Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für einen Radar-Transceiver, insbesondere zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung im Umfeld von Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Radar-Transceiver, das heißt Sende-/Empfängermodule, kommen im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich zur Ortung von Gegenständen im Raum oder zur Geschwindigkeitsbestimmung, insbesondere von Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Solche Radar-Transceiver werden insbesondere für Fahrerassistenzsysteme verwendet, welche beispielsweise zur Bestimmung des Abstands eines vor einem Fahrzeug vorausfahrenden weiteren Fahrzeugs und zur Abstandsregelung eingesetzt werden. Dabei sendet ein solcher Radar-Transceiver zur Ortung von Gegenständen im Raum und zur

Geschwindigkeitsbestimmung höchstfrequente Signale in Form elektromagnetischer Wellen aus, die vom Zielgegenstand reflektiert werden, und von dem Radar-Transceiver wieder empfangen und weiterverarbeitet werden. Nicht selten werden dabei mehrere dieser Radar-Transceiver zu einem Gesamtmodul verschaltet. Bei einem Einsatz in Automobilen kommen Frequenzen in einem Bereich von 76 bis 81GHz zum Einsatz.

Aus der DE 103 00 955 Al ist ein Radar-Transceiver für Mikrowellen- und Millimeterwellenanwendungen bekannt geworden, bei dem auf einen in mehreren Schichten aufgebauten Bauelement sowohl Sende- und Empfangseinheiten als auch eine Antenne angeordnet sind. Ein derartiger Schichtaufbau erfordert Verbindungen, die so

ausgeführt sein müssen, daß eine Übertragung von höchstfrequenten HF-Signalen möglich ist. Um solche HF-Übergänge einigermaßen verlustarm herstellen zu können, sind bei diesen Radar-Transceivern sehr hohe Anforderungen an die Fertigung zu stellen.

Aus der DE 196 48 203 Al ist ein mehrstrahliges Kraftfahrzeug-Radarsystem bekannt geworden. Bei diesem Radarsystem sind die Sende- und Empfangseinheiten sowie die Antenne auf unterschiedlichen Trägern angeordnet.

Zur Erzeugung der in Kraftfahrzeugen oft verwendeten Frequenzen von 76 bis 81GHz werden sehr häufig Gunn-Oszillatoren eingesetzt. Des weiteren werden oft GaAs-

MMICs (monolithic microwave integrated circuits) verwendet. In jüngster Zeit wird als Werkstoff für derartige Chips auch SiGe eingesetzt. Mit diesem Werkstoff sind mittlerweile auch Grenzfrequenzen größer als 200 GHz erreichbar. Derartige Chips werden üblicherweise in Flip-Chip-Technologie auf einen Träger beispielsweise aus Keramik, LTCC (low temperature cofϊred ceramic), eine Leiterplatte oder ein Softboard aufgebracht. Darüber hinaus werden diese Chips auch durch Bonden verdrahtet. Auf dem Trägermaterial sind dann sehr oft weitere Verteilnetzwerke, Bauelemente und auch Antennen angeordnet. Die Aufbau- und Verbindungstechnik ist hierbei toleranzbehaftet, schwer kontrollierbar und teuer. Sie weist des weiteren bei hohen Frequenzen schlechte elektrische Eigenschaften auf.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung der Anmelderin mit der Rollennummer 309373 ein Radar-Transceiver beschrieben, der nicht nur einen einfach herzustellenden Aufbau und kleine Baumaße aufweist, sondern insbesondere auch zur Bestückung auf an sich bekannten Schaltungsträgern, beispielsweise gewöhnlichen Leiterplatten, geeignet ist. An diesem Radar-Transceiver sind die Sende- und Empfangseinheiten auf einem einzigen Chip in einer Ebene nebeneinanderliegend angeordnet. In der Ebene des Chips ist des weiteren wenigstens eine Patch- Antenne angeordnet. Aufgrund der elektrisch wirksamen Schichtdicke der SiGe-Chips, die im Bereich von 4μm bis 20μm, vorzugsweise bei 11 μm liegt, können mit an sich bekannten Patch- Antennen jedoch nur Bandbreiten von wenigen Promille erreicht werden. Der Chip selbst weist in den meisten Fällen eine Dicke von etwa 300μm auf.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung für einen Einchip-Radar-Transceiver mit insbesondere sehr dünner elektrisch wirksamer Oxidschicht zu vermitteln, die bei hohen Arbeitsfrequenzen, insbesondere in einem Bereich von 76 bis 81GHz eine große Reproduzierbarkeit, eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Bandbreite ermöglicht. Darüber hinaus soll eine solche Antennenanordnung auf einfache und damit kostengünstige Weise herstellbar sein.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch eine Antennenanordnung für einen Radar-Transceiver, insbesondere für Fahrerassistenzsysteme zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsermittlung im Umfeld von Kraftfahrzeugen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Grundidee der Erfindung ist es, auf Chips mit sehr dünnen elektrisch wirksamen

