CN111090076A - 一种毫米波雷达射频前端电路结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频电路技术领域，具体公开了一种毫米波雷达射频前端电路结构，包括：毫米波雷达射频前端电路和印刷电路板，其中，所述毫米波雷达射频前端电路包括MMIC芯片、馈电电路和天线，所述印刷电路板包括多层芯板，所述天线设置在所述多层芯板的顶层芯板的表面，所述多层芯板的至少底层芯板上设置凹槽，所述凹槽的开口朝向背离所述顶层芯板的方向，所述MMIC芯片位于所述凹槽内，所述天线与所述MMIC芯片之间通过所述馈电电路连接。本发明还提供了一种毫米波雷达射频前端电路的制作方法。本发明提供的毫米波雷达射频前端电路结构可以使得天线的布局空间更大，实现天线的自由布局，天线也不会受到MMIC芯片和微带馈线的干扰，进而提升雷达的探测能力。

Description

一种毫米波雷达射频前端电路结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及射频电路技术领域，尤其涉及一种毫米波雷达射频前端电路结构及毫米波雷达射频前端电路的制作方法。

背景技术

近年来，自动驾驶的发展引起了交通系统的极大变革。它影响着交通安全、环境及交通工具的使用。毫米波雷达凭借其可穿透尘雾、雨雪、不受恶劣天气影响的绝对优势，且唯一能够全天候全天时工作的能力，成为了自动驾驶不可或缺的主力传感器。毫米波雷达的技术总的趋势是朝着成本更低、体积更小、功耗更低、集成度更高的方向发展。射频收发前端及天线是毫米波雷达的关键技术，占据了毫米波雷达近50%的成本，毫米波雷达射频收发前端和天线的设计、集成度直接决定了雷达的探测性能、体积、功耗和成本。

目前，毫米波雷达射频收发前端有收发分立器件方案也有高集成化的单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit，简称MMIC）的方案，而毫米波雷达天线主要以平面微带阵列天线为主。毫米波雷达射频和天线部分采用电路板材需要采用满足高频率需求的低损耗特殊材料，价格较高，因此一般雷达射频收发前端与雷达天线通过微带馈线连接，往往都在电路同一层以减少材料的使用面积，降低成本。例如，如图1和图2所示，为现有技术中的毫米波雷达射频前端电路的PCB层叠结构示意图和PCB顶层俯视结构示意图，由图1和图2所示，因射频收发前端芯片、雷达天线和馈电电路处于电路同一层限制了雷达整体尺寸的小型化，同样PCB尺寸下天线的面积也无法实现最大化的自由布局设计，雷达整体的尺寸、性能、成本往往需要进行折中设计。

发明内容

本发明提供了一种毫米波雷达射频前端电路结构及毫米波雷达射频前端电路的制作方法，解决相关技术中存在的雷达整体尺寸设计受限的问题。

作为本发明的第一个方面，提供一种毫米波雷达射频前端电路结构，包括：毫米波雷达射频前端电路和印刷电路板，其中，所述毫米波雷达射频前端电路包括MMIC芯片、馈电电路和天线，所述印刷电路板包括多层芯板，所述天线设置在所述多层芯板的顶层芯板的表面，所述多层芯板的至少底层芯板上设置凹槽，所述凹槽的开口朝向背离所述顶层芯板的方向，所述MMIC芯片位于所述凹槽内，所述天线与所述MMIC芯片之间通过所述馈电电路连接；

所述天线用于雷达信号的发射传输和接收传输，所述馈电电路用于雷达发射天线信号馈电和和接收天线信号馈电，所述MMIC芯片用于雷达信号的发射处理和接收处理。

进一步地，所述馈电电路包括馈电过孔，所述馈电过孔设置在所述顶层芯板与所述底层芯板之间，所述馈电过孔用于将所述MMIC芯片与顶层芯板上的所述天线连接。

进一步地，所述馈电电路包括同层微带线，所述同层微带线用于实现所述MMIC芯片与所述天线的两端的连接。

进一步地，所述多层芯板中的每相邻两层芯板之间均设置金属层，且所述顶层芯板的上表面以及所述底层芯板的下表面均设置所述金属层。

进一步地，所述印刷电路板包括三层芯板，所述三层芯板包括顶层芯板、内层芯板和下层芯板，所述顶层芯板的上表面设置第一金属层，所述顶层芯板与所述内层芯板之间设置第二金属层，所述内层芯板与所述下层芯板之间设置第三金属层，所述下层芯板的下表面设置第四金属层。

