CN113678317A - 具有微波芯片的雷达模块 - Google Patents
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Abstract
一种被配置为用于工厂监测的雷达模块，其包括具有雷达信号源、耦合元件和共振室的微波芯片，其中，耦合元件突出到共振室中。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年4月2日提交的德国专利申请10 2019 204 680.0的优先权，其全部内容通过引入方式并入本文。
技术领域
本发明涉及用于过程自动化的雷达测量技术。特别地，本发明涉及被设置为用于工厂监测的雷达模块、具有这种雷达模块的雷达测量装置、雷达模块的用于填充物位测量、极限物位测量或工厂自动化的用途以及用于制造雷达模块的方法。
背景技术
雷达测量装置被用于过程自动化，特别是诸如填充物位测量、极限物位测量或物体识别等工厂监测。
雷达信号由雷达信号源产生并耦合到波导或天线中，然后从波导或天线向要监测的物体或填充材料发射雷达信号。
为此，波导耦合结构的通常设计具有金属引脚、鳍、贴片天线或类似结构。微波信号通常通过接合连接与承载板上的电路器件(例如，微带结构)连接。天线也可以直接集成在芯片上(片上天线)，但它只能与介电透镜结合才能产生良好的定向效果。
例如，这类雷达模块用于物位雷达装置，并被实施为用于80GHz范围内的W波段频率。
发明内容
本发明的目的是给出一种替代的用于工厂监测的雷达模块。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。本发明的改进示例在从属权利要求和以下实施例的说明中得出。
本发明的第一方面涉及一种被配置为用于自动化技术(即，工厂监测)的雷达模块，该雷达模块包括微波芯片。微波芯片包括被配置为产生雷达信号的雷达信号源。该微波芯片还包括耦合元件，其中，耦合元件和雷达信号源通过信号连接件连接，信号连接件例如为微带线的形式。然而，由于连接件位于芯片本身上，因此最有可能使用非常短的用于芯片上的电路器件的电气连接件。微波芯片中设置有共振室(Resonanzraums)，耦合元件突出到共振室中，其中，耦合元件被配置为将雷达信号耦合到共振室中。
术语“自动化技术”可以理解为技术的一个子领域，其包含无人工参与的操作机器和设备的所有措施。与此相关的过程自动化的一个目标是在化学、食品、制药、石油、造纸、水泥、航运或矿业领域中使工厂的各个部件的交互自动化。为此，可以使用大量的传感器，这些传感器特别适用于过程工业的诸如机械稳定性、对于污染物的不敏感性、极端温度、极端压力等特定要求。通常将这些传感器的测量值传送到控制室，在控制室中可以监测诸如填充物位、极限物位、流量、压力或密度等过程参数，并且可以手动或自动更改整个工厂的设置。
自动化技术的一个子领域涉及物流自动化。在物流自动化领域中，借助于距离传感器和角度传感器使建筑物内或单个物流设备内的过程自动化。典型的应用是用于以下领域的物流自动化系统：机场的办理行李和货物托运处理领域、交通监控领域(收费系统)、贸易领域、包裹配送或还有建筑物安全(访问控制)领域。先前列出的示例的共同点在于，各个应用端都需要将存在检测与物体大小和位置的精确测量结合起来。为此，可以使用借助于激光、LED、2D相机或3D相机的基于光学测量方法的传感器，这些传感器根据渡越时间原理(ToF：time of flight)检测距离。
自动化技术的另一子领域涉及工厂/制造自动化。在诸如汽车制造业、食品制造业、制药业或一般包装行业等许多行业中，都可以见到这种应用示例。工厂自动化的目的是使通过机器、生产线和/或机器人执行的货物生产自动化，即，在没有人工参与的情况下运行。在此使用的传感器以及在检测物体的位置和大小时对于测量精度的特定要求与上述物流自动化示例中的传感器和特定要求相当。
例如，工厂监测可以是填充物位或极限物位测量。雷达模块还可被配置为监测机器的危险区域，例如在危险区域监测的情况下检测或甚至识别物体，或检测和计数传送带上的物体或确定传送带上松散材料的质量流量。
微波芯片的高频信号(雷达信号)不必首先传输到印刷电路板。这通常借助于作为连接技术的引线接合(Wirebonden)来完成，这在HF技术方面可能是不利的。在此也可以进行倒装芯片安装。
雷达信号源与耦合元件之间的信号连接件可被配置为具有尽可能小的衰减，从而尽可能少地影响雷达模块的灵敏度。由于未设置用于将耦合元件连接到雷达信号源的接合线，因此接合线的长度和位置的波动不会对雷达模块的性能产生负面影响。
由于雷达信号(微波信号)可以直接从微波芯片耦合到波导或天线中，特别是因为耦合元件就是微波芯片的一部分，因此可以最小化机械公差。
除耦合元件之外，共振室也集成在芯片中。这对于例如超过200GHz的非常高的频率是特别有利，因为在该频率范围内耦合元件、波导和天线的结构和尺寸相应较小。特别是带有耦合结构的微波芯片可以灵活地用于不同的天线。
