CN111123210A - 具有穿过印刷电路板的槽过渡的雷达组件 - Google Patents

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Abstract

雷达组件(10)包括单片微波集成电路(12)(MMIC(12))、天线元件(20)以及单个印刷电路板(18)(PCB(18))。MMIC(12)包括焊球(16)的布置(14)，该焊球(16)的布置(14)被配置成用于将雷达信号耦合进或耦合出MMIC(12)。天线元件(20)包括脊形空气波导(24)，该脊形空气波导(24)被配置成用于将雷达信号传播至天线元件(20)的一个或多个辐射槽(22)或传播来自天线元件(20)的一个或多个辐射槽(22)的雷达信号。PCB(18)直接附接至MMIC(12)。PCB(18)包括过渡特征(28)，该过渡特征(28)被配置成用于在焊球(16)的布置(14)与脊形空气波导(24)之间耦合雷达信号。过渡特征(28)被表征为在焊球(16)的布置(14)与脊形空气波导(24)之间延伸的槽。过渡特征(28)可以是L形槽或U形槽。组件(10)被设计/配置成与已知的印刷电路板制造工艺兼容。

Description

具有穿过印刷电路板的槽过渡的雷达组件
技术领域
本公开大体上涉及雷达组件，并且更具体地涉及配置穿过雷达组件的印刷电路板的过渡特征，其中该过渡特征被表征为在单片微波集成电路(MMIC)上的焊球的布置与雷达组件的脊形空气波导之间延伸的槽。
附图说明
现将通过示例的方式参照附图描述本发明，其中：
图1是根据一个实施例的雷达组件的等距视图；
图2是根据一个实施例的已知的雷达组件的侧视图；
图3是根据一个实施例的图1的雷达组件的侧视图；
图4是根据一个实施例的图1的雷达组件的俯视图；
图5A是根据一个实施例的图1的雷达组件的L形过渡特征的截面俯视图；
图5B是根据一个实施例的图1的雷达组件的U形过渡特征的截面俯视图；
图6是根据一个实施例的图1的雷达组件的截面侧视图；
图7A、图7B、图7C、图7D以及图7E是根据一个实施例的图1的雷达组件的部分组件的各个视图；
图8A、图8B、图8C以及图8D是根据一个实施例的图1的雷达组件的天线元件的各种视图；以及
图9A以及图9B是根据一个实施例的图1的雷达组件的性能特性的图。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，在附图中图示出这些实施例的示例。在以下详细描述中，阐述了众多具体细节以便提供对所描述的各实施例的透彻理解。然而，对本领域的普通技术人员将显而易见的是，可在没有这些特定细节的情况下实践所描述的各实施例。在其他实例中，并未对公知方法、程序、组件、电路以及网络进行详细描述，以免不必要地使实施例的各方面模糊。
“一个或多个(one or more)”包括：由一个要素执行的功能、由不止一个要素例如以分布式方式执行的功能、由一个要素执行的若干功能、由若干要素执行的若干功能、或上述的任何组合。
还将理解的是，虽然在一些实例中，术语第一、第二等在本文中用于描述各种要素，但这些要素不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个要素与另一个区别开来。例如，第一接触件可被称为第二接触件，并且类似地，第二接触件可被称为第一接触件，而没有背离各个所描述的实施例的范围。第一接触件和第二接触件二者都是接触件，但它们并非相同的接触件。
