DE102024207502A1

DE102024207502A1 - Radar head assembly for a photonic radar with a die-stacking circuit

Info

Publication number: DE102024207502A1
Application number: DE102024207502.7A
Authority: DE
Inventors: Heiko Gustav Kurz; Thomas Gisder; Marc-Michael Meinecke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2024-08-07
Filing date: 2024-08-07
Publication date: 2026-02-12

Abstract

Die Erfindung betrifft als Sender- und/oder Empfängermodule ausgebildete Radarkopfeinrichtungen von photonischen Radarsystemen, die für ein Umfelderfassung, insbesondere von Fahrzeugen, eingesetzt werden, sowie solche photonischen Radarsysteme. Um eine flexible und kompakte Ausgestaltung zu ermöglichen und einen Ressourcenverbrauch hinsichtlich Halbleitermaterial und Bauraum zu beschränken wird vorgeschlagen eine Radarkopfeinrichtung (300, 300-n) für ein photonisches Radarsystem (100) zu schaffen, bei dem eine Signalübertragung zwischen einer Zentralstation (200) und der Radarkopfeinrichtung (300, 300-n) mittels modulierter über mindestens ein optisches Übertragungsübertragungsmedium (400, 400-n) übertragenen Trägersignals erfolgt, wobei die Radarkopfeinrichtung einen elektronische Halbleiterschaltungs-Chip (800) und einen photonischen Halbleiterschaltungs-Chip (700) umfasst, wobei der elektronische Halbleiterschaltungs-Chip (800) und der photonischen Halbleiterschaltungs-Chip (700) in einer Die-Stacking-Anordnung (950) miteinander verbunden sind. The invention relates to radar head units designed as transmitter and/or receiver modules for photonic radar systems used for environmental sensing, particularly of vehicles, as well as to such photonic radar systems. To enable a flexible and compact design and to limit resource consumption with regard to semiconductor material and installation space, it is proposed to create a radar head unit (300, 300-n) for a photonic radar system (100) in which signal transmission between a central station (200) and the radar head unit (300, 300-n) takes place by means of a modulated carrier signal transmitted via at least one optical transmission medium (400, 400-n), wherein the radar head unit comprises an electronic semiconductor circuit chip (800) and a photonic semiconductor circuit chip (700), the electronic semiconductor circuit chip (800) and the photonic semiconductor circuit chip (700) being connected to each other in a die-stacking arrangement (950).

Description

Die Erfindung betrifft als Sender- und/oder Empfängermodule ausgebildete Radarkopfeinrichtungen von photonischen Radarsystemen, die für ein Umfelderfassung, insbesondere von Fahrzeugen, eingesetzt werden, insbesondere die schaltungstechnische Ausbildung der Radarkopfeinrichtungen.The invention relates to radar head devices designed as transmitter and/or receiver modules of photonic radar systems, which are used for environmental detection, in particular of vehicles, and in particular to the circuit design of the radar head devices.

Bei einem photonischen Radarsystem wird die auszusende Radarsignalinformation in einer Zentralstation erzeugt und die erfassten Radarechoinformationen in der Zentralstation ausgewertet. Eine Übertragung der auszusende Radarsignalinformation und der erfassten Radarechoinformationen erfolgt jeweils optisch mittels eines optischen Trägersignals, auf das die auszusende Radarsignalinformation bzw. die erfassten Radarechoinformationen moduliert sind.In a photonic radar system, the radar signal information to be transmitted is generated in a central station, and the acquired radar echo information is evaluated in the central station. The transmission of the radar signal information to be transmitted and the acquired radar echo information is carried out optically using an optical carrier signal onto which the transmitted radar signal information and the acquired radar echo information are modulated.

Eine als Sendermodul ausgebildete Radarkopfeinrichtung wandelt die übermittelte auszusendende Radarsignalinformation in ein elektromagnetisches Radarsignal und sendet dieses über eine hiermit gekoppelte Antenne aus. Eine als Empfängermodul ausgebildete Radarkopfeinrichtung empfängt über eine mit der Radarkopfeinrichtung gekoppelte Antenne reflektiertes elektromagnetisches Radarsignal. Das Empfängermodul extrahiert hieraus die Radarechoinformation und moduliert diese auf das Trägersignal für die Rückübertragung zu der Zentralstation.A radar head unit configured as a transmitter module converts the transmitted radar signal information into an electromagnetic radar signal and transmits it via an antenna coupled to it. A radar head unit configured as a receiver module receives the reflected electromagnetic radar signal via an antenna coupled to the radar head unit. The receiver module extracts the radar echo information from this signal and modulates it onto the carrier signal for transmission back to the central station.

Um eine hohe Winkelauflösung zu erreichen, weisen photonische Radarsysteme in der Regel eine Vielzahl von Radarkopfeinrichtungen auf, die als Sender- und/oder Empfängermodule ausgebildet sind und in einer als Antennenarray bezeichneten Anordnung beabstandet zueinander angeordnet sind. Die erreichbare Auflösung wird im Wesentlichen durch die geometrische Größe, d.h. die Abmessungen des Antennenarrays festgelegt. Die Erzeugung aller auszusendenden Radarsignalinformationen und die Auswertung aller erfasster Radarechoinformationen erfolgt gemeinsam in der Zentralstation. Die Verwendung eines optischen Trägersignal für die Signalübertragung von der Zentralstation zu den Radarkopfeinrichtungen und umgekehrt ermöglichst es, die Signale phasenstarr zu übermitteln. Wird hiervon gebraucht gemacht, so spricht man von einer kohärenten Auswertung.To achieve high angular resolution, photonic radar systems typically employ a multitude of radar head units, configured as transmitter and/or receiver modules, arranged at intervals from one another in an array known as an antenna array. The achievable resolution is primarily determined by the geometric size, i.e., the dimensions, of the antenna array. The generation of all transmitted radar signal information and the processing of all acquired radar echo information are performed simultaneously at the central station. The use of an optical carrier signal for signal transmission between the central station and the radar head units enables phase-locked signal transmission. When this is employed, it is referred to as coherent processing.

Aus dem Stand der Technik sind photonische Radarsysteme der eingangs genannten Art bekannt. Da die Signalübertragung zwischen der Zentralstation und der entsprechenden Radarkopfeinrichtung optisch erfolgt, benötigt jede Radarkopfeinrichtung eine photonische Halbleiterschaltung. Das abgestrahlte elektromagnetische Radarsignal liegt hingegen in einem Frequenzbereich, für dessen Verarbeitung, z.B. Verstärkung, elektronische Halbleiterschaltungen benötigt werden.Photonic radar systems of the type mentioned above are known from the prior art. Since the signal transmission between the central station and the corresponding radar head is optical, each radar head requires a photonic semiconductor circuit. The emitted electromagnetic radar signal, however, lies in a frequency range for which electronic semiconductor circuits are required for processing, e.g., amplification.

Aus dem Stand der Technik sind sogenannte elektronisch-photonisch kointegrierte Chip oder Halbleiterschaltungen (EPIC) bekannt. Diese sind monolithisch ausgebildet und umfassen auf einem Wafer in Regionen mit Silizium auf einem Isolator (silicon-on-Insulator) photonische Bauelemente und in Regionen mit Festkörpersilizium (bulk silicon) elektronische Bauelemente.Electronically-photonically cointegrated chips or semiconductor circuits (EPICs) are known from the prior art. These are monolithic and comprise photonic devices in regions with silicon on an insulator (silicon-on-insulator) and electronic devices in regions with solid-state silicon (bulk silicon) on a wafer.

Der technologische Aufwand diese EPIC-Chips herzustellen ist sehr groß.The technological effort required to manufacture these EPIC chips is very high.

Aus der US2021/0257396 A1 ist ein- und zweipfadiges Lichterkennungs- und Entfernungsmessungssystem (LiDAR) bekannt, welches Licht durch die Rückseite eines photonischen integrierten Schaltkreises (PIC) eines Siliziumsubstrats senden und empfangen kann. Der PIC kann mit einem elektrischen integrierten Schaltkreis (EIC) verbunden werden, wobei eine Vorderseite über elektrische Kontakte mit dem EIC verbunden ist und eine Rückseite vom EIC abgewandt ist. Kopplerelemente mit hoher Dichte (z. B. Pixel, Gitter) können Infrarotlicht aussenden und empfangen, das sich durch die PIC-Schichten und die Rückseite zu den zu erkennenden Objekten ausbreitet.From the US2021/0257396 A1 A single- and dual-path light detection and distance measurement system (LiDAR) is known which can transmit and receive light through the back side of a photonic integrated circuit (PIC) on a silicon substrate. The PIC can be connected to an electrical integrated circuit (EIC), with one front side connected to the EIC via electrical contacts and one back side facing away from the EIC. High-density coupler elements (e.g., pixels, gratings) can transmit and receive infrared light, which propagates through the PIC layers and the back side to the objects to be detected.

