Empfangsteil auf der Oberseite eines flachen, ebenen und isolierenden Trägerkörpers anzuordnen, das heißt, daß sowohl die in der Streifenleitertechnik notwendige auf Massepotential liegenden leitende Schicht als auch die Strukturen zur Bildung des Antennensystems als auch zur Bildung des Sende- und Empfangsteils auf der gleichen Seite des Trägerkörpers liegen. Somit wird die der Oberseite des Trägerkörpers gegenüberliegende Unterseite des Trägerkörpers frei, um dort ebenfalls Komponenten, nämlich die Auswerte- und Versorgungselektronik anzuordnen. Die Auswerteelektronik liefert ein geschwindigkeitsproportionales Signal, das direkt auf einen an der Stirnseite des Trägerkörpers angeordneten Stecker geführt wird, um eine Schnittstelle für ein Bus-System des Kraftfahrzeuges zu bilden. Um die einzelnen Komponenten des Sensors vor Schmutz, Nässe bzw. mechanischer Zerstörung usw. zu schützen, ist je eine Abdeckung für die Ober- und Unterseite des Trägerkörperes vorgesehen, die zusammen mit dem Trägerkörper das Gehäuse des Sensors bilden.

Diese erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich außerdem durch eine flache Ausführung aus, die bei einer ersten bevorzugten Ausbildung der Erfindung durch ein aus zwei symmetrisch zueinander angeordneten Antennen bestehendes Antennensystem erzielt wird, wobei der Sende- und Empfangsteil zwischen den beiden Antennen angeordnet ist.

In einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die flache Form des Sensors durch die Verwendung von planaren Antennen weiter verbessert.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung führt der Einsatz von dielektrischen Linsen in Kombination mit planaren An­ tennen zu einer kostengünstigeren Ausführung des Sensors, die jedoch nicht mehr so flach ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Sende- und Empfangsteil als integrierter GaAs-Schaltkreis aufge­ baut, wobei gemäß einer weiteren günstigen Ausführungsform der Er­ findung dieser Schaltkreis im 24-GHz-Bereich arbeitet.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteran­ sprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b die schematische Darstellung einer Modul-Aus­ führung eines erfindungsgemäßen Geschwindig­ keits-Wegstrecken-Sensors in einer Drauf- bzw. Schnittansicht,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Sende- und Empfangs­ teils des erfindungsgemäßen Geschwindigkeits- Wegstrecken-Sensors gemäß der Fig. 1a und 1b,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Auswerte- und Ver­ sorgungsteils des erfindungsgemäßen Geschwin­ digkeits-Wegstrecken-Sensors gemäß den Fig. 1a und 1b, und

Fig. 4 die schematische Darstellung einer Modul-Aus­ führung eines weiteren erfindungsgemäßen Ge­ schwindigkeits-Wegstrecken-Sensors in einer Schnittansicht.

Die Modul-Ausführung des Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensors nach den Fig. 1a und 1b umfaßt einen rechteckförmigen und flachen Trä­ gerkörper 4 aus Kunststoff. Im Kreuzungspunkt der beiden Flächendia­ gonalen der Oberflächenseite 5 des Trägerkörpers 4 ist der auf einer Metallplatte 11 befestigte Sende- und Empfangsteil 1 als GaAs-MMIC (Monolitic Microwave Integrated Circuit) angeordnet, wobei die streifenförmig ausgebildete Metallplatte 11, beispielsweise aus Mes­ sing, oberflächenbündig in den Trägerkörper 4 eingelassen ist und in Richtung der die Länge des Trägerkörpers 4 teilende Symmetrielinie 18 die Oberflächenseite 5 außerhalb der Metallplatte 11 in zwei identische Bereiche 15a und 15b teilt, in die jeweils planare Anten­ nen 2a und 2b symmetrisch zueinander angeordnet sind und von dem Hochfrequenzteil der Sende- und Empfangselektronik 1 über jeweils eine Streifenleitung 12a und 12b gespeist werden können. Jede Anten­ ne 2a bzw. 2b besteht aus vier über einen Steg 16a bzw. 16b zusam­ mengefaßten Antennenästen 17a bzw. 17b. Die Antennen bestehen aus einem Kunststoff mit einer hohen Dielektrizitätszahl, beispielsweise aus RT-Duroid, wobei die Rückseiten der Antennen in den Bereichen 15a und 15b ganzflächig metallisiert sind.

Auf der zweiten Oberflächenseite 7 des Trägerkörpers 4 ist symme­ trisch zur Symmetrielinie 18 eine Aussparung 6 ausgebildet, die eine Leiterplatte 8 mit der Auswerte- und Versorgungselektronik 3 auf­ nimmt. Eine Leitung 14 führt von dem Sende- und Empfangsteil 1 als auch von der Auswerte- und Versorgungselektronik 3 senkrecht zur langen Stirnseite auf eine mittig an dieser Seite des Trägerkörpers 4 angeordnete Steckerleiste 13 zum Anschluß an ein Kraftfahrzeug- Bussystem.

