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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Hochfrequenzchip. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Gehäuse für einen Hochfrequenzchip, welcher in einem Radargerät zur Füllstandmessung eingesetzt wird. Ein weiterer Anspruch ist auf ein Radargerät zur Füllstandmessung gerichtet, wobei das Radargerät das vorstehend genannte Gehäuse für den Hochfrequenzchip umfasst.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus der
EP 2 189 765 A1 der Anmelderin ist ein Hochfrequenzmodul zur Füllstandmessung und zur Verwendung bei Frequenzen von über 75 GHz bekannt. Das Hochfrequenzmodul umfasst einen Mikrowellenhalbleiter, eine Leiterplatte und ein auf die Leiterplatte aufgeklebtes Gehäuse. Zur Reduzierung der benötigten Leistung erfolgt der Betrieb des Mikrowellenhalbleiters getaktet. Ein eingeklebtes Dämpfungsmaterial an einem Gehäusedeckel dient zur Unterdrückung von Gehäuseresonanzen, wobei der Gehäusedeckel auch einen Schutz gegen mechanische Beschädigungen bietet. Ein solches Gehäuse ist gemäß der
EP 2 189 765 A1 jedoch relativ komplex, erfordert den Einsatz besonderer Materialien, Bauteilen und Technologien und ist deshalb nicht kostengünstig herzustellen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann daher insbesondere darin bestehen, ein besonders einfach herzustellendes und kostengünstiges Gehäuse für einen Hochfrequenzchip in einem Radargerät zur Füllstandmessung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Gehäuse für einen Hochfrequenzchip in einem Radargerät zur Füllstandmessung bereitgestellt. Das Gehäuse umfasst einen Hochfrequenzchip mit einem Hochfrequenzanschluss und mit einem Versorgungsanschluss, mehrere horizontale Metalllagen, mehrere vertikale metallische Verbindungsleitungen, und einen äußeren Versorgungsanschluss zur Verbindung des Hochfrequenzchips mit einer Leiterplatte des Radargeräts zur Füllstandmessung.
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Der Hochfrequenzchip ist auf einer der horizontalen Metalllagen elektrisch leitfähig angebracht, insbesondere aufgeklebt, und in eine Polymermasse eingebettet, welche sich zwischen den horizontalen Metalllagen befindet. Der Versorgungsanschluss des Hochfrequenzchips ist über wenigstens eine der horizontalen Metalllagen und über wenigstens eine der vertikalen metallischen Verbindungsleitungen mit dem äußeren Versorgungsanschluss verbunden. Weiterhin ist der Hochfrequenzanschluss des Hochfrequenzchips über wenigstens eine der horizontalen Metalllagen und/oder über wenigstens eine der vertikalen metallischen Verbindungen mit einer Antenne zum Auskoppeln und zum Empfangen von Radarwellen verbunden.
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Das Gehäuse gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist hochfrequenztauglich. Durch das vorstehend beschriebene Vorsehen der horizontalen Metalllagen und der metallischen vertikalen Verbindungsleitungen kann auf eine Kontaktierung des Hochfrequenzchips mithilfe von aus der
EP 2 189 765 A1 bekannten Bonddrähten verzichtet werden. Dadurch kann ein entsprechend zusätzlicher und aufwendiger Fertigungsschritt entfallen, dessen Einsparung einen enormen Kostenvorteil mit sich bringt. Ferner kann auf aus der
EP 2 189 765 A1 bekannte eingelötete Glasdurchführungen verzichtet werden, was weitere Kostenvorteile ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse weiterhin eine in das Gehäuse integrierte Antenne, insbesondere eine planare Antenne, wobei der Hochfrequenzanschluss über wenigstens eine der horizontalen Metalllagen und/oder über wenigstens eine der vertikalen metallischen Verbindungen unmittelbar mit der in das Gehäuse integrierten Antenne verbunden ist. Dabei kann die Antenne planar und auf einer der horizontalen Metalllagen angeordnet sein, insbesondere auf einer horizontalen Metalllage, welche auf einer Oberseite des Gehäuses aufgebracht ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst das Gehäuse weiterhin einen Hohlleiter, wobei der Hochfrequenzanschluss über wenigstens eine der vertikalen metallischen Verbindungen und/oder über wenigstens eine der horizontalen Metalllagen mit dem Hohlleiter verbunden ist, welcher mit der Antenne zum Auskoppeln und zum Empfangen von Radarwellen verbunden ist. Bevorzugt ist eine horizontale Metalllage dazu eingerichtet, ein Hochfrequenzsignal in einen Resonanzraum innerhalb des Gehäuses auszusenden, wobei die Abmessungen des Resonanzraums derart dimensioniert sind, dass sich das Hochfrequenzsignal von der horizontalen Metalllage ablöst und in eine Hohlleiterwelle übergeführt wird, welche über den Hohlleiter ausgekoppelt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Polymermasse unmittelbar oberhalb des Hochfrequenzchips einen Luftraum ausbildet. Die Polymermasse kann eine Dielektrizitätszahl aufweisen, die größer als der Wert 1 ist. Dadurch könnten die Hochfrequenzeigenschaften des Hochfrequenzchips unter Umständen negativ beeinflusst werden, da sich die Hochfrequenzstrukturen üblicherweise direkt auf der Oberfläche des Hochfrequenzchips befinden. Der Luftraum oberhalb des Hochfrequenzchips leistet einen Beitrag, die mögliche negative Beeinflussung der Hochfrequenzeigenschaften des Hochfrequenzchips zu reduzieren.