在对本文中各个所描述的实施例的描述中所使用的术语仅出于描述实施例的目的，并且不旨在构成限制。如在对各种所描述的实施例和所附权利要求的描述中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”旨在也包括复数形式，除非上下文以其他方式明确指出。还将理解的是，本文所使用的术语“和/或”是指并且包含相关联的所列项目中的一个或多个的所有可能的组合。将进一步理解的是，术语“包括(include)”、“包括有(including)”、“包含(comprise)”和/或“包含有(comprising)”当在本说明书中使用时指明所陈述的特征、整数、步骤、操作、要素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其群组的存在或添加。
如本文中所使用的，取决于上下文，术语“如果(if)”可选地被解释为表示“当…时或“在…后”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，取决于上下文，短语“如果被确定”或“如果检测到(所陈述的状况或事件)”被可选地解释为表示“在确定…后”或“响应于确定”或“在检测到(所陈述的状况或事件)后”或“响应于检测到(所陈述的状况或事件)”。
汽车雷达通常被要求具有高增益以及最小孔径尺寸以及低成本。通常，用于汽车应用的雷达系统包括多个印刷电路板(PCB)，该多个印刷电路板包含馈送网络以及辐射器。然而，此类系统的介电损耗可能较为显著，尤其是当使用了低成本的印刷电路板材料时。本文中描述的是可作为用于检测主车辆附近的对象的雷达系统的一部分的雷达组件。主车辆可被表征为自动车辆，并且可被一些人称作按需自动移动(AMOD)类型的车辆。主车辆可以以自动模式操作，即，完全自主模式，其中主车辆的人类操作员可仅通过指定目的地来操作主车辆。相应地，主车辆可以被称为自动车辆(automated vehicle)。然而，所设想的是，当以手动模式操作主车辆时，本文中所呈现的教导是有用的，其中在手动模式下，自动化程度或等级可以仅仅是向总体上控制着主车辆的转向、加速器和制动器的人类操作者提供可听或可视的警告。例如，雷达系统可仅仅根据需要来辅助人类操作者，以改变车道和/或避免干扰例如诸如另一车辆、行人或道路标志之类的物体和/或与例如诸如另一车辆、行人或道路标志之类的物体碰撞。
本文中所描述的是雷达组件，该雷达组件使用创新的方式在没有显著的介电损耗同时还提供降低的成本的情况下将单片微波集成电路(MMIC)直接连接至空气波导，该空气波导将雷达信号辐射穿过在波导中形成的辐射槽。在一个实施例中，雷达组件或雷达系统基于单个FR4电路板，该单个FR4电路板包括：用于雷达控制信号路由的导体层；MMIC至脊形空气波导过渡或过渡特征；脊形空气波导；以及空气波导辐射器槽。MMIC被优选地使用焊球回流工艺直接焊接至FR4电路板的底部。FR4电路板中的多个金属导体层被分配用于雷达控制信号，即，相对低频率的雷达控制信号。在一个实施例中，在FR4中切割空气腔，随后该空气腔被镀覆有铜以形成用于由雷达系统发出并且检测的相对高频率的信号的过渡特征、空气波导以及辐射槽。
图1示出了雷达组件10(下文中称为组件10)的非限制性示例，组件10可以是雷达系统(未示出)的一部分，该雷达系统包括但不限于：组件10的壳体以及安装硬件，和/或用于控制或选择由组件10发出的雷达信号以及处理使用组件10检测到的雷达信号以检测并跟踪雷达系统附近的目标的额外电子器件。
组件10包括单片微波集成电路12(MMIC 12)。MMIC 12包括焊球16的布置14(见图5A以及图5B)，该焊球16被配置成用于将相对高频率(例如，高于10GHz)的雷达信号耦合进或耦合出MMIC 12，该相对高频率的雷达信号可由MMIC 12发出和/或检测，其在图5A以及图5B中并未示出。如本领域的技术人员将认识到的，MMIC 12还可输入并且输出通常可被称为控制信号的相对低频率(例如，低于10MHz)的信号。还可经由也可被用于将MMIC 12直接附接至PCB的其他焊球连接或传播这些控制信号。