进一步地，所述天线位于所述第一金属层上，所述内层芯板和所述底层芯板上均设置所述凹槽，所述MMIC芯片位于所述凹槽内。

进一步地，所述天线包括发射阵列天线和所述接收阵列天线，所述发射阵列天线和所述接收阵列天线均通过所述馈电电路与所述MMIC芯片连接。

进一步地，所述顶层芯板的制作材料包括高频材料。

作为本发明的另一个方面，提供一种毫米波雷达射频前端电路结构的制作方法，其中，包括：

提供一层芯板，在所述一层芯板的上表面覆盖金属层，并在所述金属层上制作天线图形；

在所述一层芯板的下表面依次制作多层芯板，并在多层芯板的每相邻两层芯板之间均设置所述金属层，以及在底层芯板的下表面设置所述金属层；

对至少底层芯板上的金属层进行刻蚀，露出底层芯板基材，形成凹陷区域图案；

去除所述底层芯板上所述凹陷区域图案对应的芯板基材，形成凹槽；

将MMIC芯片设置在所述凹槽内，且将所述MMIC芯片通过馈电电路与所述天线连接。

进一步地，所述毫米波雷达射频前端电路结构的制作方法还包括：

在所述顶层芯板与所述底层芯板之间形成过孔，将所述馈电电路设置在所述过孔中。

通过上述毫米波雷达射频前端电路结构，在底层芯板上设置凹槽，将MMIC芯片设置在凹槽内，将天线设置在顶层芯板上，天线与MMIC芯片之间通过馈电电路连接，这样顶层芯板上只布局了天线，可以使得天线的布局空间更大，实现天线的自由布局，天线也不会受到MMIC芯片和微带馈线的干扰，进而提升雷达的探测能力。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中的毫米波雷达射频前端电路结构的层叠结构示意图。

图2为现有技术中的毫米波雷达射频前端电路结构的顶层俯视结构示意图。

图3为本发明提供的毫米波雷达射频前端电路结构的层叠结构示意图。

图4为本发明提供的毫米波雷达射频前端电路结构的顶层俯视结构示意图。

图5为本发明提供的MMIC芯片的电路原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在现有技术中，由图1和图2可以看出，MMIC芯片、天线和馈电电路均位于多层芯板的顶层芯板的上表面，这样会导致雷达整体尺寸受限，因此，在本实施例中提供了一种毫米波雷达射频前端电路结构，图3是根据本发明实施例提供的毫米波雷达射频前端电路结构的层叠结构示意图，如图3所示，包括：毫米波雷达射频前端电路和印刷电路板，其中，所述毫米波雷达射频前端电路包括MMIC芯片400、馈电电路603和天线600，所述印刷电路板包括多层芯板200，所述天线600设置在所述多层芯板200的顶层芯板201的表面，所述多层芯板的至少底层芯板203上设置凹槽500，所述凹槽500的开口朝向背离所述顶层芯板201的方向，所述MMIC芯片400位于所述凹槽500内，所述天线600与所述MMIC芯片400之间通过所述馈电电路603连接；

所述天线600用于雷达信号的发射传输和接收传输，所述馈电电路603用于雷达发射天线信号馈电和和接收天线信号馈电，所述MMIC芯片400用于雷达信号的发射处理和接收处理。

通过上述毫米波雷达射频前端电路结构，在底层芯板上设置凹槽，将MMIC芯片设置在凹槽内，将天线设置在顶层芯板上，天线与MMIC芯片之间通过馈电电路连接，这样顶层芯板上只布局了天线，可以使得天线的布局空间更大，实现天线的自由布局，天线也不会受到MMIC芯片和微带馈线的干扰，进而提升雷达的探测能力。

应当理解的是，本发明实施例提供的多层芯板中，顶层芯板的制作材料包括高频材料，这样可以满足毫米波雷达天线信号低损耗辐射和高频信号传输要求，而顶层芯板下面的其他多层芯板的制作材料仍为普通材料，主要用于低频信号的传输，因此发明实施例中的印刷电路板采用高频板和普通板混压方式，以满足毫米波雷达射频前端电路和信号处理电路不同信号的传输要求，实现成本的控制。

