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Die
Erfindung betrifft einen Radar-Transceiver (Sende/Empfänger-Modul)
für Mikrowellen-
und Millimeterwellenanwendungen und zugehörige Modulplattformkonzepte
zur Zusammenschaltung von Teilmodulen zu einem Gesamtmodul.
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Ein
Radar-Transceiver ist ein zur Ortung von Gegenständen im Raum oder zur Geschwindigkeitsbestimmung
geeignetes Höchstfrequenzgerät, das elektromagnetische
Wellen senden und die vom Zielgegenstand reflektierten elektromagnetischen
Wellen empfangen und weiterverarbeiten kann. Ein Radar-Transceiver
enthält
in der Regel mehrere miteinander verschaltete Höchstfrequenzmodule, die verschiedene
Funktionalitäten
im Frequenzbereich von 1 bis 100 GHz erfüllen.
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Der
Frequenzbereich zwischen 1 GHz und 30 GHz wird Mikrowellenbereich
(MW-Bereich) genannt. Der Frequenzbereich ab 30 GHz aufwärts wird Millimeterwellenbereich
(mmW-Bereich) genannt. Die Höchstfrequenzmodule
unterscheiden sich gegenüber
den Hochfrequenzmodulen insbesondere dadurch, daß für Höchstfrequenzschaltungen ab
5 GHz in der Regel „Wellenleiter", z. B. Mikrostreifenleitungen
und Koplanarleitungen verwendet werden.
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Transceiver
oder Transceiver-Komponenten werden insbesondere in folgenden Bereichen
angewendet: bei automobilen Radarmodulen, beispielsweise Automobilradar
bei 24 GHZ und 77 GHz, Keyless Entry Systemen, aber auch allgemein
bei Datenübertragungs-Systemen,
z. B. bei drahtlosen lokalen Datennetzwerken WLAN (Wireless Local
Area Network), optischen Modulen wie Multiplexer, Modulatoren und
Sender-/Empfängereinheiten,
bei Front-End-Modulen für
Breitbandkommunikation, z. B. LMDS (Lo cal Multimedia Distribution
System) und Richtfunkanlagen für
Basisstationen.
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Im
Mikrowellenbereich von 1 bis 18 GHz ist es bisher üblich, verschiedene
Schaltungsteile (Höchstfrequenzmodule)
auf einem Softboard (Leiterplatte aus einem Material mit einer niedrigen
Absorption elektromagnetischer Wellen im Höchstfrequenzbereich) mittels
SMD-Technik (SMD = Surface Mounted Device) miteinander zu verbinden.
Die SMD-Bauteile sind jedoch für
Anwendungen bei höheren
Frequenzen als 18 GHz meist ungeeignet.
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Es
ist beispielsweise ein mit dieser Technik realisierter Transceiver-Modul
bekannt, das folgende auf einem 30 mm × 30 mm großen Board angeordnete Komponenten
enthält:
einen mit diskreten SMD-Bauelementen (einem Transistor und zwei
Dioden) aufgebauten spannungsgesteuerten Oszillator und einen Mischer.
Zusätzlich
werden an dieses Modul eine Antenne, ein Frequenzteiler und eine
Frequenzregelschleife von extern angeschlossen.
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Im
Millimeterwellenbereich anzuwendende Module werden heutzutage meist
auf der Basis von Dünnschichtsubstraten
hergestellt. Das Dünnschichtsubstrat
kann gleichzeitig ein oder mehrere Chip-Bauelemente tragen. Die
Chip-Bauelemente werden auf dem Trägersubstrat mittels Drahtbonden oder
Flip-Chip-Technik
befestigt und damit elektrisch verbunden.
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Der
Nachteil der bisher bekannten Transceiver-Modulen besteht darin,
daß sie
einen großen Platzbedarf
haben und aus diesem Grund den anwendungsbezogenen Anforderungen
oft nicht genügen
(z. B. bei Funkschlüssel-Anwendungen
für Automotive
Remote Keyless Entry, RKE).
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Aus
der Druckschrift
DE
10041770 A1 ist ein kompaktes, multifunktionales, modular
aufgebautes und oberflächenmontierbares
Bauelement auf der Basis eines mehrlagigen Modulsubstrats be kannt,
in das verschiedene Teilfunktionen des Moduls integriert werden
können.