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Weiterhin kann das Gehäuse eine Kapazität umfassen. Die Kapazität kann innerhalb des Gehäuses neben dem Versorgungsanschluss des Hochfrequenzchips angeordnet und über wenigstens eine der vertikalen Verbindungsleitungen mit dem Versorgungsanschluss des Hochfrequenzchips verbunden sein. Der Versorgungsanschluss des Hochfrequenzchips kann über die Kapazität gegen eine Schaltungsmasse abgeblockt sein. Die Kapazität kann dabei als sogenannte Single-Layer-Kapazität ausgeführt sein und so nahe wie möglich an dem Versorgungsanschluss sitzen, wobei die Kapazität wie der Hochfrequenzchip in die Polymermasse eingebettet sein kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Hochfrequenzchip dazu eingerichtet ist, mit einer getakteten Spannungsversorgung betrieben zu werden. Oftmals werden Schaltungen in der Füllstandmesstechnik mit einer getakteten Spannungsversorgung betrieben, wobei es in einem Meßzyklus Zeiten bzw. Zeiträume gibt, innerhalb welcher nicht benötigte Schaltungsteile von der Spannungsversorgung getrennt werden können, um Energie einzusparen. Der Betrieb des Hochfrequenzchips in dem erfindungsgemäßen Gehäuse ist problemlos und energiesparend mit einer getakteten Spannungsversorgung möglich.
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Weiterhin kann eine der horizontalen Metalllagen eine Abschirmungslage des Gehäuses zur elektromagnetischen Abschirmung und zum Schutz gegen mechanische Beschädigung von Schaltungsstrukturen innerhalb des Gehäuses bilden. Die Abschirmungslage leistet einen Beitrag, den Hochfrequenzchip gegen elektromagnetische Einflüsse von außen zu schützen. Des Weiteren ermöglicht die Abschirmungslage, ungewollte Abstrahlung von dem Hochfrequenzchip oder anderen Schaltungsteilen, welche innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, nach außen zu minimieren. Besonders bevorzugt kann die Abschirmungslage dafür an eine Schaltungsmasse angebunden sein. Die Abschirmungslage ermöglicht weiterhin, mechanische Beschädigung von unter ihr liegenden Schaltungsstrukturen innerhalb des Gehäuses zu verhindern. Die Abschirmungslage ermöglicht, dass insbesondere auf einen aus der
EP 2 189 765 A1 bekannten Metalldeckel zur elektromagnetischen Abschirmung und zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen verzichtet werden kann. Die Abschirmungslage stellt eine kostengünstigere Alternative insbesondere eines solchen Metalldeckels dar.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Radarmodul für ein Radargerät zur Füllstandmessung bereitgestellt. Das Radarmodul umfasst ein Gehäuse gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Radargerät zur Füllstandmessung bereitgestellt. Das Radargerät umfasst ein Radarmodul gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Bezüglich Effekten, Vorteilen und Ausführungsformen des Radarmoduls gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und des Radargeräts gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem Gehäuse gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie auf die folgende Figurenbeschreibung verwiesen.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
- 1 eine Querschnittsdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gehäuses,
- 2 eine Querschnittsdarstellung durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gehäuses und
- 3 eine Querschnittsdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Radargeräts zur Füllstandmessung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein Gehäuse 100 für einen Hochfrequenzchip 113. Das Gehäuse 100 kann ein Bestandteil eines Radargeräts 300 zur Füllstandmessung sein (vgl. 3). In 1 ist ein Hochfrequenzchip 113 dargestellt. Davon abweichend kann das Gehäuse 100 jedoch auch mehrere Hochfrequenzchips 113 aufnehmen.
