DE102018215459A1

DE102018215459A1 - Radarsensorarchitektur

Info

Publication number: DE102018215459A1
Application number: DE102018215459.7A
Authority: DE
Inventors: Felix Erfurth; Miroslav Knezevic
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-03-12
Also published as: WO2020053283A1

Abstract

Antennenmodul 300, umfassend eine Leiterplatte 311, die einen RF-Chip 301 trägt, sowie eine Hohlleiterantennenstruktur 310, die mit dem RF-Chip 301 gekoppelt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Radarsensorarchitektur, insbesondere ein Antennenmodul mit RF-Abschirmung.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Die Radar-Technologie („Radio Detection and Ranging“) bezieht sich auf Vorrichtungen, Verfahren und Systeme zur Ortung und Erkennung von Objekten auf Basis von elektromagnetischen Wellen im Radiofrequenzbereich. Das Radar sendet ein elektromagnetisches Signal und empfängt Echos von Objekten. Mittels der Radar-Technologie kann beispielsweise über die Auswertung von Laufzeiten eine Position und unter Berücksichtigung von Frequenzsignaländerung (Doppler-Effekt) eine relative Geschwindigkeit eines Objekts ermittelt werden.
Die Radar-Technologie wird beispielsweise in autonomen oder teilautonomen Fahrzeugen eingesetzt. Autonome Fahrzeuge erhalten mittels Radar Position und Geschwindigkeiten von Objekten, wie anderen Verkehrsteilnehmern oder Hindernissen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Radarsensorarchitektur bzw. ein entsprechendes Antennenmodul bereitzustellen, bei der das Verhalten der Radarsensorarchitektur optimiert wird.
Diese Aufgabe wird durch das Antennenmodul nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Gemäß den unten beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein Antennenmodul bereitgestellt, umfassend eine Leiterplatte, die einen RF-Chip trägt, sowie eine Hohlleiterantennenstruktur, die mit dem RF-Chip gekoppelt ist.
Bei dem Antennenmodul kann es sich beispielsweise um eine Vorrichtung zur Erkennung- und Ortung von Objekten auf der Basis elektromagnetischer Wellen im Radiofrequenzbereich wie beispielsweise einen Radarsensor handeln. Das Antennenmodul kann mehrere Sendeantennen und Empfangsantennen für beispielsweise den Millimeterwellenbereich umfassen, die als Hohlleiterantennenstruktur angeordnet sind.
Bei dem RF-Chip kann es sich beispielsweise um einen Single-Chip-Radar handeln, bei dem mehrere Antennen für beispielsweise den Millimeterwellenbereich (hier n Sendeantennen TX und m Empfangsantennen RX) an einen Chip gekoppelt sind. Eine solche Integration ist möglich, da der Radar-Frequenzbereich winzige Antennen möglich macht.
Bei der Hohlleiterantennenstruktur handelt es sich vorzugsweise um eine 3D-Hohlleiterantennenstruktur. Die Hohlleiterantennenstruktur ist beispielsweise dazu ausgelegt, elektromagnetischen Wellen im Radiofrequenzbereich über ein oder mehrere Hohlräume zu transportieren und auszusenden und/oder Echosignale der gesendeten elektromagnetischen Wellen zu empfangen und zum RF-Chip zu transportieren. Die Hohlleiterantennenstruktur umfasst hierfür Kanäle die als Wellenleiter dienen. Dadurch bleibt die Verteilung des Feldes der injizierten Welle weitgehend erhalten und der Übergang in den freien Raum ist praktisch frei von Reflexionen.
Weist das Antennenmodul mehrere Antennen auf, die zu einem Radar-Array zusammengeschaltet sind, kann das Antennenmodul auf der Grundlage von Beamforming auch mehrdimensionale Radardaten gemäß einem Azimuth- und/oder Elevationswinkel erzeugen.
Die Leiterplatte ist mit elektronischen Bauteilen bestückt und besteht vorzugsweise aus mehreren dicht gepackten Schichten aus beispielsweise schwer entflammbaren und flammenhemmenden Verbundwerkstoffen (FR-4).