Die im Substrat integrierten Elemente können z. B. Induktivitäten, Spulen,
Wellenleiter, Schwingkreise sowie mikroelektronische Schaltkreise
sein. Auf der Oberseite des Mehrlagensubstrats sind Hochfrequenz-Funktionseinheiten (Chips,
Hochfrequenz-Verteilernetzwerk) angeordnet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue hochintegrierte Realisierung
eines Radar-Transceivers in einem kompakten Modul anzugeben und
das Modul noch kompakter und platzsparender zu gestalten als bekannt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
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Die
Erfindung gibt einen Radar-Transceiver an, enthaltend:
- – zumindest
einen Oszillator, der zumindest ein aktives Schaltungselement, zumindest
einen frequenzbestimmenden Resonanzkreis und zumindest eine zur
Frequenzverstimmunq geeignete Komponente umfaßt,
- – zumindest
einen Mischer, der zumindest eine Diode und zumindest ein passives
Schaltungselement umfaßt,
- – ein
Substrat mit zumindest zwei direkt übereinander angeordneten dielektrischen
Lagen, bei dem auf, unterhalb und zwischen den dielektrischen Lagen
Metallisierungsebenen vorgesehen sind, wobei die Unterseite des
Substrats Außenkontakte
zur Ankontaktierung an einen Systemträger und die Oberseite des Substrats
Kontakte zur Ankontaktierung an die Außenelektroden der zumindest
einen elektronischen Einzelkomponente aufweist,
- – eine
oder mehrere auf der Oberseite des Substrats angeordnete elektronische
Einzelkomponenten, die
- – zumindest
eine aktive oder nichtlineare Schaltungskomponente des Mischers
und
- – zumindest
eine aktive oder nichtlineare Schaltungskomponente des spannungsgesteuerten Oszillators umfassen,
wobei
das zumindest eine passive Schaltungselement des Mischers und/oder
der zumindest eine Resonanzkreis des spannungsgesteuerten Oszillators
zumindest teilweise in einer der innen liegenden Metallisierungsebenen
des Substrats integriert ist.
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Die
Verbindung zwischen den Metallisierungsebenen erfolgt vorzugsweise
mittels Durchkontaktierungen. Möglich
ist es auch, die Verbindung durch eine kapazitive oder induktive
Feldkopplung zweier Metallstrukturen, die sich in unterschiedlichen Metallisierungsebenen
befinden, herzustellen.
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Der
genannte Oszillator ist vorzugsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator.
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Der
Oszillator generiert in dem Radar Transceiver elektromagnetische
Schwingungen bei der vorgegebenen Höchstfrequenz – ein Referenzsignal, welches über den
Sendepfad des Radar-Transceivers
zu einer externen oder im Substrat integrierten Sendeantenne geleitet
und von dort aus als Sendesignal in Richtung eines Zielobjektes
ausgestrahlt wird. Das vom Zielobjekt reflektierte Signal gelangt über die
Empfangsantenne und den Empfangspfad des Radar-Transceivers an den
Mischer, der Sende- und Empfangssignale miteinander mischt und ein
demoduliertes Signal liefert. Das demodulierte Signal wird an einen
ASIC (Application Specific Integated Circuit, auf Deutsch „kundenspezifische
integrierte Schaltung")
weitergeleitet, die einen Frequenzregelkreis, vorzugsweise einen
Phasenregelkreis (PLL = phase locked loop) enthält und eine Steuerspannung
zur Frequenzregelung des (spannungsgesteuerten) Oszillators ausgibt.
Der Oszillator enthält
in der Regel zumindest ein nichtlineares (oder aktives) Schaltungselement
zur Frequenzverstimmung, z. B. eine Varaktor-Diode. Der Frequenzregelkreis
stellt z. B. eine digitale oder analoge PLL oder eine analoge Frequenzregelschleife
dar.
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Der
ASIC wird zweckmäßig von
extern angeschlossen. Es ist möglich,
daß der
ASIC als eine Einzelkomponente auf der Substrat-Oberseite aufgebracht
wird.
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Diese
oder andere vorhandene elektronische Einzelkomponenten weisen zumindest
zwei auf der Unterseite angeordnete Außenelektroden auf, die mit
den Kontakten auf der Oberseite des Substrats elektrisch verbunden
sind.
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Eine
elektronische Einzelkomponente ist vor allem ein nichtlineares oder
ein aktives elektronisches Bauelement, insbesondere ein Chip-Bauelement.
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Unter
einer nichtlinearen oder aktiven Einzelkomponente versteht man ein
diskretes nichtlineares oder aktives Schaltungselement wie eine
Diode oder einen Transistor, oder ein zumindest eine nichtlineare oder
aktive Komponente umfassendes Chip-Bauelement mit oder ohne Gehäuse. Die
nichtlineare oder aktive Einzelkomponente kann außerdem ein
oder mehrere passive Schaltungselemente (ausgewählt aus einer Induktivität, einer
Kapazität,
einem Widerstand, einer Leitung oder einem Leitungsabschnitt) umfassen.
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Die
als Chip-Bauelement ausgebildete aktive Einzelkomponente kann ein
Mikrowellen-Chip, ein Millimeterwellen-Chip oder ein IC-Bauelement
(IC = Integrated Circuit) darstellen. Das IC-Bauelement kann wiederum ein MMIC-Bauelement
(MMIC = Monolithic Microwave Integrated Circuit) sein.
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Die
aktiven Einzelkomponenten können
beispielsweise mit Si-, SiGe-, GaAs- oder InP-Halbleitertechnologie
aufgebaut sein.
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Neben
einer oder mehreren nichtlinearen oder aktiven Einzelkomponenten
kann das erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul
eine oder mehrere passive Einzelkomponenten enthalten.