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Das Gehäuse 100 kann einen metallischen Träger 150 aufweisen, welcher beispielsweise einen ersten Anschluss 101, einen zweiten Anschluss 102 und einen dritten Anschluss 103 umfassen kann. Über diese drei Anschlüsse 101 bis 103 kann das Gehäuse 100 beispielsweise mit einer Lötverbindung auf eine kostengünstige Leiterplatte (nicht gezeigt) aufgebracht werden und mit dieser Leiterplatte elektrisch verbunden werden.
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Auf dem Metallträger 150 ist eine erste horizontale Metalllage 104 aufgebracht, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei auf gleicher Höhe und im Bereich von Durchbrüchen beabstandet voneinander angeordnete Abschnitte 104.1 bis 104.3 umfasst. Unter „horizontal“ kann in diesem Zusammenhang insbesondere eine Orientierung verstanden werden, welche parallel zu einer Leiterplatte oder dem metallischen Träger 150 verläuft. Eine zweite horizontale Metalllage 105 ist von der ersten Metalllage 104 beabstandet angeordnet und umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel fünf auf gleicher Höhe und im Bereich von Durchbrüchen beabstandet voneinander angeordnete Abschnitte 105.1 bis 105.5. Die Abschnitte 105.1 bis 105.5 sind innerhalb der Metalllage 105 miteinander verbunden (nicht dargestellt im Querschnitt in 1). Ferner ist eine dritte horizontale Metalllage 106 von der zweiten Metalllage 105 beabstandet angeordnet und umfasst insgesamt acht auf gleicher Höhe und im Bereich von Durchbrüchen beabstandet voneinander angeordnete Abschnitte 106.1 bis 106.8. Die Abschnitte 106.1 bis 106.4 sind innerhalb der Metalllage 106 miteinander verbunden (nicht dargestellt im Querschnitt in 1). Außerdem gilt dies für die beiden Abschnitte 106.5 und 106.6 und für die beiden Abschnitte 106.7 und 106.8. Außerdem ist eine vierte horizontale Metalllage 107 von der dritten Metalllage 106 beabstandet auf einer Oberseite des Gehäuses 100 angeordnet und umfasst drei auf gleicher Höhe und im Bereich von Durchbrüchen beabstandet voneinander angeordnete Abschnitte 107.1 bis 107.3, wobei wiederum die beiden Abschnitte 107.2 und 107.3 innerhalb der Metalllage 107 verbunden sind (nicht dargestellt im Querschnitt in 1). Bei den Metalllagen 104 bis 107 kann es sich insbesondere um flächige Metalllagen handeln, die mehrere lokale Durchbrüche insbesondere zur Durchführung von Durchkontaktierungen aufweisen, sodass trotz der Durchbrüche die Abschnitte der Metalllagen außerhalb der Durchbrüche miteinander verbunden sind. Von dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach 1 abweichend können beliebig viele Metalllagen in das Gehäuse 100 eingebracht werden, wobei die Metalllagen unterschiedliche vertikale Abstände zueinander annehmen können.
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Zwischen den einzelnen Metalllagen 104 bis 107 befindet sich jeweils eine Polymermasse 108. In dem durch 1 gezeigten Ausführungsbeispiel füllt die Polymermasse 108 - mit Ausnahme eines Luftraums 118 - den gesamten freien Innenraum des Gehäuses 100 aus. Die Polymermasse 108 kann während ihrer Herstellung schichtweise aufgebracht und ausgehärtet werden. Um die Metalllagen 104 bis 107 in die Polymermasse 108 einzubringen, kann eine jeweils freie Polymeroberfläche mit Metall beschichtet werden, sodass eine der horizontalen Metalllagen 104 bis 107 entsteht. Anschließend können die horizontalen Metalllagen 104 bis 107 mit weiteren Schichten des Polymers überzogen werden.
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Neben den horizontalen Metalllagen 104 bis 107 sind in die Polymermasse 108 innerhalb des Gehäuses 100 weiterhin vertikale metallische Verbindungsleitungen eingebracht, welche senkrecht zu den horizontalen Metalllagen 104 bis 107 verlaufen. Diese vertikalen metallischen Verbindungsleitungen können auch als Durchkontaktierungen bezeichnet werden. Die vertikalen metallischen Verbindungsleitungen verbinden jeweils zwei Abschnitte der horizontalen Metalllagen 104 bis 107 miteinander, wobei die vertikalen metallischen Verbindungsleitungen in nahezu beliebiger Form ausgestaltet werden können. Einige der vertikalen metallischen Verbindungsleitungen werden weiter unten näher beschrieben. Die vertikalen metallischen Verbindungsleitungen sind in den 1 und 2 als runde Durchkontaktierungen mit metallisierten Innenwänden ausgeführt, die mit der Polymermasse 108 verfüllt sind.