US 2024/0036254 A1 beschreibt optische Hochleistungsein- und -ausgabeschaltungen für Datenprozessoren. US 2024/0036254 A1 describes high-performance optical input and output circuits for data processors.

Die WO2023/062910 A1 beschreibt ein Entfernungsmessgerät, welches ein erstes Substrat, das einen ersten optischen Wellenleiter umfasst, der zum Übertragen eines Chirp-Signals konfiguriert ist, einen Splitter, der zum Aufteilen des Chirp-Signals in ein Übertragungssignal und ein Referenzsignal konfiguriert ist, und einen Koppler- und Detektorblock umfasst, der zum Ausgeben eines Schwebungssignals basierend auf dem Referenzsignal und einem reflektierten Signal konfiguriert ist. Das Entfernungsmessgerät umfasst ein zweites Substrat, das auf dem ersten Substrat gestapelt ist und einen Konverter umfasst, der so konfiguriert ist, dass er ein digitales Schwebungssignal basierend auf dem Schwebungssignal ausgibt; und einen Controller, der so konfiguriert ist, dass er ein elektronisches Steuersignal ausgibt, das die Erzeugung des Chirp-Signals steuert. Die Entfernungsmessung erfolgt durch Aussenden eines optischen Signals.The WO2023/062910 A1 This describes a distance measuring device comprising a first substrate including a first optical waveguide configured to transmit a chirp signal, a splitter configured to split the chirp signal into a transmission signal and a reference signal, and a coupler and detector block configured to output a beat signal based on the reference signal and a reflected signal. The distance measuring device includes a second substrate stacked on top of the first substrate, comprising a converter configured to output a digital beat signal based on the beat signal; and a controller configured to output an electronic control signal that controls the generation of the chirp signal. Distance measurement is performed by emitting an optical signal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Radarkopfeinrichtungen für photonische Radarsysteme und photonische Radarsysteme, die einfacher, insbesondere ressourcensparender herzustellen sind, zu schaffen.The invention is based on the objective of providing radar head devices for photonic radar systems and photonic radar systems that are simpler, to create, in particular, more resource-efficient production methods.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Radarkopfeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Radarsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The problem is solved according to the invention by a radar head assembly with the features of claim 1 and a radar system with the features of claim 6. Advantageous embodiments are described in the dependent claims.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die photonischen und elektronischen Schaltkreise zu trennen und auf unterschiedlichen Halbleiterschaltungs-Chips, d.h. in unterschiedlichen integrierten Halbleiterschaltungs-Chips auszubilden. Hierbei ist ein elektronischer Halbleiterschaltungs-Chip ausbildet, elektrische Signale im Radarwellenlängenbereich zu verarbeiten, beispielsweise in einem Sendermodul eine empfangene Radarsignalinformation für eine Abstrahlung als Radarsignal über eine Sendeantenne zu verstärken, wobei die empfangene Radarsignalinformation gegebenenfalls vor dem Verstärken und Aussenden hinsichtlich ihrer Frequenz vervielfacht wird. Ein elektronischer Halbleiterschaltungs-Chip für ein Empfängermodul ist hingegen ausgebildet, aus einem empfangenen Radarechosignal eine Echosignalinformation abzuleiten, die vorzugsweise mit einer Frequenz bereitgestellt wird die einem Bruchteil der Frequenz des ausgesandten Radarsignals entspricht. Hierfür wird vorzugsweise eine Mischerschaltung verwendet die Signale im Frequenzbereich der ausgesandten Radarsignale verarbeitet und in ein Zwischenfrequenzsignal erzeugt, welches die Radarechoinformation umfasst. Um eine kompakte Ausgestaltung der Radarkopfeinrichtung zu gewährleisten und eine Integration in verschiedene Bauteile eines Fahrzeugs, wie eine Windschutzscheibe, Stoßfänger, Verkleidungsteile einer Karosserie und/oder Verkleidungsteilen einer Innenraumausstattung einer Fahrgastzelle, zu erleichtern, ist vorgesehen, die photonischen Bauelemente und die elektronischen Bauelemente auf getrennten integrierten Halbleiterschaltungs-Chips auszuführen, die im sogenannten Die-Stacking-Verfahren miteinander gekoppelt sind.The invention is based on the idea of separating the photonic and electronic circuits and implementing them on different semiconductor circuit chips, i.e., in different integrated semiconductor circuit chips. Here, an electronic semiconductor circuit chip is configured to process electrical signals in the radar wavelength range, for example, in a transmitter module to amplify received radar signal information for transmission as a radar signal via a transmitting antenna, wherein the received radar signal information is optionally multiplied with respect to its frequency before amplification and transmission. An electronic semiconductor circuit chip for a receiver module, on the other hand, is configured to derive echo signal information from a received radar echo signal, preferably provided at a frequency that corresponds to a fraction of the frequency of the transmitted radar signal. For this purpose, a mixer circuit is preferably used that processes signals in the frequency range of the transmitted radar signals and generates an intermediate frequency signal that includes the radar echo information. In order to ensure a compact design of the radar head assembly and to facilitate integration into various components of a vehicle, such as a windshield, bumper, body panels and/or interior trim panels of a passenger cell, it is planned to implement the photonic components and the electronic components on separate integrated semiconductor circuit chips, which are coupled together using the so-called die-stacking method.

Insbesondere wird eine Radarkopfeinrichtung für ein photonisches Radarsystem, bei dem eine Signalübertragung zwischen einer Zentralstation und der Radarkopfeinrichtung mittels mindestens eines modulierten über mindestens ein optisches Übertragungsübertragungsmedium übertragenen Trägersignals erfolgt, umfassend einen elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip und einen photonischen Halbleiterschaltungs-Chip, wobei der elektronische Halbleiterschaltungs-Chip und der photonischen Halbleiterschaltungs-Chip in einer Die-Stacking-Anordnung miteinander verbunden sind.In particular, a radar head device for a photonic radar system, in which signal transmission between a central station and the radar head device is carried out by means of at least one modulated carrier signal transmitted via at least one optical transmission medium, is comprising an electronic semiconductor circuit chip and a photonic semiconductor circuit chip, wherein the electronic semiconductor circuit chip and the photonic semiconductor circuit chip are connected to each other in a die-stacking arrangement.

Ferner wird ein photonisches Radarsystem mit einer Zentralstation und mindestens einer Radarkopfeinrichtung der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung geschaffen, wobei die Zentralstation zum Erzeugen der auszusendenden Radarsignalinformation und Modulieren eines optischen Trägersignal gemäß der auszusendenden Radarsignalinformation und zum Auswerten der erfassten Radarechoinformation ausgebildet ist, wobei die erfasste Radarechoinformation von der mindestens einen Radarkopfeinrichtung auf das von der Zentralstation bereitgestellte optische Trägersignal oder ein weiteres von der Zentralstation bereitgestelltes optische Trägersignal moduliert ist und wobei die mindestens eine Radarkopfeinrichtung mittels mindestens eines optischen Übertragungsmediums mit der mindestens einen Radarkopfeinrichtung verbunden ist.Furthermore, a photonic radar system with a central station and at least one radar head assembly of the proposed design is created, wherein the central station is configured to generate the radar signal information to be transmitted and to modulate an optical carrier signal according to the radar signal information to be transmitted and to evaluate the detected radar echo information, wherein the detected radar echo information is modulated by the at least one radar head assembly onto the optical carrier signal provided by the central station or another optical carrier signal provided by the central station, and wherein the at least one radar head assembly is connected to the at least one radar head assembly by means of at least one optical transmission medium.

Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist das eine kompakte Schaltungsanordnung geschaffen wird, die gut integrierbar ist. Eine Grundfläche kann minimiert werden und ist hauptsächlich durch eine Größe des photonischen Halbleiterschaltungs-Chips, d.h. der integrierten photonischen Halbleiterschaltung vorgegeben. Die integrierte elektronische Halbleiterschaltung kann mit kleineren Strukturgrößen realisiert werden so dass hier eine höhere Integration möglich ist, welches zu einer Flächenreduktion der Chipgröße des elektronischen Halbleiterschaltungs-Chips führt.The advantage of this design is that it creates a compact circuit arrangement that is easily integrated. The footprint can be minimized and is primarily determined by the size of the photonic semiconductor circuit chip, i.e., the integrated photonic semiconductor circuit. The integrated electronic semiconductor circuit can be implemented with smaller feature sizes, allowing for a higher level of integration, which leads to a reduction in the chip size of the electronic semiconductor circuit chip.