核心方面可被认为是：将来自微波芯片的雷达信号直接耦合到波导中，其中，耦合元件和共振室是微波芯片的一部分。耦合元件和共振室的尺寸可以更小，或是微波芯片尺寸的数量级。
根据一实施例，共振室由金属罐形成，微波芯片完全或至少部分地布置在该金属罐中。共振室是馈送几何结构的一部分，并位于芯片内/上或其周围。可以将芯片嵌入到共振室中。
例如，可以铣出芯片的一个区域，使得“罐”可放置在芯片上，或芯片基本上完全位于由罐形成的共振室内。
根据另一实施例，共振室具有金属化底部和形成在微波芯片中的侧向金属化部。例如，侧向金属化部可以被实施为金属化通孔(过孔)的环形结构的形式。
根据另一实施例，微波芯片具有形成共振室的空腔。可以金属化该空腔的内表面。
根据另一实施例，雷达模块包括波导，该波导被配置为在要监测的物体方向上引导耦合的雷达信号，该物体例如是填充材料、松散材料或人员。
根据另一实施例，雷达模块包括被配置为聚焦雷达信号的透镜。特别地，微波芯片、波导和透镜可以一体地制造，即，例如使用多组分注塑成型工艺(Mehrkomponentenspritzgieβverfahrens)相互连接。
根据另一实施例，波导布置在微波芯片的上侧，其中，金属罐的底部布置在微波芯片的下侧，使得波导和金属罐至少部分地包围微波芯片，以便形成共振室。耦合元件与雷达信号源之间的信号连接件布置在微波芯片的上侧或内部。
根据另一实施例，耦合元件包括耦合引脚、贴片天线或适用于耦合雷达信号的另一结构。根据另一实施例，雷达模块包括天线，该天线被配置为在要监测的物体的方向上发射耦合的雷达信号。天线例如是天线喇叭，或是波导部分和与其连接的天线喇叭或天线连接件的组合。
微波芯片可具有顶层(也被称为上层或上侧)和底层(也被称为下层或下侧)，其中，耦合元件和雷达信号源之间的信号连接件布置在微波芯片的顶层上或微波芯片内部，并且其中，天线布置在底层上。
因此，耦合元件将要发射的雷达信号辐射穿过芯片，以便随后由天线发射。
根据另一实施例，雷达模块被实施为产生具有大于200GHz的传输频率的雷达信号。
根据另一实施例，共振室的直径小于1.5mm。
根据另一实施例，共振室的直径小于微波芯片的直径。
另一方面涉及一种具有上述和下述的雷达模块的雷达测量装置。
另一方面涉及一种用于填充物位测量、极限物位测量或工厂自动化的上述和下述的雷达模块的用途。
另一方面涉及一种用于制造上述和下述的雷达模块的方法，其中，将雷达信号源、耦合元件、雷达信号源与耦合元件之间的信号连接件以及共振室设置在微波芯片上或微波芯片中，其中，耦合元件突出到共振室中。
例如，共振室可被设计为芯片中的空腔形式，其内壁被金属化。也可以提供例如以沿圆形路径布置的多个金属线形式的连续或间断的环形金属化部，以在芯片中形成例如金属化通孔(过孔)形式的共振室。
下面将参考附图说明实施例。这些附图是示意性的，且未按比例绘制。如果在以下附图说明中使用相同的附图标记，则它们表示相同或相似的元件。
附图说明
图1示出了根据一实施例的雷达模块。
图2示出了根据另一实施例的雷达模块。
图3示出了根据一实施例的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据一实施例的雷达测量装置114的雷达模块100的一小部分。雷达模块用于过程自动化领域，特别是用于工厂监测。
该雷达模块包括微波芯片101，在微波芯片上或中形成有雷达信号源104。设置有诸如耦合引脚或天线贴片等耦合元件102，其中，耦合元件和雷达信号源通过信号连接件103相互连接。芯片本身形成被金属化部106、107包围的共振室105。在图1的情况下，该金属化部被设计为底部106位于下侧的金属罐的形式。耦合元件102被配置为将由雷达信号源产生的雷达信号耦合到共振室105和波导109中。波导109然后将所耦合的雷达信号传输到天线，该天线朝向要监测的物体发射该雷达信号。
雷达信号从微波芯片直接耦合到波导109中。在非常高的频率(大于200GHz)的情况下，波导109的尺寸小于微波芯片的尺寸或至少是相似的尺寸。例如，在200GHz以上频率范围内，圆形波导109的直径小于1.5mm。微波芯片的尺寸在类似的范围内。波导109完全耦合在微波芯片上或与微波芯片耦合。
例如耦合引脚形式的耦合元件102位于芯片表面(顶层)上。波导109布置在耦合元件102上。这意味着芯片(至少部分或甚至完全)位于波导或与其相邻的罐106、107的内部。
共振室105由微波芯片的材料构成。以此方式形成的“罐”的侧壁是金属化结构。可以通过将芯片研磨到相应的厚度并然后将其以导电方式粘附到底部106而产生罐底侧处的金属化部。
耦合元件102可以位于顶层上或可被设置在微波芯片的内层中。
用于信号聚束的透镜可布置在整个组件上或波导109内(参见图2中的透镜110)。透镜可以与片状填充(stückgefüllten)的波导109一起安装在该组件上。还可以提供具有圆形波导109的小型天线喇叭111(参见图2)。
在一实施例中，将芯片与作为插入件的一段波导(可能包括可选的透镜)注塑成型，并可以在标准壳体形式(QFN等)中用作SMD部件。这同样适用于具有相应圆形波导端子的小型天线喇叭。在此，喇叭直径在几毫米的范围内。