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Eine
passive Einzelkomponente ist ein diskretes Bauelement, ausgewählt aus
einem Kondensator, einer Spule, einem Widerstand, oder ein Chip-Bauelement,
das zumindest einen Teil folgender Schaltungen umfaßt: eine
RLC-Schaltung, ein Filter, einen Schalter, einen Richtkoppler, ein
Bias-Netzwerk, eine Antenne, einen Impedanzwandler oder ein Anpassungsnetzwerk.
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Die
elektronische Einzelkomponente weist zumindest zwei Außenkontakte
zur elektrischen Verbindung mit den im Substrat verborgenen metallischen
Strukturen auf.
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Die
zumindest eine elektronische Einzelkomponente wird in dem für die Erfindung
relevanten Höchstfrequenzbereich
vorzugs weise mittels Flip-Chip-Technik mit dem Substrat und den
integrierten Schaltungselementen mechanisch bzw. elektrisch verbunden,
so daß deren
strukturierte Seite der Substrat-Oberseite
zugewendet ist.
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Neben
der zumindest einen (nichtlinearen, passiven oder aktiven) elektronischen
Einzelkomponente können
ein oder mehrere diskrete elektronische Bauelemente (z. B. eine
Spule, ein Kondensator oder ein Widerstand) sowie ein oder mehrere
Trägersubstrate
mit passiven HF-Strukturen wie Filter oder Mischer, insbesondere
in Dünnschichttechnik
strukturierte Trägersubstrate,
auf der Oberseite des Substrats angeordnet sein.
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Unter
Substrat werden hier alle Arten von planaren Schaltungsträgern verstanden.
Darunter fallen keramische Substrate (Dünnschichtkeramik, Dickschichtkeramik,
LTCC = low temperature cofired ceramics, HTCC = high temperature
cofired ceramics, LTCC und HTCC sind keramische Mehrlagenschaltungen),
polymere Substrate (herkömmliche Leiterplatten,
wie FR4, sog. Softsubstrate, deren Polymer-Basis z.B. aus PTFE =
Teflon oder Polyolefinen besteht und die typischer Weise glasfaserverstärkt oder
keramikpulvergefüllt
sind), Silizium sowie metallische Substrate, bei denen metallische
Leiterbahnen und eine metallische Basisplatte durch Polymere oder
keramische Materialien voneinander isoliert sind. Unter Substrat
werden hier auch sog. Molded-Interconnection-Devices (MID) verstanden,
die aus thermoplastischen Polymeren bestehen, auf denen Leiterbahnen
strukturiert sind.
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Das
Substrat enthält
integrierte Schaltungselemente, vor allem passive Schaltungselemente
des Mischers (insbesondere einen Hybridring), des Oszillators (insbesondere
einen Resonanzkreis) und Strukturen von einem oder mehreren Tiefpaßfiltern. Unter
einem integrierten Schaltungselement versteht man insbesondere eine
Induktivität,
eine Kapazität oder
eine Leitung, z. B. einen transmission line Strahler, eine Verbin dungsleitung,
bzw. ein Leitungsabschnitt. Diese können auf eine an sich bekannte
Weise als Leiterbahnen zwischen, in und auf den dielektrischen Lagen
eines Substrats mit Vielschicht-Aufbau
angeordnet sein und damit integrierte Schaltungselemente bilden.
Vertikale Verbindungen zwischen den Leiterbahnen in verschiedenen
Lagen (Durchkontaktierungen) zählen
auch zu integrierten Schaltungselementen, da sie einerseits zur
vertikalen Signalführung
dienen und andererseits insbesondere im Höchstfrequenzbereich sowohl
eine (parasitäre)
Induktivität
als auch eine (parasitäre)
Kapazität darstellen.
Mehrere einzelne integrierte Schaltungselemente bilden zusammen
integrierte Schaltungen, insbesondere passive Schaltungen wie die
eines Filters oder (zumindest teilweise) eines Mischers. Integrierte
Schaltungselemente können
außerdem
zumindest einen Teil zumindest einer aktiven Schaltung realisieren,
welcher mit den aktiven Einzelkomponenten auf der Oberfläche des
Substrats elektrisch verbunden ist.
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Bei
Höchstfrequenzen,
insbesondere im mmW-Bereich, sind Kapazitäten und Induktivitäten oft
als durch Leitungsabschnitte realisierte verteilte Elemente vorhanden.
Die Kapazitäten
können
beispielsweise als Radial Stubs ausgeführt sein.
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Die
Unterseite des Substrats weist Außenkontakte zur elektrischen
Verbindung beispielsweise mit der Leiterplatte eines Endgeräts auf.
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Metallisierungsebenen
sind vor allem zwischen den dielektrischen Substratlagen angeordnet. Die
Substrat-Oberseite und Substrat-Unterseite werden hier auch als
Metallisierungsebenen betrachtet.
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Die
Oberseite des Substrats trägt
leitende Strukturen (Metallisierungen), die zur Herstellung einer
elektrischen Verbindung zwischen den Metallisierungsebenen im Substrat
und der zumindest einen elektronischen Einzelkomponente auf der
Substrat-Oberseite geeignet sind.
