DE102020103778A1

DE102020103778A1 - Invertiertes microstrip-travelling-wave-patch-array antennen system

Info

Publication number: DE102020103778A1
Application number: DE102020103778.3A
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: US11223112B2; CN111755819A; CN111755819B; US20200313287A1

Abstract

Ein Antennensystem umfasst ein Substrat aus einem dielektrischen Material. Eine leitfähige Zuführung verbindet eine Anzahl von leitfähigen Patches, die in einer Linie angeordnet sind und ein Array bilden. Die leitfähigen Patches sind voneinander beabstandet und das Array wird auf dem Substrat angeordnet. Das Array hat eine erste und eine zweite Seite. Eine erste Grundplatte ist auf der ersten Seite des Arrays angeordnet und vom Array beabstandet. Eine Anzahl von leitenden Säulen erdet das Substrat an die erste Grundplatte, und die leitenden Säulen definieren eine zweite Grundplatte auf dem Substrat. Das Array ist so eingerichtet, dass es ein Strahlungsmuster abstrahlt, 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
Das technische Gebiet bezieht sich im Allgemeinen auf Antennen, insbesondere auf Microstrip Microstrip-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.
Microstrip- oder Patch-Antennen wurden in relativ niedrigen Verstärkungsgraden von drahtlosen Systemen mit kurzer Reichweite eingesetzt. Eine Microstrip-Antenne besteht in der Regel aus einem leitfähigen Patch auf einem geerdeten dielektrischen Substrat. Die Bandbreite einer typischen Microstrip-Antenne ist tendenziell schmal. Darüber hinaus verwenden Microstrip-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. Microstrip-Antennen sind daher kompliziert in der Herstellung und haben relativ hohe Fertigungs- und Montagekosten.
Dementsprechend ist es wünschenswert, Microstrip-Antennen bereitzustellen, die wünschenswerte Leistungsmerkmale über größere Bandbreiten bieten. Darüber hinaus ist es wünschenswert, Microstrip-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 Zeichnungen 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 Zuführung verbindet sich mit einer Anzahl von leitfähigen Patches, die voneinander beabstandet und in einer Linie angeordnet sind und ein Array bilden. Das Array ist auf dem Substrat angeordnet und hat 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. Das Array ist so eingerichtet, dass es ein Strahlungsmuster abstrahlt, 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.
Bei zusätzlichen Ausführungsformen durchdringen die leitenden Säulen nicht das Substrat.
Bei 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 vom Substrat nach außen und zur ersten Seite hin 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 abstrahlt.
In zusätzlichen Ausführungen wird eine dielektrische Schicht auf der leitfähigen Zuführung angeordnet.
In weiteren Ausführungen leitet ein koplanarer Wellenleiter ein Signal an die leitfähige Zuführung.
In weiteren Ausführungsformen erzeugt ein Frontend-Modul das Signal und liefert das Signal an den koplanaren Wellenleiter. Das Frontend-Modul ist zwischen der ersten und zweiten Grundplatte angeordnet.
In weiteren Ausführungsformen ist die Grundplatte auf einer Hochfrequenzleiterplatte angeordnet.
In weiteren Ausführungsformen ist auf der Hochfrequenzleiterplatte ein Sender-Empfänger-Modul angeordnet, das über das Frontend-Modul und das Substrat mit dem Array gekoppelt ist.
In einer Reihe von weiteren Ausführungsformen enthält ein Antennensystem ein Substrat aus einem dielektrischen Material. Eine leitende Zuführung verbindet eine Anzahl von beabstandeten, leitfähigen Patches, die in einer Linie angeordnet sind und ein Array bilden. Das Array ist auf dem Substrat angeordnet und hat eine erste und eine zweite Seite. Die Patches haben jeweils eine Breite senkrecht zur leitenden Zuführung und sind zumindest teilweise ungleichmäßig breit. Das Array ist so eingerichtet, dass es ein Strahlungsmuster abstrahlt, 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 ist eine erste Grundplatte auf der ersten Seite des Arrays angeordnet und vom Array beabstandet. Eine Reihe von leitfähigen Säulen erden das Substrat an die erste Grundplatte und binden eine zweite Grundplatte an das Substrat. Die leitfähigen Säulen durchdringen das Substrat nicht.
In weiteren Ausführungen leitet ein koplanarer Wellenleiter ein Signal an die leitende Zuführung ein. Ein Frontend-Modul erzeugt das Signal und liefert das Signal an den koplanaren Wellenleiter. Das Frontend-Modul ist zwischen der ersten und zweiten Grundplatte angeordnet.
In zusätzlichen Ausführungen definieren die erste Grundplatte, die leitenden Säulen und die zweite Grundplatte einen Lufthohlraum, der so eingerichtet ist, dass eine Rückstrahlung vom Substrat nach außen und zur ersten Seite hin verhindert wird.
Bei weiteren Ausführungsformen wird das Substrat auf der zweiten Seite des Arrays angeordnet.
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 abstrahlt.