Insgesamt wird so ein Ressourcenverbrauch reduziert, da die benötigte Waferfläche beider Halbleiterschaltungs-Chips in Summe schrumpft. Eine optische Ein- und Auskopplung ist trotz der Die-Stacking-Anordnung uneingeschränkt möglich.Overall, this reduces resource consumption, as the total wafer area required for both semiconductor circuit chips shrinks. Optical input and output coupling remains fully possible despite the die-stacking arrangement.

Hier werden die Begriffe integrierte Halbleiterschaltung, integrierte Halbleiterschalungs-Chip und Halleiterschaltungs-Chip sowie Chip jeweils als Synonyme aufgefasst. Sie beschreiben eine körperliche Einheit, die ein oder in der Regel mehrere Bauelemente umfasst, die auf einem Wafer ausgebildet sind. Der Begriff „photonisch“ wird im Zusammenhang mit Schaltungen und Bauelementen verwendet, die für eine Verarbeitung und/oder Wechselwirkung mit optischen Signalen vorgesehen sind. Optische Signale sind Lichtsignale im weitesten Sinn, d.h. Signale im infraroten, sichtbaren oder UV-Wellenlängenbereich. Als optische Signale, die auch als photonische Signale bezeichnet werden, werden Signale mit Frequenzen im Bereich 0,1 Terahertz bis etwa 1 Pentahertz angesehen. Vorzugsweise liegen die Frequenzen oder zugehörigen Wellenlängen im nahem Infrarot Wellenlängenbereich von etwa 100 Terahertz bis 384 Terahertz oder mittleren Infrarotwellenlängenbereich von etwa 6 Terahertz bis 100 Terahertz.
Als elektronische Schaltungen werden solche angesehen, die für eine Signalverarbeitung von elektrischen Signalen mit Frequenzen kleiner 300 Megahertz vorgesehen sind.Here, the terms integrated semiconductor circuit, integrated semiconductor circuit chip, semiconductor circuit chip, and chip are used synonymously. They describe a physical unit comprising one or, more commonly, several components mounted on a wafer. The term "photonic" is used in connection with circuits and components designed for processing and/or interacting with optical signals. Optical signals are light signals in the broadest sense, i.e., signals in the infrared, visible, or ultraviolet wavelength range. Signals with frequencies in the range of 0.1 terahertz to approximately 1 pentahertz are considered optical signals, also referred to as photonic signals. Preferably, the frequencies or associated wavelengths lie in the near-infrared wavelength range of approximately 100 terahertz to 384 terahertz or the mid-infrared wavelength range of approximately 6 terahertz to 100 terahertz.
Electronic circuits are defined as those used for signal processing of electrical signals. are intended for signals with frequencies below 300 megahertz.

Um eine Anbindung an eine Stromversorgung und oder weitere Steuerleitungen zu gewährleisten, ist die Die-Stacking-Anordnung in der Regel auf einer Leiterplatte angeordnet.To ensure connection to a power supply and/or other control lines, the die-stacking arrangement is usually placed on a printed circuit board.

Insbesondere bei als Sendermodulen ausgebildeten Radarkopfeinrichtungen umfasst die integrierte elektronische Halbleiterschaltung, d.h. der integrierte elektronische Halbleiterschaltungs-Chip, eine Verstärkerschaltung die übermittelte und gegebenenfalls frequenzvervielfachte von der Zentralstation übermittelte Radarsignalinformation verstärkt, so dass diese als elektromagnetische Strahlung als Radarsignal über eine Senderantenne abgestrahlt werden kann. Hierbei entstehende Verlustleistung führt zur Erwärmung des elektronischen Halbleiterschaltungs-Chips. Um diese Wärme abzuführen und den photonischen Halbleiterschaltungs-Chip nicht thermisch zu belasten, ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Die-Stacking-Anordnung so auf der Leiterplatte angeordnet ist, dass ein Wärmekontakt zwischen dem elektronischen Halbleiterschaltungschip und der Leiterplatte ausgebildet ist. Die Leiterplatte kann dann als Kühlkörper wirken. Hierfür kann eine wärmeleitende Masse zwischen dem elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip und der Leiterplatte vorgesehen sein.Particularly in radar head units designed as transmitter modules, the integrated electronic semiconductor circuit, i.e., the integrated electronic semiconductor circuit chip, comprises an amplifier circuit that amplifies the radar signal information transmitted from the central station, including any frequency-multiplied information, so that it can be emitted as electromagnetic radiation via a transmitter antenna. The resulting power loss leads to heating of the electronic semiconductor circuit chip. To dissipate this heat and prevent thermal stress on the photonic semiconductor circuit chip, one embodiment provides that the die-stacking arrangement is positioned on the circuit board in such a way that a thermal contact is formed between the electronic semiconductor circuit chip and the circuit board. The circuit board can then act as a heat sink. For this purpose, a thermally conductive material can be provided between the electronic semiconductor circuit chip and the circuit board.

Bei einer solchen Ausführungsform ist der elektronische Halbleiterschaltungs-Chip, die integrierte elektronische Halbleiterschaltung vorzugsweise der Leiterplatte zugewandt und die integrierte photonische Halbleiterschaltung von der Leiterplatte abgewandt.In such an embodiment, the electronic semiconductor circuit chip, the integrated electronic semiconductor circuit is preferably facing the circuit board and the integrated photonic semiconductor circuit is facing away from the circuit board.

Die elektronischen Kontakte des elektronischen Halbleiterschaltungs-Chips, d.h. integrierten elektronischen Halbleiterschaltung, sind mit der Leiterplatte vorzugsweis mittels eines Bumperbondings ausgebildet.The electronic contacts of the electronic semiconductor circuit chip, i.e., integrated electronic semiconductor circuit, are preferably formed with the printed circuit board by means of a bumper bonding.

Die elektrischen Kontakte zu dem von der Leiterplatte abgewandten photonischen Halbleiterschaltungs-Chip sind dann bevorzugt mittels Drahtbonding ausgeführt. The electrical contacts to the photonic semiconductor circuit chip facing away from the circuit board are then preferably implemented by means of wire bonding.

Andere Ausführungsformen können vorsehen, dass zwischen dem elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip in dem photonischen Halbleiterschaltungs-Chip elektrische Verbindungen mittels Drahtbonding ausgeführt sind. Dieses bietet der Vorteil, dass im Layout der Bauelement in beiden Halbleiterschaltungs-Chips eine große Flexibilität herrscht. Die Layouts müssen nicht unbedingt aneinander angepasst sein.Other embodiments may provide for electrical connections between the electronic semiconductor circuit chip and the photonic semiconductor circuit chip via wire bonding. This offers the advantage of greater flexibility in the layout of the components in both semiconductor circuit chips. The layouts do not necessarily have to be identical.

Alternativ kann vorgesehene sein, dass die der photonische Halbleiterschaltungs-Chip und der elektronische Halbleiterschaltungs-Chip mittels Bumperbonding miteinander kontaktiert sind.Alternatively, it may be provided that the photonic semiconductor circuit chip and the electronic semiconductor circuit chip are contacted together by means of bumper bonding.

Bei manchen Ausführungsformen ist die thermische Last so, dass statt der Leiterplatte oder zusätzlich zur Leiterplatte für die Wärmeabführung ein Kühlkörper mit dem elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip thermisch kontaktiert ist.In some embodiments, the thermal load is such that instead of or in addition to the circuit board, a heat sink is thermally contacted with the electronic semiconductor circuit chip for heat dissipation.

Bei Ausführungsformen die einen Kühlkörper statt oder zusätzlich zu der Leiterplatte für die Wärmeabführung nutzen, ist der elektronische Halbleiterschaltungs-Chip vorzugsweise auf einer von der Leiterplatte abgewandten Seite des photonischen Halbleiterschaltungs-Chips angeordnet. Der Kühlkörper kann so einen besseren Kontakt zu dem Umgebenden Medium ausbilden um die Wärme aus dem Kühlkörper abzuführen.In embodiments that use a heat sink instead of or in addition to the circuit board for heat dissipation, the electronic semiconductor circuit chip is preferably arranged on a side of the photonic semiconductor circuit chip facing away from the circuit board. This allows the heat sink to establish better contact with the surrounding medium in order to dissipate the heat from the heat sink.

