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Die vorgestellte Erfindung betrifft einen Radarsensor, ein Radarsystem und ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Radarsystems.
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Radarsysteme werden insbesondere zum Messen einer Entfernung zu einem Objekt eingesetzt. Dazu werden Radarwellen in eine Umgebung ausgesendet und eine Laufzeit von durch ein Objekt reflektierten Radarwellen erfasst.
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Moderne Radarsysteme sollen hohe Anforderungen an eine Hochfrequenzsende- und Empfangsleistung, elektromagnetische Emissionen, Erwärmung, Energieeffizienz und Kosteneffizienz erfüllen.
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Bekannte Aufbauten von Radarsystemen basieren auf einer Anordnung, bei der ein Hochfrequenzsubstrat zu einem jeweiligen Radom ausgerichtet, also dem Radom zugewandt angeordnet wird. Wird dann der integrierte HF-Schaltkreis zur Anbindung der Antennen ebenfalls zum Radom hin angeordnet, dann erfordert dessen EMV-Schutz und dessen Entwärmung zusätzlichen Aufwand. Entsprechend entsteht bei einer Ausrichtung des Hochfrequenzsubstrats zu dem Radom ein Zielkonflikt, bei dem ausgewählte Anforderungen zu Lasten anderer Anforderungen besonders gut erfüllt werden.
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Bspw. beschreibt die
US 2020 220273 A1 ein Radarsystem, bei dem sich ein Mikrocontroller und ein Hochfrequenzschalter in Kontakt mit einem Substrat eines Leiterplattenaufbaus befinden. Dabei ist der Hochfrequenzschalter in einem Zwischenraum zwischen dem Substrat und einem Radom angeordnet, wodurch Leistungsverluste beim Senden und Empfangen von Hochfrequenzsignalen verursacht werden können.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorgestellten Erfindung, einen Radarsensor für ein Radarsystem bereitzustellen, der gleichzeitig höchste Anforderungen an eine Hochfrequenzsende- und Empfangsleistung, elektromagnetische Emissionen, Erwärmung, Energieeffizienz und Kosteneffizienz erfüllt. Insbesondere war es eine Aufgabe der vorgestellten Erfindung einen Radarsensor bereitzustellen, der die voranstehend genannten Anforderungen bei einem Betrieb mit Radarsignalen im Frequenzbereich zwischen 76-81 GHz gleichzeitig erfüllt.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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In einem ersten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen Radarsensor zum Senden und Empfangen von Radarwellen. Der Radarsensor umfasst mindestens ein Kontrollgerät und mindestens eine Leiterplatte, wobei die mindestens eine Leiterplatte ein Substrat und einen auf dem Substrat angeordneten Aufbau mit einer Vielzahl an Metallisierungsstrukturen umfasst. Der Radarsensor ist dazu konfiguriert, derart an einem Radom angeordnet zu werden, dass das Substrat auf einer dem Radom abgewandten Seite und der Aufbau zwischen dem Radom und dem Substrat angeordnet ist. Das mindestens eine Kontrollgerät ist auf einer dem Radom abgewandten Seite des Substarts angeordnet und steht mit der mindestens einen Leiterplatte in kommunikativer Verbindung. In den Aufbau ist mindestens eine Ausnehmung eingebracht, wobei sich zwischen dem Radom und der mindestens einen Ausnehmung lediglich Umgebungsmedium befindet.
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Unter einem Aufbau einer Leiterplatte ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine auf einem Substrat der Leiterplatte gebildete Struktur, insbesondere eine Anzahl von Metallisierungsschichten mit entsprechenden Leiterbahnen und elektronischen Bauteilen zu verstehen.
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Das Substrat der Leiterplatte des vorgestellten Radarsensors kann insbesondere ein sogenanntes „Hochfrequenzsubstrat“ bzw. ein Substrat einer sogenannten „Hochfrequenzleiterplatte“ sein, die sich durch speziell für Hochfrequenzanwendungen optimierte Leiterbahnen und Materialien mit einer entsprechend optimierten Dielektrizitätskonstante und einer minimalen Impedanz auszeichnet.
