Titel

Radarsensor

Die Erfindung betrifft einen Radarsensor mit einer mehrlagigen Leiterplattenstruktur, einer Antenne, die mehrere einander überlappende elektrisch leitende Lagen der Leiterplattenstruktur aufweist, einer Steuerschaltung zur Erzeugung eines über die Antenne abzustrahlenden Hochfrequenzsignals, und einer Speisestruktur zur Einspeisung des Hochfrequenzsignals in die Antenne.

Stand der Technik

Radarsensoren mit einer mehrlagigen Antennenstruktur haben allgemein den Vorteil, dass die Antenne im Vergleich zu einlagigen Patch-Antennen eine höhere Bandbreite aufweist. In EP 2 144 329 A1 und DE 10 201 1 005 145 A1 werden Beispiele für solche Radarsensoren beschrieben, bei denen die Steuer- Schaltung, die typischerweise durch ein MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) gebildet wird, in einer Kavität im Inneren der Leiterplattenstruktur unter- _ _

gebracht ist. Die Kavität und die Antenne befinden sich dabei in Positionen, die in der Ebene der Leiterplattenstruktur gegeneinander versetzt sind. DE 199 51 123 A1 beschreibt einen Radarsensor, bei dem die Antenne und die Steuerschaltung auf entgegengesetzten Seiten der Leiterplattenstruktur angeordnet sind, ebenfalls in Positionen, die in der Ebene der Leiterplattenstruktur gegeneinander versetzt sind. Die Speisestruktur wird durch elektrisch leitende Lagen innerhalb der Leiterplattenstruktur gebildet, die von der Steuerschaltung zur Antenne führen.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Radarsensor mit einer breitbandigen Antennenstruktur zu schaffen, der einen einfacheren und kompakteren Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Speisestruktur gegenüberliegend zu der Antenne auf einer Rückseite der Leiterplattenstruktur angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass die elektrisch leitenden Lagen der Antenne und ggf. auch Masse-Lagen innerhalb der Leiterplattenstruktur zu einer Abschirmung gegen parasitäre Abstrahlung der Speisestruktur und ggf. auch der Steuerschaltung beitragen, so dass auf zusätzliche Abschirmungsmaßnahmen weitgehend verzichtet werden kann. Außerdem lassen sich so die Komponenten des Radarsensors auf einem vergleichsweise kleinen Grundriss der Leiterplattenstruktur unterbringen.

In Anspruch 1 ist das Wort "einer" in Verbindung mit den Begriffen "Antenne", "Steuerschaltung" und "Speisestruktur" nicht als Zahlwort, sondern als unbe- stimmter Artikel zu verstehen. Der Radarsensor kann deshalb auch mehrere Antennen und entsprechend auch mehrere Speisestrukturen sowie ggf. auch mehrere Steuerschaltungen aufweisen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange- geben.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist auch die Steuerschaltung so auf der Rückseite der Leiterplattenstruktur angeordnet, dass sie mit den elektrisch leitenden Lagen der Antenne weitgehend überlappt. Die Speisestruktur kann dann im wesentlichen durch Vias (Durchkontaktierungen) gebildet werden, die von der Rückseite der Leiterplattenstruktur aus in der Richtung senkecht zur Ebene der Leiterplattenstruktur zur Antenne führen und so die Steuerschaltung unmittelbar und auf kürzestem Wege mit der Antenne verbinden. Dadurch können parasitäre Abstrahlungen besonders wirksam unterdrückt werden.

Die Antenne weist vorzugsweise in einer Lage der Leiterplattenstruktur ein Patch und in einer davon verschiedenen Lage einen mit dem Patch überlappenden Dipol auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Dipol und dem Patch noch eine weitere elektrisch leitende Lage vorgesehen, die eine Slot-Struktur bildet. Ein Beispiel für eine solche Antennenstruktur wird näher beschrieben in Johannes A. Akkermans, Matti H. A. J. Herben und Martijn C. van Buerden: "Balanced-Fed Planar Antenna for Millimeter Wave Transceivers". Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Teils einer Leiterplattenstruktur eines erfindungsgemäßen Radarsensors;

Fig. 2 eine Detailvergrößerung zu Fig. 1 ;

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Antennenstruktur auf und in der Leiterplattenstruktur nach Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine schematische Grundrissdarstellung der Antennenstruktur nach Fig. 3;

Fig. 5 eine graphische Darstellung eines Reflexionskoeffizienten der

Antennenstruktur als Funktion der Frequenz; und

Fig. 6 eine Prinzipskizze zur Illustration des Aufbaus einer Hochfre- quenz-Durchkontaktierung (Koax-Via) in der Leiterplattenstruktur.

