Brevet FR3047087A1 — publié le 20170728

RADAR DE PUISSANCE POUR VEHICULE AUTOMOBILE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE [0001] L'invention se rapporte à un radar de puissance, principalement destiné à l'aide à la conduite de véhicules automobiles. [0002] Dans le domaine de l'automobile, les radars apportent une aide précieuse à la conduite en indiquant aux conducteurs la proximité d'obstacles ou d'autres véhicules. Des radars peuvent ainsi être installés tout autour du véhicule pour l'aide au recul ou au stationnement ou, sur route, pour surveiller la distance séparant le véhicule équipé d'un véhicule roulant devant lui. Ils apportent donc un confort de conduite et une sécurité au conducteur en lui signalant des dangers potentiels. [0003]Ces radars d'aide à la conduite restent de dimension réduite. Ils émettent et reçoivent des signaux dans des bandes à très haute fréquence, supérieure à la dizaine de GHz (ondes dites millimétriques). En général, des radars longue portée, fonctionnant par exemple à 77GHz, sont installés à l'avant du véhicule, et des radars courte portée, fonctionnant par exemple à 24GHz, sont installés à l'arrière du véhicule. [0004] Une installation de radar placée à l'avant d'un véhicule est présentée par exemple en référence à la figure 1. La vue en perspective de l'avant d'un véhicule « V » de cette figure illustre la position d'un radar « R » agencée derrière la calandre « C » du véhicule « V ». D'autres radars (non représentés) peuvent être placés à l'arrière ou sur les côtés du véhicule « V ». ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0005] Un radar pour véhicule automobile présente avantageusement une architecture compacte. Il comporte dans un même boitier la structure d'antenne et les modules d'émission, de réception et de traitement du signal reçu. Son énergie est fournie par l'un des réseaux électriques du véhicule sur lequel il 3047087 2 est installé. En effet plusieurs réseaux coexistent en général sur un véhicule. Ces réseaux sont, en particulier pour des véhicules hybrides à moteurs thermique et électrique, des réseaux fournissant de l'électricité sous des tensions continues de 12V et 48V, respectivement en liaison avec le moteur thermique et le moteur 5 électrique. [0006]0r le traitement électronique des signaux à fréquence millimétrique nécessite un module de traitement à très haute fréquence (fréquences des ondes du radar), ne pouvant être mise en oeuvre que par des composants et des circuits intégrés en matériaux semi-conducteurs (classiquement en arséniure de gallium 10 ou AsGa) adaptés aux hyperfréquences. Cependant, cette partie de traitement très haute fréquence présente des difficultés de réalisation, d'adaptation et d'utilisation en liaison avec les équipements, et c'est pourquoi des solutions ont été proposées pour améliorer cet aspect. [0007] Les documents EP 1560289 et US 20050031897 présentent ainsi 15 des méthodes de moulage et d'utilisation de composants destinés à être utilisés comme composants de la calandre d'un véhicule, ceci afin de ne pas atténuer le passage des ondes radar au travers de cette calandre, comme celle de la figure 1. Par ailleurs, le document de brevet US 20130088383 décrit un radar disposant de deux ou plus faisceaux émetteurs, permettant ainsi plusieurs orientations de ces 20 faisceaux. [0008] De plus, un autre document de brevet US 20150099358 décrit un procédé de réalisation de trous d'interconnexion au travers d'une plaque de semiconducteur composée d'une couche de Nitrure de Gallium (GaN) accolée à une couche de Carbure de Silicium (SiC). Ces deux composants ont de bonnes 25 qualités physiques (dureté et robustesse face à des conditions d'utilisation difficiles) leur permettant d'être utilisé dans des conditions hostiles, par exemple pour les radars militaires, les satellites ou les télescopes. [0009] Par ailleurs, une aide à la conduite suivie d'une action active sur un véhicule en cas de danger est proposée par le document US 20130238233 avec 30 un système incluant de nombreux équipements: radars, capteurs, caméras et gyroscope (pour les véhicules à deux roues), ainsi qu'une intelligence embarquée pouvant agir sur les commandes du véhicule. 