需要说明的是，所述多层芯板可以包括两层、三层、四层……，等等，本发明实施例对多层芯板的层数不做限定，具体可以根据电路信号布局设计需求确定芯板的层数。

应当理解的是，当所述多层芯片为三层、四层或者更多层时，所述凹槽若只设置在所述地层芯板上，则所述底层芯板与所述顶层芯板之间的多层芯板需要为高频材料制作，这样才会避免信号的损失。若采用低频材料制作，则需要中间层的芯板的厚度要小一些，以减少传输信号的损失。

因此，本发明实施例提供的毫米波雷达射频前端电路结构主要由毫米波雷达射频前端电路和印刷电路板组成；毫米波雷达射频前端电路由雷达射频前端MMIC芯片、馈电电路和天线组成；印刷电路板基于局部凹陷印刷电路板（Cavity PCB）制造技术，采用普通板材和高频板材混压方式。

在一些实施方式中，所述普通板材可以包括FR-4和PPO等，如Isola FR48、Panasonic M4等；高频板材可以包括PTEE陶瓷和PTEE玻璃纤维等，如Rogers RO3003、Taconic TLY-5等。

具体地，所述馈电电路603包括馈电过孔300，所述馈电过孔300设置在所述顶层芯板201与所述底层芯板203之间，所述馈电过孔用于将所述MMIC芯片400与顶层芯板上的所述天线600连接。

优选地，所述馈电电路603包括同层微带线，所述同层微带线用于实现所述MMIC芯片400与所述天线600的两端的连接。

具体地，所述多层芯板中的每相邻两层芯板之间均设置金属层，且所述顶层芯板的上表面以及所述底层芯板的下表面均设置所述金属层。

在一些实施方式中，所述印刷电路板包括三层芯板，所述三层芯板包括顶层芯板201、内层芯板202和下层芯板203，所述顶层芯板201的上表面设置第一金属层101，所述顶层芯板201与所述内层芯板202之间设置第二金属层102，所述内层芯板202与所述下层芯板203之间设置第三金属层103，所述下层芯板203的下表面设置第四金属层104。

具体地，所述天线600位于所述第一金属层101上，所述内层芯板202和所述底层芯板203上均设置所述凹槽500，所述MMIC芯片400位于所述凹槽500内。

具体地，如图4所示，所述天线600包括发射阵列天线601和所述接收阵列天线602，所述发射阵列天线601和所述接收阵列天线602均通过所述馈电电路603与所述MMIC芯片400连接。

下面结合图3和图4对本发明实施例中的毫米波雷达射频前端电路结构进行详细说明。

图3为本发明的雷达射频前端电路结构的PCB层叠结构示意图。毫米波雷达射频前端电路由雷达射频前端MMIC芯片400、馈电电路603和天线600组成；印刷电路板包含层压的多层芯板（本发明实施例不对层数作限定，可根据电路信号布局设计需求确定芯板层数）。其中，顶层芯板201所选基材为低损耗高频材料，满足毫米波雷达天线信号低损耗辐射和高频信号传输要求；内层芯板202和下层芯板203均为普通材料，主要用于低频信号传输。第一金属层101位于顶层芯板201的上表面，主要用于天线600的电路图形刻蚀；第二金属层102具体为顶层芯板201和内层芯板202中间的铜箔层，可用于顶层芯板201和内层芯板202信号传输及电路图形刻蚀；第三金属层103具体为内层芯板202和下层芯板203中间铜箔层；第四金属层104具体为下层芯板203下层铜箔层，均可可用于低频信号传输。

普通过孔301为电路板层间过孔，用于电路板层间信号传输；MMIC芯片400和馈电电路603位于第二金属层102和天线600下方，其中，天线两端与MMIC芯片400通过同层微带线连接，MMIC芯片400再通过馈电过孔300以空间电磁耦合（或者探针馈电）方式将信号馈入天线600；凹槽500为内层芯板和下层芯板局部凹陷区域，主要用于雷达射频前端MMIC芯片400和馈电电路603电路区域，满足雷达天线背面馈电情况下高频信号传输要求。

图4为本发明的雷达射频前端电路结构的PCB顶层俯视结构示意图。本发明实施例采用局部凹陷印刷电路板技术后，MMIC芯片400和馈电电路603可置于顶层芯板201的下层，实现天线背面馈电，电路尺寸可以有效减小，同时，与普通电路相同的尺寸下，天线600可以利用的区域更大，实现更大阵列的设计和自由度设计。