组件10包括单个印刷电路板18(PCB 18)。如本文所使用的，修饰语“单个”被用于排除或规避或区别于具有多个电路板和/或多个类型的电路板的雷达组件设计以及现有技术，即，使用不止一个类型的介电材料以用于形成可分层堆放在一起以形成统一的电路板的多个电路板的基板的设计。通过进一步示例的方式，图2示出了分层堆放在一起的多个类型(例如，FR4以及来自罗杰斯公司(Rogers Corporation)的RO3003)的电路板的示例。RO3003是一种因为基板材料的介电属性而(例如，介电常数或相对介电常数)通常用于高频率应用(例如，雷达)的已知基板材料。通过比较，本文中所描述的雷达组件10的PCB 18有利地由单个类型的层叠材料形成，例如如图3中示出的FR4。此外，如本文中所使用的，修饰语“直接”被用于排除或规避或区别于建议在组件10或系统的相对低频率的电路板和/或天线元件之间使用由高频率材料(例如，RO3003)形成的小型印刷电路板的设计以及现有技术。
组件10包括如图4中所示出的天线元件20的至少一个实例，或可包括如图1中所示出的天线元件20的多个实例。天线元件20可被表征为与PCB 18集成或者集成至PCB 18，即，被内置于PCB 18中或在制造PCB 18的相同的时间处被制造。替代地，所设想的是，天线元件20可由用于限定天线元件20的成型的(例如，冲压/冲孔)金属或箔的分离片形成。天线元件20包括(即，被配置成限定)一个或多个辐射槽22，该一个或多个辐射槽22被配置成将来自周围环境的雷达信号耦合进天线元件中(即，接收雷达信号)，和/或将雷达信号耦合出天线元件(即，广播雷达信号)。
天线元件20包括空气波导，尤其是脊形空气波导24，该空气波导被配置成用于将雷达信号传播至一个或多个辐射槽22或传播来自一个或多个辐射槽22的雷达信号。如本文中所使用的，脊形空气波导24具有如图8B以及图8D中所示出的U形横截面。该脊形空气波导24的U形横截面被有利地用于使得脊形空气波导24的实际宽度(U的宽度)足够小以使得天线元件20的多个实例的输入/输出端可被直接布置在MMIC 12上。如本领域技术人员将认识到的，脊形空气波导24的有效宽度或电气宽度是基于雷达信号的宽度选择的，其中有效宽度或电气宽度与限定U的线的长度相对应。即，脊形空气波导24的有效宽度或电气宽度大于脊形空气波导24的实际宽度。
通过示例而不是限制的方式，可通过移除基板26的多个区域来形成限定天线元件20的空气腔，并且随后使用例如铜来镀覆包括通过对基板26的多个区域的移除而创造的各种平面中的一些或全部的各种平面，以形成例如天线元件20的脊形空气波导24以及辐射槽22。图8A、图8B、图8C以及图8D示出了各种结构的非限制性示例，例如，通过对被移除的PCB18的所有其他部分进行镀覆而形成的脊形空气波导24以及辐射槽22。注意到仅示出了金属镀层，在图8A、8B、8C以及8D中未示出形成基板26的材料。
在天线元件20的末端的尺寸被如以上所描述地设计并且天线元件20的末端被直接布置在MMIC 12之上的情况下(在本示例中该MMIC 12的一侧约为十毫米)，避免如下情况导致的附加费用和复杂度是可能的：使用高频率基板以提供用于将雷达信号从MMIC 12的相对小的区域分布到不具有或基于脊形空气波导24或由脊形空气波导24所分布的天线元件20所要求的较大区域的装置。为了完成MMIC 12与天线元件20之间的连接，PCB 18包括过渡特征28，该过渡特征28被配置成用于耦合焊球16的布置14与天线元件20的脊形空气波导24之间的雷达信号。过渡特征28是被表征为槽的空气波导，并且该槽在焊球16的布置14与脊形空气波导24之间延伸。图6示出了组件10的实施例的截面端视图的非限制性示例，其建议了过渡特征28、脊形空气波导24以及辐射槽22之间的关系。