3047087 3 [0010]11 apparaît qu'aucune des améliorations apportées au domaine des radars n'apporte de solution au domaine du raccordement de ces radars aux réseaux électriques du véhicule. En effet, les radars actuels sont généralement constitués à partir d'un matériau semi-conducteur à base d'AsGa ou d'alliage 5 Silicium-Germanium (Si-Ge), et peuvent alors n'être raccordés qu'à un réseau basse tension de type 12V continu, alors que les véhicules automobiles, en particulier les véhicules hybrides, ont dorénavant des équipements électriques raccordés sur des réseaux aptes à fonctionner sous des tensions continues supérieures à 12 V, par exemple sous 48V pour la plupart des véhicules hybrides 10 actuels. Le raccordement de tous les équipements électriques d'un véhicule, en particulier les radars, sur un nombre minimum de réseaux - avantageusement sous un seul réseau - permettrait avantageusement une simplification de l'architecture électrique de ce véhicule. 15 EXPOSÉ DE L'INVENTION [0011] L'invention a pour objectif principal la simplification du réseau électrique des véhicules hybrides équipés de radar. Pour ce faire, l'invention prévoit d'utiliser du nitrure de gallium ou GaN comme matériau d'amplification dans le traitement de signal. Les matériaux à base de GaN présentent en effet des 20 propriétés physiques permettant de résister aux tensions utilisées dans les véhicules hybrides, sensiblement supérieures à la tension de 12 V des réseaux d'alimentation généralement utilisés dans les véhicules à moteur thermique. Ainsi, une amplification de signal à base de composant en GaN est compatible avec un radar de puissance, c'est-à-dire un radar pouvant être alimenté par un réseau 25 électrique de motorisation hybride. De plus, ce matériau présente un temps de réaction quasi-instantané et une faible consommation électrique. [0012] Plus précisément, la présente invention a pour objet un radar de puissance destiné aux véhicules automobiles comportant au moins une antenne émettrice, émettant des signaux impulsionnels dans une bande de fréquences 30 donnée à partir d'un générateur d'impulsions et d'un générateur de signaux porteurs, ces générateurs étant couplés, via un mélangeur, à un module d'amplification de puissance comprenant au moins un amplificateur de puissance, 3047087 4 une antenne de réception de signaux dans la même bande de fréquences donnée, et un module de traitement de signal en liaison avec l'antenne de réception. Le module d'amplification de puissance est connecté à un réseau d'alimentation électrique de tension continue. Dans ce radar, au moins le module d'amplification 5 de puissance contient un matériau à base de nitrure de gallium (GaN) et la tension du réseau électrique auquel il est connecté est sensiblement supérieure à 12 V, ce réseau électrique étant apte à alimenter une motorisation hybride d'entraînement des véhicules automobiles. [0013] Selon des modes de réalisation particulièrement avantageux : 10 - le mélangeur reçoit des signaux porteurs émis par un générateur de signaux, et des impulsions de radiofréquence émises par un générateur d'impulsions pour fournir à l'antenne émettrice des signaux impulsionnels portés par les signaux dans la bande de fréquences Ultra Large ou UWB (acronyme de « Ultra Wide Band » en terminologie anglaise) ; 15 - les signaux UWB ont une fréquence centrale dans la bande 76 à 81 GHz; -- l'antenne de réception est composée d'un réseau d'antennes élémentaires aptes à recevoir des signaux dans la bande UWB, en particulier d'un