DE102020103775A1

DE102020103775A1 - Integriertes Hohlraum-gesichertes Slot-Array-Antennensystem

Info

Publication number: DE102020103775A1
Application number: DE102020103775.9A
Authority: DE
Inventors: Keerti S. Kona
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2020-10-01
Also published as: US11515624B2; CN111755832A; US20200313288A1; CN111755832B

Abstract

Ein Antennensystem umfasst ein Substrat aus einem dielektrischen Material. Eine leitfähige Schicht definiert einen Zuführungsschlitz, der eine Anzahl von seitlichen Schlitzen verbindet, die in einer Linie angeordnet sind und ein Array bilden. Die Seitenschlitze sind mit Abstand zueinander angeordnet und die leitfähige Schicht ist auf dem Substrat angeordnet. Das Array ist so eingerichtet, dass es ein Strahlungsmuster ausstrahlt, das durch eine erste Strahlbreite in einer ersten Ebene und eine zweite Strahlbreite in einer zweiten Ebene senkrecht zur ersten Ebene gekennzeichnet ist, wobei die erste Strahlbreite breiter ist als die zweite Strahlbreite.

Description

EINLEITUNG
Der technische Bereich bezieht sich im Allgemeinen auf Antennen und insbesondere auf Slot-Array-Antennensysteme, die präzise Standortbestimmungen für Anwendungen wie z.B. Radarbildgebung unterstützen.
Im Allgemeinen werden Entfernung, Geschwindigkeit, Azimutwinkel und andere Zielattribute von Radargeräten gemessen. In einigen Anwendungen, wie z.B. bei Radarsystemen für Kraftfahrzeuge, kann es wünschenswert sein, Informationen zu liefern, die die Eigenschaften eines vom Radarsystem erfassten Ziels oder Objekts darstellen oder sich darauf beziehen. Diese Informationen können zur Bewertung des erkannten Ziels oder Objekts verwendet werden. Typische bildgebende Radarsensoren im Automobilbereich arbeiten bei konventionellen Frequenzen von 76-81 GHz. In Anwendungen wie der Objekterkennung und -klassifizierung sind schnelle und präzise Fähigkeiten zur sofortigen Bestimmung von sich nähernden Objekten wünschenswert. Der Azimut und die Elevation eines Objektes sind typische Parameter von Interesse. Für den Empfang von Objektinformationen ist eine Antenne erforderlich, die die Bestimmungsanforderungen unterstützt.
Slot-Antennen sind Antennen, die im Hochfrequenzbereich eingesetzt werden. Slot-Antennen werden typischerweise über einen Hohlleiter gespeist, der als Übertragungsleitung zur Speisung der Schlitze dient. Bei Slot-Antennen, die einem Wellenleiter ausgesetzt sind, bildet der Schlitz eine Barriere gegen den Stromfluss, der als Anregungssystem wirkt, was zur Ausbreitung und Ausstrahlung von Energiewellen führt, wobei der Schlitz als resonanter Strahler wirkt. Die Leistung, die der Schlitz ausstrahlt, hängt von den physikalischen Eigenschaften des Schlitzes ab. Slot-Antennen sind kompliziert in der Herstellung und haben relativ hohe Fertigungs- und Montagekosten. Zum Beispiel verwenden Slot-Antennen typischerweise Vias. Ein Via (vertikaler Interconnect-Zugang) ist eine elektrische Verbindung zwischen Schichten in einer elektronischen Schaltung, die durch eine oder mehrere benachbarte Schichten hindurchgehen. Wenn es sich bei diesen Schichten um digitale Leiterplatten handelt, die mit Hochfrequenz- oder Mikrowellensignalen arbeiten, haben sie eine höhere Rauschempfindlichkeit und engere Impedanztoleranzen als herkömmliche digitale Leiterplatten. Die Verwendung von Durchkontaktierungen, die solche Platten durchdringen, macht die Erfüllung dieser Anforderungen zu einer Herausforderung.
Dementsprechend ist es wünschenswert, Slot-Antennen bereitzustellen, die wünschenswerte Leistungsmerkmale bieten. Darüber hinaus ist es wünschenswert, Slot-Antennen anzubieten, die geringere Fertigungs- und Montagekosten haben. Darüber hinaus ergeben sich weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen, die in Verbindung mit den beigefügten Figuren und dem vorgenannten technischen Gebiet und Hintergrund genommen werden.
BESCHREIBUNG
In einer Reihe von Ausführungsformen beinhaltet ein Antennensystem ein Substrat aus einem dielektrischen Material. Eine leitfähige Schicht ist auf dem Substrat angeordnet und definiert einen Zuführungsschlitz, der eine Anzahl von Seitenschlitzen verbindet, die in einer Linie angeordnet sind und ein Array bilden, wobei die Seitenschlitze voneinander beabstandet sind. Das Array ist so eingerichtet, dass es ein Strahlungsmuster ausstrahlt, das durch eine erste Strahlbreite in einer ersten Ebene und eine zweite Strahlbreite in einer zweiten Ebene senkrecht zur ersten Ebene gekennzeichnet ist, wobei die erste Strahlbreite breiter ist als die zweite Strahlbreite.
In weiteren Ausführungsformen hat die leitfähige Schicht eine erste und eine zweite Seite. Eine erste Grundplatte ist auf der ersten Seite des Arrays angeordnet und vom Array beabstandet. Mehrere leitende Säulen erden das Substrat an die erste Grundplatte. Die leitenden Säulen definieren eine zweite Grundplatte auf dem Substrat. Die leitenden Säulen durchdringen den Untergrund nicht.
In weiteren Ausführungsformen wird das Substrat auf der zweiten Seite des Arrays angeordnet.