Bei anderen Ausführungsformen, bei denen der elektronische Halbleiterschlatungs-Chip auf der Leiter platte angeordnet ist, um eine gute Kontaktierung zu ermöglichen und/oder einen Teil der Wärme über die Leiterplatte abzuführen, weist der photonische Halbleiterschaltungs-Chip eine Aussparung auf, um dennoch auf dem Elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip einen Kühlkörper anordnen zu können.In other embodiments, where the electronic semiconductor circuit chip is arranged on the circuit board to enable good contact and/or to dissipate some of the heat via the circuit board, the photonic semiconductor circuit chip has a recess to allow a heat sink to be placed on the electronic semiconductor circuit chip nonetheless.

Elektrische Verbindungen zwischen dem photonischen Halbleiterschaltungs-Chip, der integrierten photonischen Halbleiterschaltung, und dem elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip, der integrierten elektronischen Halbleiterschaltung, sind bei einer Ausführungsform der Radarkopfeinrichtung mittels Drahtbonding verbunden. Hierdurch können zuverlässig Verbindungen ausgebildet werden, insbesondere wenn die Ausdehnung des elektronischen Halbleiterschaltungs-Chips eine geringere Abmessung aufweist als der photonische Halbleiterschaltungs-Chip.In one embodiment of the radar head assembly, electrical connections between the photonic semiconductor circuit chip, the integrated photonic semiconductor circuit, and the electronic semiconductor circuit chip, the integrated electronic semiconductor circuit, are made by wire bonding. This allows for reliable connections, particularly when the electronic semiconductor circuit chip is smaller than the photonic semiconductor circuit chip.

Andere Ausführungsformen sehen vor, dass eine elektrische Kontaktierung zwischen dem photonische Halbleiterschaltungs-Chip und dem elektronische Halbleiterschaltungs-Chip mittels Bumperbonding ausgeführt ist. Hierdurch kann ein sehr kompakter Aufbau erreicht werden.Other embodiments provide for electrical contact between the photonic semiconductor circuit chip and the electronic semiconductor circuit chip via bumper bonding. This allows for a very compact design.

Zwischen der Leiterplatte und der Die-Stacking-Anordnung aus photonische Halbleiterschaltungs-Chip und elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip kann eine elektronische Kontaktierung mittels Drahtbonding und/oder Bumperbonding ausgeführt sein.Electronic contact can be made between the printed circuit board and the die-stacking arrangement consisting of a photonic semiconductor circuit chip and an electronic semiconductor circuit chip by means of wire bonding and/or bumper bonding.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert hierbei zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to a drawing, which shows:

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt einen schematischen Aufbau eines als MIMO-Radar ausgebildeten photonischen Radars;
2a bis 2c zeigen eine Anordnung der als Sender- und/oder Empfängermodule ausgebildeten Radarkopfeinrichtungen an einem Kraftfahrzeug;
3 eine schematische Ansicht einer als Sendermodul ausgebildeten Radarkopfeinrichtung; und
4 eine schematische Ansicht einer als Empfängermodul ausgebildeten Radarkopfeinrichtung.

The invention is explained in more detail below with reference to a drawing.

1 shows a schematic diagram of a photonic radar designed as a MIMO radar;
2a to 2c show an arrangement of radar head devices designed as transmitter and/or receiver modules on a motor vehicle;
3 a schematic view of a radar head assembly designed as a transmitter module; and
4 A schematic view of a radar head unit designed as a receiver module.

In 1 ist schematisch ein photonisches Radarsystem 100 dargestellt. Dieses umfasst eine Zentralstation 200 und eine Vielzahl von Radarkopfeinrichtungen 300, 300-n, die als Sender- und/oder Empfängermodul ausgebildet sind. Die Zentralstation 200 und Radarkopfeinrichtungen 300, 300-n sind jeweils über zwei Lichtwellenleiter 401, 401-n, 501, 501-n individuell gekoppelt. Die Lichtwellenleiter 401, 401-n dienen als Übertragungsmedien 400 zum Übertragen optischer Signale von der Zentralstation 200 zu den Radarkopfeinrichtungen 300, 300-n. Die Lichtwellenleiter 501, 501-n dienen als Rückübertagungsmedien 500. Zusätzlich sind die Radarkopfeinrichtungen 300, 300-n vorzugsweise mit einer elektronischen Steuerleitung 460 und einer elektronischen Rückleitung 560 mit der Zentralstation 200 verbunden. Die elektronische Steuerleitung 460 und die elektronischen Rückleitung 560 können als ein Bussystem ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können die einzelnen Radarkopfeinrichtungen 300, 300-n auch jeweils mit einer individuellen Steuerleitung 460 und individuellen elektronischen Rückleitung 560 ausgebildet sein.In 1 A photonic radar system 100 is shown schematically. This system comprises a central station 200 and a plurality of radar head units 300, 300-n, which are configured as transmitter and/or receiver modules. The central station 200 and radar head units 300, 300-n are each individually coupled via two optical fibers 401, 401-n, 501, 501-n. The optical fibers 401, 401-n serve as transmission media 400 for transmitting optical signals from the central station 200 to the radar head units 300, 300-n. The optical fibers 501, 501-n serve as return transmission media 500. In addition, the radar head units 300, 300-n are preferably connected to the central station 200 by an electronic control line 460 and an electronic return line 560. The electronic control line 460 and the electronic feedback line 560 can be configured as a bus system. Alternatively or additionally, the individual radar head units 300, 300-n can each be configured with an individual control line 460 and an individual electronic feedback line 560.

Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird aus Gründen der Vereinfachung davon ausgegangen, dass alle Radarkopfeinrichtungen 300, 300-n mit einem Übertragungsmedium 400, 400-n und einem Rückübertragungsmedium 500 gekoppelt sind. Radarkopfeinrichtungen, die nur als Sendermodul ausgebildet sind, sind jedoch in der Regel nicht mit einem Rückübertragungsmedium gekoppelt. Als Empfängermodul ausgebildete Radarkopfeinrichtungen können auch noch mit einem weiteren optischen Übertagungsmedium gekoppelt sein, über das ein weiteres optisches Trägersignal für die Rückübertragung zugeführt werden kann. Diese „Vereinfachungen“ gelten auch für die übrigen hier beschriebenen Ausführungsformen. Radarkopfeinrichtungen können somit auch nur eine oder drei optische Anbindungen aufweisen, ohne dass dieses die beschriebene Lösung beeinträchtigt.For the sake of simplicity, in the embodiment described here, it is assumed that all radar head units 300, 300-n are coupled to a transmission medium 400, 400-n and a return transmission medium 500. Radar head units designed only as transmitter modules are generally not coupled to a return transmission medium. Radar head units designed as receiver modules can also be coupled to an additional optical transmission medium, through which a further optical carrier signal can be supplied for return transmission. These simplifications also apply to the other embodiments described here. Radar head units can therefore have only one or three optical connections without this affecting the described solution.