图5A示出了组件10的一部分的非限制性示例，其中焊球16的布置14被表征为焊球对14A。两个焊球的使用方式通常由MMIC 12的雷达信号输入/输出的设计或配置确定。对于焊球对14A，过渡特征28被配置为或表征为L形槽可能是有利的。图7A、图7B、图7C、图7D以及图7E示出了MMIC 12、过渡特征28以及脊形空气波导24的各种透视图。去往/来自MMIC 12的信号被电磁地耦合至过渡特征28(该过渡特征28是“L”形槽)，去往/来自过渡特征28的底部，并且过渡特征28的上侧馈送(feed)脊形空气波导24的端。注意，脊形空气波导24的脊形部分的端没有接触脊形空气波导24的端壁。该过渡的拓扑使得天线元件20的末端足够窄以能够如图1中所示出的将七个脊形空气波导与相对较小的MMIC的七个RF端口相配是可能的。
图5B示出了组件10的一部分的非限制性示例，其中焊球16的布置14被表征为三焊球14B。如上文，三个焊球的使用方式通常由MMIC 12的雷达信号输入/输出的设计或配置确定。对于三焊球14B，过渡特征28被配置为或表征为U形槽可能是有利的。注意，脊形空气波导24的脊形部分的端没有接触脊形空气波导24的端壁。
在图8A-图8D中描绘的辐射槽22在脊形空气波导24的顶侧或宽侧(即，倒置的U的顶部)上开口，由此形成一些人所称的端馈波导槽阵列天线。脊形空气波导24的宽度允许由多个天线元件形成的足够窄到形成不具有光栅波瓣的阵列的辐射器。可针对过渡以及辐射器单独地优化脊形空气波导24的横截面，在过渡与辐射器之间的锥形体能够将该二者桥接在一起。图1示出了76.5GHz雷达信号的设计示例，其中四个接收天线分开半个波长，并且三个发射天线分开二点五个波长。在MMIC的端口或雷达信号输入/输出处的匹配是良好的，辐射图案在方位角上具有宽视场并且在仰角上具有10度波束宽度并且旁瓣低于-20dB，如图9A以及图9B中所示出的。有利地，该设计是有意地针对典型的PCB制造工艺以及针对最低的制造成本所选择的。
再次参考图6，在一个实施例中组件10包括单片微波集成电路12(MMIC 12)以及单个印刷电路板18(PCB 18)，该单个印刷电路板18由单个类型的层叠材料形成并且被直接附接至MMIC 12。MMIC 12包括焊球16的布置14，所述焊球16的布置14被配置成用于将雷达信号耦合进或耦合出MMIC 12。PCB 18包括与MMIC 12相邻的下部30以及与相对于MMIC 12与该下部30相对的上部32。上部32包括天线元件20，该天线元件20包括一个或多个辐射槽22和脊形空气波导24，该一个或多个辐射槽22被配置成用于将雷达信号耦合进或耦合出天线元件20，该脊形空气波导24被配置成用于将雷达信号传播至该一个或多个辐射槽22或传播来自该一个或多个辐射槽22的雷达信号。下部30包括一个或多个导体层34和过渡特征28，该一个或多个导体层34被配置成用于将一个或多个控制信号传送至MMIC 12，该过渡特征28被配置成用于将焊球16的布置14与脊形空气波导24之间耦合雷达信号。过渡特征28被表征为在焊球16的布置14与脊形空气波导24之间延伸穿过下部30的槽。限定脊形空气波导24以及过渡特征28的表面被镀覆有金属。
也在本文中描述的，提供了用于雷达组件10的印刷电路板18(PCB 18)。PCB 18包括由单个类型的层叠材料组成的基板26以及在基板26的表面上的焊盘38的阵列36。焊盘38的阵列36被配置用于形成到单片微波集成电路12或MMIC 12的焊球16的布置14的直接连接。焊球16的布置14被配置成用于将雷达信号耦合进或耦合出MMIC 12。PCB 18包括或者限定与焊盘相邻的下部30以及相对于焊盘38与该下部30相对的上部32。上部32包括天线元件20，该天线元件20包括或者限定一个或多个辐射槽22和脊形空气波导24，该一个或多个辐射槽22被配置成用于将雷达信号耦合进或耦合出天线元件20，该脊形空气波导24被配置成用于将雷达信号传播至该一个或多个辐射槽22或传播来自该一个或多个辐射槽22的雷达信号。下部30包括一个或多个导体层34和过渡特征28，该一个或多个导体层34被配置成用于将一个或多个控制信号传送至MMIC 12，该过渡特征28被配置成用于在焊球16的布置14与脊形空气波导24之间穿过下层耦合雷达信号。过渡特征28被表征为在焊球16的布置14与脊形空气波导24之间延伸穿过下部30的槽。