réseau 2D (bidimensionnel) d'antennes élémentaires agencées sur des micro- 20 rubans, chaque micro-ruban étant relié à un amplificateur à bas bruit ; - l'antenne de réception est couplée à au moins un amplificateur à bas bruit pour fournir des signaux de réception amplifiés, cet amplificateur à bas bruit étant lui-même couplé à un mélangeur qui soustrait des signaux porteurs provenant du générateur UWB aux signaux de réception amplifiés pour délivrer 25 des signaux en bande de base qui sont transmis au module de traitement de signal; - le module de traitement de signal comporte au moins un convertisseur analogique-numérique couplé à une unité de traitement numérique pour fournir sur un bus des données numériques caractéristiques des signaux de réception. 30 [0014] L'invention se rapporte également à un véhicule automobile équipé d'au moins un tel radar, en particulier un véhicule automobile à motorisation 3047087 5 hybride alimenté électriquement par un réseau à tension continue qui alimente également ce radar. [0015]Selon des modes de réalisation préférés : - le véhicule automobile étant équipé d'un module d'affichage, le module 5 de traitement de signal du radar transmet en sortie les données numériques au module d'affichage via un processeur intégrant des outils de mise en forme en imagerie 3D (en trois dimensions); - à partir de l'imagerie 3D, ledit processeur intègre également des outils d'anticipation aptes à modifier le comportement du véhicule. Cette modification de 10 comportement est définie au préalable et exécutée pour sécuriser le comportement du véhicule. [0016] Dans le présent texte, les qualificatifs « avant, arrière » se rapportent aux localisations d'éléments par rapport à un conducteur assis dans un véhicule. Sur les figures, des éléments identiques sont repérés par un même signe 15 de référence et renvoient aux passages du texte qui le décrivent. PRÉSENTATION DES FIGURES [0017] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : 20 - la figure 1, une vue en perspective d'un véhicule comportant un radar à l'avant du véhicule et agencé derrière la calandre (déjà présentée); - la figure 2, le schéma d'un exemple de réalisation d'un radar selon invention ; - les figures 3 et 4, le schéma d'un exemple de véhicule vu du dessus 25 comportant deux réseaux électriques, à 12V et à 48V, et équipé de radars raccordés, respectivement, sur un réseau électrique 12V selon l'état de la technique et sur le réseau électrique à 48V selon l'invention; et - la figure 5, présente un organigramme d'un procédé d'affichage et de sécurisation d'un véhicule 200 équipé d'un radar 20 selon l'invention, selon un 30 mode de réalisation. 3047087 6 DESCRIPTION DÉTAILLÉE [0018]La figure 2 présente le schéma d'un exemple de réalisation de radar 20 selon invention, tous les composants de ce radar 20 étant miniaturisés pour pouvoir être disposés dans un boitier de taille réduite. Le radar 20 comporte 5 une antenne émettrice large bande 1 qui émet des ondes dans la bande de fréquences Ultra Large (dite UWB). Le signal Se émis par l'antenne 1 est constitué par une modulation d'amplitude de signaux porteurs Sb UWB - de fréquence centrée entre 76 et 81 GHz dans cet exemple - par des impulsions la de radiofréquence émises dans la bande 2GHz. Les signaux porteurs Sb et les 10 impulsions la sont respectivement produits par les générateurs 4b et 4a. [0019] La modulation des signaux porteurs Sb par les impulsions la est réalisée par un mélangeur 5e avant transmission des signaux impulsionnels Sm qui résultent de cette modulation dans l'antenne émettrice 1 via un module d'amplification de puissance Ml. Ce module M1 est composé d'amplificateurs de 15 puissance - un amplificateur de puissance 2 dans l'exemple illustré - dont la partie active est constituée d'un matériau à base de Nitrure de Gallium (GaN). Ce matériau est particulièrement