Die direkte Kopplung zwischen der Hohlleiterantennenstruktur und dem RF-Chip ermöglicht es, eine Hohlleiterantennenstruktur auf dem RF-Chip an der genauen Position ohne Verwendung zusätzlicher Passstifte anzubringen. Die Öffnungskanäle der Hohlleiterantennenstruktur können so beispielsweise exakt auf den Einspeisepunkten des RF-Chips positioniert werden. Der RF-Chip hat beispielsweise Pins, an welche zumindest eine kurze Leitung anschließt, welcher zu einer abstrahlenden Struktur wie einem Patch, einem kleinen dielektrischen Resonator, oder dergleichen führt. Diese Struktur kann dann direkt in die 3D-Antenne strahlen. Es ist aber auch eine Kombination aus Antenne und Patch denkbar, bei der die abstrahlende Struktur direkt auf oder am RF-Chip sitzt.
Die Hohlleiterantennenstruktur ist vorzugsweise dazu ausgelegt, eine Abschirmung des RF-Chip zu bewirken. Durch die Hohlleiterantennenstruktur wird beispielsweise eine Abschirmung der RF-Signale realisiert. Ist die Hohlleiterantennenstruktur dazu ausgelegt, eine Abschirmung des RF-Chip zu bewirken, so kann es vermieden werden, zusätzliche Bleche (RF-Shielding) vorzusehen. Es wird mehr Platz auf der Leiterplatte gewonnen und es werden auch keine gesonderten Bauteile (Bleche) designt, gefertigt oder zusammengefügt.
Gemäß einer Ausführungsform, weist die Hohlleiterantennenstruktur eine Wandstruktur auf, die eine Abschirmung des RF-Chip bewirkt. Die Wandstruktur der Hohlleiterantennenstruktur schirmt zusätzliche parasitäre Abstrahlung/Einstrahlung der RF-Chips ab. Daher werden auch zusätzliche Bleche (RF-Shielding), welche normalerweise über den RF-Chip gestülpt und auf der Leiterplatte befestigt werden, vermieden.
Gemäß einer Ausführungsform, umschließt die Wandstruktur den RF-Chip im Wesentlichen.
Gemäß einer Ausführungsform, weist die Hohlleiterantennenstruktur eine Wandstruktur auf, die zur strukturellen Verbindung der Hohlleiterantennenstruktur mit der Leiterplatte dient.
Gemäß einer Ausführungsform, weist die Hohlleiterantennenstruktur einen Bereich auf, der zur Ausrichtung der Hohlleiterantennenstruktur auf der Leiterplatte dient. Durch die Hohlleiterantennenstruktur wird beispielsweise eine genaue Positionierung und Orientierung der Hohlleiterantennenstruktur auf der Leiterplatte bzw. dem RF-Chip realisiert. Weist die Hohlleiterantennenstruktur einen Bereich auf, der zur Ausrichtung der Hohlleiterantennenstruktur auf der Leiterplatte dient, so kann es vermieden werden, zusätzliche Passstifte vorzusehen. Es wird mehr Platz auf der Leiterplatte gewonnen und es werden auch keine gesonderten Bauteile (Passstifte) designt, gefertigt oder zusammengefügt.
Gemäß einer Ausführungsform, weist die Leiterplatte ein oder mehrere Aussparungen auf, die zur strukturellen Verbindung der Hohlleiterantennenstruktur mit der Leiterplatte dienen.
Die Aussparungen sind beispielsweise dazu ausgelegt, Teile der Hohlleiterantennenstruktur aufzunehmen. Beispielsweise könnte die Hohlleiterantennenstruktur eine Wandstruktur aufweisen, der in die Aussparungen eingreift. Die Aussparungen sind beispielsweise dazu ausgelegt, eine „Nut“ eines „Nut-Feder“-Systems zu bilden, wobei in die Nut ein Vorsprung der Hohlleiterantennenstruktur eingesteckt wird, der als „Feder“ dient. Die Verbindung zwischen Nut und Feder ist beispielsweise formschlüssig senkrecht zur Leiterplatte.
Gemäß einer Ausführungsform, erstreckt sich ein Teil der Hohlleiterantennenstruktur bis zu einer metallisierten Schicht, die als Erdung dient.