如果焊球16的布置14被表征为焊球对14A，则过渡特征28优选的是(即，被表征为)L形槽。如果焊球16的布置14被表征为三焊球14B，则过渡特征28优选的是(即，被表征为)U形槽。如果诸如FR4之类的介电材料被用于基板26，则限定脊形空气波导24以及过渡特征28以及辐射槽22的空气腔表面可被镀覆有金属。然而，如果上部32是由成型/冲压金属箔构成的，则镀层是不必要的。
相应地，提供了雷达组件10(组件10)以及印刷电路板18(PCB18)。本文中所描述的由脊形空气波导24提供的窄空气波导结合由过渡特征28提供或限定的过渡空气波导得到了一种用非常小的传输损耗或没有传输损耗来发射以及接收雷达信号的装置，同时该装置与现有雷达组件相比在制造上更为经济。该组件被设计/配置成与已知的印刷电路板制造工艺兼容。
尽管已经根据本发明的优选实施例描述了本发明，然而并不旨在受限于此，而是仅受所附权利要求书中所阐述的范围限制。

Claims (15)

1.一种雷达组件(10)，所述组件(10)包含：
单片微波集成电路(12)，其中所述单片微波集成电路(12)包括焊球(16)的布置(14)，所述焊球(16)的布置(14)被配置成用于将雷达信号耦合进或耦合出所述单片微波集成电路(12)；
天线元件(20)，所述天线元件(20)包括一个或多个辐射槽(22)以及脊形空气波导(24)，所述一个或多个辐射槽(22)被配置成用于将雷达信号耦合进或耦合出所述天线元件(20)，所述脊形空气波导(24)被配置成用于将雷达信号传播至所述一个或多个辐射槽(22)或传播来自所述一个或多个辐射槽(22)的雷达信号；以及
单个印刷电路板(18)，所述单个印刷电路板(18)直接附接至所述单片微波集成电路(12)，所述单个印刷电路板(18)包括过渡特征(28)，所述过渡特征(28)被配置成用于在所述焊球(16)的布置(14)与所述脊形空气波导(24)之间耦合雷达信号，其中，所述过渡特征(28)被表征为在所述焊球(16)的布置(14)与所述脊形空气波导(24)之间延伸的槽。
2.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述焊球(16)的布置(14)被表征为焊球对(14A)，并且所述过渡特征(28)被表征为L形槽。
3.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述焊球(16)的布置(14)被表征为三焊球(14B)，并且所述过渡特征(28)被表征为U形槽。
4.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述单个印刷电路板(18)由单个类型的层叠材料形成。
5.根据权利要求4所述的组件(10)，其特征在于，所述层叠材料的所述类型为FR-4。
6.根据权利要求4所述的组件(10)，其特征在于，所述天线组件(20)被表征为与所述单个印刷电路板(18)集成。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的组件(10)，其特征在于，限定所述脊形空气波导(24)以及所述过渡特征(28)的表面被镀覆有金属。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的组件(10)，其特征在于，所述组件(10)包括其他焊球(16)，所述其他焊球(16)将所述单片微波集成电路(12)直接附接至所述单个印刷电路板(18)。
9.一种雷达组件(10)，所述组件(10)包括：
单片微波集成电路(12)，其特征在于，所述单片微波集成电路(12)包括焊球(16)的布置(14)，所述焊球(16)的布置(14)被配置成用于将雷达信号耦合进或耦合出所述单片微波集成电路(12)；以及
