CN111758044A - 用于机动车辆周围环境检测的、带塑料天线的雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于一机动车辆周围环境监测的雷达系统，其包括：以塑料为基质的天线，其中，塑料天线具有一个或多个用于发送和/或接收雷达信号的单独天线，和具有至少一个高频部件的电路板，所述至少一个高频部件包括用于直接发射或接收的至少一个器件，其特征在于，塑料天线设置在电路板的与至少一个高频部件相对的一侧，至少一个发射或接收器件被设计成，沿电路板方向发射信号或从电路板方向接收信号，电路板在至少一个发射或接收器件的区域中是雷达波可穿透的，并且塑料天线上的耦合输入点或耦合输出点位于在电路板的至少一个可穿透位置上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于机动车辆中的驾驶员辅助系统的雷达系统。根据本发明所述雷达系统具有一塑料天线和具有至少一个用于直接发射或接收的器件的一高频部件。
背景技术
越来越多的机动车辆配备了驾驶员辅助系统，这类系统借助传感器系统检测周围环境，并从由此识别的交通情形中启动车辆的自动反应和/或对驾驶员作出指示、尤其是提出警告。在此，人们将系统功能分为舒适性功能和安全性功能。
目前，作为舒适性功能，FSRA(全速范围自适应巡航控制)起着最重要的作用。只要交通情形允许，车辆将自身速度调节到驾驶员预先设置的期望速度，否则就自动调整自身速度以适应实际交通情形。
安全功能目前有多种形式。其中一组功能包括紧急情况下用于缩短制动或停车距离，直至自主紧急制动为止。另一组是变道功能：如果驾驶员想要进行一危险变道时，也就是当旁边车道上一车辆处于死角(被称为BSD—“盲点探测系统”)或快速从后方接近时(LCA—“变道辅助系统”)，变道功能警告驾驶员或对转向进行干预。
在可预见的未来，不仅限于向驾驶员提供辅助功能，而且驾驶员的任务也将越来越多地由车辆本身自主完成，即驾驶员越来越多地被替代；即人们所说的自主驾驶。
上述类型的系统都使用雷达传感器，其通常还与例如摄像机传感器等其他技术的传感器结合使用。雷达传感器的优点是，即使在不良天气条件下也能可靠工作，并且除了与目标的间距外，还可通过多普勒效应直接测量其径向相对速度。在此，作为发射频率使用的是24GHz、77GHz和79GHz的频率。
由于此类系统的功能范围不断扩大，因此，尤其是在最大检测范围方面的要求不断提高。与此同时，价格开始急剧下降。
每个雷达传感器的核心器件是天线；它对传感器性能和价格的定义起到了决定性作用。当前，天线大多以平面技术在高频电路板上实现，例如作为贴片天线。这种天线实施方式的缺点一方面是馈线和天线本身的损耗(这限制了作用范围)，另一方面是这种电路板的高成本(尤其是因为需要特殊的高频基板，所以较为昂贵，并需要复杂的处理)。
发明内容
本发明的任务是提出一种能提高性能、降低成本的雷达系统结构。
该任务原则上通过根据权利要求1至7所述的一种雷达系统解决。-本发明的优点来自以下事实：尽管性能得到改善，但雷达系统可以较低的价格实现，并还能减小尺寸。
根据本发明所述，用于检测一机动车辆周围环境的雷达系统包括一以塑料为基质的天线和包括至少一个高频部件的电路板，其中，所述塑料天线具有一个或多个用于发送和/或接收雷达信号的单独天线，所述高频部件包括用于直接发射或接收的至少一个器件。该系统的特征在于，塑料天线被设置在电路板的与至少一个高频部件相对的一侧上，并且至少一个发射或接收器件被设计成沿电路板方向发射信号或从电路板方向接收信号，电路板的至少一个发射或接收器件的区域是雷达波可穿透的，塑料天线上的耦合输入点或耦合输出点位于电路板的至少一个穿透位置。
塑料天线优选被设计成波导天线。根据本发明所述的雷达系统优选使得塑料天线能被直接馈电。这尤其通过以下方式实现，即雷达系统具有一高频部件或高频芯片，该高频部件或高频芯片具有从下表面透过一电路板到达以塑料为基质的波导天线的直接发射。
有益的方式是，至少一个雷达波可穿透位置由电路板上的具有金属化侧壁的一个孔构成。
此外，电路板中的至少一个雷达波可穿透位置的实现方式是，该电路板具有一个开口，塑料天线中的波导延伸部突出至该开口中或突出穿过该开口。