Schichten, die auch die Sende-/Empfangseinheiten enthalten, eine Antennenanordnung vorzusehen, die statt Patch- Antennen gedruckte Dipole mit Paralleldrahtspeisung, das heißt differentieller Speiseleitung, verwendet. Die Antennenanordnung umfaßt dabei, einen ersten, auf dem Chip angeordneten Teil und einen in einem Abstand von dem ersten Teil angeordneten und an den ersten Teil strahlungsgekoppelten zweiten Teil. Durch diese Zweiteilung der Antenne wird eine vorteilhafte Vergrößerung der Bandbreite erreicht. Darüber hinaus sinkt der Strahlungswiderstand.

Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform ist der zweite Teil der Antenne an einem Radom angeordnet. Dieses Radom bildet bevorzugt ein den Chip vollständig kapselndes

Gehäuse.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der erste Teil ein erster Sende- und/oder Empfangsdipol und der zweite Teil ein zweiter Sende- und/oder Empfangsdipol.

Der erste Sende-/Empfangsdipol weist vorzugsweise zwei voneinander durch einen Zwischenraum getrennte Hälften auf. Er wird mit einer Paralleldrahtspeisung, das heißt mit einer differentiellen Speiseleitung oder mit einer symmetrischen Speisung betrieben.

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Gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform weist der erste Sende- und/oder Empfangsdipol eine Länge von etwa einer Wellenlänge der abgestrahlten/empfangenen elektromagnetischen Strahlung auf.

Der zweite Sende- und/oder Empfangsdipol ist in diesem Fall ein nicht unterbrochener durchgängiger Dipol, der eine Länge von etwa einer halben Wellenlänge der abgestrahlten/empfangenen elektromagnetischen Strahlung aufweist.

Zur guten Feldkopplung ist vorgesehen, daß der zweite Sende- und/oder Empfangsdipol eine Breite aufweist, die der Breite des ersten Sende- und/oder Empfangsdipols im wesentlichen entspricht. Durch diese Anordnung ist eine weitere Reduktion des Wellenwiderstands erzielt. Die Speisung kann in diesem Falle mit zwei Mikrostreifenleitungen erfolgen.

Die Abmessungen der beiden Sende- und/oder Empfangsdipole sowie der Abstand zwischen dem ersten Sende- und/oder Empfangsdipol und dem zweiten Sende- und/oder Empfangsdipol hängt im wesentlichen von der verwendeten Frequenz ab, wobei der Abstand proportional zum Kehrwert der Frequenz variiert. Der Abstand zwischen dem ersten Sende- und/oder Empfangsdipol und dem zweiten Sende- und/oder Empfangsdipol beträgt in dem hier betrachteten Frequenzbereich von 76 bis 81GHz zwischen 200μm und

300μm, insbesondere 250μm.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf einen Frequenzbereich von 76 bis 81GHz beschränkt ist, sondern auch auf andere Frequenzbereiche erstreckt werden kann, wobei in diesem Falle die Dimensionen frequenzabhängig in entsprechender Weise skaliert werden, das heißt, wenn beispielsweise der Abstand zwischen den beiden Sende- und/oder Empfangsdipolen sowie die Dimensionen der Antennen entsprechend angepaßt an die Frequenz verändert werden.