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Die
Gesamtstärke
der dielektrischen Substratlagen beträgt typischerweise zwischen
0,3 und 1,5 mm.
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Das
erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul
zeichnet sich gegenüber
den bekannten Radar-Transceiver-Modulen durch eine dreidimensionale
Integration der Schaltungselemente (insbesondere derjenigen des
Mischers und des Oszillators) im Substrat aus und ist dadurch besonders
platzsparend (geringe Grundfläche).
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen schematischen
und daher nicht maßstabsgetreuen
Figuren näher
erläutert.
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1a und 1b zeigen
jeweils ein Blockschaltbild einer beispielhaften Radar-Transceiver-Schaltung
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2 zeigt
ein erfindungsgemäßes Radar-Transceiver-Modul
im schematischen Querschnitt
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3 zeigt
eine perspektivische Darstellung der dreidimensionalen Integration
der Höchstfrequenz-Schaltungselemente
in den Metallisierungsebenen des Substrats
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4 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Radar-Transceiver-Moduls
im schematischen Querschnitt
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In 1a ist
ein Blockschaltbild einer Radar-Transceiver-Schaltung dargestellt.
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Das
erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul
in 1a enthält
einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO, dessen Frequenz mit einer Steuerspannung
Vtune verstimmbar ist, einen Mischer MIX und eine kundenspezifische
integrierte Schaltung ASIC mit einem Frequenzregelkreis, z. B. einem
Phasenregelkreis PLL (in einer weiteren Ausführungsform kann der Frequenz-
bzw. Phasenregelkreis z. B. in einem Frequenzteiler integriert sein).
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Das
erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul
in 1a enthält
außerdem
einen Frequenzteiler FD, der die Frequenz des Ausgangssignals des
spannungsgesteuerten Oszillators VCO herunterteilt und ein Signal
ZFout zur Steuerung des Phasenregelkreises der ASIC ausgibt.
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Der
Oszillator, insbesondere der spannungsgesteuerte Oszillator, der
Frequenzteiler und der in dem Frequenzteiler integrierte oder extern
in der ASIC angeordnete Phasenregelkreis bilden zusammen einen Frequenzregelkreis.
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Das
erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul
kann wahlweise, wie in der in 1a dargestellten
vorteilhaften Ausführungsform,
jeweils im Sende- und/oder im Empfangspfad Verstärker TX-AMP bzw. RX-AMP enthalten.
Diese können
als nach Funktion getrennte Einzelkomponenten zur Verfügung stehen
oder in einer oder mehreren Einzelkomponenten zusammen mit anderen
Schaltungselementen, z. B. mit den Schaltungselementen des Mischers,
des (spannungsgesteuerten) Oszillators oder des Frequenzteilers,
realisiert sein.
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Das
Sendesignal HFout wird mittels der Sendeantenne TX-ANT ausgestrahlt.
Das reflektierte Signal wird von der Empfangsantenne RX-ANT empfangen.
Sowohl die Sendeantenne als auch die Empfangsantenne können in
einer der Metallisierungsebenen des Substrats (inklusive der Substrat-Unterseite)
ausgebildet sein. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, daß die
Sendeund/oder Empfangsantenne von extern über Höchstfrequenz-Terminale angeschlossen
wird.
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Der
Mischer MIX mischt das Empfangssignal mit dem Signal des Oszillators
VCO und gibt ein demoduliertes Signal MIXout aus, das die gewünschte Information
(z. B. über
die Entfernung oder die Geschwindigkeit des Zielobjekts) trägt und weiter
z. B. zu einer visuellen Darstellung extern verarbeitet werden kann.
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Die
genannten Radar-Transceiver-Schaltungen (insbesondere die aktiven
Schaltungselemente) werden mit einer Versorgungsspannung Vcc und/oder
einem Strom Icc versorgt.
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Der
Transceiver ist gleichzeitig auch für Nahdistanz-Datenübertragung
verwendbar, z. B. für
Anwendung als Funkschlüssel.
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Für einfache
Nahdistanz-Datenübertragungen
sind z. B. eine Amplitudentastung (auf Englisch amplitude shift
keying, oder ASK) oder eine Frequenzumtastung (auf Englisch frequency
shift keying, oder FSK) gebräuchlich.
Die Amplitudentastung wird durch Ein- und Ausschalten der Signalquelle
(des Oszillators oder des Sendeverstärkers, falls vorhanden) im
Takt der Datenbits realisiert. Die Frequenzumtastung ist durch Taktung
einer Frequenzregelschleife realisierbar.
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In
einer weiteren in der 1b abgebildeten Ausführungsform
des Radar-Transceivers dient die Antenne TRX-ANT gleichzeitig zur
Ausstrahlung des Sendesignals und zum Signalempfang.
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Im
erfindungsgemäßen Radar-Transceiver-Modul
sind alle relevanten Funktionalitäten eines Radar-Transceivers
(Frequenzregelung des Oszillators, Signalverstärkung, Signalausstrahlung,
Signalempfang, Demodulation) in einem kompakten Modul integriert,
wobei die Integration der passiven Schaltungselemente dreidimensional
in den Metallisierungsebenen des Substrats erfolgt, siehe 2.
