CN105222858B - 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（Time DomainReflectometry, 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 US 8 269 666 B2 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。US 7355 547 B2 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 Janusz Grzyb 在 2004 年发表的博士论文“MCM Integration Technologies for 60-80GHz Applications ，（MCM集成技术针对60-80 GHz 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 Stefan Beer 在 2013年发表的博士论文“将 122 GHz 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 Rat Race Coupler）与波导相连的芯片的装置。

例如 EP 2 219 045 B1 示出一种具有杆状天线的装置。

DE 102 43 671 B3 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 DE 601 31 643 T2 描述了用于微波芯片的不同载体元件。

例如 DE 10 2011 015 894 A1 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 57 GHz 和64 GHZ 之间或者 75 GHz 和 85 GHz 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，一方面参考根据本发明的不同实施方式，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 80 GHz 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（Monolithic Microwave Integrated Circuit/单片微波集成电路）或者ASIC（Application Specific Integrated Circuit/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 80 GHz 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 80 GHz 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 1 mm 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 (5)

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，所述芯片（7）与至少一个天线元件（13）连接，所述天线元件（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，所述载体元件（8）至少由铜载体（16）和形成载体元件（8）的上侧（10）的介电衬底（17）构成，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，所述波导（19）仅仅处在载体元件（8）的铜载体（16）之中，并且载体元件（8）的上侧（10）上的罩（20）面对所述波导（19）。

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 或 2 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。

5.根据权利要求 1 或 2 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 57 GHz。

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