Hella treibt mit dem 24-GHz-Radarsystem der dritten Generation die Demokratisierung der Fahrerassistenz von der Oberklasse in die Kompaktklasse voran. Durch Realisierung auf einer Leiterkarte mithilfe von hochintegrierten Hochfrequenz-Komponenten optimiert das Unternehmen sowohl Bauraum und Gewicht als auch Kosten. Diese Radarsensoren der Generation 3.x bieten klassische Funktionen wie Totwinkel- und die Fahrstreifenwechselassistenz mit einer funktionalen Reichweite von bis zu 70 m. Darüber hinaus assistiert das System beim Rückwärtsausparken durch Warnung auf herannahenden Querverkehr. Im Falle einer drohenden Kollision unterstützt das System auch einen automatischen Bremseingriff bis zum Stillstand.

Bild 1: Auf diesem 24-GHz-Radar der dritten Generation sind das Radom, die Antennenseite der Leiterkarte und die Abschirmung zu sehen.

Bild 1: Auf diesem 24-GHz-Radar der dritten Generation sind das Radom, die Antennenseite der Leiterkarte und die Abschirmung zu sehen.Hella

24-GHz-Technologie

Mit der Einführung von Heckapplikationen, basierend auf 24-GHz-Schmalbandradar im Jahr 2005, gehört Hella zu den Pionieren in der 24-GHz-Radartechnologie im Automobilbereich. Hierbei hat sich seit der ersten Radargeneration das Modulationsverfahren LFMSK (Linear Frequency Modulation Shift Keying-Verfahren) bewährt. Es erlaubt die Bestimmung von Abstand und Relativgeschwindigkeit mehrerer Ziele mit nur einem Chirp und stellt nur relativ geringe Anforderungen an die benötigten Abtastwandler sowie an die Rechenleistung der Signalverarbeitung. Insgesamt bietet dieses Verfahren ein gutes Verhältnis zwischen Kosten und Leistung. Die hier vorgestellte Radar-Generation 3.x verwendet eine weiterentwickelte FM-Variante, bei der die Modulationsbandbreite auf maximal 200 MHz beschränkt ist. Das System arbeitet im Frequenzband zwischen 24,05 und 24,25 GHz mit einer durchschnittlichen Sendeleistung von unter 13 dBm (EIRP). Die daraus resultierende Ortsauflösung von 0,75 m eignet sich für die realisierten Heck-Funktionen.

Zur Winkelbestimmung dient hierbei das Monopuls-Verfahren. Auf Basis spezifischer Signalverarbeitungsansätze führt das System dabei einen Phasenvergleich der Radar-Reflexionen über die verschiedenen Empfangszweige durch. Zur Trennung von positiven und negativen Doppler-Frequenzen im Spektrum und damit zur Ermittlung der Richtung einer Relativgeschwindigkeit finden I/Q Mischer an Stelle von einfachen Mischern Anwendung.

Bild 2: Vergleich zwischen Komponenten der Generationen 2 (links) und  3 (rechts).

Bild 2: Vergleich zwischen Komponenten der Generationen 2 (links) und 3 (rechts).Hella

Weltweites Netzwerk

Hella produziert 24-GHz-Radarsensoren in den USA, Deutschland, China und Süd-Korea. Die Anpassung der Applikationen erfolgt nicht nur in Deutschland sondern auch in den USA, China, Süd-Korea und Japan, während die Entwicklung der 24-GHz-Radartechnologie in Lippstadt stattfindet – mit strategischer Unterstützung durch die Partnerschaft mit dem Unternehmen Innosent. Im Fokus dieser Kooperation steht die Entwicklung von Radarsensorik, insbesondere Radar-Frontends sowie die Signalverarbeitung von Radardaten. Im Hella-Netzwerk unterstützen weitere Standorte in Berlin und Rumänien bei der Entwicklung.

Generation 3.x

Die Generation 3.x (Bild 1), basiert auf dem zuvor beschriebenen Radarverfahren. Im Gegensatz zu früheren Generationen stand bei der dritten Generation konsequent das Gerätedesign in Richtung Baugrößenverkleinerung, Gewichtsreduzierung und Kostenoptimierung im Fokus. So befindet sich die gesamte elektronische Schaltung inklusive Schaltnetzteil, Kommunikation, Auswerteelektronik und Hochfrequenzteil auf nur einer Leiterkarte.

Bild 3: Blockschaltbild der früheren Generation 2.0 (links) mit zwei Leiterplatten und gerichteter Tx-Antenne im Vergleich zur Generation 3.0 (rechts) mit einer Leiterplatte und Tx-Rundumstrahler.