Zeichnung

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch geschnitten ein Radar-Transceiver in Ein-Chip- Ausführung mit einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung;

Fig. 2 die Anordnung von mehreren der in Fig. 1 dargestellten Radar-Transceivern;

Fig 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Radar-Transceivers in Ein-Chip-

Ausführung zusammen mit einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung, bei dem der

Chip des Radar-Transceivers in Flip-Chip-Technik auf einem Substrat angeordnet ist; Fig. 4 vier nebeneinander angeordnete, in Fig. 3 dargestellte Radar-Transceiver;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Radar-Transceivers in Ein-Chip-

Ausführung zusammen mit einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung, bei dem der

Chip des Radar-Transceivers in Flip-Chip-Technik auf einem Substrat angeordnet ist;

Fig. 6 vier nebeneinander angeordnete, in Fig. 5 dargestellte Radar-Transceiver; Fig. 7a schematisch eine Antennenanordnung für einen Radar-Transceiver gemäß der

Erfindung;

Fig. 7b die in Fig. 7a dargestellte Antennenanordnung mit abgenommenem Radom;

Fig. 7c die in Fig. 7b dargestellte Antennenanordnung mit nicht dargestelltem zweiten

Sende-/Empfangsdipol und Fig. 8 schematisch die Anordnung des ersten Sende- und/oder Empfangsdipols und des zweiten Sende-/Empfangsdipols auf einem Chip.

Bei einem in Fig. 1 dargestellten Radar-Transceiver sind auf einem SiGe-Chip 100 nicht nur sämtliche Sende-/Empfangseinrichtungen 105 des Transceivers angeordnet, sondern auch eine nachfolgend näher erläuterte Antennenanordnung. Auf dem Chip ist ein Dipol mit Paralleldrahtspeisung, das heißt differentieller Speiseleitung, vorgesehen. Um hohe Impedanzen erreichen zu können, wird der Dipol 110 in Spannungsspeisung betrieben.

In einem Abstand d von dem ersten Teil der Antenne 110 ist an einem Radom 200 ein zweiter Teil der Antenne 210 angeordnet. Wird dieser zweite Teil der Antenne 210 etwa in einem Abstand von 250 μm an einem 300 μm dicken Radom angeordnet, sinkt der Wellenwiderstand auf etwa 800 Ohm. Dieses Radom wird gleichzeitig als Gehäuse genutzt, wobei der Chip 100 vollständig gekapselt wird, wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, wo vier derartige Radar-Transceiver nebeneinander auf einer Trägerplatte 300 angeordnet sind. Die aktive Mikrowellenschicht des SiGe-Chips 100, die etwa eine Dicke von 11 μm aufweist, ist auf einem Siliziumsubstrat 310 angeordnet, der über eine Zwischenschicht 320 - einem sogenannten Underfϊller - auf einem Substrat 300 befestigt ist. Die gesamte Anordnung wird hier durch Bonddrähte 400, die eine elektrische Leitung zwischen Bondpatches 410, die auf dem SiGe-Chip 100 angeordnet sind, und Bondpatches 420, die auf dem Träger 300 angeordnet sind, vermittelt.

In Fig. 7 ist schematisch die Antennenanordnung dargestellt. Bei der in Fig. 7a schematisch gezeigten Darstellung überdeckt das Radom 200 die Antennenanordnung.

Die zweite an dem Radom 200 angeordnete Antenne 210 weist hierbei den Abstand d von der ersten Antenne 110 auf (vergl. Fig. 7b). Die erste Antenne 110 ist durch eine Zweidrahtleitung 111, 112 gespeist (vergl Fig. 7c und Fig. 8). Die Speisung ist beispielsweise auf 50 Ohm ausgelegt. In erster Näherung ist sie frequenzunabhängig ausgelegt. Bei einer Dicke der Mikrowellenschicht von 11 μm beträgt die Breite der

Leiterbahn bevorzugt etwa 20 μm. Der Zwischenraum ("Gap") 114 zwischen den beiden Leiterbahnen beträgt in diesem Falle ebenfalls etwa 20 μm. Beträgt die Schichtdicke der aktiven Mikrowellenschicht des Chips 100 nur beispielsweise 5 μm, wird eine Leiterbahnbreite der Leiterbahn 111, 112 von etwa 10 μm und ein Gap 114 von etwa 10 μm gewählt. Die Abstände können mit Hilfe von an sich bekannten

Schaltungssimulatoren oder Feldsimulatoren oder auch meßtechnisch bestimmt werden.