approprié pour pouvoir être alimenté avec une tension continue sensiblement supérieure à 12 V, comme exposé ci-dessous dans le cadre d'un radar 20 de véhicule à motorisation hybride. Avantageusement, le 20 module d'amplification M1 peut inclure un ou plusieurs filtres passe-bande afin d'épurer le signal Sm. [0020]L'antenne émettrice 1 délivre alors des signaux impulsionnels amplifiés Se modulés par les impulsions la ultra courtes (quelques nanosecondes), avec une puissance de crête de l'ordre 30 Watts. Cette puissance de crête permet 25 d'obtenir des temps d'intégration courts (environ 10 millisecondes), compatibles avec l'usage de ce radar dans le domaine l'automobile. L'amplificateur de puissance 2 au Nitrure de Gallium (GaN) est alimenté par une ligne à courant continu 9 sous une tension de 48V, cette ligne 9 étant apte à alimenter d'autres éléments du radar 20 (cf. figure 2) ou du véhicule 200 (cf. figure 4). Les 30 raccordements des autres modules du radar 20 au réseau électrique ne sont pas représentés. 3047087 7 [0021] L'antenne de réception 3a est constituée d'un réseau d'antennes large bande UWB, comportant quatre micro-rubans 3b de 16 antennes élémentaires 3c chacune, soit un total de 64 antennes élémentaires 3c. Les signaux reçus Sr par chacun des quatre micro-rubans 3b d'antennes élémentaires 5 3c sont amplifiés par un amplificateur à bas bruit 6 puis les signaux amplifiés S2 sont appliqués en sortie de chaque amplificateur 6 à une entrée d'un mélangeur de réception 5r. Des filtres passe-bande peuvent être avantageusement ajoutés avant les amplificateurs 6. [0022]Chaque mélangeur 5r soustrait des signaux S2 les signaux Sb de 10 UWB provenant du générateur 4b, ce qui permet de retrouver, dans le signal démodulé Si en sortie de chaque mélangeur 5r, les échos du radar 20 en bande de base. Les sorties des mélangeurs 5r sont reliées à un module de traitement de signal M2 afin de traiter les signaux Si. Ce module M2 comporte un convertisseur analogique-numérique 7 couplé à une unité de traitement numérique 8. Le 15 convertisseur 7 transforme les signaux démodulés Si en signaux numériques et l'unité de traitement 8 reconstitue un signal de réception numérique Sn unique. Ainsi, les 4X16 signaux Sr reçus par les antennes élémentaires de réception 3c sont transformés en un seul signal de réception numérique Sn. Ce signal Sn est alors transmis, via un bus « B », au processeur d'un module d'affichage (non 20 représenté) du véhicule automobile équipé du radar 20. [0023]Les figures 3 et 4 montrent le montage, dans un véhicule automobile à motorisation hybride, d'un radar 10 selon l'état de la technique raccordé à une batterie à 12V (cf. figure 3), et d'un radar 20 selon l'invention raccordé sur une batterie à 48V (cf. figure 4). 25 [0024] En référence au schéma de la figure 3, un véhicule automobile à motorisation hybride 100 comporte un radar 10 raccordé sur un réseau électrique 28 à 12V dans une carrosserie 25 dont la calandre 26 à l'avant et un coffre 27 à l'arrière peuvent également porter des radars. A l'intérieur de la carrosserie 25, ce véhicule 100 comporte également un réseau 28 à 12V, un réseau 29 à 48V. Les 30 composants du radar 10 sont à base d'Arséniure de Gallium AsGa ou à base d'alliage Germanium-Silicium Si-Ge. 3047087 8 [0025] L'alimentation électrique générale du véhicule 100 est fournie par une batterie 11 sous une tension de 48V pourvue de fusibles 12 et 13 qui alimente un réseau 29 dit « de tension supérieure » à 48V et un réseau 28 dit réseau de base à 12V. Le réseau de base 28 prend son énergie électrique à partir de la 5 batterie 11, et comprend un convertisseur 21 (« DCDC ») de tensions continues entre 48V et 12V, un fusible 22 («FUSE »), une batterie 23 fournissant une tension de 12V, et un boitier de distribution 24 du courant électrique dit « Réseau de Bord 12V » (RdB 12V ») sur lequel