Nachgestellte Kleinbuchstaben -n ... stehen stellvertretend für natürliche Zahlen, um eine Abzählbarkeit und Unterscheidbarkeit der entsprechenden Objekte anzudeuten.Lowercase letters -n ... stand for natural numbers to indicate countability and distinguishability of the corresponding objects.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Zentralstation 200 ausgebildet, abzustrahlende Radarsignalinformationen zu erzeugen, wobei dieses im dargestellten Beispiel beispielsweise mit einer um einen Faktor 8 geringeren Frequenz erfolgt als die Aussendung eines Radarsignals über eine Antenne 350, 350-n eines der entsprechend als Sendermodul ausgebildeten Radarkopfeinrichtungen 300, 300-n. Die Zentralstation 200 umfasst hierfür eine Steuereinrichtung 210, welche eine kohärente Lichtquelle 220, die vorzugsweise als Laser ausgebildet ist, steuert. In einem Umfelderfassungsbetriebszustand wird über eine Modulationseinrichtung 230 auf das von dem Laser 220 erzeugte mindestens eine optische Trägersignal eine Radarsignalinformation moduliert. Die Radarsignalinformation ist beispielsweise ein durch einen Faktor 8 dividiertes zur Abstrahlung vorgesehenes frequenzmoduliertes Dauerstrichsignal (engl. FMCW frequency modulated continuous wave). Die Modulationseinrichtung 230 ist beispielsweise als Mach-Zehnder-Modulator (MZM) ausgebildet. Das optische Signal wird über eine optische Steuereinrichtung 240 an eine Verteilereinrichtung 250 weitergeleitet. Die Verteilereinrichtung 250 umfasst bei der dargestellten Ausführungsform eine Eins-zu Mehrfachverteileinrichtung 251. Hierdurch wird das an dem Einfacheingang 252 eingekoppelte mindestens eine Trägersignal an die Radarkopfeinrichtungen 300, 300-n über die entsprechenden der Übertragungsmedien 400, 400-n übertragen, das mit den Mehrfachausgängen 255, 255-n verbunden sind. Die Übertragungsmedien 400, 400-n sind die optischen Lichtwellenleiter 401, 401-n, d.h. vorzugsweise optische Fasern 402, 402-n.In the illustrated embodiment, the central station 200 is configured to generate radar signal information for transmission, whereby, in the illustrated example, this occurs at a frequency eight times lower than the transmission of a radar signal via an antenna 350, 350-n of one of the radar head units 300, 300-n configured as transmitter modules. For this purpose, the central station 200 comprises a control unit 210, which controls a coherent light source 220, preferably configured as a laser. In an environment detection operating state, radar signal information is modulated onto the at least one optical carrier signal generated by the laser 220 via a modulation unit 230. The radar signal information is, for example, a frequency-modulated continuous wave (FMCW) signal intended for transmission, divided by a factor of eight. The modulation unit 230 is, for example, configured as a Mach-Zehnder modulator (MZM). The optical signal is forwarded via an optical control unit 240 to a distribution unit 250. In the illustrated embodiment, the distribution unit 250 comprises a one-to-multiple distribution unit 251. This transmits the at least one carrier signal coupled to the single input 252 to the radar head units 300, 300-n via the corresponding transmission media 400, 400-n, which are connected to the multiple outputs 255, 255-n. The transmission media 400, 400-n are the optical waveguides 401, 401-n, i.e., preferably optical fibers 402, 402-n.

Die Radarkopfeinrichtungen 300, 300-n weisen jeweils einen Fasereingang 305, 305-n auf, an dem die von der Zentralstation 200 kommende Faser 402-n angeschlossen ist. Das mindestens eine optische Trägersignal mit der aufmodulierten und abzustrahlenden Radarsignalinformation wird in die Radarkopfeinrichtung 300, 300-n eingekoppelt.The radar head units 300, 300-n each have a fiber input 305, 305-n, to which the fiber 402-n coming from the central station 200 is connected. The at least one optical carrier signal with the modulated and transmitted radar signal information is coupled into the radar head unit 300, 300-n.

In der Radarkopfeinrichtung 300, 300-n ist der Fasereingang 305, 305-n mit einem Faserausgang 395, 395-n optisch leitend gekoppelt, sodass zumindest ein Teil des zu der Radarkopfeinrichtung 300, 300-n über die als Übertragungsmedium 400, 400-n dienende Faser 402, 402-n übertragenen optischen Signals über die als Rückübertragungsmedium 500, 500-n dienende Faser 502, 502-n zu der Zentralstation 200 zurückübertragen wird. Es versteht sich, dass diese Rückkopplung bei Sendermodulen entfällt, die kein Rückübertragungsmedium aufweisen. Die als Rückübertragungsmedium 500, 500-n dienende Faser 502, 502-n ist mit dem entsprechenden Faserausgang 395, 395-n und der Detektionseinrichtung 260 der Zentralstation 200 verbunden.In the radar head assembly 300, 300-n, the fiber input 305, 305-n is optically coupled to a fiber output 395, 395-n, so that at least part of the optical signal transmitted to the radar head assembly 300, 300-n via the fiber 402, 402-n serving as the transmission medium 400, 400-n is transmitted The signal is transmitted back to the central station 200 via fiber 502, 502-n, which serves as the return transmission medium 500, 500-n. It is understood that this feedback is omitted for transmitter modules that do not have a return transmission medium. Fiber 502, 502-n, which serves as the return transmission medium 500, 500-n, is connected to the corresponding fiber output 395, 395-n and the detection device 260 of the central station 200.

Das übertragene optische Signal kann in der Radarkopfeinrichtung 300, 300-n in ein elektronisches Signal gewandelt werden, wobei die Radarsignalinformation von dem mindestens einen Trägersignal getrennt wird. Die Radarsignalinformation wird in der Radarkopfeinrichtung 300, 300-n in der Regel verstärkt und häufig auch dessen Frequenz vervielfacht und dann als elektromagnetische Strahlung von der entsprechenden Antenne 350, 350-n der Radarkopfeinrichtung 300, 300-n als Radarsignal abgestrahlt.The transmitted optical signal can be converted into an electronic signal in the radar head unit 300, 300-n, whereby the radar signal information is separated from the at least one carrier signal. The radar signal information is typically amplified and often its frequency is also multiplied in the radar head unit 300, 300-n, and then emitted as electromagnetic radiation from the corresponding antenna 350, 350-n of the radar head unit 300, 300-n as a radar signal.

Die an einem Objekt in der Umgebung reflektiert elektromagnetische Strahlung wird als Radarechosignal ebenfalls von einer Antenne 350, 350-n einer der Radarkopfeinrichtungen 300, 300-n oder mehreren Antennen 350, 350-n mehrerer Radarkopfeinrichtungen 300, 300-n empfangen. In einem Mischprozess wird in der Regel aus dem Radarechosignal eine Radarechoinformation abgeleitet und als ein Zwischenfrequenzsignal erzeugt und bearbeitet und anschließend das durch die Radarkopfeinrichtung 300, 300-n transmittierte mindestens eine optische Trägersignal gemäß der Radarechoinformation moduliert und zu der Zentralstation 200 über das entsprechende Rückübertragungsmedium 500, 500-n zurückübertragen.The electromagnetic radiation reflected from an object in the vicinity is also received as a radar echo signal by an antenna 350, 350-n of one of the radar head units 300, 300-n or by several antennas 350, 350-n of several radar head units 300, 300-n. In a mixing process, radar echo information is usually derived from the radar echo signal and generated and processed as an intermediate frequency signal. Subsequently, the at least one optical carrier signal transmitted by the radar head unit 300, 300-n is modulated according to the radar echo information and transmitted back to the central station 200 via the corresponding return transmission medium 500, 500-n.

In der Zentralstation 200 wird in einer Detektionseinrichtung 260 beim Wandeln in ein elektronisches Signal die Radarechoinformation wieder von dem mindestens einen optischen Trägersignal getrennt und in ein elektrisches Signal überführt. Die über die verschiedenen Rückübertragungsmedien 500, 500-n erhaltenen Radarechoinformationen werden in einer Berechnungseinheit 270 der Zentralstation 200 gemeinsam ausgewertet, um eine Entfernung, eine Relativgeschwindigkeit und eine relative Winkelposition von einzelnen Objekten im Umfeld zu ermitteln. Bei der Weiterleitung an die Berechnungseinheit 270 können elektrische Signale in einer Digitalisierungseinrichtung 280 digitalisiert und in einer Aufbereitungseinrichtung 290 vorbearbeitet werden, beispielsweise einer Fouriertransformation unterzogen werden, die in speziellen Bausteinen realisiert sein kann.In the central station 200, the radar echo information is separated from the at least one optical carrier signal and converted into an electrical signal in a detection unit 260 during conversion into an electronic signal. The radar echo information received via the various return transmission media 500, 500-n is evaluated together in a processing unit 270 of the central station 200 to determine the distance, relative velocity, and relative angular position of individual objects in the environment. Upon transmission to the processing unit 270, electrical signals can be digitized in a digitizing unit 280 and pre-processed in a processing unit 290, for example, by undergoing a Fourier transform, which can be implemented in special modules.

In 2a bis 2c ist eine mögliche Verteilung der Radarkopfeinrichtungen mit ihren Antennen an einem Kraftfahrzeig 1000 schematisch dargestellt. Hiermit ist eine nahezu 360°-Umfelderfassung mit hoher Winkelauflösung möglich.In 2a to 2c Figure 1000 schematically illustrates a possible distribution of the radar head units with their antennas on a motor vehicle. This enables almost 360° surround detection with high angular resolution.

In 2a ist das Fahrzeug 1000 schematisch von seiner Vorderseite 1002 (2a), in 2b von seiner linken Seite 1004 und in 2c von seiner Rückseite 1006 gezeigt. Die rechte Fahrzeugseite ist hier nicht dargestellt, ist jedoch vorzugsweise analog zur linken Seite 1004 ausgebildet.In 2a The vehicle 1000 is shown schematically from its front 1002 ( 2a) , in 2b from his left side 1004 and in 2c The rear side is shown in section 1006. The right side of the vehicle is not shown here, but is preferably designed analogously to the left side in section 1004.