Bei weiteren Ausführungen wird auf der ersten Seite des Arrays eine dielektrische 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 zusätzlichen Ausführungen leitet ein koplanarer Wellenleiter ein Signal an die leitende Zuführung ein und enthält ein Paar Masseleiter. Durch jeden Masseleiter verläuft eine leitende Säule bis zum Substrat.
In einer Reihe von weiteren Ausführungsformen enthält ein Antennensystem für ein Radar eines Fahrzeugs ein Substrat aus einem dielektrischen Material. Ein leitende Zuführung verbindet eine Anzahl von beabstandeten, leitfähigen Patches, die in einer Linie angeordnet sind und ein Array bilden. Das Array ist auf dem Substrat angeordnet und hat eine erste und eine zweite Seite. Ein koplanarer Wellenleiter leitet ein Signal an die leitende Zuführung weiter. 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. Eine zweite Grundplatte ist auf dem Substrat definiert und wird durch die leitfähigen Säulen begrenzt. Die leitende Zuführung ist so eingerichtet, dass sie elektromagnetische Energie von Wanderwellen, die sich durch die dielektrische Schicht in den Hohlraum ausbreiten, abstrahlt. Das Array ist so eingerichtet, dass es ein Strahlungsmuster abstrahlt, 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 Darstellung der realisierten Verstärkung in dB gegen das vertikale Sichtfeld in Grad für das Antennensystem von 4, entsprechend einer Ausführungsform;
7 ist ein Diagramm des Eingangsreflexionskoeffizienten in dB über ein 12GHz-Frequenzband für das Antennensystem von 4, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform; und
8 ist eine Darstellung der Isolation zwischen den Array-Elementen in dB über ein 12GHz-Frequenzband für das Antennensystem von FIG. , 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 offenbarten Architekturen haben die Vorteile einer geringen Fertigungskomplexität und niedriger Montagekosten. Die Antennenstrahlerstruktur besteht in der Regel aus einem in Reihe gespeisten Microstrip-, Wanderwellen-Array. Die Masse für die Antenne kann durch eine Kombination von leitfähigen 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 wird ein Übergang vom Hohlleiter zum invertierten Microstrip verwendet, der direkt durch das Interposer-Substrat strahlt. 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 Interposem wie Glas oder organischen Substraten realisiert werden. In einigen Ausführungsformen werden Vias durch Interposer wie z.B. Durchgangs-Silizium-Vias oder Durch-Glas-Vias verwendet, bei denen der zusätzliche Fertigungsaufwand und die Kosten 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 abstrahlen 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 Sender-Empfänger-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 zentrale Verarbeitungsmodul 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 -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 die Verbindung der 78 GHz-Sendesignale vom Sender-Empfänger-Modul 102 mit der Antenne 104 über das FE-Modul 114, das die Signale auf 234 GHz verdreifacht und an die Antennen weiterleitet. 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.
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 Fahrspuren 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 93 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 leitfähigen Säulen, 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 Interposer-Substrats 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 PCB-Kosten erhöht und die Ausbeute verringert. Dementsprechend ist ein Vorteil der aktuellen Architektur die vereinfachte Herstellung aufgrund des Fehlens von Durchgangsbohrungen. Die Antennenschicht 148 ist beispielsweise auf der Unterseite 150 des Interposer-Substrats 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 Interposer-Substrats 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 Zuführung 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 Zuführung über das FE-Modul 114 erfolgt, das sich auf der Unterseite des Interposer-Substrats 112 befindet. Die Antennenspeisung kann sich auf der Oberseite des Interposer-Substrats 112 befinden, aber das würde Vias durch das Interposer-Substrat 112 erfordern. 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 Abstrahlung 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 mit der Antennenschicht 148 näher erläutert. In dieser Ansicht ist die Ausführungsform gegenüber 4 invertiert, um die Details eines Antennen-Arrays 170 zu zeigen, und so ist die Oberseite 146 des Interposer-Substrats 112 in 5 nach unten gerichtet. Das Antennen-Array 170 ist ein Wanderwellen-Array und befindet sich auf der Unterseite, genauer gesagt auf der Unterseite 150 des dielektrischen Interposer-Substrats 112. Das Antennen-Array 170 ist auf der Unterseite 150 des Interposer-Substrats 112 angeordnet und enthält eine leitende Microstrip-Speiseleitung 174, die aus gedrucktem Kupfer bestehen kann, die mehrere Patches 81-87 verbindet, die ebenfalls aus gedrucktem Kupfer bestehen können.