Der in Fig. 1 gezeigte Radarsensor weist eine mehrlagige Leiterplattenstruktur 10 auf, von der hier nur ein Ausschnitt im Querschnitt dargestellt ist. In den oberen Lagen der Leiterplattenstruktur 10 sind mehrere Antennen 12 gebildet, von denen hier nur eine vollständig dargestellt ist.

Die Seite der Leiterplattenstruktur 10, auf der sich die Antenne 12 befindet, soll im folgenden als Vorderseite der Leiterplattenstruktur bezeichnet werden, während die entgegengesetzte Seite (unten in Fig. 1 ) als Rückseite bezeichnet wird Für eine der Antennen 12 ist in Fig. 1 eine Steuerschaltung 14 in der Form eines MMIC gezeigt, die auf der Rückseite der Leiterplattenstruktur 10 angeordnet ist. In diesem Beispiel wird die Steuerschaltung 14 durch einen eWLB-Chip (embedded Wafer Level Ballgrid) gebildet, mit Lötkugel-Kontakten 16, 18, die zusammen mit den unteren Enden von Vias (Durchkontaktierungen) 20, 22 unter anderem eine Speisestruktur 24 zur Einspeisung eines Hochfrequenzsignals in die Antenne 12 bilden.

Wie deutlicher in Fig. 2 gezeigt ist, weist jede Antenne 12 ein Patch 26 auf, das durch eine elektrisch leitende Lage 28 auf der Oberseite der Leiterplattenstruktur 10 gebildet wird. Unterhalb der Lage 28 befindet sich eine weitere elektrisch leitende Lage 30, die von dem Patch 26 durch eine elektrisch isolierende Lage 32 getrennt ist und eine Slot-Struktur mit zwei Schlitzen 34 bildet. Eine weitere elektrisch isolierende Lage 36 trennt die Lage 30 von einer elektrisch leitenden Lage 38, die unterhalb der Slot-Struktur einen Dipol 40 bildet.

Unterhalb der Lage 38 schließt sich eine weitere elektrisch isolierende Lage 42 an. Darunter befindet sich eine wechselnde Folge von elektrisch leitenden Masse-Lagen 44 und elektrisch isolierenden Lagen 46. In den Masse-Lagen 44 können - elektrisch von der Masse isoliert - Niederfrequenzleitungen 48 gebildet sein, die über die Vias 22 (NF-Vias) und die Lötkugel-Kontakte 18 mit Ein- und Ausgängen der Steuerschaltung 14 zur Übermittlung von Steuersignalen und Auswertungssignalen verbunden sind. Die Via 20 ist eine hochfrequenztaugliche Koax-Via über die der Dipol 40 diffe- rentiell mit dem von der Steuerschaltung 14 gelieferten Hochfrequenzsignal gespeist wird.

Die elektrisch isolierenden Lagen 32, 36 und 42 der Leiterplattenstruktur 10 werden durch Hochfrequenzsubstrate, beispielsweise Prepreg-Substrate gebil- det, während es sich bei den elektrisch isolierenden Lagen 46 um Niederfrequenzsubstrate handelt, die beispielsweise aus FR4 bestehen können.

Im gezeigten Beispiel ist unterhalb der untersten Masse-Lage 44 noch eine La- ge 50 aus Hochfrequenzsubstrat vorgesehen, deren Material (z.B. Prepreg) zugleich das Isolationsmaterial der Koax-Via 20 bildet. Auf der Unterseite der Lage 50 befindet sich eine Lage 52 mit elektrischen Leiterbahnen, die die unterste Lage der Leiterplattenstruktur 10 bildet.

Durch die elektrisch leitenden Lagen der Antenne 12 und in diesem Beispiel auch durch die Masse-Lagen 44 werden die Steuerschaltung 14 und die Speisestruktur 24 wirksam abgeschirmt, so dass praktisch keine parasitäre Abstrah- lung zur Vorderseite der Leiterplattenstruktur stattfindet.