In zusätzlichen Ausführungen definieren die erste Grundplatte, die leitenden Säulen und die zweite Grundplatte einen Lufthohlraum, der so eingerichtet ist, dass eine Rückstrahlung von der ersten Seite des Substrats nach außen verhindert wird.
In weiteren Ausführungsformen ist das Substrat als Interposer eingerichtet, durch den dem Array ein Signal zugeführt wird, wobei das Array so eingerichtet ist, dass es das Strahlungsmuster durch den Interposer ausstrahlt.
In zusätzlichen Ausführungen wird eine dielektrische Schicht auf die leitfähige Schicht aufgebracht.
In zusätzlichen Ausführungen wird ein koplanarer Wellenleiter eingerichtet, der ein Signal in den Einspeiseschlitz einleitet.
In weiteren Ausführungsformen wird eine Grundplatte vom Array beabstandet. Ein Frontend-Modul ist so eingerichtet, dass es ein Signal erzeugt und dieses an den koplanaren Wellenleiter liefert. Das Frontend-Modul ist zwischen der Leitschicht und der Grundplatte angeordnet.
In weiteren Ausführungsformen ist die Grundplatte auf einer Hochfrequenz-Leiterplatte (radio frequency printed circuit board) angeordnet.
In weiteren Ausführungsformen ist ein Sender-Empfänger-Modul auf der Hochfrequenz-Leiterplatte angeordnet und über das Frontend-Modul und das Substrat mit dem Array gekoppelt.
In einer Reihe von weiteren Ausführungsformen enthält ein Antennensystem ein Substrat aus einem dielektrischen Material. Eine leitfähige Schicht ist auf dem Substrat angeordnet und definiert einen Zuführungsschlitz, der eine Anzahl von seitlichen Schlitzen verbindet, die in einer Linie angeordnet sind und ein Array bilden. Die seitlichen Schlitze sind im Abstand zueinander angeordnet. Die leitfähige Schicht definiert jeweils eine Öffnung zwischen den Seitenschlitzen und dem Einspeise-Slot. Die jeweilige Öffnung zwischen mindestens einem der Seitenschlitze und dem Einspeise-Slot ist kleiner als die jeweilige Öffnung zwischen einem anderen der Seitenschlitze und dem Einspeise-Slot. Das Array ist so eingerichtet, dass es ein Strahlungsmuster ausstrahlt, das durch eine erste Strahlbreite in einer ersten Ebene und eine zweite Strahlbreite in einer zweiten Ebene senkrecht zur ersten Ebene gekennzeichnet ist, wobei die erste Strahlbreite breiter ist als die zweite Strahlbreite.
In weiteren Ausführungsformen hat die leitfähige Schicht eine erste und eine zweite Seite. Eine erste Grundplatte ist auf der ersten Seite der leitenden Schicht angeordnet und von der leitenden Schicht beabstandet. Mehrere leitende Säulen erden das Substrat an die erste Grundplatte. Das Substrat befindet sich auf der zweiten Seite der Leitschicht. Die leitenden Säulen definieren eine zweite Grundplatte auf dem Substrat und gehen nicht durch das Substrat hindurch.
In weiteren Ausführungen wird ein koplanarer Wellenleiter eingerichtet, der ein Signal in den Einspeiseschlitz einleitet. Ein Frontend-Modul ist so eingerichtet, dass es ein Signal erzeugt und dieses an den koplanaren Wellenleiter liefert. Das Frontend-Modul ist zwischen der Leitschicht und der Grundplatte angeordnet.
Bei weiteren Ausführungen besteht die zweite Grundplatte aus einem Silizium-Material, ist auf dem Substrat definiert und wird durch die leitenden Säulen begrenzt. Die erste Grundplatte, die leitenden Säulen und die zweite Grundplatte definieren einen Lufthohlraum, der so eingerichtet ist, dass eine Rückstrahlung von der ersten Seite des Substrats nach außen verhindert wird.
In zusätzlichen Ausführungen wird ein zweiter Einspeise-Slot mit einer zusätzlichen Anzahl von Seitenschlitzen verbunden.
In weiteren Ausführungsformen ist das Substrat als Interposer eingerichtet, durch den dem Array ein Signal zugeführt wird. Das Array ist so eingerichtet, dass es das Strahlungsdiagramm durch den Interposer ausstrahlt.
In zusätzlichen Ausführungen wird eine dielektrische Schicht auf die leitfähige Schicht aufgebracht.
In weiteren Ausführungsformen wird ein Sender mit dem Array gekoppelt. Das Array ist über eine Hochfrequenzleiterplatte mit dem Sender gekoppelt. Eine Grundplatte ist auf der Hochfrequenzleiterplatte angeordnet und vom Substrat beabstandet.
In weiteren Ausführungsformen umschließen mehrere leitende Säulen das Array und kontaktieren das Substrat.
In einer Reihe von weiteren Ausführungsformen enthält ein Antennensystem für das Radar eines Fahrzeugs ein Substrat aus einem dielektrischen Material. Eine leitfähige Schicht definiert einen Zuführungsschlitz, der eine Anzahl von seitlichen Schlitzen verbindet, die in einer Linie angeordnet sind und ein Array durch die leitfähige Schicht bilden. Die Seitenschlitze sind voneinander beabstandet und das Array wird auf dem Substrat angeordnet. Die leitfähige Schicht hat eine erste und eine zweite Seite. Ein koplanarer Wellenleiter ist so eingerichtet, dass er ein Signal in den Einspeiseschlitz einleitet. Eine erste Grundplatte ist auf der ersten Seite der leitenden Schicht angeordnet und von der leitenden Schicht beabstandet. Mehrere leitende Säulen erden das Substrat an die erste Grundplatte.