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In 2 sind
allgemeine Merkmale des dreidimensionalen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Radar-Transceivers
anhand eines schematischen Querschnitts erläutert.
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In 2 ist
der schematische Querschnitt eines erfindungsgemäßen Radar-Transceivers BE mit einer
elektronischen Einzelkomponente CB und einem mehrlagigen Substrat
SU gezeigt. Die elektronische Einzelkomponente CB mit Außenelektroden
AE ist hier ein Chip-Bauelement, das zumindest ein nichtlineares
oder aktives Schaltungselement eines Mischers und/oder eines (spannungsgesteuerten) Oszillators
(insbesondere eine Diode oder einen Transistor) umfaßt. Die
elektronische Einzelkomponente CB kann außerdem ein oder mehrere passive Schaltungselemente
(ausgewählt
aus einer Kapazität,
einer Induktivität
oder einem Widerstand) enthalten. Die elektronische Einzelkomponente
CB ist mittels Bumps BU mit verschiedenen Metallisierungsebenen,
welche insbesondere Leiterstrukturen LS auf der Substrat-Oberseite
und weitere im mehrlagigen Substrat SU verborgene Leiterstrukturen
LS1 umfassen, elektrisch verbunden. Die Leiterstrukturen LS und
LS1 bilden integrierte Schaltungselemente IE. Die elektrische Verbindung
kommt beispielsweise mittels Flip-Chip-Technik oder SMD-Technik
(SMD = Surface Mounted Device) zustande. Das Substrat SU weist Leiterstrukturen
zur Herstellung des genannten elektrischen Kontaktes auf der Oberseite
sowie Außenkontake
AK auf der Unterseite zur Herstellung einer elektrischen Verbindung
mit der Leiterplatte eines Endgeräts auf. Die Außenkontakte
AK können
als Land-Grid-Arrays (LGA) ausgeführt oder zusätzlich mit
Lot-Kugeln (μBGA,
oder Ball-Grid-Arrays) versehen sein. Die μBGAs haben verglichen mit den
LGAs den Vorteil einer höheren
thermomechanischen Festigkeit, die für die Produktqualifikation
für Automotive Anwendungen
erheblich ist.
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Möglich sind
außerdem
nadelförmige
Außenkontakte
(Leads) und nichtgalvanische Übergänge zwischen
dem Bauelement und der extern anzuschließenden Leiterplatte, wie z.
B. Hohlleiterübergänge oder
Schlitzkopplungen (insbesondere Feldkopplung der Höchstfrequenzsignale
vom TransceiverModul auf die extern angeordnete Antenne bzw. auf
den Systemträger über auf
der Modul-Unterseite vorhandene Schlitzstrukturen). Die vertikale
Signaldurchführung
im Substrat SU erfolgt mittels Durchkontaktierungen DK1 und DK2.
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Es
ist möglich,
daß die
Außenelektroden
der elektronischen Einzelkomponente nadelförmig sind (Leads).
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Die
Einzelkomponenten umfassen vor allem nichtlineare oder aktive Schaltungselemente
des Mischers und des (spannungsgesteuerten) Oszillators, die z.
B. nicht im Substrat integriert werden können. Es ist möglich, daß die Schaltungselemente
des Mischers und des Oszillators (zumindest teilweise) in einer
gemeinsamen Einzelkomponente oder in verschiedenen Einzelkomponenten
realisiert sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es
möglich,
daß eine
einzige Einzelkomponente die Schaltungselemente des Mischers, des
Oszillators und eines Frequenzteilers (zumindest teilweise) enthält. Es ist
auch möglich,
daß die
Schaltungselemente des Mischers, des Oszillators und des Frequenzteilers
in drei verschiedenen Einzelkomponenten (zumindest teilweise) enthalten
sind. Ferner ist es möglich,
daß die
Schaltungselemente des Mischers und des spannungsgesteuerten Oszillators
(zumindest teilweise) in einer gemeinsamen Einzelkomponente und
die Schaltungselemente des Frequenzteilers (zumindest teilweise)
in einer separaten Einzelkomponente realisiert sind. Weitere Möglichkeiten
ergeben sich aus folgenden Kombinationen: a) die Schaltungselemente
des Mischers und des Frequenzteilers (zumindest teilweise) in einer
gemeinsamen Einzelkomponente und die Schaltungselemente des Oszillators
(zumindest teilweise) in einer separaten Einzelkomponente, b) die
Schaltungselemente des Oszillators und des Frequenzteilers (zumindest
teilweise) in einer gemeinsamen Einzelkomponente und die Schaltungselemente
des Mischers (zumindest teilweise) in einer separaten Einzelkomponente.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
enthält
das erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul
folgende Einzelkomponenten auf der Substrat-Oberseite: einen IC,
welcher (zumindest teilweise) den (spannungsgesteuerten) Oszillator
und den Frequenzteiler umfaßt,
sowie einen oder mehrere (z. B. zwei oder vier) diskrete Diodenchips,
welche die Mischerfunktion realisieren, siehe auch 4.