Dargestellt sind schematische kleine Antennensymbole 1100, welche Positionen von Radarkopfeinrichtungen kennzeichnen. An der Vorderseite 1002 des Fahrzeugs 1000 sind diese beispielsweise beabstandet zueinander an einer Unterkante 1012, einer Windschutzscheibe 1010 und an einer, von vorne betrachtet, linken Seitenkante 1014 der Windschutzscheibe im Wesentlichen vertikal beabstandet zueinander angeordnet. Zusätzlich sind entlang eines vorderen Stoßfängers 1020 horizontal zueinander beabstandet ebenfalls Radarkopfeinrichtungen 1100 angeordnet.The diagram shows schematic small antenna symbols 1100, which indicate the positions of radar head units. On the front 1002 of the vehicle 1000, these are arranged, for example, at intervals between them, on a lower edge 1012 of a windshield 1010 and on a left side edge 1014 of the windshield (viewed from the front), essentially vertically spaced apart. Additionally, radar head units 1100 are also arranged horizontally spaced apart along a front bumper 1020.

An der linken Fahrzeugseite 1004 des Fahrzeugs 1000, die in 2b dargestellt ist, sind horizontal voneinander beabstandet Radarkopfeinrichtungen 1100 entlang eines Schwellers 1050 sowie ebenfalls horizontal beabstandet zueinander Radarkopfeinrichtungen 1100 entlang einer Dachkante 1030 angeordnet. Zusätzlich sind im Wesentlichen vertikal zueinander beabstandet Radarkopfeinrichtungen entlang einer B-Säule 1040 beabstandet.On the left side of vehicle 1004 of vehicle 1000, which is in 2b As shown, radar head units 1100 are arranged horizontally spaced from each other along a sill 1050, and radar head units 1100 are also arranged horizontally spaced from each other along a roof edge 1030. In addition, radar head units are arranged essentially vertically spaced from each other along a B-pillar 1040.

An der Rückseite 1006, die in 2c dargestellt ist, sind die Antennensymbole 1100, die die Radarkopfeinrichtungen darstellen, entlang des hinteren Stoßfängers 1070 horizontal zueinander beabstandet sowie entlang einer unteren Seitenkante 1064 der Heckscheibe 1060 horizontal sowie vertikal zueinander beabstandet entlang der, von hinten gesehen, linken Seitenkante 1066 der Heckscheibe 1060 angeordnet.On the reverse side 1006, which are in 2c As shown, the antenna symbols 1100, which represent the radar head devices, are arranged horizontally spaced apart from each other along the rear bumper 1070 and horizontally and vertically spaced apart from each other along a lower side edge 1064 of the rear window 1060 along the left side edge 1066 of the rear window 1060 when viewed from the rear.

Der Betriebszustand der Umfelderfassung ist hier nur vereinfacht und knapp dargestellt und ist dem Fachmann für ein photonisches Radarsystem mit einer Mehrzahl von Radarkopfeinrichtungen, die als Sende- und/oder Empfangsmodul ausgebildet sind, bekannt.The operating state of the environmental detection system is only simplified and briefly presented here and is known to those skilled in the art for a photonic radar system with a plurality of radar head devices designed as transmitting and/or receiving modules.

Eine Ausgestaltung der Radarkopfeinrichtungen als Sendermodul oder als Empfängermodul wird anhand der nachfolgenden Figuren exemplarisch erläutert. Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen Komponenten der hier exemplarisch beschriebenen Ausführungsformen kombiniert sind, um als Sender- und Empfängermodul ausgebildete Radarkopfeinrichtungen auszubilden. Gekennzeichnet sind die Radarkopfeinrichtungen dadurch, dass diese getrennt ausgebildete integrierte Halbleiterschaltungen (Chips) für photonische Bauelemente und elektronische Bauelemente umfassen.One embodiment of the radar head assembly as a transmitter module or as a receiver module is explained by way of example with reference to the following figures. It is also possible to combine components of the embodiments described here as examples to form radar head assemblies configured as both transmitter and receiver modules. The radar head assemblies are characterized by the fact that These include separately designed integrated semiconductor circuits (chips) for photonic components and electronic components.

In 3 ist schematisch eine als Sendermodul ausgebildete Radarkopfeinrichtung 300 dargestellt. Dies umfasst eine integrierte photonische Halbleiterschaltung 700 und eine integerste elektronische Halbleiterschaltung 800, die sich in einer Die-Stacking-Anordnung befinden, in der diese wirktechnisch miteinander gekoppelt sind.In 3 A radar head assembly 300 designed as a transmitter module is shown schematically. This comprises an integrated photonic semiconductor circuit 700 and an integral electronic semiconductor circuit 800, which are arranged in a die-stacking configuration in which they are functionally coupled to each other.

Die integrierte photonische Halbleiterschaltung 700 umfasst ein photonisches Koppelelement 710 zum Einkoppeln eines optischen Signals in die integrierte photonische Halbleiterschaltung 700. Das optische Signal wir mittels einer Faser 402 zu der photonischen integrierten Halbleiterschaltung 700 geführt. Das photonische Koppelelement bildet gemeinsam mit einer nicht dargestellten Faserhalterung den Fasereingang 305 (vergl. 1). Die integrierte photonische Halbleiterschaltung 700 umfasst ferner eine, vorzugsweise als Photodiode 720, ausgebildete Wandlereinrichtung 730 zum Wandeln eines optischen Signals in ein elektrisches Signal. Die Wandlereinrichtung 730 ist mit einem Signalausgang 740 gekoppelt. Insbesondere wird das von einer Zentraleinrichtung erzeugte Trägersignal, auf das eine abzustrahlende Radarsignalinformation moduliert ist, über die als Übertragungsmedium 400 genutzte Faser 402 in die integrierte photonische Halbleiterschaltung 700 eingekoppelt. Beim Wandeln in das elektrische Signal wird nur die modulierte abzustrahlende Radarsignalinformation in das elektrische Signal überführt und hierbei, je nach verwendetem Modulationsverfahren vorzugsweise bereits frequenzverdoppelt.The integrated photonic semiconductor circuit 700 comprises a photonic coupling element 710 for coupling an optical signal into the integrated photonic semiconductor circuit 700. The optical signal is guided to the photonic integrated semiconductor circuit 700 via a fiber 402. The photonic coupling element, together with a fiber holder (not shown), forms the fiber input 305 (cf. 1 The integrated photonic semiconductor circuit 700 further comprises a converter device 730, preferably configured as a photodiode 720, for converting an optical signal into an electrical signal. The converter device 730 is coupled to a signal output 740. In particular, the carrier signal generated by a central unit, onto which radar signal information to be transmitted is modulated, is coupled into the integrated photonic semiconductor circuit 700 via the fiber 402, which is used as a transmission medium 400. During conversion to the electrical signal, only the modulated radar signal information to be transmitted is converted into the electrical signal and, depending on the modulation method used, is preferably already frequency-doubled.

Der Signalausgang 740 ist mit einem Signaleingang 810 der integrierten elektronischen Halbleiterschaltung 800 signaltechnisch gekoppelt. Bei der als Sendermodul ausgebildeten Variante umfasst die integrierte elektronische Halbleiterschaltung 800 schematisch einen Frequenzvervielfacher 820 und eine Verstärkerschaltung 830, die mit einem Senderausgang 840 verbunden ist. An dem Sendeausgang 840 oder verbunden hiermit ist eine Senderantenne 900 ausgebildet. Vorzugsweise ist die Die-Stacking-Anordnung 950The signal output 740 is coupled to a signal input 810 of the integrated semiconductor electronic circuit 800. In the variant configured as a transmitter module, the integrated semiconductor electronic circuit 800 schematically comprises a frequency multiplier 820 and an amplifier circuit 830, which is connected to a transmitter output 840. A transmitter antenna 900 is provided at or connected to the transmitter output 840. Preferably, the die-stacking arrangement 950

In 4 ist eine als Empfängermodul ausgebildete Radarkopfeinrichtung 300 schematisch dargestellt. Im einer Die-Stacking-Anordnung 950 sind eine integrierte photonische Halbleiterschaltung 700' und eine integrierte elektronische Halbleiterschaltung 800' übereinander angeordnet und signaltechnisch miteinander gekoppelt. Die integrierte photonische Halbleiterschaltung 700' umfasst ein photonische Koppelelement 710 zum Einkoppeln eines optischen Signals in die integrierte photonische Halbleiterschaltung 700'.In 4 A radar head assembly 300, designed as a receiver module, is shown schematically. In a die-stacking arrangement 950, an integrated photonic semiconductor circuit 700' and an integrated electronic semiconductor circuit 800' are arranged one above the other and coupled to each other via signal transmission. The integrated photonic semiconductor circuit 700' includes a photonic coupling element 710 for coupling an optical signal into the integrated photonic semiconductor circuit 700'.