Gemäß einer Ausführungsform, umfasst die Hohlleiterantennenstruktur ein oder mehrere Hohlleiterantennen, die durch Leitungen mit dem RF-Chip verbunden sind, und wobei die Hohlleiterantennenstruktur eine Wandstruktur aufweist, die Durchgänge für die Leitungen aufweist. Die Leitungen müssen nicht zwingend in mechanischem Kontakt mit der Hohlleiterantennenstruktur sein. Es können auch Abstrahlelemente vorgesehen (Patches) werden, die in die Ports der Hohlleiterantennenstruktur hineinstrahlen.
Gemäß einer Ausführungsform, sind Aussparungen dazu ausgelegt, einen Passstift aufzunehmen, der Teil der Hohlleiterantennenstruktur ist.
Ausführungsformen werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 ein Blockdiagramm zeigt, das schematisch die Konfiguration eines Fahrzeugs mit einer Steuerungseinheit für autonomes (oder teilautonomes) Fahren darstellt,
2 ein Blockdiagramm zeigt, das eine beispielhafte Konfiguration einer Steuerungseinheit (ECU 1, 2, 3, 4 und 5 in 1) darstellt,
3 ein Blockdiagramm zeigt, das eine beispielhafte Konfiguration einer Radareinheit darstellt,
4 einen Querschnitt eines Antennenmoduls zeigt, wobei der Querschnitt der Linie S1 von 6 folgt,
5 einen weiteren Querschnitt eines Antennenmoduls zeigt,
6 eine Draufsicht einer Leiterplatte zeigt, und
7 das Prinzip der Durchkontaktierungen durch eine mehrlagige Leiterplatte zeigt.

1 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch die Konfiguration eines Fahrzeugs mit einer Steuerungseinheit für autonomes (oder teilautonomes) Fahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das autonome Fahrzeug ist ein Fahrzeug, das ohne Einfluss eines menschlichen Fahrers im Straßenverkehr agieren kann. Beim autonomen Fahren übernimmt das Steuerungssystem des Fahrzeugs vollständig oder weitestgehend die Rolle des Fahrers. Autonome (bzw. teilautonome) Fahrzeuge können mit Hilfe verschiedener Sensoren ihre Umgebung wahrnehmen, aus den gewonnenen Informationen ihre Position und die anderen Verkehrsteilnehmer bestimmen und mithilfe des Steuerungssystems und der Navigationssoftware des Fahrzeugs das Fahrziel ansteuern und im Straßenverkehr entsprechend agieren.
Das autonome Fahrzeug 1 umfasst mehrere elektronische Komponenten, welche via ein Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 miteinander verbunden sind. Das Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 kann beispielsweise ein im Fahrzeug eingebautes standardgemäßes Fahrzeugkommunikationsnetzwerk wie etwa ein CAN-Bus (controller area network), ein LIN-Bus (local interconnect network), ein Ethernet-basierter LAN-Bus (local area network), ein MOST-Bus, ein LVDS-Bus oder dergleichen sein.
In dem in 1 dargestellten Beispiel umfasst das autonome Fahrzeug 1 eine Steuerungseinheit 12 (ECU 1), die ein Lenksystem steuert. Das Lenksystem bezieht sich dabei auf die Komponenten, die eine Richtungssteuerung des Fahrzeugs ermöglichen. Das autonome Fahrzeug 1 umfasst ferner eine Steuerungseinheit 14 (ECU 2), die ein Bremssystem steuert. Das Bremssystem bezieht sich dabei auf die Komponenten, die ein Bremsen des Fahrzeugs ermöglichen. Das autonome Fahrzeug 1 umfasst ferner eine Steuerungseinheit 16 (ECU 3), die einen Antriebsstrang steuert. Der Antriebsstrang bezieht sich dabei auf die Antriebskomponenten des Fahrzeugs. Der Antriebsstrang kann einen Motor, ein Getriebe, eine Antriebs-/Propellerwelle, ein Differential und einen Achsantrieb umfassen.
Das autonome Fahrzeug 1 umfasst ferner eine Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18 (ECU 4). Die Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18 ist dazu ausgelegt, das autonome Fahrzeug 1 so zu steuern, dass dieses ganz oder teilweise ohne Einfluss eines menschlichen Fahrers im Straßenverkehr agieren kann. Die Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18 steuert ein oder mehrere Fahrzeugsubsysteme, während das Fahrzeug im autonomen Modus betrieben wird, nämlich das Bremssystem 14, das Lenksystem 12 und das Antriebssystem 14. Hierfür kann die Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18 beispielsweise über das Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 mit den entsprechenden Steuerungseinheiten 12, 14 und 16 kommunizieren.
