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CN114730982A - 具有波导耦合器的雷达芯片 - Google Patents

具有波导耦合器的雷达芯片 Download PDF

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CN114730982A
CN114730982A CN202080077491.3A CN202080077491A CN114730982A CN 114730982 A CN114730982 A CN 114730982A CN 202080077491 A CN202080077491 A CN 202080077491A CN 114730982 A CN114730982 A CN 114730982A
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radar chip
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Abstract

一种具有用于将雷达信号耦合到雷达测量装置的天线或波导中并且从雷达测量装置的天线或波导中解耦雷达信号的波导耦合器的雷达芯片，该波导耦合器包括高频基板，该高频基板具有线路、辐射元件和布置在线路和辐射元件之间的基板集成波导。

Description

具有波导耦合器的雷达芯片
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年11月18日提交的德国专利申请10 2019 217 736.0的优先权，其全部内容通过引用并入本文件。
技术领域
本发明涉及雷达测量技术。特别地，本发明涉及具有波导耦合器的雷达芯片、这种雷达芯片在雷达测量装置中的使用以及用于制造这种雷达芯片的方法。
背景技术
雷达测量装置可用于工业环境中的自动化技术。例如，雷达测量装置被设计为雷达物位测量装置的形式，它们通常配备有喇叭天线，这些天线被波导馈送信号。尤其是在40和300GHz之间的频率范围内，波导组件的机械尺寸处于可以被轻松集成在雷达装置中的范围内。
可以通过伸入到喇叭天线的波导中的所谓带状线(也被称为微带线)将由测量装置的高频电路产生的雷达信号耦合到喇叭天线中。
为了保护可以被作为雷达芯片设计的高频电路免受机械应力，可以将其封装在封装料中。
发明内容
本发明的一个目的是提供具有波导耦合器的雷达芯片，该雷达芯片可以通过封装料进行保护。
该目的通过独立权利要求的特征实现。本发明的其它实施例来自从属权利要求和以下实施例的描述。
本发明的第一方面涉及具有波导耦合器的雷达芯片，该波导耦合器被配置为用于将雷达芯片的雷达信号耦合到雷达测量装置的天线或波导中，且/或用于将雷达信号从天线或波导解耦。特别地，该波导可以是天线的将耦合的雷达信号引入到天线喇叭中的部分。
波导耦合器具有例如印刷电路板形式的高频基板，该高频基板具有线路、辐射元件以及布置在线路和辐射元件之间并与线路和辐射元件连接的基板集成波导，该基板集成波导被集成在基板中。例如，辐射元件可以是平面激励贴片，或者可以是激励器销或者单鳍片或双鳍片。这种布置被配置为用于将雷达信号从雷达芯片传输到雷达测量装置的天线或波导，并且用于将雷达信号耦合到雷达测量装置的天线或波导中。同样，也可以通过该布置将从被测量介质上反射的雷达信号从天线传输到雷达芯片。
基板集成波导可被视为填充波导。根据一实施例，基板集成波导具有平面顶面和平面底面，在它们之间存在基板材料，且它们通过形成“波导”的“侧壁”的镀通孔(Durchkontaktierungen)或互连部彼此导电连接。
根据一实施例，线路、辐射元件以及布置在它们之间的基板集成波导的顶面布置在高频基板的同一平面内。该平面可以是外平面，也可以是高频基板内部的平面。
根据一实施例，线路和基板集成波导的顶面布置在高频基板的同一平面内，其中，辐射元件和基板集成波导的底面布置在另一平面内。