Die integrierte photonische Halbleiterschaltung 700' umfasst zusätzlich zu den Bauelementen, die oben mit der Ausführungsform nach 3 beschrieben sind, eine weiteres photonischen Koppelelement 750 zum Einkoppeln eines weiteren Trägersignals und Auskoppeln dieses Trägersignals, nachdem dieses in einer optischen Modulatorschaltung 760 in der integrierten photonischen Halbleiterschaltung 700' moduliert worden ist. Auch das weitere optische Trägersignal wird von der Zentralstation erzeugt und über eine weitere Faser 402 zu der integrierten photonischen Halbleiterschaltung 700' übertragen. Die in der optischen Modulatorschaltung 760 auf das weiter optische Trägersignal modulierte Radarechoinformation wird als elektrisches Echosignal an einem Echosignaleingang 770 bereitgestellt.The integrated photonic semiconductor circuit 700' comprises, in addition to the components described above in the embodiment according to 3 As described, a further photonic coupling element 750 is used for coupling in and out another carrier signal after it has been modulated in an optical modulator circuit 760 in the integrated photonic semiconductor circuit 700'. The further optical carrier signal is also generated by the central station and transmitted to the integrated photonic semiconductor circuit 700' via another fiber 402. The radar echo information modulated onto the further optical carrier signal in the optical modulator circuit 760 is provided as an electrical echo signal at an echo signal input 770.

Die zugehörige integrierte elektronische Halbleiterschaltung 800' umfasst eine mit einem Antenneneingang 850 gekoppelte Eingangsverstärkerschaltung 860. Mit dem Antenneneingang 850 ist eine Empfängerantenne 920 gekoppelt. Ein empfangenes reflektierten Radarsignals wird in der Eingangsverstärkerschaltung 860 verstärkt und mittels einer Mischerschaltung 870 in ein eine Zwischenfrequenz aufweisendes Radarechosignal gewandelt und an einem Echosinalausgang 880 bereitgestellt. Um die Echoinformation in der Mischhaltung abzuleiten wir dieser neben dem empfangen und verstärkten reflektierten Radarsignal, die abgestrahlte Radarsignalinformation bereitgestellt. Dieses wird der integrierten elektronischen Halbleiterschaltung 800' an deren Signaleingang 810 bereitgestellt. D. h. der Signaleingang 810 der elektronischen Halbleiterschaltung 800' ist auch bei dieser Ausbildung signaltechnisch mit dem Signalausgang 740 der photonischen Halbleiterschaltung verbunden.The associated integrated electronic semiconductor circuit 800' comprises an input amplifier circuit 860 coupled to an antenna input 850. A receiver antenna 920 is coupled to the antenna input 850. A received reflected radar signal is amplified in the input amplifier circuit 860 and converted into a radar echo signal with an intermediate frequency by means of a mixer circuit 870 and provided at an echo signal output 880. To derive the echo information in the mixer, the transmitted radar signal information is provided to it in addition to the received and amplified reflected radar signal. This is provided to the integrated electronic semiconductor circuit 800' at its signal input 810. That is, the signal input 810 of the electronic semiconductor circuit 800' is also connected to the signal output 740 of the photonic semiconductor circuit in this configuration.

Die abgestrahlte Radarsignalinformation wird in der integrierten photonischen Halbleiterschaltung 700' analog, wie oben im Zusammenhang mit 3 beschrieben, aus dem einen Trägersignal abgetrennt und in ein elektrisches Signal gewandelt.The emitted radar signal information is processed analogously in the integrated photonic semiconductor circuit 700', as described above in connection with 3 described, from which a carrier signal is separated and converted into an electrical signal.

Die integrierte elektronische Halbleiterschaltung 800' und die integrierte photonische Halbleiterschaltung 700' sind vorzugsweise mittels unterschiedlicher Halbeiterprozesse hergestellt. Insbesondere sind die Strukturgrößen der Komponenten beider integrierter Halbleiterschaltungen verschieden. Während die photonischen Bauelemente Strukturgrößen in der Größenordnung der optischen Wellenlänge des Trägersignals aufweisen, sind die Strukturgrößen der elektronischen Bauelemente wesentlich kleiner gewählt. Insgesamt kann so die Baugröße verringert werden.The integrated electronic semiconductor circuit 800' and the integrated photonic semiconductor circuit 700' are preferably fabricated using different semiconductor processes. In particular, the feature sizes of the components of both integrated semiconductor circuits differ. While the photonic components have feature sizes on the order of the optical wavelength of the carrier signal, the feature sizes of the electronic components are significantly smaller. Overall, this allows for a reduction in the overall size.

In beiden dargestellten Ausführungsformen sind die integrierte elektronische Halbleiterschaltung 800, 800' und die integrierte photonische Halbleiterschaltung 700, 700' übereinander in einer sogenannten Die-Stacking-Anordnung 950 miteinander verbunden. Elektrische Kontakte zwischen der integrierten elektronischen Halbleiterschaltung 800, 800' und der integrierten photonische Halbleiterschaltung 700, 700' können mittels verschiedener Verfahren ausgeführt sein. Besonders bevorzugt werden ein Drahtbonding oder ein sogenanntes Bumperbonding.In both illustrated embodiments, the integrated electronic semiconductor circuit 800, 800' and the integrated photonic semiconductor circuit 700, 700' are connected to each other in a so-called die-stacking arrangement 950. Electrical contacts between the integrated electronic semiconductor circuit 800, 800' and the integrated photonic semiconductor circuit 700, 700' can be implemented using various methods. Wire bonding or so-called bumper bonding are particularly preferred.

Beim Drahtbonding werden elektrische Kontakte über feine Drähte miteinander verbunden. Diese Art der elektrischen Verbindung bietet den Vorteil, dass insbesondere ein integrierter photonischer Halbleiterschaltungs-Chip und ein integrierter elektronischer Halbleiterschaltungs-Chip, welche sich hinsichtlich ihrer flächigen Ausdehnung voneinander unterscheiden können, auf einfache Weise miteinander kontaktiert werden können. Hierdurch werden eine hohe Variabilität hinsichtlich einer Ausbildung und des Layouts von einzelnen Bauelementen, insbesondere in der integrierten photonische Halbleiterschaltung sowie Kombinationsmöglichkeiten verschiedener integrierter photonischer Halbleiterschaltungs-Chips und integrierter elektronischer Halbleiterschaltungs-Chips gewährleistet.In wire bonding, electrical contacts are connected using fine wires. This type of electrical connection offers the advantage that, in particular, an integrated photonic semiconductor circuit chip and an integrated electronic semiconductor circuit chip, which may differ in their surface area, can be easily connected. This ensures a high degree of variability in the design and layout of individual components, especially in integrated photonic semiconductor circuits, as well as the possibility of combining different integrated photonic semiconductor circuit chips and integrated electronic semiconductor circuit chips.

Ein Bumperbonding bietet den Vorteil, dass eine Vielzahl von elektrischen Kontakten zuverlässig auf einem kleinen Bauraum realisiert und in einem Fertigungsschritt ausgebildet werden können.Bumper bonding offers the advantage that a large number of electrical contacts can be reliably implemented in a small installation space and formed in a single manufacturing step.