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Der
Oszillator kann außerdem
(zumindest teilweise) an Stelle einer integrierten Schaltung auch aus
diskreten Transistoren, z. B. aus einem oder mehreren Transistorchips
aufgebaut werden. Der Mischer kann (zumindest teilweise) als integrierte Schaltung
vorliegen. Die Schaltungen des Mischers, des Oszillators und des
Frequenzteilers können
generell als Einchip-, Zweichip- oder Dreichip-Lösungen vorliegen. Der Resonanzkreis
des (zumindest einen) Oszillators kann teilweise oder ganz on-chip
(d. h. in einer elektronischen Einzelkomponente) ausgeführt sein.
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In
dem in 2 dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die zumindest eine elektronische Einzelkomponente
CB mit einem Film SF zum Schutz vor Feuchtigkeit und äußeren mechanischen
Einwirkungen abgedeckt (Filmabdeckung).
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Die
Filmabdeckung stellt einen Film dar, dessen Form an diejenige der
zu schützenden
(oder abzudeckenden) Komponenten angepaßt ist (oder wird). Die Filmabdeckung
liegt so über
der Rückseite der
aktiven Einzelkomponente und schließt allseitig mit der Oberfläche des
Substrats ab, daß die
aktive Einzelkomponente vollständig
abgedeckt und dadurch vor äußeren mechanischen
Einwirkungen, Staub und Feuchtigkeit geschützt ist.
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Das
Abdecken der Einzelkomponenten mit dem Film wird auch als Laminieren
bezeichnet. Beim Laminieren wird der Film bleibend verformt. Die
Filmabdeckung besteht vorzugsweise aus einem Polymer, welches eine
besonders niedrige Wasser-Absorption aufweist, z. B. Polyimid, fluorbasierte
Polymere wie Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyolefine wie (vernetztes)
Polypropylen oder Polyethylen. Die Filmabdeckung kann außerdem aus
einem Metall bestehen und faser- oder partikelgefüllt sein.
Die Filmabdeckung kann darüber
hinaus metallisch oder keramisch beschichtet sein oder werden.
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Es
ist möglich,
daß die
Filmabdeckung alle Einzelkomponenten auf der Oberseite des Bauelements
vollständig
und gemeinsam bedeckt.
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Zur
Abschirmung von der Umgebung kann die Filmabdeckung zusätzlich mit
einer Metallschicht überzogen
sein. Diese Schicht kann beispielsweise durch Sputtern, Galvanisieren,
chemische Metallabscheidung, Bedampfen oder durch eine Kombination der
erwähnten
Verfahren aufgetragen sein. Zur mechanichen Stabilisierung sind
die auf der Substrat-Oberseite befindlichen Einzelkomponeten in
diesem Ausführungsbeispiel
mit einer Vergußmasse
GT überdeckt.
Wahlweise ist es möglich,
die Vergußmasse
wegzulassen. Unter Vergußmasse
werden hier alle Stoffe verstanden, die im flüssigen Zustand auf den Film
aufgebracht werden und durch Aushärten (chemisches Reagieren)
oder Erstarren (Erkalten) fest werden. Darunter fallen sowohl gefüllte und ungefüllte Polymere,
wie Abdeckmassen, Glob-Top-Massen,
Thermoplaste oder Kunststoffkleber, als auch Metalle oder keramische
Stoffe, wie keramische Kleber. Glob-Top ist ein Vergußmittel,
das durch seine hohe Viskosität
nur gering verfließt
und deshalb die zu schützende
Einzelkomponente tropfenförmig
umschließt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung kann der metallbeschichtete Film nach dem Laminieren
mit einem Vergußmittel überzogen werden.
Es ist in einer anderen Ausführungsform möglich, die
Metallschicht nicht auf die Filmabdeckung, sondern auf die Vergußmasse aufzubringen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bauelements
mit Keramik-Substrat wird der Film an den an dem Substrat anliegenden
Rändern – beispielsweise
durch Lasern – teilweise
entfernt und erst danach mit Metall beschichtet, damit die abzudeckenden
Einzelkomponenten vollständig
von Metall bzw. Keramik umschlossen und dadurch hermetisch versiegelt
sind.
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Es
ist möglich,
daß das
erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul (zusätzlich)
einen Deckel zum mechanischen Schutz der auf der Substrat-Oberseite
angeordneten elektronischen Einzelkomponenten enthält.