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Unter einem Radom ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine mit einer Umgebung in Kontakt stehende Außenhülle eines Radarsystems zu verstehen, die durchlässig für Radarwellen ist.
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Durch die Struktur und die dadurch bedingte Ausrichtung jeweiliger Bauteile des erfindungsgemäßen Radarsensors relativ zu einem Radom in Kombination mit der erfindungsgemäß vorgesehenen mindestens einen Ausnehmung werden höchste Anforderungen an eine Hochfrequenzsende- und Empfangsleistung, elektromagnetische Emissionen, thermische Emissionen, Energieeffizienz und Kosteneffizienz gleichzeitig erfüllt.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene mindestens eine Ausnehmung im Aufbau der Leiterplatte wirkt als breitbandige Hohlleiterantenne, die Radarsignale in den Radarsensor, d.h. insbesondere auf das Substrat der Leiterplatte leitet, das als hochfrequenzaktive Fläche wirkt. Entsprechend kann unter Verwendung des vorgestellten Radarsensors auf zusätzliche Antennen, wie bspw. sogenannte „Patch-Antennen“ verzichtet werden.
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Die Anordnung des Aufbaus der Leiterplatte des Radarsensors zwischen dem Substrat und einem jeweiligen Radom minimiert eine Dämpfungswirkung durch das Substrat für auf den Radarsensor einfallende Radarwellen und maximiert entsprechend eine Empfangsleistung des Radarsensors. Entsprechend kann ein sehr breites Frequenzband, mit bspw. Radarsignalen im Frequenzbereich zwischen 76-81 GHz genutzt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass sämtliche mit dem Substrat kommunikativ verbundene Kontrollgeräte mit mindestens einem Kühlkörper, der beabstandet von dem Substrat auf einer dem Aufbau gegenüberliegenden Seite des Substrats angeordnet ist, thermisch gekoppelt sind.
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Eine Anordnung jeweiliger Kontrollgeräte an einer dem Aufbau gegenüberliegenden Seite des Substrats ermöglicht eine platzsparende thermische Kontrolle der Kontrollgeräte durch lediglich einen gemeinsamen Kühlkörper.
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Durch eine Anordnung eines Kontrollgeräts, wie bspw. einem Mikrocontroller, einem Prozessor, einem ASIC oder jedem weiteren programmierten Bauteil, direkt an dem Substrat der erfindungsgemäß vorgesehenen Leiterplatte, können Leitungswege und entsprechende Leitungsverluste bei einer Kommunikation zwischen dem mindestens einen Kontrollgerät und jeweiligen Bauteilen der Leiterplatte minimiert werden. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die mindestens eine Ausnehmung an ihrer Oberfläche metallisiert ist.
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Eine Metallisierung der mindestens einen Ausnehmung maximiert die Wirkung der mindestens einen Ausnehmung als Antenne, indem eine Verlustleistung von Radarwellen, die durch Ausnehmung strahlen, minimiert wird.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass an einer dem Substrat abgewandten bzw. einem jeweiligen Radom zugewandten Außenseite des Aufbaus der erfindungsgemäß vorgesehenen Leiterplatte eine Metallisierung zur Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Strahlung angeordnet ist.