根据一实施例，馈线或线路以及布置在它们之间的基板集成波导的顶面布置在高频基板的上表面上。
根据一实施例，线路连接或附接到波导的顶面的起始区域。例如，该起始区域是上表面的“前边缘”。相应地，辐射元件连接或附接到基板集成波导的顶面的终止区域(后边缘)。
根据另一实施例，波导耦合器的基板集成波导的宽度比线路和辐射元件的宽度大多倍。在此，宽度平行于基板表面并且垂直于雷达信号的传播方向。
一般来说，如图1所示的宽度不一定是导体迹线的宽度。基板集成波导的边缘和因此的宽度由互连部定义。然而，基板集成波导的顶面也可以大面积地扩展，并且从“直流视角”连接到地(电路接地)。这进而又为防爆认证提供了优势。原因在于在为波导馈送信号的未封装微带线上不会产生电压，因为从直流视角来看，它通过基板集成波导短路。这进而意味着潜在的易燃气氛不能通过该线路点燃。
根据一实施例，线路的宽度小于辐射元件的宽度。
根据另一实施例，具有波导耦合器的雷达芯片具有封装料，该封装料被配置为用于保护雷达芯片免受机械应力，雷达芯片、线路和基板集成波导的顶面的一部分嵌入在该封装料中。
例如，这种封装料可以是相对硬的封装料，例如双组分树脂，例如GlobTop。
这种封装料还嵌入有接合线或焊接连接部。
也可以设置另一封装料，例如，该另一封装料在第一封装料之后涂布到第一封装料上并且将其完全嵌入。它可以是较软的封装料，例如凝胶状封装料。这尤其是为了给整个布置提供防爆保护。
根据另一实施例，线路在其与基板集成波导连接的连接区域中具有第一匹配结构。替代地或附加地，辐射元件或其连接线路可以在其与基板集成波导连接的连接区域中具有第二匹配结构。
根据另一实施例，基板集成波导具有从其顶面到其底面的互连部。
本发明的另一方面涉及具有上文和下文所述的具有波导耦合器的雷达芯片在雷达测量装置中，特别是在雷达物位测量装置中的使用。例如，雷达测量装置具有天线或波导，该天线或波导位于基板集成波导的顶面，使得封装料可以流入天线或波导的内部。
另一方面涉及用于制造如上文和下文所述的具有波导耦合器的雷达芯片的方法，其中首先提供具有波导耦合器的雷达芯片，所述波导耦合器被配置为用于将雷达芯片的雷达信号耦合到天线或波导中，然后使用第一封装料封装雷达芯片、线路和基板集成波导的顶面的一部分，以保护雷达芯片免受机械应力。
在另一种可能的方法步骤中，使用另一封装料封装雷达芯片，该另一封装料被涂布在第一封装料上。基板集成波导的上部金属层的平面结构能够实现封装料和波导之间的密封，因为第二封装料渗入到波导中将导致波导不再履行其任务。
通过二次封装还可以提供除了机械保护之外的有效防爆保护。
下面将参考附图说明本发明的实施例。如果在附图说明中使用相同的附图标记，则它们描述相同或相似的元件。附图中的图示是示意性的且未按比例绘制。
附图说明
图1示出了根据一实施例所述的波导耦合器。
图2示出了图1的没有圆形波导的波导耦合器。
图3示出了具有波导耦合器的雷达测量装置的侧视图。
图4示出了根据一实施例的具有波导耦合器的雷达测量装置的侧剖视图。
图5示出了图3所示的波导耦合器的俯视图。
图6示出了图4所示的波导耦合器的俯视图。
图7示出了根据一实施例所述的方法的流程图。
具体实施方式
雷达物位测量装置通常配备有通过波导馈送信号的喇叭天线。尤其是在40和300GHz之间的频率范围内，波导元件的机械尺寸处于可以被轻松集成在雷达装置中的范围内。
图3示出了具有波导耦合器的雷达测量装置的侧视图。在雷达模块300的电子单元中，在雷达芯片301上产生高频测量信号，以用于基于雷达的物位测量。裸露的雷达芯片位于专门的印刷电路板基板302上，该基板具有良好的高频特性，例如低信号衰减。例如，裸露的雷达芯片被粘合在那里并且与接合连接部303接触。然后，高频雷达信号通过接合连接部303被馈送到带状线(微带线)304。替代地，也可以将芯片焊接到基板上。然后，雷达信号通过焊接连接部被馈送到带状线(微带线)304。接着，微带线直接通往垂直于高频基板的波导305。波导具有出入口306，微带线穿过该出入口。