单个印刷电路板(18)，所述单个印刷电路板(18)由单个类型的层叠材料形成并且直接附接至所述单片微波集成电路(12)，所述单个印刷电路板(18)包括与所述单片微波集成电路(12)相邻的下部(30)以及相对于所述单片微波集成电路(12)与所述下部(30)相对的上部(32)，
所述上部(32)包括天线元件(20)，所述天线元件(20)包括一个或多个辐射槽(22)和脊形空气波导(24)，所述一个或多个辐射槽(22)被配置成用于将雷达信号耦合进或耦合出所述天线元件(20)，所述脊形空气波导(24)被配置成用于将雷达信号传播至所述一个或多个辐射槽(22)或传播来自所述一个或多个辐射槽(22)的雷达信号，
所述下部(30)包括一个或多个导体层(34)，所述一个或多个导体层(34)被配置成用于将一个或多个控制信号传送至所述单片微波集成电路(12)，以及
过渡特征(28)，所述过渡特征(28)被配置成用于在所述焊球(16)的布置(14)与所述脊形空气波导(24)之间耦合雷达信号，其中，所述过渡特征(28)被表征为在所述焊球(16)的布置(14)与所述脊形空气波导(24)之间延伸穿过所述下部(30)的槽，并且限定所述脊形空气波导(24)以及所述过渡特征(28)的表面被镀覆有金属。
10.根据权利要求9所述的组件(10)，其特征在于，焊球(16)的所述布置(14)被表征为焊球对(14A)，并且所述过渡特征(28)被表征为L型槽。
11.根据权利要求9所述的组件(10)，其特征在于，所述焊球(16)的布置(14)被表征为三焊球(14B)，并且所述过渡特征(28)被表征为U型槽。
12.一种用于雷达组件(10)的印刷电路板(18)，所述印刷电路板(18)包括：
基板(26)，所述基板由单个类型的层叠材料形成；
焊盘(38)的布置(14)，所述焊盘(38)的布置(14)在所述基板(26)的表面上，所述焊盘(38)的布置(14)被配置成用于形成到单片微波集成电路(12)的焊球(16)的布置(14)的直接连接，所述焊球(16)的布置(14)被配置成用于将雷达信号耦合进或耦合出所述单片微波集成电路(12)；
所述印刷电路板(18)包括与所述焊盘(38)相邻的下部(30)以及相对于所述焊盘(38)与所述下部(30)相对的上部(32)，
所述上部(32)包括天线元件(20)，所述天线元件(20)包括一个或多个辐射槽(22)和脊形空气波导(24)，所述一个或多个辐射槽(22)被配置成用于将雷达信号耦合进或耦合出所述天线元件(20)，所述脊形空气波导(24)被配置成用于将雷达信号传播至所述一个或多个辐射槽(22)或传播来自所述一个或多个辐射槽(22)的雷达信号，
所述下部(30)包括一个或多个导体层(34)以及过渡特征(28)，所述一个或多个导体层(34)被配置成用于将一个或多个控制信号传送至所述单片微波集成电路(12)，所述过渡特征(28)被配置成用于在所述焊球(16)的布置(14)与所述脊形空气波导(24)之间穿过所述下层耦合雷达信号，所述过渡特征(28)被表征为在所述焊球(16)的布置(14)与所述脊形空气波导(24)之间延伸穿过所述下部(30)的槽。
13.根据权利要求12所述的印刷电路板(18)，其特征在于，所述焊球(16)的布置(14)被表征为焊球对(14A)，并且所述过渡特征(28)被表征为L形槽。
14.根据权利要求12所述的印刷电路板(18)，其特征在于，所述焊球(16)的布置(14)被表征为三焊球(14B)，并且所述过渡特征(28)被表征为U形槽。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的印刷电路板(18)，其特征在于，限定所述脊形空气波导(24)以及所述过渡特征(28)的表面被镀覆有金属。
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