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Mittels einer Abschirmung an einer Außenseite des Aufbaus der Leiterplatte des vorgestellten Radarsensors kann eine sogenannte „elektromagnetische Verträglichkeit“ maximiert, also eine durch den Radarsensor emittierte Störleistung für andere Geräte minimiert werden. Dabei kann die Abschirmung durch eine Metallisierungsebene der Leiterplatte an sich gebildet werden, sodass kein zusätzliches Material zur Abschirmung in die Leiterplatte eingebracht bzw. auf die Leiterplatte aufgebracht zu werden braucht und der Radarsensor entsprechend kosteneffizient gefertigt werden kann. Entsprechend bewirkt eine Metallisierung der Außenseite des Aufbaus der Leiterplatte des vorgestellten Radarsensors eine Verbesserung der Immunität gegenüber von außen einfallender Störstrahlung, sogenannte „EMI Optimierung“, ohne zusätzliche EMI-Filter.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Aufbau eine FR4-Leiterplatte ist.
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FR4-Leiterplatten sind als Standard-Komponenten in allen elektronischen Geräten vorhanden und entsprechend kosteneffizienter herzustellen als Sonder-Komponenten.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Radarsystem zum Senden und Empfangen von Radarwellen. Das Radarsystem umfasst eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Radarsensors und ein Radom, wobei ein Substrat einer Leiterplatte des Radarsensors auf einer dem Radom abgewandten Seite und ein Aufbau der Leiterplatte des Radarsensors zwischen dem Radom und dem Substrat angeordnet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Radarsystem einen Grundkörper umfasst, der eine Aufnahme zum Anordnen des Radarsensors umfasst, wobei die Aufnahme dazu konfiguriert ist, den Radarsensor derart relativ zu dem Radom auszurichten, dass das Substrat der Leiterplatte des Radarsensors auf der dem Radom abgewandten Seite und der Aufbau der Leiterplatte des Radarsensors zwischen dem Radom und dem Substrat vorliegt.
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Mittels einer Aufnahme, wie bspw. einer Klemmleiste, kann eine einfache und präzise Anordnung des vorgestellten Radarsensors an einem Grundkörper des vorgestellten Radarsystems erreicht werden.
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In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein Radarsystem, bei dem eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Radarsensors derart an einem Grundkörper angeordnet wird, dass ein Substrat einer Leiterplatte des Radarsensors auf einer einem Radom des Radarsystems abgewandten Seite und ein Aufbau der Leiterplatte des Radarsensors zwischen dem Radom und dem Substrat vorliegt.
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Es kann vorgesehen sein, dass in den Aufbau der Leiterplatte mindestens eine Ausnehmung eingebracht und an ihrer Oberfläche metallisiert wird.
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Um die mindestens eine Ausnehmung in den Aufbau einzubringen, kann der Aufbau unabhängig bzw. getrennt von dem Substrat oder zusammen mit dem Substrat in bspw. einem Stanzprozess, einem Fräsprozess oder einem Schneidprozess bearbeitet werden.
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Durch Einbringen einer Metallisierung, d.h. einer metallischen Beschichtung in jeweilige Ausnehmungen, sodass die eine jeweilige Ausnehmung umgebenden Wände des Aufbaus metallisiert sind, kann eine Wirkung der Ausnehmung als Hohlleiterantenne maximiert werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Aufbau in einem ersten Herstellungsschritt unabhängig von dem einem zweiten Herstellungsschritt zur Herstellung des Substrats hergestellt wird.
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Durch einen von der Herstellung eines jeweiligen Substrats unabhängigen Herstellungsschritt zum Herstellen des Aufbaus, bei dem bspw. Ausnehmungen in einen Aufbau eingebracht werden, können die Komponenten der Leiterplatte des vorgestellten Radarsensors, d.h. das Substrat und der Aufbau, effizient und schnell bereitgestellt werden. Zum Einbringen der Ausnehmungen in den Aufbau kann dieser bspw. gestanzt, geschnitten oder gefräst und optional anschließend zumindest teilweise bspw. mit einer Metallisierungsschicht umgeben werden. In einem weiteren Herstellungsschritt kann ein mit Ausnehmungen bereitgestellter Aufbau mit einem Substrat zu einer Leiterplatte verbunden werden.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Radarsystems mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Radarsensors.
- 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens.
