CN105222858A - 微波模块 - Google Patents

Abstract

描述并示出一种用于按照运行时间法工作的物位测量仪(2)的微波模块(1)，其具有用来产生和/或接收微波信号的芯片(7)以及载体元件(8)。本发明所基于的任务是提出一种尽可能有利的微波模块。该任务在所讨论的微波模块中通过以下方式来解决，即芯片(7)位于载体元件(8)的空腔(9)之中。

Description

微波模块

技术领域

本发明涉及一种用于根据运行时间法工作的物位测量仪的微波模块，其具有至少一个用于产生和/或者接收微波信号的芯片，并且具有至少一个载体元件。

背景技术

在一种测量介质在容器中的物位的可能性中，向表面的方向上辐射微波信号并且接收在那里反射的信号。。可以根据发射信号与接收反射信号之间的时间(即总运行时间)，确定测量仪与介质表面之间的距离，并且据此通过测量装置结构的已知量确定物位。因此该测量方法也称作运行时间法或者雷达法。此外可以连续或者仅仅以脉冲方式产生和发射微波信号。

相应的测量仪通常具有产生或处理微波信号的电子单元、例如自由发射微波信号或者沿着导体结构(例如芯线或者杆)传导微波信号的天线元件。结合到导体(也称作探针)上的耦合输入或从导体的耦合输出，也使用名称时域反射计(TimeDomainReflectometry，TDR)。

在多个设计方案中，具有用于信号产生和分析或处理的芯片的微波单元位于电子单元中。

例如US8269666B2描述具有位于高频电路板上的芯片的微波模块。在一种设计方案中，金属化部位于电路板下面。在芯片所在的电路板的侧面上还设置壳体。US7355547B2也示出类似的结构。

结合类似的微波模块，例如在苏黎世联邦理工学院的JanuszGrzyb在2004年发表的博士论文“MCMIntegrationTechnologiesfor60-80GHzApplicctions，(MCM集成技术针对60-80GHz的应用)”中说明使用铜载体作为芯片下方的热沉。

芯片和承载该芯片的载体元件例如可以从卡尔斯鲁厄的StefanBeer在2013年发表的博士论文“将122GHz天线集成到微型化雷达传感器中的方法和技术”得知。那里也公开了用来将芯片与载体元件的上侧连接的接合线。

对于微波信号的发射例如推荐波导。

例如Fraunhofer高频物理和雷达技术FHR研究所的Prof.Dr.-Ing.NilsPohl在2012年度报告中第15～17页发表的文章“硅锗电路-未来的雷达？”公开了一种具有通过环形耦合器(或RatRaceCoupler)与波导相连的芯片的装置。

例如EP2219045B1示出一种具有杆状天线的装置。

DE10243671B3示出一种由衬底中的缺口以及屏蔽罩构成的天线元件的设计方案。

例如DE60131643T2描述了用于微波芯片的不同载体元件。

例如DE102011015894A1示出将信号耦合输入到天线元件中。

发明内容

因此本发明所基于的任务在于提出一种尽可能有利的、用于按照运行时间法工作的物位测量仪的微波模块。

根据本发明的解决之前所引出并且阐述的任务的微波模块的首要并且基本的特征在于，芯片位于载体元件的空腔之中。因此芯片并非位于载体元件上，而是嵌入在作为空腔的留空或凹进部分之中。

在此，在一种设计方案中，设计并且相互协调芯片和空腔，使得载体元件的至少一个包围空腔的上侧和芯片的朝向载体元件的上侧的上侧是平的。因此在该设计方案中，芯片的上侧处在与至少包围芯片所在空腔的上侧相同的高度上。

在一种补充或替代设计方案中，设计并且相互协调芯片和空腔，使得至少一个将芯片与处在载体元件的上侧上的印制导线结构连接的接合线具有小于或等于300微米的长度。该设计方案允许，为了传输微波信号将芯片连接到载体元件的上侧上的印制导线结构上，使得芯片和印制导线结构之间作为连接元件的至少一个接合线具有最大300微米的长度。

在另一种设计方案中设置有两个接合线，所述接合线各自产生到印制导线结构的单独连接并且同样各自具有最大300微米的长度。

在一种设计方案中，将芯片与至少一个天线元件连接。

在一种补充设计方案中，天线元件至少由载体元件中的波导和功能上延长波导的罩构成。在一种设计方案中，波导具有2.6毫米的直径。在此，天线元件可以在功能上或者也可以实际上与其它天线元件连接。