Da sich die Masse-Lagen 44 praktisch über die gesamte Fläche der Leiterplattenstruktur erstrecken, allenfalls sporadisch unterbrochen durch die schmalen Leiterbahnen 48, braucht die Steuerschaltung 14 in diesem Beispiel nicht zwingend unmittelbar unter der Antenne 12 angeordnet zu sein, sondern sie könnte auch seitlich versetzt dazu angeordnet sein. Die hier gezeigte Anordnung der Steuerschaltung unmittelbar unter der Antenne ist jedoch bevorzugt, weil sie einen kompakten Aufbau ermöglicht und es außerdem erlaubt, dass die Speisestruktur 24 einfach durch Kontaktierung der unteren Enden der Via 20 gebildet wird. In Fig. 3 ist der mehrlagige Aufbau der Antenne 12 perspektivisch dargestellt. Der Dipol 40 auf der Oberseite der Lage 42 wird durch zwei voneinander getrennte, auf einer Linie angeordnete Arme 54 gebildet, die über ein Speisenetzwerk 54' mit der Via 20 verbunden sind, wie schematisch in Fig. 4 gezeigt ist. Die Arme 54 und das Speisenetzwerk 54' bilden zwei getrennte L-förmige und spiegelbildlich angeordnete Leiterbahnen. Die Arme 54 des Dipols erstrecken sich jeweils unter einen der Schlitze 34, über die das Hochfrequenzsignal vom Dipol 40 in das Patch 26 eingekoppelt wird. Durch diese dreifache Koppelstruktur, gebildet aus Dipol 40, Slot-Struktur mit Schlitzen 34, und Patch 26 wird eine besonders breitbandige Antenne erreicht. Die elektrisch leitende Lage 30, die die Slot-Struktur bildet, dient zugleich dazu, das Speisenetzwerk 54' gegen parasitäre Abstrahlung abzuschirmen. Die oberste Masse-Lage 44 auf der Unterseite der Lage 42, die den Dipol 40 trägt, bildet einen Reflektor, der die Abstrahlung des Nutzsignals in Richtung auf die Vorderseite der Leiterplattenstruktur verstärkt.

Die mit der oben beschriebenen Antennenstruktur erreichbare Bandbreite ist in Fig. 5 graphisch dargestellt. Gezeigt ist hier der Reflexionskoeffizient, der den an der Antennenstruktur reflektierten Anteil des Nutzsignals im Verhältnis zum emittierten Signal angibt, als Funktion der Frequenz. Die Antenne ist für eine Mittenfrequenz von etwa 76 GHz ausgelegt, so dass der Reflexionskoeffizient bei dieser Frequenz ein deutliches lokales Minimum aufweist. Die Bandbreite beträgt jedoch bis zu 10 GHz bei einem Reflexionskoeffizienten von -10 dB. Diese hohe Bandbreite erlaubt beispielsweise bei einem FMCW-Radar für Kraftfahrzeuge eine Frequenzmodulation mit großem Frequenzhub und dem- entsprechend eine hochauflösende Abstandsmessung.

In Fig. 6 ist der prinzipielle Aufbau der hochfrequenztauglichen Koax-Via 20 dargestellt. Zur Vereinfachung sind hier die Masse-Lagen 44 fortgelassen und durch einen elektrisch isolierenden Kern 56 ersetzt, der beispielsweise aus FR4 bestehen kann und den isolierenden Lagen 46 in Fig. 2 entspricht. Zur Bildung der Via 20 ist der Kern 56 von einer Bohrung durchbrochen, deren Wände mit einem elektrisch leitenden Material 58 ausgekleidet sind. Das Innere dieser Bohrung des Kerns ist bis auf eine kleinere zentrale Bohrung mit einem Hochfrequenzsubstrat ausgefüllt, das aus dem gleichen Material wie die isolierenden Lagen 42 und 48 in Fig. 2 besteht und diese stoffeinheitlich verbindet. Die dün- nere Bohrung in dem Hochfrequenzsubstrat weist wiederum eine elektrisch leitende Auskleidung 60 auf, die am unteren Ende mit den Lötkugel-Kontakten 16 und am oberen Ende mit dem Speisenetzwerk für den Dipol 40 verbunden ist.