Eine zweite Grundplatte aus einem Silizium-Material ist auf dem Substrat definiert und wird durch die leitenden Säulen begrenzt. Die elektromagnetische Energie wird vom Array als Folge von Wanderwellen abgestrahlt, die sich entlang des Zuführungsschlitzes bewegen. Das Array ist so eingerichtet, dass es ein Strahlungsmuster ausstrahlt, das durch eine erste Strahlbreite in einer ersten Ebene und eine zweite Strahlbreite in einer zweiten Ebene senkrecht zur ersten Ebene gekennzeichnet ist, wobei die erste Strahlbreite breiter ist als die zweite Strahlbreite. Die erste Strahlbreite erstreckt sich in Azimutrichtung relativ zum Fahrzeug und die zweite Strahlbreite erstreckt sich in Elevationsrichtung relativ zum Fahrzeug.
Figurenliste
Die beispielhaften Ausführungsformen werden im Folgenden in Verbindung mit den folgenden Figuren beschrieben, wobei gleichartige Bezugszeichen gleichartige Elemente bezeichnen und wobei

1 ist ein Funktionsblockschaltbild einer Antennenanlage, entsprechend einer Ausführungsform;
2 ist eine schematische Darstellung der Azimut-Abdeckung einer Antennenanlage in einem Fahrzeug, entsprechend einer Ausführungsform;
3 ist eine schematische Darstellung der Höhenabdeckung einer Antennenanlage in einem Fahrzeug, entsprechend einer Ausführungsform;
4 ist eine schematische Darstellung einer Antennenanlage, entsprechend einer Ausführungsform;
5 ist eine schematische Darstellung eines Antennen-Array-Aufbaus des Antennensystems aus 4, entsprechend einer Ausführungsform;
6 ist eine schematische, detaillierte Darstellung eines Teils des Antennenfeldes aus 5, entsprechend einer Ausführungsform;
7 ist eine Darstellung des realisierten Gewinns in dB gegenüber dem vertikalen Sichtfeld in Grad für das Antennensystem von 4, entsprechend einer Ausführungsform;
8 ist ein Diagramm des Eingangsreflexionskoeffizienten in dB über ein 12GHz-Frequenzband für das Antennensystem von 4, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform; und
9 ist eine Darstellung der Isolation zwischen den Arrayelementen in dB über ein 12GHz-Frequenzband für das Antennensystem von 4, entsprechend einer Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE DARSTELLUNG
Die folgende ausführliche Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die Anwendung und den Gebrauch nicht einschränken. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, sich an eine ausdrückliche oder implizite Theorie zu binden, die im vorhergehenden technischen Bereich, im Hintergrund, in der kurzen Zusammenfassung oder in der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellt wird. Der hier verwendete Begriff Modul bezieht sich auf einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), einen elektronischen Schaltkreis, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder gruppiert) und Speicher, der ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt, eine kombinierte Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Diese Beschreibung zeigt Konfigurationen und Implementierungen von Antennensystemen für den Betrieb bei hohen Frequenzen, wie z.B. 235 GHz, einem Sub-Terahertz-Frequenzbereich für Anwendungen wie z.B. Radarbildgebung. Ausführungsformen von Antennenarchitekturen und Komponenten, die hier im Allgemeinen offengelegt werden, können ein dünnes Interposer-Substrat aus einem dielektrischen Material wie Silizium verwenden und Konfigurationen ohne Durchkontaktierungen durch den Interposer unterstützen. In anderen Ausführungsformen können andere dielektrische Materialien für den Interposer verwendet werden. In einer Reihe von Ausführungsformen strahlt ein Antennen-Array elektromagnetische Energie für das Strahlungsdiagramm durch das Interposer-Substrat ab. Die offengelegten Architekturen haben die Vorteile einer geringen Fertigungskomplexität und niedriger Montagekosten. Die Antennenstrahlerstruktur besteht in der Regel aus einem geschlitzten, wandernden Wellenfeld. Die Masse für die Antenne kann durch eine Kombination von leitenden Säulen gebildet werden, die sich von der Zwischenschaltung bis zu einer Grundplatte erstrecken, die sich auf einer Hochfrequenzplatine befindet, die zusätzliche integrierte Schaltkreise und elektronische Bauteile enthalten kann. Ein Hohlleiter oder eine Speiseleitung wird direkt an das Array angeschlossen, um die Ein- und Ausgänge von integrierten Hochfrequenzschaltungen zu senden und zu empfangen. Zur Anregung des Antennenarrays, das direkt durch das Interposer-Substrat strahlt, wird ein koplanarer Übergang von Hohlleiter zu Slotted Array verwendet. Der Aufbau eines einzelnen Strahlers erzeugt vorteilhaft eine schmale Strahlbreite in der Elevation und eine breite Strahlbreite im Azimut. Eine schmale Strahlbreite in der Elevation kann z.B. einem Sichtbereich von fünfzehn bis sechzehn Grad entsprechen, was für eine Fahrzeuganwendung von Bedeutung ist. Ein breiter Strahl im Azimut entspricht einem breiten Sichtbereich für die horizontale Umgebung einer Fahrzeuganwendung. Bei anderen Anwendungen kann die Antenne auf verschiedene Strahlungsbreiten entsprechend dem interessierenden Sichtbereich zugeschnitten werden.
In einer Reihe von Ausführungen bietet das Antennensystem eine sehr gute Impedanzanpassung über eine 12GHz Bandbreite und wünschenswerte Strahlungsdiagramme in einer einfachen, kostengünstigen Architektur. Niedrige Kosten werden durch die Verwendung einer rückseitigen Metallschicht und die Vermeidung von Durchkontaktierungen durch den Interposer erreicht. Die Architektur kann einen Si (1KΩ-10KΩcm) Interposer verwenden oder mit anderen Interposern wie Glas oder organischen Substraten realisiert werden. In einigen Ausführungsformen können Vias durch einen Interposer, wie z.B. Through Silicon Vias oder Through Glass Vias, verwendet werden, wenn zusätzliche Komplexität und Kosten für die Herstellung akzeptabel sind.