Die Kupfersäulen 140 kurzschließen eine dielektrische Grundplatte 172 (in dieser Ausführung aus Silizium und integraler Bestandteil des Interposer-Substrats 112) mit der PCB-Grundplatte 164, wie in 4 dargestellt. Der Hohlraum 168 ist um die Antennenöffnung herum angeordnet und wird durch die Grundplatten 164, 172 und die Kupfersäulen 140 begrenzt. Die Kupfersäulen 140 sind ca. 75 µm hoch und auf einem 200 µm hohen Feld positioniert, was die Wellenausbreitung 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 zur Zuleitung 174 durch die Umverteilungsschicht 152 bietet einen Übergang mit erwünschter Anregung für das Array 170. Ein Übergang mit einem koplanaren Wellenleiter (CPW) 176 Start vom MMIC-Chip 158 zur Microstripleitung 174 zur effektiven Anregung des Antennenarrays 170 ist für die Wanderwellenzuführung eingerichtet, um die Zuführung vollständig durch das Array zu propagieren. Der CPW 176 wird vom MMIC-Chip 158 durch eine Masse-Signal-Masse-Zuführung am CPW 176 gespeist. Der CPW 176 enthält drei Leiter: Erdleiter 190, Mittelleiter 191 und Erdleiter 192. Die Leiter 190-192 erstrecken sich zwischen dem Interposer-Substrat 112 und der dielektrischen Schicht 154. Die Erdungsleiter 190, 192 enthalten Laschen, die von Kupfersäulen 140 durchzogen sind. Zwischen dem Mittelleiter 191 und den Masseleitern 190, 192 sind Lücken 194, 195 mit gleichbleibender Breite definiert. Der Vorschub geht beim Übergang 180 von CPW 176 auf die Microstripleitung 174 über. Die Masseleiter 190, 192 erstrecken sich über eine erhebliche Entfernung vom Mittelleiter 191.
Das Antennen-Array 170 ist für eine breite Bandbreite und geringe Verluste eingerichtet. Die leitfähige Microstripleitung 174 aus bedrucktem Kupfer verbindet die verschiedenen Patches 181-187, ebenfalls aus bedrucktem Kupfer. In anderen Ausführungsformen kann eine andere Anzahl von Patches verwendet werden, um die gewünschte Abdeckung und Auflösung zu erreichen. Die strahlenden Elemente sind die leitfähigen Patches 181-187 und sind direkt an eine Microstripleitung 174 gekoppelt. Die Patches 181-187 strahlen einzeln ab und aufgrund ihrer Anordnung bilden die Strahlungen aller Elemente in Summe den Strahlungskegel des Antennen-Arrays, der eine hohe Verstärkung und eine hohe Richtwirkung bei minimalen Verlusten aufweist. Die Antennenleistung ist eine Funktion der Struktur des Antennen-Arrays 170. In der heutigen Ausführungsform sind die Patches 181-187 unähnlich mit jeweils etwa Halblambda-Abständen und Längen und unterschiedlichen Breiten. Die Anzahl der Patches kann auf die gewünschte Bandbreite sowie auf die Strahlungseffizienz und Auflösung zugeschnitten werden. Die Breitenschwankungen sind auf die Betriebsfrequenz abgestimmt. Darüber hinaus strahlt das Wanderwellen-Antennenfeld 170 durch das Siliziumsubstrat des Interposer-Substrats 112, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt. Die resultierende Elevationsstrahlbreite 132 beträgt ca. 16,5 Grad und die Azimutstrahlbreite 122 ca. 93 Grad für einen größeren Erfassungsbereich. Die Antenne kann zur Verbesserung der Auflösung im Azimut angeordnet werden.
Die Verstärkung ist abhängig von der Richtcharakteristik des Antennensystems 100. 6 ist eine Grafik, die einen E-Feld-Schnitt des realisierten Fernfeld-Verstärkungsmusters des Arrays in dB gegen den Winkel in Grad darstellt. Das resultierende Antennendiagramm 202 zeigt einen wünschenswerten realisierten Gewinn von ca. 10dB über das 228GHz - 240GHz Band für das Elevationsblickfeld, was den Richtungsfokus des Strahlungsdiagramms demonstriert. Die Pegelspitzen der Nebenkeulen variieren von 12,4dB bis 10dB über das Band, die durch eine Amplitudenverjüngung entlang des Antennen-Arrays 170 weiter optimiert werden können.
Der Eingangsreflexionsgrad des Antennen-Arrays von 170 in dB über das 12GHz (228GHz - 240GHz) Frequenzband ist in 7 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 ±15 µm Variation der Kupfer-Säulenhöhe und ±2,5 µm Interposer-Substrathöhe bei. Die Isolation zwischen den Array-Elementen über das 12GHz-Frequenzband mit Halblambda-Abstand zeigt eine minimale Kopplung von -18dB bei 228GHz, wie die Grafik 206 in 8 zeigt, mit besserer Anpassung 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 Antennenabstrahlungsstruktur verwendet ein in Reihe gespeistes Microstrip-Wanderwellen-Array. In anderen Ausführungsformen können mehrere Arrays verwendet werden, z.B. durch Stapeln oder in anderen Konfigurationen. 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-invertierter Microstrip-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 Abstrahlcharakteristiken 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) Einleger. 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 Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Äquivalenten festgelegt ist, beeinträchtigt wird.