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Der Hochfrequenzchip 113 kann beispielsweise auf die zweite horizontale Metalllage 105 elektrisch leitfähig aufgeklebt und anschließend in die Polymermasse 108 eingebettet werden. In dem durch 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Hochfrequenzchip 113 auf dem zweiten Abschnitt 105.2, dem dritten Abschnitt 105.3 und dem vierten Abschnitt 105.4 der zweiten horizontalen Metalllage 105 elektrisch leitfähig aufgeklebt.
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Der Hochfrequenzchip 113 weist zwei Anschlussflächen 114 und 115 auf, wobei eine der Anschlussflächen einen Hochfrequenzanschluss 114 bildet, und wobei die andere der Anschlussflächen einen Versorgungsanschluss 115 bildet. Der Versorgungsanschluss 115 des Hochfrequenzchips 113 ist über eine Kapazität 119 gegen eine Schaltungsmasse abgeblockt. Die Kapazität 119 kann als sogenannte Single-Layer-Kapazität ausgeführt sein und sitzt so nahe wie möglich an dem Versorgungsanschluss 115, wobei die Kapazität 119 ebenfalls in die Polymermasse 108 eingebettet ist. Die Kapazität 119 sitzt somit unmittelbar neben dem Versorgungsanschluss 115 des Hochfrequenzchips 113 und ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Hochfrequenzchip 113 über eine erste vertikale metallische Verbindungsleitung 117 und über eine zweite vertikale metallische Verbindungsleitung 120 sowie den zwischen den beiden Verbindungsleitungen 117 und 120 befindlichen dritten Abschnitt 106.3 der dritten horizontalen Metalllage 106 verbunden.
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Die Spannungsversorgung wird dem Hochfrequenzchip 113 von außen beispielsweise über den ersten Anschluss 101, welcher mit der Leiterplatte verlötet sein kann, zugeführt. Der erste Anschluss 101 kann dabei elektrisch leitend mit dem ersten Abschnitt 104.1 der ersten horizontalen Metalllage 104 verbunden sein. Der erste Abschnitt 104.1 der ersten horizontalen Metalllage 104 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem zweiten Abschnitt 106.2 der dritten horizontalen Metalllage 106 über eine dritte vertikale metallische Verbindungsleitung 110 verbunden. Die zweite vertikale metallische Verbindungsleitung 120 verbindet zusätzlich den zweiten Abschnitt 106.2 der dritten horizontalen Metalllage 106 mit der Kapazität 119. Der Hochfrequenzchip 113, welcher sich in dem Gehäuse 100 eingebettet in die Polymermasse 108 befindet, kann ohne Probleme mit einer getakteten Spannungsversorgung betrieben werden.
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Die vierte Metalllage 107, genauer gesagt deren erster Abschnitt 107.1, der oberhalb des Hochfrequenzchips 113 angeordnet ist, bildet eine Abschirmungslage 121, welche einen Beitrag leistet, den Hochfrequenzchip 113 gegen elektromagnetische Einflüsse von außen zu schützen. Des Weiteren ermöglicht die Abschirmungslage 121, ungewollte Abstrahlung von dem Hochfrequenzchip 113 oder anderen Schaltungsteilen, welche innerhalb des Gehäuses 100 angeordnet sind, nach außen zu minimieren. Besonders bevorzugt kann die Abschirmungslage 121 dafür an eine Schaltungsmasse (nicht gezeigt) angebunden sein. Die Abschirmungslage ermöglicht weiterhin, mechanische Beschädigung von unter ihr liegenden Schaltungsstrukturen innerhalb des Gehäuses 100 zu verhindern.
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Der Hochfrequenzanschluss 114 ist in dem durch 1 gezeigten Ausführungsbeispiel über eine vierte vertikale metallische Verbindungsleitung 116, den sechsten Abschnitt 106.6 der dritten horizontalen Metalllage 106, eine fünfte vertikale metallische Verbindungsleitung 111 sowie den zweiten und dritten Abschnitt 107.2 und 107.3 der vierten horizontalen Metalllage 107 mit einer planaren Antennenstruktur 123 verbunden, welche sich auf der Oberseite des Gehäuses 100 befindet. Die Antennenstruktur 123 umfasst die Teile 107.2 und 107.3 der vierten horizontalen Metalllage 107 und kann alternativ auch auf den innerhalb des Gehäuses 100 angeordneten anderen horizontalen Metalllagen 104 bis 106 vorgesehen werden.