Ein Funktionsblockschaltbild einer Antennenanlage 100 enthält gemäß 1 ein Sender-Empfänger-Modul 102 und die Sende-/Empfangsantennen 104 bzw. 106 nach einer Ausführungsform. Die Antennen 104, 106 sind so eingerichtet, dass sie elektromagnetische Energie gemäß den unten näher beschriebenen Eigenschaften ausstrahlen und abfangen. Bei der Übertragung strahlt die Antenne 104 ein Hochfrequenzsignal ab und eine zugehörige Empfangsantenne 106 erkennt eventuelle Reflexionen von potentiellen Zielen. Ein Verarbeitungsmodul 107 ist mit dem Sender-Empfänger-Modul 102 verbunden. In einigen Ausführungsformen befinden sich die Prozessor- und Sende-Empfangs-Funktionen auf dem gleichen Chip. In der vorliegenden Ausführung enthält das Verarbeitungsmodul 107 einen Prozessor, der Steuersignale an das Sender-Empfänger-Modul 102 sendet, die empfangenen Signale zur Identifizierung von Zielen und deren Eigenschaften verarbeitet und als Schnittstelle zu anderen Steuerungen wie z.B. der elektronischen Steuereinheit 109 dienen kann. So kann das Zentralmodul 107 beispielsweise Daten über Reflexionen empfangen, mit dem Sendesignal vergleichen und Entfernung, Winkel und Geschwindigkeit des Ziels ermitteln. In einigen Ausführungsformen hat das Verarbeitungsmodul 107 eine Schnittstelle zur elektronischen Steuereinheit 109, die andere Systeme und Funktionen unterstützen kann. Das elektronische Steuergerät 109 kann z.B. zentrale Verarbeitungsfunktionen eines Fahrzeugs (wie in 2 dargestellt) in Verbindung mit dem Antennensystem 100 übernehmen. Das Sender-Empfänger-Modul 102 ist in der aktuellen Ausführung eine self-contained frequency modulated continuous wave transceiver single-chip solution -Lösung für ein Band von 76 bis 81 GHz. Das Sender-Empfänger-Modul 102 unterstützt als continuous wave -Sender relativ geringe Messzeiten und eine hohe Auflösung. Bei anderen Ausführungsformen können getrennte Sende- und Empfangsgeräte verwendet werden.
In der aktuellen Ausführung ist das Sender-Empfänger-Modul 102 mit den Antennen 104, 106 über eine Hochfrequenz-Leiterplatte (RF PCB) 108 und eine Interposer-Baugruppe 110 mit einem Interposer-Substrat 112 und einem Hochfrequenz-Frontend (FE) Modul 114 mit geeigneten Übertragungsleitungsanschlüssen gekoppelt. Das FE-Modul 114 enthält die Beschaltung inklusive Leistungsverstärker, Schalter, Resonatoren, Treiber etc. für die Antenne 104. Das FE-Modul 114 kann Kommunikationsdaten zum und vom Sender-Empfänger-Modul 102 übertragen, die wiederum zu und von den Antennen 104, 106 übertragen werden. In der aktuellen Ausführungsform ist das FE-Modul 114 auf einem einzigen Chip enthalten. Die Interposer-Baugruppe 110 ist vorteilhaft, wenn die Betriebsfrequenz das W-Band (110 GHz) überschreitet, da die Toleranzen, die zur Erreichung der gewünschten Radarsensorleistung erforderlich sind, enger werden als das, was direkt mit herkömmlichen HF-Leiterplatten leicht erreichbar ist. Für Eigenschaften wie Glätte und Härte, die es erlauben, Schaltungen mit kleinen Merkmalen (z.B. <10 um) mit engen Toleranzen (z.B. <2 um) zu realisieren, wird ein Interposer-Material, wie z.B. Silizium, verwendet.
Das Antennensystem 100 ermöglicht es, 78 GHz-Sendesignale vom Sender-Empfänger-Modul 102 über das FE-Modul 114 mit der Antenne 104 zu verbinden, die die Signale z.B. auf 234 GHz verdreifacht und über die Antennen nach außen leitet. Die Empfangsantenne 106 sammelt eingehende 234 GHz-Signale, die vom FE-Modul 114 auf 78 GHz herunterkonvertiert und zur Verarbeitung an das Sender-Empfänger-Modul 102 und das Verarbeitungsmodul 107 gesendet werden. Diese Struktur liefert die gewünschte HF-Leistung bei 234 GHz, wenn sie mit Antennen mit der unten beschriebenen Geometrie gekoppelt wird. Es sollte verstanden werden, dass die Betriebsfrequenzen des Antennensystems über eine Bandbreite wie z.B. 12GHz liegen können.
Gemäß 2 und 3 kann das System 100 auf ein Fahrzeug 120 angewendet werden, um einen bestimmten Bereich abzudecken, in diesem Beispiel den Bereich vor einem Fahrzeug 120. Es sollte verstanden werden, dass zusätzliche Antennen und/oder Antennensysteme einbezogen werden können, um z.B. Radare mit unterschiedlichen Reichweiten, wie z.B. große Reichweite und mittlere Reichweite, bereitzustellen. Zusätzliche Radargeräte können zur Erfassung von Zielen in mehreren Richtungen, z. B. an den Seiten des Fahrzeugs 120 und/oder am Heck des Fahrzeugs 120, verwendet werden. Die physikalische Strahlung des Radars kann dreidimensional sein, wird aber für die Zwecke der vorliegenden Offenlegung sowohl durch horizontale (Azimut) als auch vertikale (Höhe) Strahlungsmuster dargestellt.