还可设想的是，电路板中的至少一个雷达波可穿透位置的实现方式是，在电路板的载体材料层上和/或其间不进行金属化处理，而是优选用通孔敷镀处理该位置的边缘。
在雷达系统中，在至少一个高频部件的下表面上围绕至少一个发射或接收器件优选设置有焊珠，以减少或阻止高频部件和电路板的中间空间中的辐射的侧面逸出。由此，尤其可避免多个过渡区之间的耦合。
雷达系统还可优选具有一导热性良好的组件，尤其是一金属罩盖。该组件以有益的方式与至少一个高频部件设置在电路板的同一侧。特别优选的是，在高频部件和所述组件之间尤其是通过导热膏建立一热接触。
有益地，在电路板的面向塑料天线的一侧上设置有至少一个构件。该构件可被塑料天线中的优选被金属化的空腔覆盖。
附图说明
图1展示根据现有技术的一雷达系统的高频电路板。
图2展示一以塑料为基质的长方形波导天线的上表面(左侧)和下表面(右侧)。
图3展示一雷达传感器的截面，该雷达传感器从高频芯片的上表面直接发射到波导天线中。
图4展示一雷达传感器的截面，该雷达传感器从高频芯片的下表面经由电路板中的开口直接发射到位于该电路板的相对侧上的波导天线中。
图5展示一雷达传感器的截面，该雷达传感器从高频芯片的下表面直接发射到相对天线侧的波导天线中，其中，波导天线的波导延伸部穿过电路板开口朝高频芯片的方向突出。
具体实施方式
如今，用于周围环境检测的雷达系统的天线大部分是作为高频电路板上的平面天线实现的。图1展示一高频电路板，该高频电路板具有一高频部件、一所谓的MMIC(单片微波集成电路)，并且包括3个发射天线(TX)和4个接收天线(RX)，其中，各个天线分别由多个单独的发射器件组成。天线是作为平面贴片天线实现的。
来自高频芯片的天线及其馈线需要在高频电路板表层上具备一特殊的基板，该基板包括适用于高频的材料数据(例如经定义的厚度、经定义的介电常数、极低的损耗角)。尤其是与相同尺寸和相同层数的纯低频电路板相比，这种特殊基板的材料成本及其处理(包括必需的高结构精度)导致成本增加了若干倍。除了成本费用外，其缺点还包括天线及其馈线中的信号损耗。对于包括馈线的发射天线和接收天线，典型的功率损耗总计约为6dB。由此降低的传感器灵敏度会导致最大传感器作用范围减小约30％。
由于以电路板为基础的天线的所述缺点，现在越来越多地考虑使用所谓的波导天线。在此，天线及其馈线借助波导实现，在最简单情况下，波导构成具有金属或金属化壁的矩形空腔/中空空间。这种天线可被设计为长方形的塑料部件，正如图2中所展示的。如图2所示，在上表面上具有用于发射的开口，在下表面上和空腔结构中具有用于馈电的开口，其中，所有(外部和内部)表面都被金属化处理。典型情况下这种天线由多层组成，这例如也允许高频连接的交叉。由于各个天线的设置现在独立于芯片，因此，如图2所示，3个发射天线可设置在例如4个接收天线的下方(在如图1所示以电路板为基础的天线中，它们是并排设置的)。由于芯片不再位于天线平面上，因此可实现较小的传感器。
除了注塑成型外，现在也可使用三维立体(3D)打印作为塑料天线的制造方法。与全金属实施方式相比，以金属化塑料为基质的波导天线在成本费用方面具有明显的优势。以塑料为基质的波导天线所面临的挑战是所需的结构精度以及多个塑料层的精密衔接—但新的制造工艺正使之成为可能。
但即使使用塑料天线，尤其是从芯片输出端直到一要发射到波导天线中的结构，如今在电路板上依然有高频信号。由此，这方面的电路板还相对昂贵。出于这一原因，如图3所示，正在努力从高频芯片的上表面直接发射到波导天线中。但是，这种方法有一些缺点：
-从芯片3.6到波导天线3.2的过渡对误差要求很高。误差链很长，其中，例如涉及到下列部分：芯片焊接，芯片厚度，天线误差；
-天线与芯片直接接触(无论是在生产期间还是在其使用寿命期内)，由此可能会损坏芯片；
-除了硅芯3.9外，芯片3.6不仅在下表面需要一所谓的再分配层3.10，而且在上表面还需要用于发射器件3.7的另一再分配层3.8；
-芯片的散热不佳，因为塑料天线3.2和前面的塑料外壳3.1是绝热的，由此来自芯片的热量几乎只能通过电路板3.3消散。因此，芯片与传感器的金属背面3.5上的热耦合不可能直接通过导热膏3.4实现，而只能通过电路板实现。