Bild 3: Blockschaltbild der früheren Generation 2.0 (links) mit zwei Leiterplatten und gerichteter Tx-Antenne im Vergleich zur Generation 3.0 (rechts) mit einer Leiterplatte und Tx-Rundumstrahler. Hella

Die Radarantenne ist dabei als Mikrostreifen-Leiterstruktur auf der Oberseite der Leiterkarte untergebracht (siehe Bild 2), wobei der Einsatz hochintegrierter Hochfrequenz-Komponenten (SiGe-MMICs) in Kombination mit einem entsprechend gestalteten Layout diesen kompakten Aufbau ermöglicht. Um der wachsenden Bedeutung von Funktionen gerecht zu werden, die im seitlichen Bereich der Fahrzeugumgebung messen, wird die Sende-Antennencharakteristik in Richtung Rundumsicht ausgelegt. Damit lassen sich nicht nur im longitudinalen und lateralen Fahrzeugbereich Objekte detektieren, sondern auch unter einem Winkel von 45 °. Die Empfangsseite ist bei der Generation 3.0 mit zwei Rx- und bei der Generation 3.5 mit 3x-Antennenelementen realisiert.

Hochintegrierte MMICs

In Kooperation mit einem namhaften Halbleiterhersteller hat Hella in einer speziellen SiGe-Technologie noch höher integrierte und auf Radar zugeschnittene MMICs entwickelt, die zu wettbewerbsfähigen Kosten erhältlich sind.

Das in der Generation 3.0 eingesetzte Tx/Rx-MMIC enthält den zentralen 24-GHz-Oszillator, einen Sendeverstärker sowie zwei identische Empfangszweige, die jeweils aus einem rauscharmen Verstärker und einem I/Q-Mischer bestehen. In der Generation 3.5 kommt ein Tx/Rx-MMIC und ein Rx/Rx-MMIC zum Einsatz.

Neben einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses und einer Reduktion des Stromverbrauchs erfordert der Einsatz eines hochintegrierten MMIC deutlich weniger Leiterkartenfläche, was wesentlich zur Realisierung der Generation 3.x beigetragen hat, bei der der komplette Sensor mit einer Leiterplatte auskommt. Die mit der MMIC-Entwicklung und -Realisierung einhergehende Zeitspanne erfordert allerdings eine frühzeitige Festlegung von verschiedenen Radar-Parametern wie beispielsweise der Anzahl der Antennen.

Bild 4: Grafische Darstellung der realisierten Funktionen von oben links nach unten rechts: Totwinkelassistenz, Assistenz beim Rückwärtsausparken, Fahrstreifenwechsel-Assistenz, Ausstiegsassistenz und Unfallfolgen-Minimierung bei Heckaufprall.

Bild 4: Grafische Darstellung der realisierten Funktionen von oben links nach unten rechts: Totwinkelassistenz, Assistenz beim Rückwärtsausparken, Fahrstreifenwechsel-Assistenz, Ausstiegsassistenz und Unfallfolgen-Minimierung bei Heckaufprall.Hella

Realisierung auf einer Leiterkarte

Das Aufbaukonzept früherer Radar-Generationen von Hella sieht eine Aufteilung zwischen den Hochfrequenz Schaltungsanteilen und den weiteren Elektronikkomponenten auf zwei Leiterkarten vor (Bild 3 links).

Durch den Einsatz der hochintegrierten SiGe-MMICs reduzieren sich bei der Generation 3.x insbesondere die Komponenten der Hochfrequenz-Schaltung. Gleichzeitig sind die Anteile zur Stromversorgung, Signalauswertung und Kommunikation enger gepackt, sodass alle Elektronikbauteile einseitig auf den Rücken der Antennenseite einer Leiterkarte passen (Bild 3 rechts). In beiden Fällen umgibt ein Bauteilhalter aus Aluminium-Druckguss die Schaltungsseite, der damit einerseits die Hochfrequenz-Leiterplatte fixiert und andererseits als Tuner-Box dient. In Summe trägt das Einplatinen-Konzept der Generation 3.x wesentlich zur Vereinfachung des Aufbaukonzeptes durch den Wegfall einer Leiterkarte bei.

Neben der Kostenoptimierung ergibt sich im Vergleich zur vorherigen Generation 2.0 eine Reduktion des Bauraums und des Gewichts um mehr als 30 % bei gleichzeitig um 10 % verringerter Leistungsaufnahme.

Tabelle 1: Vergleich zwischen Generation 3.0 und 3.5

Tabelle 1: Vergleich zwischen Generation 3.0 und 3.5 Hella

Realisierte Heckfunktionen

Die Radarsensoren der Generation 3.0 ermöglichen die maschinelle Wahrnehmung von rückwärtig herannahenden Verkehrsteilnehmern. Im Falle einer drohenden Kollision bei einem Fahrstreifenwechsel warnt das System. Hierbei erfüllt die Generation 3.0 die Anforderungen an einen Fahrstreifenwechselassistenten des Typs B (15 m/s Relativgeschwindigkeit bei einer Vorwarnzeit von 3 s) nach ISO 17387 (2008). Die Generation 3.5 erfüllt darüber hinaus die Anforderungen des Typs C (20 m/s Relativgeschwindigkeit bei einer Vorwarnzeit von 3,5 s).