Das Strahlungsdiagramm der Antenne 104 hängt von ihrem Aufbau, wie unten näher beschrieben, und ihrer Montage, in diesem Beispiel am Fahrzeug 120, ab. 2 zeigt die Strahlbreite 122 des Radars in der Azimut-Ebene 124, vorausgesetzt, das Radar befindet sich an der vorderen Stoßstange des Fahrzeugs 120. In einigen Ausführungen kann die Breite des Lichtbündels so angepasst werden, dass es eine einzelne Fahrbahn 126 abdeckt und als solche ein Sichtfeld mit einem Winkel 123 von etwa ±15 Grad, also insgesamt 30 Grad, hat. Für ein größeres Sichtfeld, z.B. um zwei Fahrbahnen 126, 130 abzudecken, ist das Sichtfeld in der aktuellen Ausführung breiter, um den Suchbereich abzudecken, z.B. 60 Grad. Eine größere Strahlbreite ist für eine zusätzliche Abdeckung wünschenswert, um Ziele zu erfassen, die sich vor und seitlich relativ zum Fahrzeug bewegen 120 und wie unten beschrieben, liefert das offensichtliche Antennensystem ein Sichtfeld von 85 Grad. In anderen Ausführungsformen wird das Sichtfeld für die Anwendung ausgewählt. 3 zeigt die Strahlbreite 132 des Radars in der vertikalen Ebene 134. In der vertikalen Ebene 134 kann die Abdeckung enger sein, z.B. ±5 Grad oder 10 Grad insgesamt. In der aktuellen Ausführung, und wie weiter unten beschrieben, liegt die Strahlbreite in der vertikalen Ebene 134, die das Antennensystem 100 liefert, in einem Winkel 133 von 16,5 Grad.
Die Architektur des Antennensystems 100 ist gemäß 4 im Querschnitt schematisch dargestellt. Das Antennensystem 100 umfasst eine integrierte Baugruppe, die mit integrierten Radarschaltungen einschließlich des Sender-Empfänger-Moduls 102 verbunden ist, das sich auf der HF-Platine 108 befindet. In einigen Ausführungsformen befindet sich das Verarbeitungsmodul 107 auch auf der HF-Platine 108. Die Interposer-Baugruppe 110 wird auf der HF-Platine 108 durch Leitsäulen, in dieser Ausführung Kupfersäulen 140, montiert, die vom Interposer-Substrat 112 ausgehen, aber nicht durch dieses hindurchgehen. In dieser Ausführung besteht das Interposer-Substrat 112 aus einem Dielektrikum, speziell Silizium, und ist etwa 50 µm dick. Die RF PCB 108 hat auf ihrer Oberseite 142 eine gedruckte oder anderweitig aufgebrachte oder aufgetragene Metallschicht, die als Grundplatte 144 dient. Die Kupfersäulen 140 tragen und erden das Interposer-Substrat 112 an einer erhöhten Position auf der Grundplatte 144 der HF-Leiterplatte 108. Die Kupfersäulen 140 sind ca. 75 µm hoch und haben einen Abstand von 200 µm. Die Oberseite 146 des Interposersubstrats 112 ist frei von zusätzlichen Schichten über dem Silizium und in dieser Ausführung frei von elektronischen Elementen, die sonst eine Kopplung durch das Interposer-Substrat 112 mittels Vias erfordern würden. Die Anzahl der Arten von Vias bestimmt die Komplexität des PCB-Prozesses. Eine höhere Anzahl von Durchkontaktierungsarten verursacht typischerweise höhere Verarbeitungsschritte, wie z.B. solche, die sequentielles Laminieren verwenden und über Registrierungsfehler verursachen können, was die Leiterplattenkosten erhöht und die Ausbeute verringert. Dementsprechend ist ein Vorteil der aktuellen Architektur die vereinfachte Herstellung aufgrund des Fehlens von Durchgangsbohrungen. Beispielsweise wird eine Antennenschicht 148 durch ein leitfähiges Material definiert und auf der Unterseite 150 des Interposersubstrats 112 angeordnet und vermeidet die Notwendigkeit von Vias durch das Interposer-Substrat 112, die sonst zur Kopplung mit Elektronik und Antenne auf dem Interposer-Substrat 112 benötigt würden.
Unter dem Interposer-Substrat 112 enthält eine Umverteilungsschicht 152 eine dielektrische Schicht 154, die über der Antennenschicht 148 aufgebracht ist. In dieser Ausführung besteht die dielektrische Schicht 154 aus Benzocyclobuten (BCB) und ist 10 µm dick. In anderen Ausführungsformen kann ein anderes dielektrisches Schichtmaterial auf der Unterseite des Interposersubstrats 112 verwendet werden. Die Umverteilungsschicht 152 enthält eine Metallschicht 156, in dieser Ausführung Kupfer, gedruckt oder anderweitig über die dielektrische Schicht 154 aufgebracht. Die Umverteilungsschicht 152 bildet den Übergang vom FE-Modul 114 zur konduktiven Einspeisung für die Antenne 104. In der aktuellen Ausführung ist das FE-Modul 114 als monolithisch integrierter Mikrowellen-Schaltkreis (MMIC) Chip 158 ausgeführt. Der MMIC-Chip 158 hängt an der Umverteilungsschicht 152 und zwar an der Metallschicht 156 durch Übergänge 160, 162. Ein verlustarmer Feed-Start vom MMIC-Chip 158 zur Antenne 104 ist durch die Übergänge 160, 162 für eine effiziente Anregung vorgesehen. Die Architektur des Antennensystems 100 zeigt, dass die Einspeisung über das FE-Modul 114 erfolgt, das sich auf der Unterseite des Interposer-Substrats 112 befindet. Die Antennenspeisung kann sich auf der Oberseite des Interposersubstrats 112 befinden, dazu sind jedoch Vias durch das Interposer-Substrat 112 erforderlich. Die abgebildete Ausführung ist aus Kosten- und Fertigungsaufwand vorteilhaft, um die Verwendung von Durchgangsbohrungen zu vermeiden.