Der an dem Radom 200 angeordnete zweite Teil der Antenne 210 ist, wie in Fig. 7b, 7c und Fig. 8 dargestellt, ein nicht unterbrochener Dipol mit einer Länge von einer halben Wellenlänge der gesendeten/empfangenen elektromagnetischen Wellen. Er weist zur guten Feldkopplung etwa die gleiche Breite auf wie der Ganzwellendipol auf dem SiGe- Chip 100. Durch diese Anordnung sinkt der Wellenwiderstand auf 100 Ohm. Es kann auf diese Weise eine Speisung des ersten Sende-/Empfangsdipols 110 mit 50 Ohm-

Mikrostreifenleitungen erfolgen, deren Breite und Abstand bei einer Höhe des SiGe- Chips von 1 lμm jeweils 20μm betragen.

In Fig. 3 und 4 ist eine Anordnung des SiGe-Chips 100 in Flip-Chip-Technik dargestellt. Der SiGe-Chip 100 ist auf einem Siliziumträger 310 angeordnet. Statt der Bondpatches

410 weist er Kontaktflächen 120 auf, die in Flip-Chip-Technik durch einen Lötpunkt 510 auf Kontaktflächen 520 kontaktiert werden. Die Kontaktflächen 520 sind auf einem Träger 500 angeordnet. Auf dem SiGe-Chip 100 ist wiederum der erste Teil der Antenne 110, das heißt der erste Sende-/Empfangsdipol 110 angeordnet. Der zweite Teil der Antenne, das heißt der zweite Sende-/Empfangsdipol 210 ist in diesem Falle auf der dem

SiGe-Chip 100 abgewandten Seite des Substrats 500 angeordnet. Das Substrat 500 muß aus einem Material bestehen, welches elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenzen im Mikrowellenbereich passieren läßt.

Bei einem weiteren, in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die gleichen

Elemente wie bei den in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so daß bezüglich deren Beschreibung auf das Vorstehende vollinhaltlich Bezug genommen wird. Im Unterschied zu dem in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist bei dem in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Flip-Chip- Aufbau dargestellt, bei dem ein nicht mehr unbedingt für elektromagnetische Wellen sehr hoher Frequenzen durchlässiges und damit kostengünstigeres, mit Öffnungen 605 versehenes Niederfrequenzsubstrat 600 vorgesehen ist, auf dem Kontaktflächen 620 zur Flip-Chip- Anordnung des auf dem Siliziumträger 310 angeordneten SiGe-Chips 100 mittels Lötpunkten 610 vorgesehen sind. In den Öffnungen 605 des Niederfrequenzsubstrats 600 sind die zweiten Sende-

/Empfangsdipole 210 angeordnet, beispielsweise an einem Radom 200 oder an einem Gehäuse.

Die Vorteile der vorstehend beschriebenen Antennenanordnung liegen in einer hohen Bandbreite, die durch eine Ganzwellenanregung mit differentieller Speisung realisiert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Radom 200 als Gehäuskapselung verwendet werden kann, so daß die ganze Anordnung dicht und toleranzunempfindlich gegenüber Wasser/Tau ist. Darüber hinaus sind keine Übergänge vom Chip 100 auf das Substrat bei der Betriebsfrequenz (Hochfrequenz) erforderlich, sondern die Kontaktierung

erfolgt über Bonddrähte oder durch Flip-Chip-Kontaktierung im Niederfrequenzbereich. Durch die Zwischenschicht 320, den sogenannten Underfiller, können Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten ausgeglichen werden, so daß sich eine zuverlässige Befestigung des SiGe-Chips 100, der den eigentlichen Radar-Transceiver darstellt, auf dem Träger 300 ergibt.

Die Kontaktierung durch Bonddrähte 400 ist vor der Verkapselung realisierbar. Im Falle der in Fig. 3 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele kann das Substrat zusätzlich Antennenstrukturen aufweisen. Darüber hinaus kann die Fläche unter der Antenne zur Erwärmung verwendet werden.

Die vorstehend beschriebene Antennenanordnung ist anhand eines SiGe-Chips 100 erläutert worden. Es versteht sich aber, daß die Erfindung nicht auf Chips ins Silizium- Germanium-Technik beschränkt ist, sondern auch bei SiGeC-Chips oder bei BiCMOS- Chips oder bei SiC-Chips zur Anwendung kommen kann.