在一种设计方案中，将芯片与至少一个环形耦合器连接。在一种设计方案中，环形耦合器位于芯片和天线元件之间。在一种设计方案中，芯片通过长度小于或等于300微米的两个接合线与环形耦合器连接。在一种设计方案中，每个接合线具有17微米的直径。

在一种设计方案中，载体元件至少由铜载体和介电衬底构成。在一种设计方案中，介电衬底构成载体元件的上侧。

在一种补充设计方案中，与天线元件的上述设计方案相结合地设置，使得载体元件的衬底中的至少一个延伸至铜载体的通孔接触位于罩的至少一个侧面部分下方(并且因此在载体元件中)。通孔接触在此是载体元件的各个层之间的基本上垂直延伸的电连接。在一种设计方案中，在载体元件上的罩的侧面部分的支承面下方的整个区域中设置有一个(相应伸展的)通孔接触或者多个通孔接触。

在一种设计方案中，波导仅仅位于载体元件的铜载体之中，并且因此并未延伸到介电衬底的区域之中。

此外，在一种设计方案中，载体元件的上侧上的罩面对波导。因此罩使得波导延伸并且在一侧将其封闭。在一种设计方案中，罩和铜载体相互电连接。

在一种设计方案中规定，由芯片产生的和/或接收的微波信号的频率大于57GHz，并且尤其位于57GHz和64GHZ之间或者75GHz和85GHz之间。

本发明还涉及一种按照运行时间法工作的物位测量仪，所述物位测量仪具有根据上述设计方案中的至少一种所述的微波模块。

附图说明

具体而言，有多个可能性来设计和改进根据本发明的微波模块。对此，一方面参考专利权利要求1的从属专利权利要求，另一方面参考实施例结合附图的随后描述。在附图中：

图1示出物位测量的示意图，

图2示出示意性示出的微波模块的俯视图，以及

图3示出另一种微波模块的剖面。

具体实施方式

在图1中，纯示意性地示出微波模块1作为物位测量仪2的部分的应用。微波模块1属于电子单元3。设置喇叭天线4来发射和接收在大约80GHz频率范围内的微波信号。

可以通过所辐射的以及在介质5的表面上反射之后重新接收的微波信号的运行时间确定容器6中介质5的物位。因此总体来说根据运行时间法或者雷达法进行测量。

图2示出微波模块1的俯视图，其中为了清楚起见，对所示的组件进行了限制。

重点在于芯片7的固定和耦合，所述芯片产生或接收并且分析或处理微波信号，使得可通过(在此未示出的)其它组件对所述微波信号进行进一步分析。芯片7的一种替代的名称为MMIC(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit/单片微波集成电路)或者ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit/专用集成电路)。

为芯片7设置载体元件8，在此空腔9位于该载体元件8中。在作为空腔或者凹进部分的空腔9中嵌入芯片7。在此根据芯片7的尺寸选择空腔9的深度，使得载体元件8的上侧10和芯片7的上侧11彼此间是平的。这意味着，芯片7既不凸出于载体元件8的上侧10，也不后缩或者更深。

平的布置的目的尤其在于，在芯片7和载体元件8上的印制导线结构12之间的朝向天线元件13的连接能够以尽可能短的方式实施。在此通过两个接合线18将芯片7直接耦合到印制导线结构12上(为了微波信号的传输)。

两个关键的接合线18将80GHz微波信号从芯片7耦合到位于载体元件8的上侧10上的印制导线结构12上。在80GHz范围内的频率的情况下，特别是应该避免寄生效应，所述寄生效应由以下产生，即接合线在这样的频率下用作电感，并且同时电容性地耦合到(尤其平行或者相邻布置的)接合线上。这导致功率损失。因此尤其必须注意与接合线的长度相关的功率匹配。因此缩短接合线18的长度是重要的，这在此通过缩短芯片7和载体元件8的上侧10上的印制导线结构12之间的距离来实现。

在天线元件13和芯片7之间设置有环形耦合器14。环形耦合器14(其它名称是Rat-Race-Coupler或者180°混合环)是一种特征在于其特性数据以及简单性的定向耦合器。