In der aktuellen Ausführungsform schwingt die Antennenschicht 148 durch das Interposer-Substrat 112. Es wurde festgestellt, dass das Dielektrikum des Interposer-Substrats 112 die Effizienz der Antennenschicht 148 aufgrund der Architektur der Ausführungsform verbessert. Zwischen der Antennenschicht 148 und der Grundplatte 144 ist ein Lufthohlraum 168 als Luftsubstrat ausgebildet, der zur besseren Ausstrahlung durch die Kupfersäulen 140 begrenzt wird. Die Grundplatte 144 reflektiert die Hochfrequenzwellen von der Antennenschicht 148 und unterstützt so die Übertragung. Die Abschirmung zur Vermeidung von Rückstrahlungen erfolgt durch die Kupferstützen 140 und deren Befestigung an der Masseplatte 144 unterhalb des Metalls der Antennenschicht 148.
Die Komponenten des Antennensystems 100 sind in 5 genauer dargestellt, insbesondere die Antennenschicht 148. In dieser Ansicht ist das Substrat 112 für die Sichtbarkeit der Antennenschicht 148 transparent dargestellt. Das Antennen-Array 170 ist Ein Hohlraumgesichertes Slot-array (Cavity Backed Slot Type Array) und befindet sich auf der Unterseite, genauer gesagt auf der Unterseite 150 des dielektrischen Interposer-Substrats 112. Das Antennen-Array 170 enthält eine leitfähige Schicht 174, in dieser Ausführung aus einem Kupferwerkstoff, die auf der gesamten oder im Wesentlichen der gesamten Oberfläche 150 des Substrats 112 angeordnet ist, wie im Folgenden näher beschrieben.
Die Kupfersäulen 140 erstrecken sich durch die Leitschicht 174 bis zum Substrat 112 und in entgegengesetzter Richtung zur Leiterplattenmasse 164, wie in 4 dargestellt. Der Bereich des Substrats 112 innerhalb der Begrenzung der Säulen 140 dient als zweite Grundplatte 172 auf der Oberseite des Hohlraums 168, der aus Silizium besteht. Konkret ist der Hohlraum 168 um die Antennenöffnung angeordnet und wird durch die Grundplatten 164, 172 und die Kupfersäulen 140 begrenzt. Die Kupfersäulen 140 umschließen das Antennenfeld 170 und sind ca. 75 µm hoch und auf einem 200 µm-Raster positioniert, was den Wellenverlust reduziert. Die Umverteilungsschicht 152 einschließlich der BCB-Dielektrikumsschicht 154 auf dem Interposer-Substrat 112 unten bietet einen Übergang vom MMIC-Chip 158 zur Antennen-Speisung. Der Start vom MMIC-Chip 158 zum Antennen-Array 170 durch die Umverteilungsschicht 152 bietet einen Übergang mit erwünschter Anregung für das Array 170. Ein Übergang mit einem koplanaren Hohlleiter (CPW) 176 Start vom MMIC-Chip 158 zum Antennen-Array 170 zur effektiven Anregung des Antennen-Arrays 170 ist für die Wanderwellen-Speisung eingerichtet und ist so eingerichtet, dass sich die Speisung vollständig durch das Array ausbreitet. Der CPW 176 wird vom MMIC-Chip 158 durch eine Masse-Signal-Masse-Einspeisung am CPW 176 gespeist.
Das Antennen-Array 170 ist als Wanderwellen-Array für eine große Bandbreite und geringe Verluste eingerichtet. Zwei Einspeise-Slots 78, 79 sind vollständig durch die Dicke der Leitschicht 174 hindurchgeformt und erstrecken sich über eine Länge von der CPW 176 bis zu einem gegenüberliegenden Ende 177 und schließen sich am Ende 177 zusammen. Die Einspeise-Slots 78, 79 sind parallel zueinander angeordnet. Die Einspeise-Slots 78, 79 verbinden sich mit mehreren Seitenschlitzen 81-96, die paarweise entlang des Arrays 170 angeordnet sind. In anderen Ausführungen kann eine andere Anzahl von Seitenschlitzen 81-96 verwendet werden, um die gewünschte Abdeckung und Auflösung zu erreichen. So kann z.B. das Hinzufügen zusätzlicher seitlicher Schlitzpaare entlang der Länge des Antennen-Arrays 170 die Auflösung erhöhen. Die strahlenden Elemente sind die Seitenschlitze 81-96, die jeweils direkt an einen der Einspeise-Slots 78, 79 gekoppelt sind, um die sich ausbreitenden Wellen zu empfangen. Die Seitenschlitze 81-96 strahlen einzeln ab und aufgrund ihrer Array-Konfiguration summieren sich die Ausstrahlungen aller Elemente zum Strahlungsstrahl des Antennenarrays, der einen hohen Gewinn und eine hohe Richtwirkung bei minimalen Verlusten aufweist. Die Antennenleistung ist eine Funktion der Struktur des Antennen-Arrays 170. In der aktuellen Ausführung sind die Seitenschlitze 81-96 unähnlich, wie unten beschrieben, mit ungefähr Halblambda-Abständen 180 und Längen 182 über jedes ausgerichtete Seitenschlitzpaar (z.B. 85, 86). Die Anzahl der Seitenschlitze 81-96 kann auf die gewünschte Bandbreite sowie auf die Strahlungseffizienz und Auflösung zugeschnitten werden.