Die Steuerungseinheiten 12, 14 und 16 können ferner von den oben genannten Fahrzeugsubsystemen Fahrzeugbetriebsparameter empfangen, die diese mittels einem oder mehreren Fahrzeugsensoren erfassen. Fahrzeugsensoren sind vorzugsweise solche Sensoren, die einen Zustand des Fahrzeugs oder einen Zustand von Fahrzeugteilen erfassen, insbesondere deren Bewegungszustand. Die Sensoren können einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, einen Gierraten-Sensor, einen Beschleunigungssensor, einen Lenkradwinkelsensor, einen Fahrzeuglastsensor, Temperatursensoren, Drucksensoren und dergleichen umfassen. Beispielsweise können auch Sensoren entlang der Bremsleitung angeordnet sein, um Signale auszugeben, die den Bremsflüssigkeitsdruck an verschiedenen Stellen entlang der hydraulischen Bremsleitung anzeigen. Andere Sensoren in der Nähe des Rades können vorgesehen sein, welche die Radgeschwindigkeit und den Bremsdruck erfassen, der am Rad aufgebracht wird.
Die Fahrzeugsensorik des autonomen Fahrzeugs 1 umfasst ferner eine Satellitennavigationseinheit 24 (GPS-Einheit) und einen oder mehrere optische Sensoren 20, die dazu ausgelegt sind, optische Informationen zu erfassen. Die optischen Sensoren 20 können innerhalb des Fahrzeugs oder außerhalb des Fahrzeugs angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Kamera in einem vorderen Bereich des Fahrzeugs 1 zur Aufnahme von Bildern eines vor dem Fahrzeug befindlichen Bereichs eingebaut sein.
Das autonome Fahrzeug 1 umfasst ferner eine Radareinheit 26. Bei der Radareinheit 26 kann es sich beispielsweise um ein Dauerstrichradar (CW-Radar) oder ein moduliertes Dauerstrichradar (FMCW-Radar) handeln. Radardaten werden von der Radareinheit 26 erfasst und beispielsweise an eine Zentralsteuerungseinheit 22 (oder alternativ an die Steuerungseinheit für autonomes Fahren, ECU 4) übertragen.
Die Zentralsteuerungseinheit 22 ist dazu ausgelegt, die Radardaten von der Radareinheit 26 zu empfangen und die Radardaten zu verarbeiten. Die Radardaten umfassen Informationen, wie beispielsweise die zeitliche Verschiebung zwischen Sende- und Empfangsradarstrahlen und Dopplerfrequenz. Basierend auf der Zeitverschiebung wird ein Abstand zwischen dem autonomen Fahrzeug 1 und einem Objekt bestimmt und eine relative Bewegung wird durch die Dopplerfrequenz bestimmt. Die Zentralsteuerungseinheit 22 kann die erhaltene Information selbst auswerten oder beispielsweise an die Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18 weiter übertragen.
Wenn steuerungsseitig oder fahrerseitig ein Betriebszustand für das autonome Fahren aktiviert ist, bestimmt die Steuerungseinheit für autonomes Fahren 18, auf Grundlage von zur Verfügung stehenden Daten über eine vorgegebene Fahrtstrecke, auf Grundlage der von der Radareinheit 26 empfangenen Daten, auf Grundlage von mittels optischen Sensoren 20 aufgenommenen Umgebungsdaten, sowie auf Grundlage von mittels den Fahrzeugsensoren erfassten Fahrzeugbetriebsparametern, die der Steuerungseinheit 18 von den Steuerungseinheiten 12, 14 und 16 zugeleitet werden, Parameter für den autonomen Betrieb des Fahrzeugs (beispielsweise Soll-Geschwindigkeit, Soll-Moment, Abstand zum Vorausfahrzeug, Abstand zum Fahrbahnrand, Lenkvorgang und dergleichen).