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In 1 ist ein Radarsystem 100 dargestellt. Das Radarsystem 100 umfasst einen Radarsensor 101 und ein Radom 103.
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Der Radarsensor 101 umfasst ein Bauteil 105 in Form eines integrierten HF-Schaltkreises zum Erzeugen und verarbeiten von HF-Signalen und ein Kontrollgerät 107 in Form eines integrierten Schaltkreises zum Steuern bzw. Regeln des Radarsensors 101.
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Das Bauteil 105 und das Kontrollgerät 107 sind an einem Metallkörper 109 zum Abführen von thermischer Energie aus dem Bauteil 105 und dem Kontrollgerät 107 angeordnet.
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Das Bauteil 105 und das Kontrollgerät 107 sind jeweils mit einem Substrat 111 des Radarsensors 101 verbunden, das als Träger für das Bauteil 105 und das Kontrollgerät 107 wirkt, und über Hochfrequenzsignalleiterbahnen 113 mit jeweiligen Ausnehmungen 119 in einem Aufbau 115 einer Leiterplatte 117 des Radarsensors gebildete Hohlleiterantennen verbunden.
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Die Ausnehmungen 119 können mit Umgebungsmedium, wie bspw. Luft gefüllt sein.
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Eine äußere Metallisierung bzw. metallische Beschichtung 121 des Aufbaus 115 der Leiterplatte 117 wirkt hier als Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Strahlung und maximiert daher eine elektromagnetische Verträglichkeit bzw. minimiert elektromagnetische Emissionen des Radarsensors 101.
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In den Aufbau 115 integrierte Metallisierungsstrukturen 123 dienen insbesondere zur Verteilung von Niederfrequenz- oder Digitalsignalen innerhalb des Aufbaus 115 bzw. der Leiterplatte 117 und zur Spannungsversorgung von Komponenten des Radarsensors 101, wie bspw. dem Bauteil 105.
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Der Aufbau 115 ist auf dem Substrat 111 angeordnet und bildet zusammen mit dem Substrat 111 die Leiterplatte 117.
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In 2 ist ein Herstellungsverfahren 200 dargestellt. Das Herstellungsverfahren 200 umfasst einen Bereitstellungsschritt 201 zum Bereitstellen eines Radarsensors, wie bspw. dem Radarsensor 101 gemäß 1 und einem Grundkörper sowie einem Radom, wie bspw. dem Radom 103 gemäß 1.
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In einem Fügeschritt 203 wird der Radarsensor 101 in eine Aufnahme des Grundkörpers eingefügt. Dabei ist die Aufnahme derart gestaltet, dass der Radarsensor 101 ausschließlich derart in die Aufnahme eingebracht werden kann, dass der Aufbau 115 des Radarsensors 101 zwischen dem Substrat 111, das bspw. ein Hochfrequenzsubstrat sein kann, und dem Radom 103 angeordnet ist.
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In einem optionalen Ausnehmungsschritt 205 kann mindestens eine Ausnehmung in einen Aufbau aus Metallisierungsebenen bzw. Metallisierungsstrukturen eingebracht werden. Dazu kann die mindestens eine Ausnehmung bspw. gestanzt, geschnitten oder gefräst werden. Anschließend kann der Aufbau mit der mindestens einen Ausnehmung an einem Substrat angeordnet werden, um bspw. den Radarsensor 101 zu formen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Radarsystem
- 101
- Radarsensor
- 103
- Radom
- 105
- erstes Kontrollgerät
- 107
- zweites Kontrollgerät
- 109
- Metallkörper
- 111
- Substrat
- 113
- Hochfrequenzsignalleiterbahnen
- 115
- Aufbau
- 117
- Leiterplatte
- 119
- Ausnehmung
- 121
- Beschichtung
- 123
- Metallisierungsstruktur
- 200
- Herstellungsverfahren
- 201
- Bereitstellungsschritt
- 203
- Fügeschritt
- 205
- Ausnehmungsschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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