Das Antennen-Array 170 ist ein Wanderwellen-Array mit in dieser Ausführung acht Paaren von Seitenschlitzen 81-96, die von den Einspeise-Slots 78, 79 gespeist werden. Dadurch ergibt sich in einer Richtung (Elevation) eine schmalere Strahlbreite und in einer anderen Richtung (Azimut) eine breitere Strahlbreite. Zusätzlich zur Strahlbreite kann die für eine Anwendung benötigte Auflösung zusätzliche seitliche Schlitzpaare erfordern, um die Auflösung zu erhöhen. Die Anzahl der Kopplungen zwischen den Einspeise-Slots 78, 79 und den einzelnen Seitenschlitzen 81-96 variiert, um die Leckrate aus den Einspeise-Slots 78, 79 im Verlauf der Wanderwellen entlang des Antennen-Arrays 170 anzupassen. In der aktuellen Ausführungsform ist es das Ziel, über 20 GHz Bandbreite zu arbeiten. Dementsprechend können die Öffnungen zwischen den Seitenschlitzen, z.B. die Seitenschlitze 83, 85 wie in 6 dargestellt, unterschiedlich groß sein. In diesem Beispiel passiert die Ausbreitungsrichtung der Wanderwelle 99 den Seitenschlitz 83 vor dem Seitenschlitz 85. Die Öffnung 98 zwischen dem Einspeise-Slot 78 und dem Seitenschlitz 83 hat eine Breite 101, die kleiner ist als die Breite 103 der Öffnung 97 zwischen dem Einspeise-Slot 78 und dem nachgeschalteten Seitenschlitz 85. Dadurch wird sichergestellt, dass das gesamte Antennen-Array 170 auf einem gewünschten Niveau aktiviert wird. Zusätzlich strahlt das Wanderwellen-Antennenfeld 170 durch das Siliziumsubstrat des Interposersubstrats 112, was zu einer verbesserten Effizienz führt. Die resultierende Elevationsstrahlbreite 132 beträgt etwa 16,5 Grad und die Azimutstrahlbreite 122 etwa 85 Grad für einen größeren Erfassungsbereich. Die Antenne kann ein Array in der Azimut-Ebene bilden, um eine höhere Auflösung zu erreichen.
Die Verstärkung ist abhängig von der Richtcharakteristik des Antennensystems 100. 7 ist eine Grafik, die einen E-Ebenen-Schnitt des realisierten Verstärkungsmusters des Arrays im Fernfeld in dB gegen den Winkel in Grad darstellt. Das resultierende Antennendiagramm 202 zeigt einen wünschenswerten realisierten Gewinn von ca. 10,5 dB über das 228GHz - 240GHz Band für das Höhensichtfeld, was den Richtungsfokus des Strahlungsdiagramms demonstriert. Die Spitzenwerte der Nebenkeulen variieren von 13,8dB bis 17dB über das Band.
Der Eingangsreflexionsgrad des Antennen-Arrays von 170 in dB über das 12GHz (228GHz - 240GHz) Frequenzband ist in 8 dargestellt. Das Diagramm 204 zeigt eine gute Impedanzanpassung von <-10dB über das 12GHz-Frequenzband. Eine Größe über 10dB zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem Sender an. Das Design behält eine günstige Verstärkung und Übereinstimmung mit einer ±15µm Variation der Kupfer-Säulenhöhe und ±2,5µm Interposer-Substrathöhe bei. Die Isolation zwischen den Array-Elementen über das 12GHz-Frequenzband mit Halblambda-Abstand zeigt eine minimale Kopplung von -19dB bei 231 GHz, wie das Diagramm 206 in zeigt, mit verbesserter Kopplung bei höheren Frequenzen.
Entsprechend den hier beschriebenen Ausführungsformen werden Antennenkonfigurationen, die in einem Frequenzbereich von 228GHz - 240GHz arbeiten, für Anwendungen einschließlich der Radarbildgebung bereitgestellt. Das Antennensystem verwendet einen dielektrischen Interposer ohne Durchkontaktierungen durch den Interposer und das Array strahlt durch das Interposer-Substrat. Diese Architektur bietet wünschenswerte Leistungsmerkmale und vereinfacht die Fertigung und Montage. Die Antennenausstrahlungsstruktur verwendet ein CPW-gespeistes, hohlraumunterstütztes Slot-Wanderwellen-Array. In anderen Ausführungsformen können mehrere Arrays verwendet werden, z.B. durch Stapeln oder in anderen Konfigurationen. Diese anderen Ausführungsformen können verwendet werden, um mehrere Bereiche abzudecken, z. B. um den Umfang eines Fahrzeugs. Ein Hohlraum für die Antenne wird durch Kupfersäulen gebildet, die den Interposer an einer Grundplatte auf einem HF-Substrat befestigen, das zusätzliche ICs und elektronische Komponenten enthalten kann. Die Wellenzuführung wird direkt mit den Sende- und Empfangs-Eingangs-/Ausgangs-HF-ICs verbunden, und ein CPW-zu-Schlitz-Array-Übergang wird zur Anregung der Antennenelemente verwendet, die direkt durch das Interposer-Substrat strahlen. Die Konstruktion der Strahlerelemente führt zu einer relativ schmalen Strahlbreite in der Elevation und einer relativ breiten Strahlbreite im Azimut.