波导与天线307连接。通过这种布置可以发送和接收雷达信号。为了增加微带线和波导之间的过渡的带宽，可以使用被集成在基板中的谐振器308。为了保护雷达芯片免受机械应力、灰尘或其他污染，将雷达芯片与接合连接部或焊接连接部一起封装在环氧树脂309(GlobTop)下方。树脂以液体形式被涂布在芯片和基板上。树脂在微带线上流动到不明确位置。
然而，这种布置存在一些缺点，这些确定可以通过下面描述的布置来消除。
缺点在于GlobTop 309仅覆盖到微带线的不明确范围。由于GlobTop309在介电特性方面不同于空气，因此微带线在被GlobTop材料覆盖的区域和被空气包围的区域具有不同的阻抗。
此外，在特定条件下，雷达装置可以被批准用于潜在爆炸区域。作为前提条件，整个电子单元被封装在封装料(Vergussmasse)401之下，使得可燃混合物不会积聚在电子元件中。为了能够封装这种电子单元，必须将其相对于外部密封。然而，这可能导致与高频信号相关的问题。波导不应填充封装料，否则其高频特性可能会变差。然而，由于微带线通过出入口进入波导，因此上述结构将不可避免地出现这种情况。
图1示出了该问题的解决方案。电磁波在PCB的电介质中的位于上部传导路径与接地层之间的带状线103(在本文也被称为“线路”)上传播。该电磁波被传送到由PCB材料302、两个铜层102a、102b和互连部(Durchkontaktierungen)101组成的填充波导(在本文中也被称为基板集成波导)中。术语铜层应作广义解释。
基板集成波导102a、102b、101直接通往天线的波导305，并且高频信号在那里被耦合。锥形体104形式的匹配结构在此被证实是有利的，从高频技术的角度来看，该匹配结构在相应线路结构之间形成了低阻尼和低反射的过渡。在波导305内部，电磁波通过适当匹配的激励贴片201或其它类型的辐射元件被馈送到天线的波导中，激励贴片201位于与基板集成波导的上部金属层的相同平面上，且与该表面相同地处于地电位。
谐振罐(谐振元件)308代表将印刷电路板上承载的高频信号以宽带方式传输(耦合)到波导中或相反地传输的途径。如果没有谐振元件，信号只能以窄带方式传输。谐振元件在电路板和波导上的线路型传输行为中产生额外谐振。辐射元件形成第一谐振(能量在谐振点处被很好地传输到波导中)。它的几何尺寸被调整，以在期望的频率范围内(恰好)产生一个谐振。
罐深度显著影响第二谐振(谐振罐的谐振)。深度在基板中的四分之一波长的范围内。
在印刷电路板的线路上移动到波导中的波从辐射元件中分离。一部分波朝向波导开口传播，而另一部分朝向在谐振罐传播。波在谐振罐的底部受到反射，并且现在也朝向波导开口传播。该反射波现在与已经朝向波导开口传播的波相长地叠加，这对传输行为具有非常积极的影响。
作为谐振罐的替代，可以设置双鳍片(Doppelfinne)作为辐射元件。
现在可以将GlobTop材料309引出到被集成在基板中的波导102a、102b、101、302的光滑顶面102a上。基板集成波导由于其性质而不受其顶面和底面上的包括GlobTop材料在内的事物的影响。因此，GlobTop以液体形式在基板集成波导上流动多远在这一点上无关紧要。
由于现在整个微带线在面向雷达芯片的一侧可以封装在GlobTop材料之下，所以可以将线路的阻抗调整到定义阻抗，例如50Ohm。在此，锥形体104匹配于GlobTop材料。
此外，参见图4，金属波导现在可以被设计为使得其外壁402直接抵靠在被集成在基板中的波导的表面上。在此不再需要密封该表面，因为天线的波导中不再存在开口，并且因此上述的封装料不能流入波导中，但同时高频信号可以耦合到波导中。
图2示出了图1的不具有圆形波导的波导耦合器。基板集成波导的金属上表面102a终止于环形结构，该环形结构也通过互连部连接到下部铜层102b。两个层102a、102b不必具有环形端部区域。然而，有利的是，它们至少具有圆形内轮廓，使得辐射元件201就具有足够的空间。如图所示，有意义的是，使两个层的端部区域的内轮廓适配于位于其上的波导402的内轮廓(在此，波导402是圆形波导)。然而，内部轮廓也可以是椭圆形或矩形的。后一种情况是所谓的矩形波导。