2 zeigt als schematisches Blockdiagramm eine aus dem Stand der Technik bekannte beispielhafte Radararchitektur. Eine Radareinheit 26 weist einen RF-Chip 301 auf. Bei dem RF-Chip 301 kann es sich beispielsweise um einen Single-Chip-Radar handeln, bei dem mehrere Antennen für beispielsweise den Millimeterwellenbereich (hier n Sendeantennen TX und m Empfangsantennen RX) in einem Chip integriert sind. Eine solche Integration ist möglich, da der Radar-Frequenzbereich winzige Antennen möglich macht. Die Größe anderer notwendiger Komponenten, wie z.B. Induktivitäten ist reduziert, so dass der RF-Chip 301 in einem Massenproduktions-Halbleiterprozess, wie er für Mikroprozessoren verwendet wird, hergestellt werden kann. Der RF-Chip 301 erzeugt die Radarsignale und empfängt die reflektierten Signale. Der RF-Chip 301 führt ferner eine A/D-Konvertierung der erzeugten Daten durch und gibt diese als A/D-konvertiertes Basisbandsignal an ein Interface 302 weiter, das als Schnittstelle zu einem Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 dient, beispielsweise ein Serialisierer/De-Serialisierer. Die Radareinheit 26 ist über dieses Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 mit einer Prozessoreinheit 303 („CPU“ = Central Processing Unit) verbunden. Bei der Prozessoreinheit 303 kann es sich beispielsweise um die Zentralsteuerungseinheit 22 („Fahrzeug-Controller“) aus 1, um die Steuerungseinheit 18 für autonomes Fahren aus 1, oder um eine zentrale Radar-Verarbeitungseinheit handeln, die für die Weiterverarbeitung der Radardaten vorgesehen ist. In diesem Beispiel handelt es sich bei dem Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 um eine serielle Verbindung mit hoher Datenrate, z.B. um eine Datenverbindung gemäß dem Schnittstellenstandard LVDS („Low Voltage Differential Signaling“) oder um ein Ethernet-Datennetz. Die hohe Datenrate des Fahrzeugkommunikationsnetzwerks 28 ermöglicht eine direkte Übermittlung des A/D-konvertiertes Basisbandsignals an die Prozessoreinheit 303.
3 zeigt als schematisches Blockdiagramm eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte beispielhafte Radararchitektur. Wie im Beispiel der 2 weist eine Radareinheit 26 einen RF-Chip 301 mit mehreren Antennen für beispielsweise den Millimeterwellenbereich (hier n Sendeantennen TX und m Empfangsantennen RX) auf, die in einem Chip integriert sind. Der RF-Chip 301 erzeugt die Radarsignale und empfängt die reflektierten Signale. Der RF-Chip 301 führt ferner eine A/D-Konvertierung der erzeugten Daten durch und gibt diese als A/D-konvertiertes Basisbandsignal an einen Radar-Mikroprozessor 304 weiter. Der Radar-Mikroprozessor 304 führt eine Vorverarbeitung der Radardaten durch. Beispielsweise erzeugt der Radar-Mikroprozessor 304 aus den Radardaten eine Zielobjekt-Liste („ungetrackt“) oder eine Objekt-Liste („getrackt“) und gibt diese an das Interface 302 zum Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 weiter. Die Radareinheit 26 ist über dieses Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 mit einer Prozessoreinheit 303 („CPU“ = Central Processing Unit) verbunden. Bei der Prozessoreinheit 303 kann es sich beispielsweise um die Zentralsteuerungseinheit 22 („Fahrzeug-Controller“) aus 1, um die Steuerungseinheit 18 für autonomes Fahren aus 1, oder um eine zentrale Radar-Verarbeitungseinheit handeln, die für die Weiterverarbeitung der Radardaten vorgesehen ist. In diesem Beispiel handelt es sich bei dem Fahrzeugkommunikationsnetzwerk 28 um eine serielle Verbindung mit geringerer Datenrate, z.B. um eine Datenverbindung gemäß dem Schnittstellenstandard CAN-FD („Low Voltage Differential Signaling“). Da nicht das gesamte A/D-konvertierte Basisbandsignal übertragen wird, reicht eine geringere Datenrate für die Übertragung an die Prozessoreinheit 303 aus.