Neben der nach hinten gerichteten Fahrstreifenwechselassistenz ist es auch notwendig, den seitwertigen Bereich mit entsprechender Reichweite zu adressieren, um die Assistenz beim Rückwärtsausparken abzubilden. Dies ist insbesondere in Schrägparklücken relevant. Die funktionale Reichweite der Hella-Generation 3.x beträgt bei dieser Funktion typischer Weise 35 m. Hierbei deckt die Rundstrahler-Charakteristik der Antennen den seitwertigen Bereich ab, ein funktionsspezifisches Umschalten in der Signalerzeugung oder -verarbeitung ist nicht erforderlich. Neben der visuellen und/oder akustischen Warnung auf herannahenden Querverkehr unterstützt das System in besonders kritischen Situationen auch einen Bremseingriff bis in den Stillstand.

24-GHz-Radarsystem

Hella treibt mit dem 24-GHz Radarsystem der 3. Generation die Demokratisierung der Fahrerassistenz von der Oberklasse in die Kompaktklasse voran. Die Integration auf einer einzigen Leiterplatte und hochintegrierte HF-Komponenten ermöglichen eine Optimierung in punkto Bauraum, Gewicht und Kosten. Das 24-GHz-Mittelbereichsradar der Generation 3.0 (funktionale Reichweite: 45 m) bietet mit seinen zwei Empfangsantennen einen Kostenvorteil im Vergleich zur Generation 3.5, die mit drei Empfangsantennen bei identischen Bauraummaßen eine volle funktionale Reichweite von 70 m ermöglicht.

Für die Totwinkelassistenz ist es außerdem erforderlich, den seitlichen Bereich unmittelbar neben dem Fahrzeug zu überwachen. Hierbei warnt das System bei einem Fahrstreifenwechsel vor Fahrzeugen im toten Winkel.

Die Generation 3.5 bietet darüber hinaus zwei zusätzliche Funktionsmerkmale (Bild 4): Die Ausstiegsassistenz warnt vor dem unbedachten Öffnen einer Tür bei Annäherung eines anderen Verkehrsteilnehmers. Des Weiteren werden im Falle eines nicht mehr vermeidbaren Unfalls die Unfallfolgen durch Vorbereitung des Fahrzeuges reduziert – beispielsweise durch Aktivierung der Gurtstraffer.

Anforderungen der Funktionen an die Sensorik

Grundsätzlich ist es aus Sicht des Sensors erforderlich, die Funktionsanforderungen und die Antennencharakteristik aufeinander abzustimmen. Für die hier adressierten Heckfunktionen (insbesondere die Assistenz beim Rückwärts-Ausparken aus schrägen Parkboxen) werden Antennen mit breiter Richtcharakteristik benötigt. Im digitalen Schaltungsteil kommt ein für Sendesignal-Erzeugung und Empfangssignal-Verarbeitung passender Prozessor und für Kommunikation mit dem Fahrzeugsystem ein Standard-Kommunikationsprozessor zum Einsatz. Die Radar-Signalverarbeitung besteht aus etablierten Verfahren wie FFT, CFAR und Kalman-Filterung, die auf das Produkt und die Heck-Funktionen adaptiert sind.

Insbesondere die Funktionen Totwinkelassistenz und Ausparkassistenz benötigen eine Rundumcharakteristik. Dies führt zu erweiterten Anforderungen in Richtung Rundumsicht, was Auswirkungen auf das Antennen-Design hat. Auch diesen Aspekt hat Hella bei der Entwicklung der Generation 3.x berücksichtigt.

Die mit der Generation 3.5 realisierte Fahrstreifenwechsel-Assistenz mit 70 m Reichweite (Typ C nach ISO 17387 (2008)), die Ausstiegsassistenz und die Unfallfolgen-Minimierung bei Heckaufprall stellen erweiterte Anforderungen an die Messfähigkeit des Winkels in Azimut. Die Generation 3.5 erfüllt diese durch die Verwendung von drei Empfangsantennen.

Fahrzeugintegration und Applikation

Bei der Fahrzeugintegration wird der zur Verfügung stehende Bauraum hinter der Stoßfänger-Außenhaut frühzeitig bezüglich einer optimalen Position für die Radarsensorik untersucht. Noch bevor erste Prototypen existieren erfolgen hierfür Hochfrequenz-Simulationen auf Basis von Fahrzeugmodellen. Dadurch entfallen Aufwände für die prototypische Realisierung von verschiedenen Halterkonzepten. Des Weiteren sinkt durch diese frühzeitige Optimierung der Applikationsaufwand im Fahrzeug auf ein Minimum.

Unterstützende Simulationen (HiL und SiL) sorgen für eine weitere Reduktion der Applikationsaufwände im Fahrzeug. Einmal eingefahrene Daten können so für mehrere Optimierungsschleifen zum Einsatz kommen.