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Die
Bumps BU dienen zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen
den im Substrat SU verborgenen integrierten Schaltungselementen IE
und der zumindest einen elektronischen Einzelkomponente CB und ggf.
den weiteren auf der Substrat-Oberseite
angeordneten Einzelkomponenten. Die Bumps bestehen üblicherweise
aus Lot, beispielsweise SnPb, SnAu, SnAg, SnCu, SnPbAg, SnAgCu in
unterschiedlichen Konzentrationen oder aus Gold. Besteht der Bump
aus Lot, wird das Bauelement durch Löten mit dem Substrat verbunden;
besteht er aus Gold, so können
die Einzelkomponenten CB und Substrat SU durch Thermocompression-Bonding,
Ultrasonic-Bonding oder Thermosonic-Bonding (Sinter- bzw. Ultraschallschweiß-Verfahren)
verbunden werden. Die Höhe
der Flip-Chip-Bumps muß bei
den Höchstfrequenz-Anwendungen so niedrig
gehalten werden, daß nur
eine geringe Menge elektromagnetischer Strahlung aus der Höchstfrequenz-Einzelkomponente
heraustreten und von dem laminierten Film absorbiert werden kann.
Eine Möglichkeit,
die niedrige Höhe
der Flip-Chip-Bumps zu erreichen, bietet insbesondere das Thermocompression-Bonding.
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Die
elektronischen Einzelkomponenten können in einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung SMD-Komponenten sein.
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Es
besteht die Möglichkeit,
außer
aktiven Einzelkomponenten auch passive Einzelkomponenten, insbesondere
diskrete Spulen, Kondensatoren, Widerstände oder einzelne Chips mit
passiven Schaltungen (beispielsweise Filter, Mischer, Anpaßschaltung)
auf der Substrat-Oberseite anzubringen. Es besteht die Möglichkeit,
mit zusätzlichen
diskreten passiven Kompensationsstrukturen die Verstimmung des Bauelements
durch das Gehäuse
auszugleichen.
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Die
elektronischen Einzelkomponenten sowie die integrierten Schaltungskomponenten
können zumindest
einen Teil folgender Schaltungen bilden: eines Hochfrequenz-Schalters,
einer Anpaßschaltung,
eines Hochpaßfilters,
eines Tiefpaßfilters,
eines Bandpaßfilters,
eines Bandsperrfilters, eines Leistungsverstärkers, eines Kopplers, eines
Richtkopplers, einer Bias-Schaltung
oder eines Mischers.
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Falls
die zumindest eine elektronische Einzelkomponente keine zu schützenden
signalführenden
Strukturen auf der Oberfläche
aufweist (beispielsweise sind alle Schaltungselemente und Schaltungen
in einem Mehrlagensubstrat verborgen), so ist es möglich, diese
Einzelkomponente zuerst mit der Vergußmasse zu überziehen und erst nach dem Aushärten der
Vergußmasse
eine Filmabdeckung aufzubringen.
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Die
Signalleitungen im erfindungsgemäßen Bauelement
können
entweder ganz im Substrat verborgen sein, oder zumindest ein Teil
der Signalleitungen kann auf der Oberseite des Substrats angeordnet
sein.
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Es
ist möglich,
daß entweder
zumindest ein Teil der Signalleitungen sowie DC-Verbindungsleitungen
auf der Ober- oder Unterseite des Substrats angeordnet ist, oder
daß alle
Signalleitungen im Substrat verborgen sind.
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Die
Höchstfrequenz-Verbindungsleitungen im
erfindungsgemäßen Radar-Transceiver-Modul können als
Mikrostreifenleitungen bzw. „suspended microstrip" (mit Dielektrikum
bedeckte Mikrostreifenleitungen), Zweidrahtleitungen oder Koplanarleitungen
(Dreidrahtleitungen) bzw. Triplate-Leitungen (mit Dielektrikum bedeckte
Koplanarleitungen) ausgeführt
sein.
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Die
vertikalen Höchstfrequenz-Signaldurchführungen
können
als zwei oder drei parallel angeordnete Durchkontaktierungen (bei
Zwei- bzw. Dreidrahtleitungen) oder als eine Art Koaxleitung ausgeführt sein.
Im letzteren Fall ist die signalführende Durchkontaktierung in
der Art einer koaxialen Verbindung von mehreren um sie ringsum angeordneten
an die Masse angeschlossenen Durchkontaktierungen umgeben.
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3 zeigt
eine beispielhafte Integration der Höchstfrequenz-Schaltungselemente
(hier: Mischer) in den Metallisierungsebenen des Substrats in einer perspektivischen
Darstellung. Dabei liegen zwei Höchstfrequenz-Verbindungsleitungen
VL und zwei Tiefpaßfilter
TPFI bzw. der Hybridring HR in der oberen bzw. in der unteren Metallisierungsebene.
Jedes Tiefpaßfilter
ist aus Radial Stubs RS und dünnen
Leitungen DL aufgebaut. Die dünnen
Leitungen wirken dabei induktiv, und die Radial Stubs wirken kapazitiv. Der
Radius der Radial Stubs sowie die Länge der dünnen Leitungen zwischen zwei
Radial Stubs beträgt
(ungefähr)
eine Viertelwellenlänge,
so daß am Ansatz
des Radial Stubs ein Kurzschluß für am breiten
Ende des Radial Stubs aufgefangene Höchstfrequenzsignale entsteht.
Der Hybridring ist über
Durchkontaktierungen DK2 z. B. an die auf der Substrat-Oberseite
angeordneten Mischerdioden oder an die Mischer-IC angeschlossen.