图5和6分别示出了相应雷达模块的俯视图。图5在此示出了图3的实施例。图6示出了其中GlobTop材料309通过基板集成波导在微带线上找到明确终点的情况。
重要的方面是，通过基板集成波导与波导的直接连接，消除了被封装的电子元件和空气填充波导之间的密封。由此，在具有连续不间断的接地平面的电路板的电介质中传输电磁能。这消除了微带线上的反射(Rücksprung)，从而有利于传输行为。
另一个方面涉及避免在由GlobTop围绕的微带线和由空气环绕的微带线之间的阻抗跃变的不明确位置。
可以消除用于波导的受公差影响的“出入口(Tor)”，因此减少了制造期间的性能分散。
而且，也可以减小雷达芯片和波导之间的距离，因此可以实现更紧凑的结构。
(在图1中可见的)上部铜层示出了左侧的带状线103，雷达芯片301馈入该带状线。中间是具有基板集成波导和光滑铜表面的区域。透明轮廓309(参见图6)代表GlobTop材料，其位于用于信号馈送的带状线上方并且一半位于填充的基板集成波导上方。在右侧可以看到基板集成波导将信号引导到天线中。
在从带状线103到波导的接地平面102a的过渡处的斜面104用于改善带状线和波导之间的过渡并提高匹配并因此减少反射。互连部101形成填充波导的两个壁，并连接铜表面102a和102b。
通过贴片201在波导中激发电磁波，贴片201在基板集成波导的端部处连接到上部铜层102a。两个铜表面102a和102b可以在此连接到地电位(地)。
替代地，可以将激励贴片的连接布置在下部接地层102b处。
图7示出了根据一实施例的方法的流程图。在步骤701中，提供如上所述的具有具有波导耦合器的雷达芯片。在步骤702中，使用第一封装料封装雷达芯片、其线路和基板集成波导的上表面的一部分，以保护雷达芯片免受机械应力。在步骤703中，使用另一封装料封装雷达芯片，该另一封装料被涂布在第一封装料上，以用于防爆。
在此过程期间，不必确保没有封装料流入波导或天线中，因为天线或波导的被引入高频信号的内部被密封。
另外，应指出，“包括”和“具有”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。还应指出，已经参考其中一个上述示例性实施例说明的特征或步骤也可以与上述其他示例性实施例的其他特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应被视为限制。

Claims (15)

1.一种具有波导耦合器(100)的雷达芯片(301)，所述波导耦合器被配置为用于将所述雷达芯片的雷达信号耦合到雷达测量装置(300)的天线(307)或波导(305)中且从所述雷达测量装置的所述天线或所述波导中解耦，所述波导耦合器具有：
高频基板(302)，所述高频基板具有线路(103)、辐射元件(201)和布置在所述线路和所述辐射元件之间并与所述线路和所述辐射元件连接的基板集成波导(102a、102b、101、302)，所述高频基板被配置为用于在所述雷达芯片与所述雷达测量装置的所述天线或所述波导之间传输所述雷达信号，并且用于将所述雷达信号耦合到所述雷达测量装置的所述天线或所述波导中且从所述雷达测量装置的所述天线或所述波导中解耦。
2.根据权利要求1所述的具有所述波导耦合器(100)的雷达芯片(301)，
其中，所述线路(103)、所述辐射元件(201)以及布置在所述线路和所述辐射元件之间的所述基板集成波导(102a、102b、101、302)的顶面(102a)布置在所述高频基板(302)的同一平面内。
3.根据权利要求1所述的具有所述波导耦合器(100)的雷达芯片(301)，
其中，所述线路(103)和所述基板集成波导(102a、102b、101、302)的顶面(102a)布置在所述高频基板(302)的同一平面内，且
其中，所述辐射元件(201)和所述基板集成波导(102a、102b、101、302)的底面(102b)布置在另一平面内。
4.根据前述任一项权利要求所述的具有所述波导耦合器(100)的雷达芯片(301)，
其中，所述线路(103)和布置在其间的所述基板集成波导(102a、102b、101、302)的顶面(102a)布置在所述高频基板(302)的上表面上。