下面结合图5对本发明实施例中的MMIC芯片400的结构进行详细说明。

图5为本发明雷达射频前端MMIC芯片400的电路结构原理图。所述MMIC芯片400主要由发射机401、接收机402、频率合成控制电路403、电源控制电路404、LVDS信号控制405、复位电路406、时钟电路407、数字级联输出接口电路408、信号时序控制电路409、数字级联输入接口电路410、功能安全电路411等组成。其中，发射机401主要由功率放大器PA、可调增益放大器VGA、带通滤波器BPS和移相器等电路构成，通过馈电电路603与发射阵列天线601连接，主要用于毫米波雷达发射信号的生成；接收机402主要由低噪声放大器LNA、混频器、可调增益放大器VGA、模数转换A/D等电路构成，通过馈电电路603与接收阵列天线602连接，主要用于雷达信号的接收和处理；频率合成控制电路403主要用于雷达发射和接收信号频率合成和控制；电源控制电路404包含单/多路电源控制，主要用于芯片内部电路电源供电及信号控制；LVDS信号控制405主要用于雷达接收中频信号原始数据输出控制；复位电路406主要用于芯片电路复位控制；时钟电路407主要用于芯片电路参考时钟同步控制；数字级联输出接口电路408和数字级联输入接口电路410主要用于同类型多个MMIC芯片级联控制，主控MMIC将数字级联输出接口408与其他级联副控MMIC芯片的数字级联输入接口410连接，进行MMIC芯片级联控制；信号时序控制电路409主要用于MMIC芯片内/外部信号电路时序控制；功能安全电路411主要包括校准/检测/监控/诊断/故障注入等满足MMIC芯片功能安全等功能。

综上，本发明实施例提供的毫米波雷达射频前端电路结构，基于局部凹陷印刷电路板（Cavity PCB）技术，将PCB普通材料与高频材料混压，射频前端芯片置于高频板下层，实现了在高速高频信号的传输要求的同时，雷达射频前端电路尺寸最小化。雷达天线采用背部馈电方式，有效抑制了天线微带馈线造成的辐射干扰，天线辐射旁瓣少，效率高；电路组件集成化程度高，尺寸更小。将射频前端芯片、馈电电路置于高频PCB下层和雷达天线背面，可以提高电路集成度，减小PCB板尺寸。天线设计自由度更高，探测能力更强。将射频前端芯片、馈电电路置于高频PCB下层和雷达天线背面后，高频PCB上天线层无芯片和微带馈线的干扰，在与传统方案相同的尺寸下，天线的布局空间更大，可以自由布局，提升探测能力。相比传统的电路方案，成本更低。雷达射频前端电路及天线需要采用高频PCB材料，价格比普通PCB材料高出数倍，采用本发明方案可以有效降低电路尺寸，降低电路成本。

作为本发明的另一实施例，提供一种毫米波雷达射频前端电路结构的制作方法，其中，包括：

提供一层芯板，在所述一层芯板的上表面覆盖金属层，并在所述金属层上制作天线图形；

在所述一层芯板的下表面依次制作多层芯板，并在多层芯板的每相邻两层芯板之间均设置所述金属层，以及在底层芯板的下表面设置所述金属层；

对至少底层芯板上的金属层进行刻蚀，露出底层芯板基材，形成凹陷区域图案；

去除所述底层芯板上所述凹陷区域图案对应的芯板基材，形成凹槽；

将MMIC芯片设置在所述凹槽内，且将所述MMIC芯片通过馈电电路与所述天线连接。

本发明实施例提供的毫米波雷达射频前端电路结构的制作方法，通过对至少底层芯板上的金属层进行刻蚀得到凹槽，将MMIC芯片设置在凹槽内，将天线设置在顶层芯板上，天线与MMIC芯片之间通过馈电电路连接，这样顶层芯板上只布局了天线，可以使得天线的布局空间更大，实现天线的自由布局，天线也不会受到MMIC芯片和微带馈线的干扰，进而提升雷达的探测能力。且这种制作方法工艺简单，未增加任何制作成本，易于实现。