Claims

Ein Antennensystem, umfassend: ein Substrat aus einem dielektrischen Material; eine leitfähige Zuführung, die eine Anzahl von leitfähigen Patches verbindet, die in einer Linie angeordnet sind, die ein Array bildet, wobei die leitfähigen Patches voneinander beabstandet sind und das Array auf dem Substrat angeordnet ist, wobei das Array eine erste und eine zweite Seite aufweist; 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 das Array eingerichtet ist, ein Strahlungsmuster auszustrahlen, 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 leitenden Säulen nicht durch das Substrat hindurchgehen.
Das System nach Anspruch 1, wobei das Substrat auf der zweiten Seite des Arrays angeordnet ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei die erste Grundplatte, die leitfähigen Säulen und die zweite Grundplatte einen Lufthohlraum definieren, der eingerichtet ist, eine Rückstrahlung in einer Richtung nach außen von der ersten Seite des Substrats zu verhindern.
Das System nach Anspruch 1, bei dem 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 einen koplanaren Wellenleiter, der so eingerichtet ist, ein Signal an die leitfähige Zuführung abzugeben.
Das System nach Anspruch 6, umfassend ein Frontend-Modul, das eingerichtet ist, das Signal zu erzeugen und das Signal an den koplanaren Wellenleiter zu liefern, wobei das Frontend-Modul zwischen der ersten und der zweiten Grundplatte angeordnet ist.
Das System nach Anspruch 1, umfassend eine Hochfrequenz-Leiterplatte, wobei die Grundplatte auf der Hochfrequenz-Leiterplatte angeordnet ist.
Das System nach Anspruch 8, umfassend ein Sender-Empfänger-Modul, das auf der Hochfrequenz-Leiterplatte angeordnet und über das Frontend-Modul und das Substrat mit dem Array gekoppelt ist.
Ein Antennensystem für ein Radar eines Fahrzeugs, wobei das System umfasst: ein Substrat aus einem dielektrischen Material; eine leitfähige Zuführung, die eine Anzahl von leitfähigen Patches verbindet, die in einer Linie angeordnet sind, die ein Array bildet, wobei die leitfähigen Patches voneinander beabstandet sind und das Array auf dem Substrat angeordnet ist, wobei das Array eine erste und eine zweite Seite aufweist; einen koplanaren Wellenleiter, der eingerichtet, ein Signal an die leitfähige Zuführung abzugeben; eine erste Grundplatte, die auf der ersten Seite des Arrays angeordnet und von dem Array beabstandet ist, eine Anzahl von leitenden Säulen, die das Substrat an der ersten Grundplatte erden, und eine zweite Grundplatte, die auf dem Substrat definiert und durch die leitfähigen Säulen begrenzt ist, wobei elektromagnetische Energie durch die leitfähige Zuführung mit Wanderwellen abgestrahlt wird, die sich durch die dielektrische Schicht in den Hohlraum erstrecken, wobei das Array eingerichtet ist, ein Strahlungsmuster auszustrahlen, 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.