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Über dem Hochfrequenzchip 113 ist weiterhin ein Luftraum 118 der Polymermasse 108 ausgespart. Die Polymermasse 108 kann eine Dielektrizitätszahl aufweisen, deren Wert größer als „1“ ist. Dadurch könnten die Hochfrequenzeigenschaften des Hochfrequenzchips 113 unter Umständen negativ beeinflusst werden, da sich die Hochfrequenzstrukturen üblicherweise direkt auf der Oberfläche des Hochfrequenzchips 113 befinden. Der Luftraum 118 oberhalb des Hochfrequenzchips 113 leistet einen Beitrag, die mögliche negative Beeinflussung der Hochfrequenzeigenschaften des Hochfrequenzchips 113 zu reduzieren.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gehäuses 100, welches dem Gehäuse 100 nach 1 ähnlich ist und sich im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass ein Hohlleiter 201 anstatt der integrierten Antenne 123 vorgesehen ist, wobei der Hohlleiter 201 mit einer nicht gezeigten Antenne verbunden sein kann, über welche ein Hochfrequenzsignal abgesendet und dessen Echo wieder empfangen werden kann. Weiterhin sind auch die horizontalen Metalllagen 104 bis 107 und die metallischen vertikalen Verbindungsleitungen teilweise modifiziert, um eine Auskopplung und ein Empfangen von Signalen wie im Folgenden beschrieben zu ermöglichen.
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Ein Hochfrequenzsignal kann über den aufgesetzten Hohlleiter 201 ausgekoppelt werden und dessen Echo auch über den aufgesetzten Hohlleiter 201 wieder dem Hochfrequenzchip 113 zugeführt werden. Hierzu ist der Hochfrequenzanschluss 114 des Hochfrequenzchips 113 über die vierte metallische vertikale Verbindungsleitung 116 mit dem sechsten Abschnitt 106.6 der dritten horizontalen Metalllage 106 verbunden. Der sechste Abschnitt 106.6 der dritten horizontalen Metalllage 106 führt das Hochfrequenzsignal in einen Resonanzraum 204 des Hohlleiters 201 ein.
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Die Abmessungen des Resonanzraums 204 sind derart dimensioniert, dass sich die Welle von dem sechsten Abschnitt 106.6 der dritten horizontalen Metalllage 106 ablöst und in eine Hohlleiterwelle übergeführt wird, welche dann über den aufgesetzten Hohlleiter 201 ausgekoppelt werden kann. Insbesondere bestimmt ein Abstand einer rückwärtigen Begrenzung 205 des Resonanzraums 204 von dem sechsten Abschnitt 106.6 der dritten horizontalen Metalllage 106 die Hochfrequenzeigenschaften des Übergangs. Bei der rückwärtigen Begrenzung 205 kann es sich um eine weitere horizontale Metalllage handeln, welche sich auf die Höhe bezogen zwischen der ersten horizontalen Metalllage 104 und der zweiten horizontalen Metalllage 105 befindet. Um die rückwärtige Begrenzung 205 in die Polymermasse 108 einzubringen, kann eine freie Polymeroberfläche mit Metall beschichtet werden, sodass die rückwärtige Begrenzung 205 entsteht. Anschließend kann die rückwärtige Begrenzung 205 mit weiteren Schichten des Polymers überzogen werden. An den Hohlleiter 201 kann sich beispielsweise eine Antenne anschließen (nicht durch 2 gezeigt), über welche das Hochfrequenzsignal abgesendet und wieder empfangen werden kann.
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3 zeigt ein Radargerät 300 zur Füllstandmessung. Das Radargerät 300 umfasst einen Füllstandsensor 301, welcher an einem Behälter 305 angebracht ist, der mit einem Füllgut 306 teilweise gefüllt ist. Der Füllstandsensor 301 sendet ein Radarsignal 304 in Richtung einer Oberfläche 310 des Füllguts 306 ab. Das Radarsignal 304 wird an der Oberfläche 310 des Füllguts 306 reflektiert und gelangt über eine Antenne 303 zurück in den Füllstandsensor 301. Über die Laufzeit des Radarsignals 304 vom Füllstandsensor 301 zur Oberfläche 310 des Füllguts 306 und zurück in den Füllstandsensor 301 kann der Füllstand des Füllguts 306 bestimmt werden. Der Füllstandsensor 301 umfasst ein Radarmodul 307, welches wiederum ein Gehäuse 100 mit einem oder mit mehreren integrierten Hochfrequenzchips 113 - wie durch 1 oder 2 gezeigt - aufweisen kann.