具体地，所述毫米波雷达射频前端电路结构的制作方法还包括：

在所述顶层芯板与所述底层芯板之间形成过孔，将所述馈电电路设置在所述过孔中。

下面进一步具体地对毫米波雷达射频前端电路结构的制作方法进行详细描述。

1)在顶层芯板上层的第一金属层101（即铜箔层）制作雷达天线600图形；在第二金属层102（即铜箔层）制作下层电路图形和馈电电路603空间电磁耦合（或者探针馈电）馈电过孔；

2)在内层芯板202上制作内层电路图形，将内层芯板202上要进行局部凹陷处理的区域芯板上的铜箔刻蚀掉，露出芯板基材；

3)在下层芯板203上制作电路图形，将下层芯板上要进行局部凹陷处理的区域芯板上的铜箔刻蚀掉，露出芯板基材；形成凹陷区域图案；

4)将顶层芯板201、内层芯板202和下层芯板203压板成层压板；

5)去除内层芯板202和下层芯板203上要形成局部凹陷的区域处的芯板基材，形成局部凹陷图形。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种毫米波雷达射频前端电路结构，包括：毫米波雷达射频前端电路和印刷电路板，其特征在于，所述毫米波雷达射频前端电路包括MMIC芯片、馈电电路和天线，所述印刷电路板包括多层芯板，所述天线设置在所述多层芯板的顶层芯板的表面，所述多层芯板的至少底层芯板上设置凹槽，所述凹槽的开口朝向背离所述顶层芯板的方向，所述MMIC芯片位于所述凹槽内，所述天线与所述MMIC芯片之间通过所述馈电电路连接；

所述天线用于雷达信号的发射传输和接收传输，所述馈电电路用于雷达发射天线信号馈电和和接收天线信号馈电，所述MMIC芯片用于雷达信号的发射处理和接收处理。

2.根据权利要求1所述的毫米波雷达射频前端电路结构，其特征在于，所述馈电电路包括馈电过孔，所述馈电过孔设置在所述顶层芯板与所述底层芯板之间，所述馈电过孔用于将所述MMIC芯片与顶层芯板上的所述天线连接。

3.根据权利要求1或2所述的毫米波雷达射频前端电路结构，其特征在于，所述馈电电路包括同层微带线，所述同层微带线用于实现所述MMIC芯片与所述天线的两端的连接。

4.根据权利要求3所述的毫米波雷达射频前端电路结构，其特征在于，所述多层芯板中的每相邻两层芯板之间均设置金属层，且所述顶层芯板的上表面以及所述底层芯板的下表面均设置所述金属层。

5.根据权利要求4所述的毫米波雷达射频前端电路结构，其特征在于，所述印刷电路板包括三层芯板，所述三层芯板包括顶层芯板、内层芯板和下层芯板，所述顶层芯板的上表面设置第一金属层，所述顶层芯板与所述内层芯板之间设置第二金属层，所述内层芯板与所述下层芯板之间设置第三金属层，所述下层芯板的下表面设置第四金属层。

6.根据权利要求5所述的毫米波雷达射频前端电路结构，其特征在于，所述天线位于所述第一金属层上，所述内层芯板和所述底层芯板上均设置所述凹槽，所述MMIC芯片位于所述凹槽内。

7.根据权利要求1所述的毫米波雷达射频前端电路结构，其特征在于，所述天线包括发射阵列天线和所述接收阵列天线，所述发射阵列天线和所述接收阵列天线均通过所述馈电电路与所述MMIC芯片连接。

8.根据权利要求1所述的毫米波雷达射频前端电路结构，其特征在于，所述顶层芯板的制作材料包括高频材料。

9.一种毫米波雷达射频前端电路结构的制作方法，其特征在于，包括：

提供一层芯板，在所述一层芯板的上表面覆盖金属层，并在所述金属层上制作天线图形；

在所述一层芯板的下表面依次制作多层芯板，并在多层芯板的每相邻两层芯板之间均设置所述金属层，以及在底层芯板的下表面设置所述金属层；

对至少底层芯板上的金属层进行刻蚀，露出底层芯板基材，形成凹陷区域图案；

去除所述底层芯板上所述凹陷区域图案对应的芯板基材，形成凹槽；

将MMIC芯片设置在所述凹槽内，且将所述MMIC芯片通过馈电电路与所述天线连接。

10.根据权利要求9所述的毫米波雷达射频前端电路结构的制作方法，其特征在于，所述毫米波雷达射频前端电路结构的制作方法还包括：

在所述顶层芯板与所述底层芯板之间形成过孔，将所述馈电电路设置在所述过孔中。

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