Zwei Deckplatten 9a und 9b aus Kunststoff, die deckungsgleich zu den Seitenflächen 5 und 7 ausgebildet sind und dieselben dicht abdecken bilden zusammen mit dem Trägerkörper 4 das Gehäuse des Sensors. Die Deckplatte 9b ist im Bereich der Antennen 2a und 2b jeweils mit ei­ nem Schutzfenster 10 versehen, dessen Material eine niedrige Absorp­ tion im angewandten Frequenzbereich aufweist. Für den Frequenzbereich von 24 GHz wird beispielsweise Polyethylen eingesetzt.

Die Modul-Ausführung gemäß den Fig. 1a und 1b weist eine Länge l₁ von ca. 180 mm, eine Breite l₂ von ca. 60 mm und eine Höhe l₃ von ca. 15 mm auf. Bei dieser flachen Ausführung des Sensors sind die beiden Antennen so ausgebildet, daß deren Strahlen jeweils einen Neigungswinkel von ca. 45° aufweisen und einen Antennenöffnungs­ winkel von 10° bis 15° haben. Die Doppelstrahlanordnung, die durch die beiden Antennen gegeben ist, wird zur Kompensation des Nickwin­ kels des Kraftfahrzeuges benötigt. Es ist jedoch eine Einfachanten­ nenausführung möglich, bei der eine Einsparung an verschiedenen Elektronikbausteinen erzielbar ist sowie eine Verkleinerung der ge­ samten Anordnung möglich ist.

Dieser Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor ist geeignet, die Fahr­ zeuggeschwindigkeit über Grund unter Ausnutzung des Doppler-Effektes mit Mikrowellen-Strahlung bei einer Frequenz von 24,125 GHz zu messen. Die Integration der Geschwindigkeitsmessung ergibt die Weg­ streckeninformation, wobei ein Meßbereich von 2,5 km/h bis 200 km/h zu einer Zwischenfrequenz von 75 Hz bis 6 kHz führt.

Der Sende- und Empfangsteil 1 gemäß Fig. 2 enthält einen dielek­ trisch stabilisierten Oszillator Osz 1, der auf MESFET-Basis herge­ stellt und für eine Ausgangsleistung von 7-10 dBm ausgelegt ist. Dieser Oszillator Osz 1 dient als Sender und als lokaler Oszillator (LO) für die Mischerstufen M_1a und M_1b. Das Oszillatorsignal mit ei­ ner Frequenz von 24,125 GHz wird geteilt und mit den beiden MESFET- Verstärkern V_1a und V_1b mit 6 dB nachverstärkt. Anschließend wird das Sendesignal jeweils über einen 3 dB-Hybridringkoppler K_1a und K_1b auf die Antennen A₁ und A₂ geleitet, während das LO- und das Em­ pfangssignal auf die als Schottky-Diodenmischen ausgebildeten Mi­ scherstufen M_1a und M_1b geführt werden, wobei deren Ausgangssignale mit einer Zwischenfrequenz von 75 Hz bis 6 kHz auf Kanal 1 und Kanal 2 der Auswerte- und Versorgungselektronik 3 zugeführt werden.

Gemäß Fig. 3 werden die beiden Zwischenfrequenzsignale jeweils über Kanal 1 bzw. 2 aufbereitet, wobei diese beiden Kanäle identisch aufgebaut sind. Die Zwischenfrequenzsignale werden jeweils einem Zwischenfrequenzvorverstärker V_2a bzw. V_2b, anschließend jeweils ei­ nem elektrisch abstimmbaren Filter F_1a bzw. F_1b, und schließlich je­ weils einem Komparator K_2a bzw. K_2b zur Wandlung der analogen Dopp­ ler-Signale in Digitalsignale zugeführt. Diese Funktionen sind zu­ sammen mit einem Prüfoszillator Osz 2 und einer Modul-Überwachungs­ einheit Mod, die jeweils mit den beiden Kanälen 1 und 2 verbunden sind, auf einem integrierten Schaltkreis IC₁ realisiert. Über die Test- und Kontrollanschlüsse des Prüfoszillators Osz 2 und der Modul-Überwachungseinheit Mod ist eine Überprüfung des Sende- und Empfangsteils 1 sowie der Auswerteelektronik möglich. Die beiden Ausgänge der Komparatoren K_2a und K_2b sind mit einem weiteren, einen Mikroprozessor enthaltenden integrierten Schaltkreis IC₂ verbunden, der die Mittelwertbildung der beiden Dopplerfrequenzen und die Daten- und Signalaufbereitung durchführt. Am Ausgang des integrierten Schaltkreises IC₂ steht ein Signal mit geschwindigkeitsproportionaler Frequenz zur Verfügung. Dieses Signal kann auf eine Schnittstelle eines Bus-Systems geführt werden. Schließlich enthält die Auswerte­ und Versorgungselektronik 3 eine Versorgungsspannungseinheit Sp, die die Aufbereitung der Versorgungsspannungen für den Sende- und Em­ pfangsteil 1 vornimmt.

