Tutorial

Grundlagen Antennen 24Ghz Radarsensorik

Stand: 18.05.2020

Im Folgenden möchte ich Ihnen eine kurze (wiederum sehr einfach gehaltene) Einführung in die Welt der Antennen und hier im speziellen der Patchantennen geben.

Warum Patchantennen? Weil diese Form die heute am häufigsten verwendete Form der Antenne ist, wenn es um kommerzielle Radarsensoren geht. Eine Patchantenne kann (wie auch eine Microstripschaltung) durch ein Ätzverfahren hergestellt werden. Die Patchantenne ist nicht unbedingt die beste aller Antennenformen, jedoch wohl die mit dem besten Preis-Leistungs Verhältnis und den meisten Variationsmöglichkeiten.

Hierbei ist die Patchantenne eine Form von Planarantenne (weitere sind z.B. Linear Arrays, Vivaldi, Spiral-Antennen, welche ich hier nicht diskutieren möchte).

Im Folgenden Beitrag gebe ich Ihnen eine oberflächliche Einführung (die Antennenentwickler werden an der einen oder anderen Stelle sicherlich die Augen verdrehen), welche Ihnen nur ein grobes Verständnis der Antenne auf Ihrem Radarmodul geben soll.

Also, los geht's

Was ist ein Patch? Ganz einfach: Eines dieser kleinen goldenen Rechtecke, welches Sie auf der Vorderseite des Radars sehen. Die Größe dieses Patches ist abhängig von der Frequenz die Sie abstrahlen/empfangen möchten. Daher muss das Patch speziell nach Frequenzbereich designt werden.

D.h. mit einer für 24GHz Antenne können Sie generell kein 10GHz, 61GHz oder anderes hochfrequente Signal empfangen. Die Patchantenne ist recht schmalbandig und kann Frequenzen von Zielfrequenz +- 2-3GHz empfangen. D.h. Bei 24GHz können Sie in etwa einen Bereich von 22GHz bis 26GHz empfangen (ja, theoretisch können Sie damit auch Oberwellen von anderen Frequenzen empfangen, die dann aber schon soweit unter dem Nutzsignal liegen, dass diese für Hobbyanwender nicht interessant sind).

Warum erzähl ich das? Ich möchte damit nur sagen, dass Sie sich im Normalfall keine Gedanken über Störeinstrahlung machen müssen, außer von Radaren, die auf der gleichen Frequenz arbeiten.

Die einfachste aller Planarantennen kann aus einen einzelnen Patch bestehen!

Da eine solche Antenne aber kaum einen „Gain“ (Antennengewinn) aufweist, werden meist mehrere Einzelpatches zu einen Array verbunden. Dies führt auch dazu, dass die Antenne beginnt eine Bündelung aufzuweisen.

Generell gilt: Je mehr Einzelpatches miteinander verbunden sind, desto enger bündelt die Antenne und desto größer sind ihre Abmessungen.

Antennenebenen

Eine Antenne wird durch zwei Ebenen charakterisiert (Azimut und Elevation). Diese Begriffe bzw. Ebenen werden oft vertauscht und sind auch schwierig zu definieren. Daher möchte ich Ihnen einen Tipp geben, wie sie die Bündelung der Antenne erkennen können.

Wenn Sie auf eine Patchantenne schauen ist die enger bündelde Ebene die  immer die Ebene, die mehr Einzelpatches oder eine größere geometrische Breite aufweist (In obigen Beispiel ist B=4 und A=2). D.h. die Antenne bündelt in der Ebene B mit 4 Patches mehr als in der Ebene A mit nur 2 Patches.

Sehr grob geschätzt können Sie davon ausgehen, dass eine Antenne mit doppelter Anzahl an Einzelpatches in einer Dimension hat auch doppelt so gut bündelt (Bündelung von B=8 wäre in etwa doppelt so groß wie bei B=4). Wie gesagt ist das aber nur eine grobe Annahme, welche von einer Vielzahl weiterer Faktoren abhängig (z.B. den Abstand E der Patches untereinander etc.) ist.