Bei den dargestellten Ausführungsformen ist jeweils der photonische Halbleiterschaltungs-Chip über dem elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip angeordnet. Wenn man eine Leiterplatte 600 in den 3 und 4 als unten angeordnete Basis der Radarkopfeinrichtung 300 auffasst. Eine elektrische Kontaktierung kann mittels Drahtbonding oder Bumperbonding erfolgen. Die Leiterplatte kann für den Draht Bonding elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip als Kühlkörper dienen, um die in den elektronischen Schaltungen erzeugte parasitäre Wärme abzuführen. Hierfür wird vorzugsweise eine thermische Verbindung zwischen der Leiterplatte 600 und dem elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip 800 ausgebildet. Dieses ist insbesondere bei elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip 800 von als Sendermodul ausgebildeten Radarkopfeinrichtungen von Vorteil. Hierfür kann in bestimmten Bereichen zwischen der Leiterplatte und dem elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip eine thermischer Kontakt, beispielsweise mittels eine Wärmeleitpaste oder Ähnlichem ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann mit dem elektronischen Halbleiterschaltungs-Chip 800 auch ein spezieller Kühlkörper thermisch gekoppelt sein. Gegebenenfalls wiesen die Leiterplatte oder der photonische Halbleiterschaltungs-Chip eine Aussparung zum Aufnehmen eines in der regel aus metallischem Material gebildeten Kühlkörpers.In the illustrated embodiments, the photonic semiconductor circuit chip is arranged above the electronic semiconductor circuit chip. If one places a 600-gauge circuit board in the 3 and 4 The printed circuit board (PCB) is considered as the base of the radar head assembly 300, arranged below. Electrical contact can be made by wire bonding or bumper bonding. The PCB can serve as a heat sink for the electronic semiconductor circuit chip to dissipate the parasitic heat generated in the electronic circuits. For this purpose, a thermal connection is preferably formed between the PCB 600 and the electronic semiconductor circuit chip 800. This is particularly advantageous for electronic semiconductor circuit chips 800 in radar head assemblies designed as transmitter modules. For this purpose, a thermal contact, for example by means of thermal paste or similar, can be formed in certain areas between the PCB and the electronic semiconductor circuit chip. Alternatively or additionally, a special heat sink can also be thermally coupled to the electronic semiconductor circuit chip 800. Optionally, the PCB or the photonic semiconductor circuit chip has a recess for receiving a heat sink, usually made of metallic material.

Die hier beschriebenen funktionalen Bauelemente der einzelnen photonischen und elektronischen Halbleiterschaltungs-Chips und funktionalen Baugruppen sind nur beispielhaft zu verstehen. Die integrierten Halbleiterschaltungs-Chips können jedoch auch anders aufgebaut sein. Lediglich die Trennung der photonischen Bauelemente und der elektronischen Bauelemente ist Wesentlich. Der innere Aufbau kann variiert sein. Ebenso ist es möglich in einem photonischen Radarsystem als Sendermodule ausgebildete Radarkopfeinrichtungen zu kombinieren, die aus verschieden Kombinationen von photonischen und elektronischen Halbeiterschaltungs-Chip gebildet sind. Dasselbe gilt für die als Empfängermodule ausgebildeten Radarkopfeinrichtungen und als Sender- und Empfängermodul ausgebildeten Radarkopfeinrichtungen.The functional components of the individual photonic and electronic semiconductor circuit chips and functional assemblies described here are only examples. The integrated semiconductor circuit chips can, however, have different structures. Only the separation of the photonic and electronic components is essential. The internal structure can vary. It is also possible to combine radar head assemblies configured as transmitter modules in a photonic radar system, which are formed from various combinations of photonic and electronic semiconductor circuit chips. The same applies to radar head assemblies configured as receiver modules and to radar head assemblies configured as both transmitter and receiver modules.

BezugszeichenlisteReference symbol list

100100: photonisches Radarsystemphotonic radar system
200200: ZentralstationCentral station
210210: SteuereinrichtungControl unit
220220: Lichtquelle (Laser)Light source (laser)
230230: ModulationseinrichtungModulation device
240240: optische Steuereinrichtungoptical control device
250250: VerteilereinrichtungDistribution system
251251: Eins-zu MehrfachverteileinrichtungOne-to-multiple distribution device
252252: EinfacheingangSingle entrance
255, 255-n255, 255-n: MehrfachausgangMultiple output
260260: DetektionseinrichtungDetection device
270270: BerechnungseinheitUnit of calculation
280280: DigitalisierungseinrichtungDigitization facility
290290: AufbereitungseinrichtungProcessing facility
300, 300-n300, 300-n: RadarkopfeinrichtungRadar head assembly
305, 305-n305, 305-n: FasereingangFiber input
350, 350-n350, 350-n: Antenneantenna
395, 395-n395, 395-n: FaserausgangFiber output
400, 400n400, 400n: Übertragungsmediumtransmission medium
401, 401n401, 401n: Lichtwellenleiteroptical fibers
402, 402-n402, 402-n: Faserfiber
450, 450-n450, 450-n: weiteres Übertragungsmediumother transmission medium
460460: elektronische Steuerleitungelectronic control line
500, 500-n500, 500-n: RückübertragungsmediumReturn transmission medium
501, 501-n501, 501-n: Lichtwellenleiteroptical fibers
502, 502-n502, 502-n: Faserfiber
550, 550-n550, 550-n: weiters Rückübertragungsmediumfurther return transmission medium
560560: elektronische Rückleitungelectronic return
600600: LeiterplatteCircuit board
700700: integrierte photonische Halbleiterschaltungintegrated photonic semiconductor circuit
710710: photonische Koppelelementphotonic coupling element
720720: PhotodiodePhotodiode
730730: WandlereinrichtungConverter device
740740: elektrischer Signalausgangelectrical signal output
741741: optischer Ausgangoptical output
750750: weiteres photonischen Koppelelementfurther photonic coupling element
760760: optischer Modulatoroptical modulator
770770: EchosignaleingangEcho signal input
780780: optische Ringleitungoptical ring circuit
800800: integrierte elektronische Halbleiterschaltungintegrated electronic semiconductor circuit
810810: elektrischer Signaleingangelectrical signal input
811811: PhotodiodePhotodiode
812812: WandlereinrichtungConverter device
820820: FrequenzvervielfacherFrequency multiplier
830830: VerstärkerschaltungAmplifier circuit
840840: SenderausgangTransmitter output
850850: AntenneneingangAntenna input
860860: EingangsverstärkerschaltungInput amplifier circuit
870870: MischerschaltungMixer circuit
880880: EchosignalausgangEcho signal output
900900: SenderantenneTransmitter antenna
920920: EmpfängerantenneReceiver antenna
950950: Die-Stacking-AnordnungDie-stacking arrangement
10001000: Kraftfahrzeugmotor vehicle
10021002: Vorderseitefront
10041004: Linke SeiteLeft side
10061006: Rückseiteback
11001100: AntennensymbolAntenna symbol
10101010: Windschutzscheibewindshield
10121012: Unterkantelower edge
10141014: linke Seitenkanteleft side edge
10201020: vorderer Stoßfängerfront bumper
10301030: Dachkanteroof edge
10401040: B-SäuleB-pillar
10501050: SchwellerSill
10601060: Heckscheiberear window
10641064: unteren Seitenkantelower side edge
10701070: hinteren Stoßfängersrear bumper
11001100: AntennensymbolAntenna symbol

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2021/0257396 A1 [0008]
US 2024/0036254 A1 [0009]
WO 2023/062910 A1 [0010]

Claims

Radar head assembly (300, 300-n) for a photonic radar system (100), in which signal transmission between a central station (200) and the radar head assembly (300, 300-n) is carried out by means of a modulated carrier signal transmitted via at least one optical transmission medium (400, 400-n), comprising an electronic semiconductor circuit chip (800) and a photonic semiconductor circuit chip (700), where the electronic semiconductor circuit chip (800) and the photonic semiconductor circuit chip (700) are connected to each other in a die-stacking arrangement (950).

Radar head assembly (300, 300-n) according to Claim 1 , characterized in that the die-stacking arrangement (950) is arranged on a printed circuit board (600).

radar head device after Claim 2 , characterized in that the die-stacking arrangement (950) is arranged on the circuit board (600) such that a thermal contact is formed between the electronic semiconductor circuit chip (800) and the circuit board (600).

Radar head device according to one of the preceding claims, characterized in that the photonic semiconductor circuit chip (700) and the electronic semiconductor circuit chip (800) are electrically contacted by means of bumper bonding.

Radar head device according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the photonic semiconductor circuit chip and the electronic semiconductor circuit chip are connected by means of wire bonding.

Photonic radar system (100) with a central station (200) and at least one radar head assembly (300, 300-n) according to one of the Claims 1 until 5 , wherein the central station (200) is configured to generate the radar signal information to be transmitted and to modulate an optical carrier signal according to the radar signal information to be transmitted and to evaluate the acquired radar echo information, wherein the acquired radar echo information is modulated by the at least one radar head device (300, 300-n) onto the optical carrier signal provided by the central station (200) or another optical carrier signal provided by the central station, and wherein the at least one radar head device (300, 300-n) is connected to the at least one radar head device (300, 300-n) by means of at least one optical transmission medium.