Der Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach Fig. 4 weist zwei di­ elektrische Linsen 19a und 19b auf, die auf der Oberflächenseite 5 des Trägerkörpers 4 symmetrisch so angeordnet sind, daß ihre optische Achsen jeweils senkrecht auf den zu der Oberflächenseite 5 um 45° ge­ neigten Antennen 2a und 2b stehen. Die aus Keramik oder Quarzglas hergestellten Antennen 2a und 2b sind planar entsprechend denjenigen nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ausgeführt, wobei in der Ebene dieser beiden Antennen 2a und 2b die beiden Sende- und Em­ pfangsteile 1a und 1b angeordnet sind. Auf der anderen Oberflächen­ seite 7 des Trägerkörpers 4 befinden sich sowohl in einer Aussparung 6 des Trägerkörpers 4 die Auswerte- und Versorgungselektronik 3 als auch eine Steckerleiste 13. Eine Deckplatte 9 deckt die Oberflächen­ seite 7 dicht ab und bildet zusammen mit dem Trägerkörper und den dielektrischen Linsen 19a und 19b das Gehäuse des Sensors.

Claims (21)

1. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach dem Doppler-Prinzip, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem Sende- und Empfangsteil (1), einem Antennensystem (2) und einer Auswerte- und Versorgungselektronik (3) für den Sende- und Empfangsteil (1), dadurch gekennzeichnet, daß der Sende- und Empfangsteil sowie das Antennensystem in Streifenleitertechnik ausgeführt ist, daß ein flacher, ebener und isolierender Trägerkörper (4) auf seiner Oberseite (5) das Antennensystem trägt, daß der Sende- und Empfangsteil (1) als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist, daß eine diesen Schaltkreis tragende Metallplatte (11) in der gleichen Ebene wie das Antennensystem (2) angeordnet ist, daß dieser Schaltkreis über eine Streifenleitung (12a, 12b) mit dem Antennensystem (2) verbunden ist, daß die Auswerte- und Ver­ sorgungselektronik (3) in einer Aussparung (6) auf der der Oberseite (5) des Trägerkörpers (4) gegenüberliegenden Unterseite (7) des Trägerkörpers (4) angeordnet ist, daß zur Weiterleitung des geschwindigkeitsproportionalen Signals an einer Stirnseite des Trägerkörpers (4) ein Stecker (13) vorgesehen ist und daß je eine Abdeckung (9a, 9b) für die Ober- und Unterseite (5, 7) des Trägerkörpers (4) vorgesehen ist, die zusammen mit dem Trägerkörper (4) das Gehäuse des Sensors bilden.

2. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Antennensystem (2) aus zwei symmetrisch zueinander ange­ ordneten Antennen (2a, 2b) besteht, daß der Sende- und Empfangsteil (1) zwischen den beiden Antennen (2a, 2b) angeordnet ist

3. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckungen (9a, 9b) und der Trägerkörper (4) aus Kunststoff bestehen.

4. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (4) recht­ eckförmig ausgebildet ist.

5. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sende- und Empfangsteil (1) im Schnittpunkt der beiden Flächendiagonalen der Trägerfläche (5) für die Antennen (2a, 2b) angeordnet ist.

6. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (6) symmetrisch zur Symmetrielinie (18) der Antennen (2a, 2b) angeordnet ist.

7. Geschwindigkeits-Wegstreckensensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Antennen (2a, 2b) pla­ nar ausgebildet sind.

8. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede planare Antenne (2a, 2b) mehrere Antennenäste (17a, 17b) aufweist.

9. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Bereich der beiden Antennen (2a, 2b) jeweils dielektrische Linsen angeordnet sind.

10. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (9a) im Bereich der Antennen (2a, 2b) ein Schutzfenster (10) aufweist.

11. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Schutzfensters (10) eine nied­ rige Absorption in dem angewandten Frequenz-Bereich aufweist.

12. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus Polyethylen besteht.

13. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen der beiden Antennen jeweils einen Neigungswinkel von 45° aufweisen.

14. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen der beiden Antennen jeweils einen Öffnungswinkel von ca. 10° bis 15° aufweisen.

15. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sende- und Empfangsteil (1) als integrierter GaAs-Schaltkreis ausgebildet ist.

16. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Versorgungselektronik (3) auf einer Leiterplatte (8) angeordnet ist.

17. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Versorgungselektronik (3) als integrierter Si-Schaltkreis ausgebildet ist.

18. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ kennzeichnet, daß das Antennenmaterial aus einem Kunststoff mit hoher Dielek­ trizitätszahl besteht.

19. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine Länge (l₁) von ca. 180 mm, eine Breite (l₂) von ca. 60 mm und eine Höhe (l₃) von ca. 15 mm.

20. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende- und Empfangsteil (1) im 24-GHz-Bereich arbeitet.

21. Geschwindigkeits-Wegstrecken-Sensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittig an der langen Stirnseite des Trägerkörpers (4) ein Stecker (13) zum Anschluß an ein Bus-System vor­ gesehen ist.