est raccordé le radar 10. D'autres radars (non représentés) peuvent également être placés à l'intérieur de la carrosserie 25 du 10 véhicule 100, à l'avant et à l'arrière 27 du véhicule 100, par raccordement sur le réseau de bord 24. [0026] La batterie 11 fournit directement une tension de 48 V au réseau «de tension supérieure » 29 qui comporte un moteur électrique avant (« MEL AV ») 14 ainsi qu'un boitier de distribution (« BOITIER DISTRI ») 18 sur lequel 15 sont raccordés divers équipements: un groupe ventilateur (« GMV ») 15, un pulseur de climatisation 16, une résistance chauffante (« CTL ») 17 et, à l'arrière du véhicule 100 une lunette chauffante (« LUCH ») 19. D'autres équipements (non représentés), peuvent également être raccordés sur le boitier de distribution 18. Les équipements électriques du véhicule 100 sont reliés par un réseau filaire 20 « F ». [0027] La présence dans ce véhicule 100 de radars tels que le radar 10 nécessite une alimentation sous 12V, et impose donc la présence du réseau de base 28 malgré l'existence du réseau « de tension supérieure » 29 dans le véhicule hybride 100. 25 [0028] La figure 4 présente un véhicule automobile à motorisation hybride 200 comportant un radar 20 selon l'invention. Ce véhicule 200 comporte une carrosserie 25 et une calandre 26. Il se distingue du véhicule 100 par le fait que le radar 20 est raccordé au réseau 29 à 48V via le boitier de distribution 18, ce qui permet de s'affranchir du raccordement au réseau de base 28. Cette simplification 30 est obtenue grâce à la présence d'un module d'amplification M1 du radar 20 à base de Nitrure de Gallium GaN (cf. figure 2). D'autres radars (non représentés) à base de GaN peuvent être placés à l'intérieur de la carrosserie 25 du véhicule 3047087 9 200, à l'avant et à l'arrière 27 du véhicule 200, en étant également raccordés sur le boitier de distribution « de tension supérieure » 29. [0029] Dans le cas du véhicule 200, le réseau de base 28 peut être supprimé si, outre le radar 20, les autres équipements sont adaptés ou sont 5 susceptibles de fonctionner sous 48V, ce qui permet de simplifier l'ensemble du réseau électrique du véhicule 200 en ne conservant que le réseau « de tension supérieure » 29. [0030]A partir des données fournies par le radar 20, un affichage de sécurisation du véhicule 200 peut être mis en oeuvre. La figure 5 présente un 10 organigramme d'un procédé d'affichage et de sécurisation du véhicule 200 équipé d'un radar 20 selon un mode de réalisation préféré. [0031 ]L'étape 40 est la réception des données issues du module de traitement du radar M2 (cf. figure 2). Elle est suivie d'une étape 41 d'élaboration, par un processeur qui pilote le module d'affichage du véhicule, de l'environnement 15 du véhicule en trois dimensions « 3D », cet environnement incluant les objets fixes et mobiles. L'affichage qui en résulte sur le module d'affichage constitue alors une aide à la conduite du conducteur. [0032]Ensuite, à l'étape 42, une estimation est faite concernant la détermination d'une anticipation de danger dans l'environnement « 3D » du 20 véhicule. Le test 43 concerne l'imminence d'untel danger. S'il n'y a pas de danger imminent, il n'y a pas d'action (étape 44). [0033] Si un danger est jugé imminent par le test 43 et qu'une action est possible, cette action est alors déclenchée automatiquement (étape 45). Les différentes actions possibles sont des actions préventives de sécurisation 25 préparées à l'avance par le constructeur et concernent généralement des actions sur la direction et/ou sur les freins. [0034] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, ce radar avec un module d'amplification à base de GaN peut comporter plus d'une antenne émettrice. Ou bien des antennes réceptrices 30 classiques, sans technologie micro-ruban, peuvent être utilisées. Ou encore le radar peut être équipé d'une seule antenne effectuant à la fois l'émission et la réception. 