5.根据前述任一项权利要求所述的具有所述波导耦合器(100)的雷达芯片(301)，
其中，所述线路(103)连接到所述基板集成波导(102a、102b、101、302)的顶面(102a)的起始区域，
其中，所述辐射元件(201)连接到所述基板集成波导(102a、102b、101、302)的顶面(102a)的终止区域。
6.根据前述任一项权利要求所述的具有所述波导耦合器(100)的雷达芯片(301)，
其中，所述波导耦合器的所述基板集成波导(102a、102b、101、302)的宽度比所述线路(103)和所述辐射元件(201)的宽度大多倍。
7.根据前述任一项权利要求所述的具有所述波导耦合器(100)的雷达芯片(301)，
其中，所述线路(103)的宽度小于所述辐射元件(201)的宽度。
8.根据前述任一项权利要求所述的具有所述波导耦合器(100)的雷达芯片(301)，其还具有：
第一封装料(309)，所述雷达芯片(301)、所述线路(103)和所述基板集成波导(102a、102b、101、302)的顶面(102a)的一部分嵌入在所述第一封装料中，所述第一封装料被配置为用于保护所述雷达芯片(301)免受机械应力。
9.根据权利要求8所述的具有所述波导耦合器(100)的雷达芯片(301)，其还具有：
另一封装料(401)，所述另一封装料在所述第一封装料之后被涂布在所述第一封装料上。
10.根据前述任一项权利要求所述的具有所述波导耦合器(100)的雷达芯片(301)，
其中，所述线路(103)在所述线路的与所述基板集成波导(102a、102b、101、302)连接的连接区域中具有第一匹配结构(104a)，且/或
其中，所述辐射元件(201)或其馈送线路在所述第二线路的与所述基板集成波导(102a、102b、101、302)连接的连接区域中具有第二匹配结构(104a)。
11.根据前述任一项权利要求所述的具有所述波导耦合器(100)的雷达芯片(301)，
其中，所述基板集成波导(102a、102b、101、302)具有从其顶面(102a)到其底面(102b)的互连部(101)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的具有波导耦合器(100)的雷达芯片(301)在雷达测量装置(300)中的使用，所述雷达测量装置特别是雷达物位测量装置。
13.根据权利要求12所述的使用，其中，所述雷达测量装置(300)具有天线(307)或波导(305)，所述雷达测量装置的所述天线或所述波导位于所述波导(102a、102b、101、302)的顶面(102a)上。
14.一种用于制造根据权利要求1至11中任一项所述的具有波导耦合器(100)的雷达芯片(301)的方法，其包括以下步骤：
提供具有所述波导耦合器(100)的所述雷达芯片(301)，所述波导耦合器被配置为用于在所述雷达芯片和雷达测量装置(300)的天线(307)或波导(305)之间传输雷达信号，所述波导耦合器具有：
高频基板(302)，所述高频基板具有线路(103)、辐射元件(201)以及布置在所述线路和所述辐射元件之间并与所述线路和所述辐射元件连接的基板集成波导(102a、102b、101、302)，所述高频基板被配置为用于在所述雷达芯片与所述雷达测量装置的所述天线或所述波导之间传输所述雷达信号，并且用于将所述雷达信号耦合到所述雷达测量装置的所述天线或所述波导中且从所述雷达测量装置的所述天线或所述波导解耦；
使用第一封装料(309)封装所述雷达芯片(301)、所述线路(103)以及所述基板集成波导(102a、102b、101、302)的顶面(102a)的一部分，以保护所述雷达芯片(301)免受机械应力。
15.根据权利要求14所述的方法，其还包括以下步骤：
使用另一封装料(401)封装所述雷达芯片(301)，所述另一封装料被涂布在所述第一封装料(309)上。
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