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4 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Radar-Transceivers mit
einem (spannungsgesteuerten) Oszillator OSZ-IC und zwei Mischerdioden
MIX1 und MIX2 im schematischen Querschnitt. Die Bezugszeichen in dieser
Figur entsprechen denjenigen der vorher erläuterten Figuren. Die verborgenen
Schaltungselemente (z. B. der Hybridring HR, der Oszillator-Resonanzkreis
RES und die Tiefpaßstrukturen TPFI)
sind von Masseflächen
GND1, GND2 und GND3 umfaßt. Die
Struktur ANT ist entweder eine Antennenstruktur oder alternativ
dazu ein Höchstfrequenz-Anschluß an eine
externe Antenne.
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Das
Substrat enthält
unterschiedliche dielektrische Lagen bezüglich der Dielektrizitätskonstante oder
der Dicke der Lagen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die dielektrischen
Lagen, welche den Hybridring und den Oszillator-Resonanzkreis umfassen, dicker
als die Tiefpaßstrukturen
umfassenden Lagen. Je geringer der Abstand zwischen einer Metallisierungsebene
mit den signalführenden
Strukturen und einer Metallisierungsebene mit der Massefläche und je
höher die
Dielektrizitätskonstante
der entsprechenden dielektrischen Lagen ist, desto kapazitätsreicher
(niederohmiger im Sinne der Höchstfrequenz) sind
die in der ersten der genannten Metallisierungsebenen angeordneten
Leiterstrukturen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist das Innere des Substrats in zwei funktionale Sektionen – eine in Figur
links angeordnete Oszillator-Sektion bzw. eine in Figur rechts angeordnete
Mischer-Sektion – unterteilt,
denen jeweils zur Zu- bzw. Abführung
der niederfrequenten Signale Zfout, Vtune, Vcc bzw.
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MIXout
vorgesehene Außenkontakte
an der Unterseite entsprechen.
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Die
Mischer-Sektion enthält
einen Hybridring (Ratrace oder 90o-Hybridring)
HR, Tiefpaßstrukturen TPFI,
zwei Schottky-Dioden
MIX1 und MIX2 und die entsprechenden durch die Durchkontaktierungen realisierte
Vertikalverbindungen. Die Oszillator-Sektion enthält eine
IC, welche teilweise einen (vorzugsweise spannungsgesteuerten) Oszillator
und einen Frequenzteiler umfaßt
(eine OSZ-IC), einen im Substrat verborgenen Resonanzkreis RES,
Tiefpaßstrukturen
sowie Verbindungsleitungen und Durchkontaktierungen.
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Das
erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul
stellt eine mit konventionellen Standard-SMD-Bestückverfahren
leicht zu ver arbeitende Komponente dar. Das erfindungsgemäße Radar-Transceiver-Modul
kann insbesondere auf eine Systemleiterplatte, z. B. eine FR4-Leiterplatte
oder ein meist aus Laminaten hergestelltes Softboard bestückt werden.
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Bei
besonders komplexen Systemtopologien, die sich nicht in einem vollintegrierten
Modul realisieren lassen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die entsprechenden
Teilfunktionen des Radar-Transceivers in Teilmodulen zu realisieren,
die auf einem Systemträger
miteinander verbunden werden. Man kann den Radar-Transceiver beispielsweise
aus zwei separaten Bausteinen – einem
Sender-Teilmodul, das die Oszillator-Sektion enthält, und
einem Empfänger-Teilmodul,
das die Mischer-Sektion enthält – aufbauen.
In einigen Fällen,
wenn eine Antenne wie z. B. eine richtscharfe Antenne viel Substratfläche verbraucht,
ist es zweckmäßig, eine
solche Antenne außerhalb
des Substrats bzw. des hier beschriebenen Moduls auszuführen. Als
Systemträger
zur Herstellung der Verbindung zwischen den Teilmodulen und z. B.
zur Ausführung
der Planarantenne eignen sich insbesondere Keramik und Laminate
auf der Basis von Teflon oder Glasfaser.
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Die
Erfindung wurde der Übersichtlichkeit halber
nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt,
ist aber nicht auf diese beschränkt.
Weitere Variationsmöglichkeiten
ergeben sich aus weiteren von den dargestellten Ausführungen
unterschiedlichen relativen Anordnungen von Schaltungselementen,
Einzelkomponenten, Filmabdeckung, Vergußmasse und Metallschicht.
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Weitere
Variationsmöglichkeiten
ergeben sich aus weiteren von den dargestellten Ausführungen
unterschiedlichen relativen Anordnungen des Oszillators, des Mischers,
des Frequenzteilers, der Tiefpaßfilter,
der Verstärker
oder der Antennen im Sende- und/oder Empfangspfad.
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Weitere
Variationsmöglichkeiten
ergeben sich hinsichtlich der Anzahl der verwendeten (oben genannten)
Schaltungen und im Hinblick auf die Verbindungstechnik zwischen
der Einzelkomponente und Substrat sowie zwischen dem Substrat und
einer externen Leiterplatte.