4 zeigt einen Querschnitt eines Antennenmoduls eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei der Querschnitt der Linie S1 von 6 folgt. Das Antennenmodul 300 umfasst eine Leiterplatte 311, einen RF-Chip 301, eine Hohlleiterantennenstruktur 310 und elektronische Komponenten 316, die auf der Rückseite der Leiterplatte 311 vorgesehen sind. Die Leiterplatte 311 umfasst mehrere Schichten, nämlich ein RF-Substrat 312, eine metallisierte Schicht 313, eine zweite metallisierte Schicht 314, eine dritte metallisierte Schicht 315. Bei den metallisierten Schichten handelt es sich um Trägersubstrate, die Leiterbahnen tragen. Die erste metallisierte Schicht 313 ist für den Massekontakt ausgelegt, wobei der RF-Chip 301 mit der ersten metallisierten Schicht 313 mittels Durchkontaktierungen D1 verbunden ist. Die Oberfläche der Hohlleiterantennenstruktur 310 ist aus einem leitenden Material, vorzugsweise aus Metall ausgebildet. Sie kann beispielsweise aus Kupfer, Silber, Gold, einem galvanischen Material oder Metallisch beschichteter Kunststoff ausgebildet sein. Die Hohlleiterantennenstruktur 310 kann einstückig oder auch mehrlagig realisiert sein. Beispielsweise umfasst die Hohlleiterantennenstruktur 310 Strukturen, die als Schlitzstrahler, Ports, Verteilnetzwerk, Anpassungsstrukturen (z.B. zur Impedanzanpassung), Septum und Abschirmung dienen. Auch könnte die Hohlleiterantennenstruktur 310 Strukturen umfassen, die als Filter dienen. Ein Verteilnetzwerk leitet die Wellen von den Ports zu den eigentlichen Antennen und umgekehrt. Ein Septum ist ein dünnwandiger Steg innerhalb der Antenne, der zur Formung der Polarisation des Radarsignals dient.
Die elektronischen Komponenten 316 arbeiten mit niedriger Frequenz. Beispielhaft ist ein elektronische Komponente 316-1 mit der zweiten metallisierten Schicht 314 durch eine Durchkontaktierung D4 verbunden, und der RF-Chip 301 ist auch mit der zweiten metallisierten Schicht 314 durch eine Durchkontaktierung D2 verbunden. Ein elektronische Komponente 316-2 ist mit der dritten metallisierten Schicht 315 durch eine Durchkontaktierung D5 verbunden, und der RF-Chip 301 ist auch mit der dritten metallisierten Schicht 315 durch eine Durchkontaktierung D3 verbunden. Die Durchkontaktierungen sind detailliert in 7 gezeigt.
Der RF-Chip 301 ist auf der Seite der Leiterplatte 311 angebracht, die zur Hohlleiterantennenstruktur 310 weist und mit dieser verbunden ist. Die Hohlleiterantennenstruktur 310 weist eine Aussparung auf, um den RF-Chip 301 aufzunehmen. Der RF-Chip 301 erzeugt Hochfrequenzsignale (RF-Signale), die an die Hohlleiterantennenstruktur 310 ausgekoppelt werden. Basierend auf den Hochfrequenzsignalen sendet die Hohlleiterantennenstruktur 310 Radarsignale an die Umgebung aus. Ferner empfängt der RF-Chip 301 reflektierte Signale, die von der Hohlleiterantennenstruktur 310 an RF-Chip 301 gekoppelt werde. Ein detaillierterer Aufbau der Leitungen zwischen dem RF-Chip 301 und der Hohlleiterantennenstruktur ist in den 5 und 6 gezeigt. Die Hohlleiterantennenstruktur ist beispielsweise eine kompakte Hohlleiterantennenstruktur, die im Millimeterwellenbereich arbeitet und vorzugsweise ein Array aus mehreren Empfangs- und Sendeantennen umfasst.