3dB / 10dB-Breiten

Beide Werte geben an, bei welchen Winkel das Empfangssignal um 3dB bzw. 10dB abgefallen sind und werden im Azimut und in Elevation gemessen (hört sich hochtrabend an, letztlich wird der Sensor bei der Messung nur um 90° gedreht). Daraus ergibt sich eine Ellipse (bzw. ein ellipsenförmiges Gebilde, welches grob den zu erwartenden Erfassungsbereich des Sensors angibt).

Das ganze einmal an einen Beispiel. Ich beschränke mich auf das Polardiagramm, da ich glaube, dass dort die Sachverhalte leichter zu verstehen sind.

Des weiterem beschränke ich mich nur auf die Sendediagramme und nicht auf Systemdiagramme!

Rechts sehen Sie ein Polardiagramm einer Antenne. Die 3dB- bzw. 10dB-Breite wird dort bestimmt, wo das normierte Antennendiagramm die -3dB und -10dB "Kreise" schneiden (10dB mit Magenta Kreisen markiert / 3dB mit Magenta Strichen).

Ich habe hier extra dieses Diagramm "gewählt" da man hier noch schön zwei weitere Punkte erkennen kann:

  • Das Maximum der Antennenkeule (d.h. der Winkel unter dem die Antenne am besten performt) muss nicht immer bei 0° liegen (grüner Strich). Wenn das der Fall ist, spricht man von einem "Schielen" der Antenne. Die gute Nachricht, bei Antennen mit getrennten Sende und
    Empfangspfad (ca. 98% aller mir bekannten RFEs) ist dies unerheblich, da dies durch entsprechende Ausrichtung der Empfangsantenne kompensiert wird.
  • Man sieht auch, dass die 3dB- und 10dB-Breite nicht symmetrisch zu 0° sind. Auch hier gilt jedoch nochmals der vorherige Punkt mit der Empfangsantenne.

Sie stellen sich eventuell die Frage warum nicht gleich das Systemdiagramm dargestellt wird. Nun ja, die Messung eines sauberen Systemdiagramm ist sehr aufwendig und kann daher nur bei hochwertigen und teuren Modulen stattfinden.

Nebenkeulen

Der letzte interessante Wert ist die sogenannte Nebenkeulenunterdrückung.

D.h. neben dem gewünschten Hauptbeam bildet jede Antenne Nebenkeulen (side lobes). Diese sollten 10 – 15dB unterdrückt sein (nehmen Sie diesen Wert an dieser Stelle einfach als Kenngröße einer guten Antenne hin).

Wie sie sehen strahlt eine Antenne leider nicht nur nach vorne, sondern auch nach hinten (wenn auch mit deutlich geringerer Leistung als nach vorne). In echten Applikationen sollte dies jedoch bei Gehäusekonstruktion etc. berücksichtigt werden.

Anhand dieses Antennendiagramms sehen Sie auch, dass die meisten Antennen recht symmetrisch sind, sobald sie "etwas" bündeln. Das rechte Diagramm zeigt hier schematisch ein Diagramm, welches 4 Einzelpatches in einer Reihe aufweist, während das Diagramm zuvor nur ein Patch hatte.





Gut und schön, nur was habe ich jetzt von den Werten?

Naja, Sie können damit annähernd Ihren zu erwartenden Erfassungsbereich berechnen. Eine sehr einfache Abschätzung unter Bezug von einem Montagewinkel kann einfach über trigonometrische Beziehungen hergeleitet werden. Jaja, ich weiß, here it is:

Ich weiß, ich wiederhole mich; aber ich möchte nochmal darauf hinweisen, das das nur eine grobe Abschätzung ist!

Zum Schluß...

Das war der kleine Exkurs zum Thema Antennen. Ich wünsche nun viel Erfolg in Ihrer Applikation.