因此，为避免这些缺点，本文提出根据图4所示结构。发射器件4.7设置在芯片4.6的下表面上，其中，芯片4.6位于电路板4.3的与塑料天线4.2相对的一侧上。塑料天线4.2从芯片4.6通过电路板4.3馈入，电路板在这些位置是可被雷达波穿透的。由此通过电路板4.3实现了从芯片4.6到塑料天线4.2的高频过渡。
如图4所示，可简单通过电路板4.3中的一个孔实现电路板4.3的波导穿透性，其中，在该位置上电路板4.3的侧壁被金属化，从而分别实现一种形式的波导。
作为替代选择，例如如图5所示，过渡的实现方式也可是，在电路板5.3中存在开口，并且塑料天线5.2中的波导延伸部突出到这些开口或突出穿过这些开口。用于电路板中穿透过渡的另一种方法是，省略电路板载体材料层上或其间的金属化处理，而是用通孔敷镀处理这些区域的边缘。
为了防止高频部件和电路板的中间空间中的辐射在过渡区逸出——这种逸出一方面会导致性能损耗另一方面会导致过渡区之间的耦合，因此可在过渡区周围以及过渡区之间设置焊珠(焊球)。图4就是示例，其中展示的是被设计为带有焊球4.11的所谓焊球栅阵列的芯片4.6。通过这些焊珠4.11的适当设计和设置，它们可构成用于所使用的高频的一带阻滤波器，因此可用作EBG(电磁场带隙)结构。
图4所示设置的另一优点是，它允许具有高电流消耗以及由此自发热的芯片4.6具有良好的热接触。为此，如图所示，芯片4.6通过导热膏4.4耦合到传感器背面的罩盖4.5，该罩盖可由铝制成并具有散热片。
此外，如图4所示，可在电路板4.3的面向塑料天线4.2的一侧上安装构件4.12，该构件被塑料天线4.2中的空腔覆盖。由于塑料天线4.2的表面反正是金属化的，因此无须额外成本费用就可实现部件的电屏蔽。
最后，还应注意以下几点：
在一雷达系统中，既有发送功能又有接收功能。为方便起见，以上描述常常没对两者明确陈述或区分。例如，如果提及到天线或芯片上的器件“辐射/发射”时，对接收天线而言，这自然意味着“接收”；如果在天线背面的波导中提及到“馈入”，则这对接收天线而言意味着“耦合输出”。
Claims (7)
1.用于机动车辆周围环境检测的雷达系统，其包括：
-以塑料为基质的天线，其中，塑料天线具有一个或多个用于发送和/或接收雷达信号的单独天线，以及
-具有至少一个高频部件的电路板，所述至少一个高频部件包括用于直接发射或接收的至少一个发射或接收器件，
其特征在于，
-塑料天线设置在所述电路板的与所述至少一个高频部件相对的一侧上，
-所述至少一个发射或接收器件被设计成沿电路板方向发射信号或从电路板方向接收信号，
-所述电路板在所述至少一个发射或接收器件的区域中是雷达波可穿透的，并且
-塑料天线上的耦合输入点或耦合输出点位于所述电路板的至少一个可穿透位置。
2.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，至少一个雷达波可穿透位置由电路板上的具有金属化侧壁的孔构成。
3.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，电路板中的至少一个雷达波可穿透位置的实现方式是，该电路板具有开口，塑料天线的波导延伸部突出到该开口中或突出穿过该开口。
4.根据权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，电路板中的至少一个雷达波可穿透位置的实现方式是，在该至少一个雷达波可穿透位置处在电路板的载体材料层上和/或其间不进行金属化处理，而是用通孔敷镀处理该位置的边缘。
5.根据上述权利要求中任一权利要求所述的雷达系统，其特征在于，在所述至少一个高频部件的下表面上围绕至少一个发射或接收器件设置有焊珠，以减少或阻止高频部件和电路板的中间空间中的辐射的侧面逸出，从而尤其是避免多个过渡区之间的耦合。
6.根据上述权利要求中任一权利要求所述的雷达系统，其特征在于，具有一导热性良好的组件，尤其是一金属罩盖，其中，该组件与至少一个高频部件设置在电路板的同一侧，优选的是，在高频部件和所述组件之间尤其是通过导热膏建立热接触。
7.根据上述权利要求中任一权利要求所述的雷达系统，其特征在于，在电路板的面向塑料天线的一侧上设置有至少一个构件，其中，该构件被塑料天线中一优选被金属化的空腔覆盖。
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