图2示出了发射方向旋转180°(即，穿过芯片)的另一实施例。在此，具有圆形波导连接件109或波导的天线111被放置在芯片的背面上。在这种情况下，附图标记112表示芯片的上面布置有接合焊盘116和背侧金属化部106的上侧(顶层)。附图标记113表示微波芯片的上面布置有带有天线111的圆形波导109的背侧或下侧(底层)。
为此必须准确地放置芯片。这种布置的一个优点是芯片的剩余触点116(用于电源等)可被安装在顶层。天线的机械端子布置在芯片的另一侧上，因此它们不会损坏接合连接。
载体115可以通过接合焊盘116和相应的接合连接件来接收信号。载体115可由各种材料制成。它可被实施为小型接线板。天线连接器109、111可以不同地构造。共振室105例如以空腔或凹槽108的形式集成在芯片中。作为凹槽的替代，将金属化部107嵌入到芯片101中。
图3示出了根据一实施例的方法的流程图。在步骤301中，制造具有雷达信号源的微波芯片。在步骤302中，特别是通过在芯片中或替代地在芯片中的凹槽内壁上设置圆柱形连续或间断的金属化部而在芯片中产生共振室。在步骤303中，通过信号连接件将突出到共振室中的耦合元件与雷达信号源连接。这些步骤能够以不同的顺序实施。
另外，应指出，“包括”和“具有”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。还应指出，已经参考其中一个上述示例性实施例说明的特征或步骤也可以与上述其他示例性实施例的其他特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应被视为限制。
Claims (15)
1.一种被配置为用于工厂监测的雷达模块(100)，其包括微波芯片(101)，所述微波芯片具有：
雷达信号源(104)，其被配置为产生雷达信号；
耦合元件(102)，其中，所述耦合元件和所述雷达信号源通过信号连接件(103)连接；
共振室(105)，所述耦合元件突出到所述共振室中；
其中，所述耦合元件被配置为将所述雷达信号耦合到所述共振室中。
2.根据权利要求1所述的雷达模块(100)，
其中，所述共振室(105)由内衬有导电材料的罐形成，所述罐全部或部分地布置在所述微波芯片(101)中。
3.根据权利要求1或2所述的雷达模块(100)，
其中，所述共振室具有金属化底部(106)和形成在所述微波芯片(101)中的侧向金属化部(107)。
4.根据前述任一项权利要求所述的雷达模块(100)，
其中，所述微波芯片(101)具有形成所述共振室的空腔(108)。
5.根据前述任一项权利要求所述的雷达模块(100)，其还包括：
波导(109)，其被配置为将耦合的所述雷达信号朝向要监测的物体引导。
6.根据权利要求5所述的雷达模块(100)，其还包括：
透镜(110)，其被配置为聚焦所述雷达信号；
其中，特别是使用多组分注塑成型工艺，一体地制造所述微波芯片(101)、所述波导(109)和所述透镜(110)。
7.根据权利要求5或6所述的雷达模块(100)，
其中，所述波导(109)布置在所述微波芯片(101)的上侧，并且所述金属罐的所述底部(106)布置在所述微波芯片的下侧，使得所述波导(109)和所述金属罐至少部分地包围所述微波芯片并形成所述共振室。
8.根据前述任一项权利要求所述的雷达模块(100)，
其中，所述耦合元件(102)是耦合引脚和/或贴片天线。
9.根据前述任一项权利要求所述的雷达模块(100)，其还包括：
天线(111)，其被配置为在要监测的物体的方向上辐射耦合的所述雷达信号；
其中，所述微波芯片(101)包括顶层(112)和底层(113)；
其中，所述耦合元件(102)与所述雷达信号源(104)之间的所述信号连接件(103)布置在所述顶层上或在所述微波芯片的内部。
其中，所述天线布置在所述底层上。
10.根据前述任一项权利要求所述的雷达模块(100)，
所述雷达模块被配置为产生传输频率大于200GHz的雷达信号。
11.根据前述任一项权利要求所述的雷达模块(100)，
其中，所述共振室(105)的直径小于1.5mm。
12.根据前述任一项权利要求所述的雷达模块(100)，
其中，所述共振室(105)的直径小于所述微波芯片(101)的直径。
13.一种包括根据前述任一项权利要求所述的雷达模块(100)的雷达测量装置(114)。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的雷达模块(100)的用于填充物位测量、极限物位测量或工厂自动化的用途。
15.一种用于制造雷达模块(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
在微波芯片(101)上或中设置雷达信号源(104)、耦合元件(102)、所述雷达信号源与所述耦合元件之间的信号连接件(103)以及共振室(105)，
其中，所述耦合元件突出到所述共振室中。
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