Sensoren für Fahrzeuge und Verkehr

Antennen für automotive Radar

Blick auf die einzelnen Baugruppen eines 24 GHz Automotive Radar Front-Ends der Fa. Hella KGaA Hueck & Co.
© Foto Hella KGaA Hueck & Co

Blick auf die einzelnen Baugruppen eines 24 GHz Automotive Radar Front-Ends der Fa. Hella KGaA Hueck & Co.

Ein rückwärtiger Automotive Radarsensor der Fa. Hella KGaA Hueck & Co. in in einer reflexionsarmen Messkammer.
© Foto Hella KGaA Hueck & Co

Ein rückwärtiger Automotive Radarsensor der Fa. Hella KGaA Hueck & Co. in in einer reflexionsarmen Messkammer.

Durch den Einsatz moderner Sensorik machen Hersteller unsere Autos sicherer und unterstützen den Fahrer in kritischen Situationen. Damit die Komponenten von Bordradaren unter allen Umständen zuverlässig arbeiten, unterstützen Wissenschaftler am FHR die Automobilindustrie beim Entwurf von Antennen und der Positionierung der Geräte am Fahrzeug.

Unfälle im Straßenverkehr mit Personenschäden sind häufig auf nicht angepasste Geschwindigkeit oder auf ungenügenden Sicherheitsabstand zurückzuführen. Abhilfe schaffen Abstandswarnsysteme auf Basis von Radarsensoren. Sie messen kontinuierlich den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug und warnen akustisch, optisch oder haptisch beim Unterschreiten des vorher vom Fahrer selbst eingestellten Abstands. Mit Abstandswarnsystemen lässt sich die Wahrscheinlichkeit eines Unfalls durch zu dichtes Auffahren deutlich reduzieren.

Wissenschaftler am Fraunhofer FHR arbeiten zurzeit an der Entwicklung neuer Antennen und Hochfrequenzschaltungen für die nächste Generation des Bordradars des deutschen Automobilzulieferers Hella KGaA Hueck & Co. Dieses System basiert auf einem innovativen 24 Gigahertz-Radarsensor und bietet Sicherheitsmerkmale, die bisher Fahrzeugen der Luxusklasse vorbehalten waren, zu einem erschwinglichen Preis – auch für Fahrzeuge der Kompakt- und Mittelklasse. Das rückwärtige Radar ermöglicht mit nur zwei Sensoren vier unterschiedliche Funktionen: 

  • Schlecht oder gar nicht einsehbare Bereiche hinter dem Fahrzeug werden überwacht und Objekte im »toten Winkel« erkannt (Blind Spot Detection, BSD).
  • Der sogenannte Spurwechselassistent warnt den Fahrer vor gefährlichen Situationen beim Spurwechsel und beim Überholen. Die Reichweite von rund 70 Metern gibt dem Fahrer genügend Zeit zur Reaktion, besonders im Autobahnverkehr (Lane Change Assistant, LCA).
  • Sich von hinten nähernde Fahrzeuge werden permanent überwacht, im Fall einer drohenden Kollision werden Maßnahmen zum Schutz der Insassen ergriffen, z. B. Straffen der Anschnallgurte oder aufladen der Bremshydraulik (Rear Pre-Crash, RPC).
  • Beim Herausfahren im Rückwärtsgang aus einer Parklücke wird sich nähernder, ansonsten nicht wahrnehmbarer Querverkehr frühzeitig erkannt und der Fahrer gewarnt (Rear Cross Traffic Alert, RCTA).

Die exakte Ermittlung von Abstand, Winkel und Relativgeschwindigkeit der Objekte, korrekte Spurzuordnung sowie das Erkennen und Differenzieren der Straßenrandbebauung eröffnen Potenzial für weitere Applikationen, wie etwa das Geschwindigkeits- und Abstandsregelsystem ACC oder weitere Pre-Crash-Funktionen. Inzwischen setzen verschiedene europäische und asiatische Fahrzeughersteller diesen Spurwechselassistenten in der Serie ein. Er findet sich bereits in mehr als 25 unterschiedlichen Baureihen wieder, weitere werden folgen.

Aufgrund ihrer langjährigen Erfahrung beim Aufbau konformer Antennengruppen und der Integration von Antennen in Fahrzeuge sind die Mitarbeiter des Fraunhofer FHR maßgeblich am Entwurf des 24 Gigahertz-Antennen-Frontends beteiligt. Die Antenne und die dazu gehörigen Hochfrequenzschaltungen werden als mehrlagige gedruckte Schaltung aufgebaut. Zu den Aufgaben des Fraunhofer FHR gehört unter anderem der Schaltungsentwurf mit Vollwellen-Simulationswerkzeugen, die Optimierung des Strahlungsdiagramms, die Charakterisierung der eingesetzten Materialien für die vorgegebene Betriebsfrequenz, die Optimierung von Gehäuse und Radom sowie die Vermessung von Prototypen.

Von besonderer Bedeutung ist die Auswahl eines geeigneten Einbauorts am Fahrzeug, an dem die Charakteristik der Antenne nicht durch Wechselwirkung mit der Karosserie (z. B. Stoßfänger und Halterung) beeinträchtigt wird und die volle Funktion des Sensors gewährleistet ist. Dabei können die im Institut entwickelten Verfahren zur numerischen Modellierung elektromagnetischer Felder einen Beitrag leisten. Schon vor Beginn der Serienproduktion eines neuen Typs soll in kurzer Zeit mit Hilfe von Konstruktionsdaten des Fahrzeugs und der Antenne die Situation simuliert und günstige Einbaupositionen analysiert werden. Bei der – im Vergleich zur betrachteten Wellenlänge – großen Ausdehnung von Fahrzeugen stellt dies auch für leistungsfähige Vollwellen-Simulationswerkzeuge heute noch eine Herausforderung dar.

In Zukunft werden Fahrerassistenzsysteme nicht nur warnen, sondern können – sofern die rechtlichen Voraussetzungen dafür geschaffen sind – im Bedarfsfall auch aktiv in das Fahrgeschehen eingreifen, z. B. durch Ausweich- oder Bremsmanöver. So werden Kollisionen vermieden und andere Verkehrsteilnehmer geschützt, z. B. Fußgänger oder Radfahrer. Damit wird ein weiterer Schritt auf dem Weg zu mehr Sicherheit im Straßenverkehr genommen.