3047087 10 [0035] Des filtres peuvent avantageusement être placés dans le radar pour apurer les ondes réception. [0036]De plus, le transport des ondes au sein du véhicule peut être réalisé partiellement sur un réseau sans fil. 5 [0037] Par ailleurs, la bande de fréquences UWB utilisée peut être autre que la bande 76 à 81 GHz. REVENDICATIONS1. Radar de puissance (20) comportant au moins une antenne émettrice (1), émettant des signaux impulsionnels ( Se) dans une bande de fréquences donnée à partir d'un générateur d'impulsions (4a) et d'un générateur de signaux porteurs (4b), ces générateurs (4a, 4b) étant couplés via un mélangeur (5e) à un module d'amplification de puissance (M1) comprenant au moins un amplificateur de puissance (2), une antenne de réception (3a) de signaux dans la même bande de fréquences donnée, et un module de traitement de signal (M2) en liaison avec l'antenne de réception (3a), le module d'amplification de puissance (M1) étant connecté à un réseau d'alimentation électrique (9) de tension continue, caractérisé en ce que au moins le module d'amplification de puissance (M1) contient un matériau à base de nitrure de gallium (GaN) et la tension du réseau électrique (9) auquel il est connecté est sensiblement supérieure à 12 V, ce réseau électrique (9) étant apte à alimenter une motorisation hybride. 2. Radar de puissance selon la revendication 1, dans lequel le mélangeur (5e) reçoit des signaux porteurs (Sb) émis par un générateur de signaux (4b) et des impulsions de radiofréquence (la) émises par un générateur d'impulsions (4a) pour fournir à l'antenne émettrice (1) des signaux impulsionnels (Sm) portés par les signaux dans la bande de fréquences Ultra Large ou UWB. 3. Radar de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel les signaux UWB (Sb) ont une fréquence centrale dans la bande 76 à 81 GHz. 4. Radar de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'antenne de réception (3a) est composée d'un réseau d'antennes élémentaires (3c) aptes à recevoir des signaux dans la bande UWB. 5. Radar de puissance selon la revendication 4, dans lequel l'antenne de réception (3a) est composée d'un réseau 2D (bidimensionnel) d'antennes élémentaires (3c) agencées sur des micro-rubans (3b), les antennes élémentaires (3c) de chaque micro-ruban (3b) étant reliées à un amplificateur bas bruit (6). 3047087 12 6. Radar de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'antenne de réception (3a) est couplée à au moins un amplificateur à bas bruit (6) pour fournir des signaux de réception amplifiés, cet amplificateur à bas bruit (6) étant lui-même couplé à un mélangeur (5r) qui 5 soustrait des signaux porteurs (Sb) provenant du générateur UWB (4b) aux signaux de réception amplifiés pour délivrer des signaux en bande de base (S1) qui sont transmis au module (M2) de traitement de signal. 7. Radar de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le module de traitement de signal (M2) comporte au moins un 10 convertisseur analogique-numérique (7) couplé à une unité de traitement numérique (8) pour fournir sur un bus des données numériques caractéristiques des signaux de réception (Sr). 8. Véhicule automobile (200), caractérisé en ce qu'il est équipé d'au moins un tel radar (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 15 9. Véhicule automobile (200) selon la revendication précédente, dans lequel, ledit véhicule étant équipé d'un module d'affichage, le module de traitement de signal (M2) du radar (20) transmet en sortie (B) les données numériques (Sf) au module d'affichage via un processeur intégrant des outils de mise en forme en imagerie 3D. 20 10. Véhicule automobile (200) selon la revendication 9, dans lequel ledit processeur intègre également des outils d'anticipation aptes à modifier le comportement du véhicule (200). 25