Die Hohlleiterantennenstruktur 310 umfasst eine Wandstruktur 310a, welche den RF-Chip 301 abschirmt. Die Wandstruktur 310a ist ein Bestandteil der Hohlleiterantennenstruktur 310 und ist damit ebenfalls aus Metall ausgebildet. Durch die Abschirmung des RF-Chips 301 wird die parasitäre Abstrahlung/Einstrahlung der RF-Chips unterbunden. Dafür wird die Hohlleiterantennenstruktur 310 so designt, dass um den RF-Chip 301 herum eine Wandstruktur 310a nach unten gezogen wird, welchen den RF-Chip 301 im Wesentlichen umschließt (siehe 6). Die Wandstruktur 310a muss nicht durchgängig sein, sondern kann Durchgänge aufweisen (z.B. vgl. DL in 5; auch 6). Der abschirmende Teil (Wandstruktur 310a) der Hohlleiterantennenstruktur ragt in das RF-Substrat 312 bis zu der ersten metallisierten Schicht 315 hinein, die für den Massekontakt ausgelegt ist. Die Wandstruktur 310a umfasst Vorsprünge, die auch als „Feder“ eines Nut-Feder-Systems betrachtet werden können. Aussparungen N, N' in dem RF-Substrat 312 sind dazu vorgesehen, die Vorsprünge der Wandstruktur 310a bzw. Hohlleiterantennenstruktur 310 aufzunehmen. Die Aussparungen N, N' wirken als „Nut“ des Nut-Feder-Systems. Durch das Nut-FederSystem wird eine genaue Positionierung (Ausrichtung) und Orientierung der Hohlleiterantennenstruktur 310 auf der Leiterplatte 311 bzw. dem RF-Chip 301 realisiert. Weist die Hohlleiterantennenstruktur einen Bereich auf, der zur Ausrichtung der Hohlleiterantennenstruktur auf der Leiterplatte dient, so kann es vermieden werden, zusätzliche Passstifte vorzusehen. Es wird mehr Platz auf der Leiterplatte gewonnen und es werden auch keine gesonderten Bauteile (Passstifte) designt, gefertigt oder zusammengefügt.
Damit die Wandstruktur 310a eine abschirmende Funktion für den RF-Chip 301 entfaltet, ist die Nut-Struktur (Aussparungen N, N') in der Nähe des RF-Chips 301 angeordnet. In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Nut-Struktur N, N' an jeder beliebigen Stelle auf der Leiterplatte 311 positioniert sein, zum Beispiel in der Nähe von Einspeisepunkten.
Die Nut-Struktur kann alternativ auch durch ein Passstift-Loch-System realisiert werden. Dabei kann ein Passstift Bestandteil einer Hohlleiterantennenstruktur 310 sein (somit ist der Passstift kein zusätzliches Element). Das Loch kann ganz oder teilweise durch die Leiterplatte 311 durchgehen. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in einer einfacheren Fertigung (z.B. Loch durchbohren).
5 zeigt einen weiteren Querschnitt durch das Antennenmodul. Der Querschnitt folgt der Linie S2 von 6. 5 basiert auf 4 und dieselben Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Um Redundanz zu vermeiden, sind die Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen wie in 4 nicht in 5 beschrieben. In der Ansicht der 5 ist ersichtlich, dass die Hohlleiterantennenstruktur 310 einen Durchgang DL aufweist, in dem eine elektrische Leitung L2 auf dem RF-Substrat 312 verläuft. Die elektrische Leitung L2 verbindet eine Antenne der Hohlleiterantennenstruktur (in 5 nicht gezeigt) mit dem RF-Chip 301.
6 zeigt eine Draufsicht auf die Leiterplatte 311 (Schnitt S3 in den 4 und 5). Die Leiterplatte 311 trägt den RF-Chip 301, sowie Leitungen L1 bis L5. Die Leitungen L1 und L2 sind dazu ausgelegt, die Hochfrequenzsignale (RF-Signale), die von dem RF-Chip 301 erzeugt werden, zu zwei Sendeantenne zu übertragen. Die Leitungen L3 und L4 sind dazu ausgelegt, die reflektierten Signale, die von zwei Empfangsantennen empfangen werden, zu dem RF-Chip 301 zu übertragen. Die Leitung L5 ist dazu ausgelegt, den RF-Chip 301 mit einem weiteren RF-chip, z. B. einem Master RF-Chip, der in 6 nicht gezeigt ist, zu verbinden. Über diese Leitung L5 kann der RF-Chip 301 mit dem anderen RF-Chip synchronisiert werden. Die Wandstruktur 310a der Hohlleiterantennenstruktur 310 ist durch die Leiterplatte 311 hindurch bis zur ersten metallisierten Schicht 313 (nicht in 6 zu sehen) heruntergezogen, was durch die gestrichelte Fläche 310a in 6 angedeutet ist. An den Stellen, an denen das RF-Signal mittels der Leitungen L1-L5 aus dem Chip herausgeführt bzw. zu diesem hingeführt werden, ist diese Wandstruktur 310a unterbrochen (vgl. auch Durchgang DL in 5), damit durch sie das RF-Signal hindurchgeführt werden kann (Leitung L2 in 5).