Die Erfindung bietet eine sehr gute Impedanzanpassung über 12GHz Bandbreite und gute Ausstrahlcharakteristiken in einer einfachen, kostengünstigen Architektur. Breitbandige und verlustarme Eigenschaften werden durch die einzigartige Architektur erreicht. Geringe Kosten werden durch die Verwendung nur einer rückseitigen Metallschicht und die Vermeidung von Durchkontaktierungen durch den Interposer erreicht. Der Entwurf verwendet einen Si (IKQ-10KΩcm) Interposer. Die Erfindung kann auch unter Verwendung anderer Interposer wie Glas oder organische Substrate und mit Vias durch Interposer - Through Silicon Vias (TSV) oder Through Glass Vias (TGV) - realisiert werden. Die Verwendung von TSV/TGV kann die Leistung durch Reduzierung der Oberflächenwellenabstrahlung und -kopplung verbessern, jedoch auf Kosten der zusätzlichen Herstellungskosten.
Obwohl in der vorstehenden detaillierten Beschreibung mindestens eine beispielhafte Ausführungsform vorgestellt wurde, sollte man sich bewusst sein, dass es eine große Anzahl von Variationen gibt. Es sollte auch anerkannt werden, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht darauf abzielen, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Offenlegung in irgendeiner Weise einzuschränken. Vielmehr wird die vorstehende detaillierte Beschreibung den Fachleuten einen praktischen Fahrplan für die Umsetzung der beispielhaften Ausführungsform bzw. der beispielhaften Ausführungsformen liefern. Es sollte verstanden werden, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne dass der Umfang der Offenlegung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Äquivalenten festgelegt ist, beeinträchtigt wird.

Claims

Ein Antennensystem, umfassend: ein Substrat aus einem dielektrischen Material; und eine leitfähige Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist und einen Zuführungsschlitz definiert, der eine Anzahl von Seitenschlitzen verbindet, die in einer Linie angeordnet sind, die ein Array bildet, wobei die Seitenschlitze voneinander beabstandet sind; wobei das Array so eingerichtet ist, dass es ein Strahlungsmuster ausstrahlt, das durch eine erste Strahlbreite in einer ersten Ebene und eine zweite Strahlbreite in einer zweiten Ebene senkrecht zur ersten Ebene gekennzeichnet ist, wobei die erste Strahlbreite breiter ist als die zweite Strahlbreite.
Das System nach Anspruch 1, wobei die leitfähige Schicht eine erste und eine zweite Seite aufweist, umfassend: eine erste Grundplatte, die auf der ersten Seite des Arrays angeordnet und von dem Array beabstandet ist, und eine Anzahl von leitenden Säulen, die das Substrat an die erste Grundplatte erden, wobei die leitenden Säulen eine zweite Grundplatte auf dem Substrat definieren, wobei die leitenden Säulen nicht durch das Substrat hindurchgehen.
Das System nach Anspruch 2, wobei das Substrat auf der zweiten Seite des Arrays angeordnet ist.
Das System nach Anspruch 2, wobei die erste Grundplatte, die leitfähigen Säulen und die zweite Grundplatte einen Lufthohlraum definieren, der eingerichtet ist, eine Rückstrahlung in einer Richtung von der ersten Seite des Substrats nach außen zu verhindern.
Das System nach Anspruch 1, wobei das Substrat als ein Zwischenschaltungselement eingerichtet ist, durch das dem Array ein Signal zugeführt wird, wobei das Array eingerichtet ist, das Strahlungsmuster durch das Zwischenschaltungselement auszustrahlen.
Das System nach Anspruch 1, umfassend eine auf der leitfähigen Schicht angeordneten dielektrischen Schicht.
Das System nach Anspruch 1, umfassend einem koplanaren Wellenleiter, der eingerichtet ist, ein Signal in den Zuführungsschlitz einzuleiten.
Das System von Anspruch 7, umfassend; eine von dem Array beabstandete Grundplatte; und ein Frontend-Modul, das so eingerichtet ist, dass es ein Signal erzeugt und das Signal an den koplanaren Wellenleiter liefert, wobei das Frontend-Modul zwischen der leitfähigen Schicht und der Grundplatte angeordnet ist.
Das System nach Anspruch 8, umfassend einer Hochfrequenz-Leiterplatte, wobei die Grundplatte auf der Hochfrequenz-Leiterplatte angeordnet ist.
Ein Antennensystem für ein Radar eines Fahrzeugs, wobei das System umfasst: ein Substrat aus einem dielektrischen Material; eine leitfähige Schicht, die einen Zuführungsschlitz definiert, der eine Anzahl von Seitenschlitzen verbindet, die in einer Linie angeordnet sind, die ein Array durch die leitfähige Schicht bildet, wobei die Seitenschlitze voneinander beabstandet sind und das Array auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die leitfähige Schicht eine erste und eine zweite Seite aufweist; einen koplanaren Wellenleiter, der eingerichtet ist, ein Signal in den Zuführungsschlitz einzul ei ten; eine erste Grundplatte, die auf der ersten Seite der leitfähigen Schicht angeordnet und von der leitfähigen Schicht beabstandet ist; eine Anzahl von leitenden Säulen, die das Substrat an der ersten Grundplatte erden, und eine zweite Grundplatte aus einem Siliziummaterial, die auf dem Substrat definiert und durch die leitfähigen Säulen begrenzt ist, wobei elektromagnetische Energie von dem Array als Ergebnis von Wanderwellen, die sich entlang des Zuführungsschlitzes bewegen, abgestrahlt wird, wobei das Array so eingerichtet ist, dass es ein Strahlungsmuster ausstrahlt, das durch eine erste Strahlbreite in einer ersten Ebene und eine zweite Strahlbreite in einer zweiten Ebene senkrecht zur ersten Ebene gekennzeichnet ist, wobei die erste Strahlbreite breiter ist als die zweite Strahlbreite, wobei sich die erste Strahlbreite in einer Azimut-Richtung relativ zum Fahrzeug und die zweite Strahlbreite in einer Höhenrichtung relativ zum Fahrzeug erstreckt.