总体上通过两个接合线18将微波信号从芯片7差分输出到印制导线结构12上，并且通过环形耦合器14转换成单端信号，并且然后相应地通过印制导线耦合输入到天线元件13中。

此外，在此纯示例地示出SMD器件15。通过该器件和其它(在此未示出的)器件确保微波模块1的功能，例如模块1的能量供应、控制等等。

在图3中示出微波模块1的一种略微改变的变型方案的剖面。但是原理结构与图2中所示的微波模块1相同。

载体元件8由铜载体16(这在此是厚度为1mm的铜层)和介电衬底17组成，所述介电衬底例如由一种玻璃纤维增强的塑料薄板构成。衬底17在此构成载体元件8的上侧10。

可以看出，设计空腔9，使得芯片7的上侧11和载体元件8的上侧10齐平。这允许，用于将芯片7连接到载体元件8的上侧10上的印制导线结构上的接合线18能够充分短地实施，并且在此尤其以最大300微米的长度实施。在所示的实例中，芯片具有大约190微米的高度，衬底17具有127微米的厚度。

此外还可看出，天线元件13由铜载体16中的作为留空的波导19和载体元件8上侧10上的罩20组成。所述罩20构成波导19的功能性延长并且被布置成，使得波导19居中位于其下方。波导19在这里具有2.6毫米的直径。

如在图2中可见，通过在波导19的区域内汇集的印制导线耦合输入或耦合输出微波信号。

波导19在铜载体16的区域上延伸并且终止于衬底17前面。罩20以其侧面部分21完全置于载体元件8的上侧10上，并且通过延伸至侧面部分21的通孔接触22与铜载体16导电连接或者接触。

总体上由波导19、通孔接触22和罩20产生天线元件13，该天线元件例如转变为图1中所示的天线。在此，罩20和通孔接触22与铜载体16导电连接，作为留空的波导19位于该铜载体中。

为了固定在此封闭的并且杯形的罩20，设置导电胶23，该导电胶同样用于与铜载体16的电连接。

此外还可看出，芯片在空腔9中位于胶垫24上，这在预先规定空腔9的深度时同样是重要的。

相对于机械负荷，最后还由顶盖25保护载体元件8的上侧10上的元件。顶盖25在此也用于高频屏蔽。

Claims (10)

1.用于按照运行时间法工作的物位测量仪(2)的微波模块(1)，具有至少一个用来产生和/或接收微波信号的芯片(7)，并且具有至少一个载体元件(8)，其特征在于，所述芯片(7)位于载体元件(8)的空腔(9)之中。

2.根据权利要求1所述的微波模块(1)，其特征在于，设计并且相互协调所述芯片(7)和所述空腔(9)，使得载体元件(8)的至少一个包围空腔(9)的上侧(10)和芯片(7)的朝向载体元件(8)的上侧(10)的上侧(11)是平的。

3.根据权利要求1或2所述的微波模块(1)，其特征在于，设计并且相互协调所述芯片(7)和所述空腔(9)，使得至少一个将芯片(7)与处在载体元件(8)的上侧(10)上的印制导线结构(12)连接的接合线(18)具有小于或等于300微米的长度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的微波模块(1)，其特征在于，所述芯片(7)与至少一个天线元件(13)连接。

5.根据权利要求4所述的微波模块(1)，其特征在于，所所天线元件(13)至少由载体元件(8)中的波导(19)和功能上延长所述波导(19)的罩(20)构成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的微波模块(1)，其特征在于，所述芯片(7)与至少一个环形耦合器(14)连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的微波模块(1)，其特征在于，所述载体元件(8)至少由铜载体(16)和(尤其形成载体元件(8)的上侧(10)的)介电衬底(17)构成。

8.根据权利要求7所述的微波模块(1)，其特征在于，载体元件(8)的衬底(17)中的至少一个延伸至铜载体(16)的通孔接触(22)位于所述罩(20)的至少一个侧面部分(21)下方。

9.根据权利要求7或8所述的微波模块(1)，其特征在于，所述波导(19)仅仅处在载体元件(8)的铜载体(16)之中，和/或载体元件(8)的上侧(10)上的罩(20)面对所述波导(19)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的微波模块(1)，其特征在于，由所述芯片(7)产生的和/或接收的微波信号的频率大于57GHz。