7 zeigt das Prinzip der Durchkontaktierungen durch eine mehrlagige Leiterplatte. Eine Durchkontaktierung ist eine vertikale elektrische Verbindung zwischen den Leiterebenen der mehrlagigen Leiterplatte. Die Durchkontaktierung D1' zeigt eine Bohrung von einer ersten äußeren Leiterebene M1 bis zu einer inneren Leiterebene M2, die Durchkontaktierung D1', die nicht durch die gesamte Leiterplatte reicht, wird als „blind via“ bezeichnet. Die Durchkontaktierung D2' zeigt eine versteckte Durchkontaktierung, auch als „buried via“ bezeichnet. Die versteckte Durchkontaktierung D2' verbindet die inneren Leiterebenen M2 und M3 und ist von außen nicht sichtbar. Die Durchkontaktierung D3' zeigt eine Bohrung, die durch die gesamte mehrlagige Leiterplatte verläuft und alle Leiterebenen M1 bis M5 verbindet.
Bezugszeichenliste

1: Autonomes Fahrzeug
12: Steuerungseinheit für Lenksystem
14: Steuerungseinheit für Bremssystem
16: Steuerungseinheit für Antriebstrang
18: Steuerungseinheit für autonomes Fahren
20: optische Sensoren
22: Zentralsteuerungseinheit
24: Satellitennavigationseinheit
26: Radareinheit
28: Fahrzeugkommunikationsnetzwerk
300: Antennenmodul
301: RF-Chip
302: Interface zum Fahrzeugkommunikationssystem
303: Prozessoreinheit
304: Radar-µC
310: 3D-Hohlleiterantenne
310a: Wandstruktur
311: Leiterplatte
312: RF-Substrat
313: erste Metallisierte Schicht
314: zweite Metallisierte Schicht t
315: dritte Metallisierte Schicht
316: Elektronischen Komponenten
D1, D2, D3, D4: Durchkontaktierung
L1, L2, L3, L4: Leitung
M1 - M5: Leiterebene
F: Feder
DL: Durchgang

Claims

Antennenmodul (300), umfassend eine Leiterplatte (311), die einen RF-Chip (301) trägt, sowie eine Hohlleiterantennenstruktur (310), die mit dem RF-Chip (301) gekoppelt ist.
Antennenmodul (300) nach Anspruch 1, wobei die Hohlleiterantennenstruktur (310) dazu ausgelegt ist, eine Abschirmung des RF-Chip (301) zu bewirken.
Antennenmodul (300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hohlleiterantennenstruktur (310) eine Wandstruktur (310a) aufweist, die eine Abschirmung des RF-Chip (301) bewirkt.
Antennenmodul (300) nach Anspruch 3, wobei die Wandstruktur (310a), den RF-Chip (301) im Wesentlichen umschließt.
Antennenmodul (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hohlleiterantennenstruktur (310) eine Wandstruktur (310a) aufweist, die zur strukturellen Verbindung der Hohlleiterantennenstruktur (310) mit der Leiterplatte (311) dient.
Antennenmodul (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hohlleiterantennenstruktur (310) einen Wandstruktur (310a) aufweist, der zur Ausrichtung der Hohlleiterantennenstruktur (310) auf der Leiterplatte (311) dient.
Antennenmodul (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (311) ein oder mehrere Aussparungen (N, N') aufweist, die zur strukturellen Verbindung der Hohlleiterantennenstruktur (310) mit der Leiterplatte (311) dienen.
Antennenmodul (300) nach Anspruch 1, wobei sich ein Teil der Hohlleiterantennenstruktur (310) bis zu einer metallisierten Schicht (313) erstreckt, die als Erdung dient.
Antennenmodul (300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hohlleiterantennenstruktur (310) ein oder mehrere Hohlleiterantennen umfasst, die durch Leitungen (L1, L2, L3, L4, L5) mit dem RF-Chip (301) verbunden sind, und wobei die Hohlleiterantennenstruktur (310) eine Wandstruktur (310a) aufweist, die Durchgänge (DL) für die Leitungen (L1, L2, L3, L4, L5) aufweist.
Antennenmodul (300) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Aussparungen (N, N') dazu ausgelegt ist, einen Passstift aufzunehmen, der Teil der Hohlleiterantennenstruktur (310) ist.