DE69729344T2

DE69729344T2 - Radarmodul und MMIC-Anordnung dafür

Info

Publication number: DE69729344T2
Application number: DE69729344T
Authority: DE
Inventors: c/o K.K. Honda Gijutsu Kenkyusho Hiroshi Wako-shi Uematsu; c/o K.K. Honda Gijutsu Kenkyusho Hiroshi Wako-shi Kudoh; c/o K.K. Honda Gijutsu Kenkyusho Masanobu Wako-shi Urabe
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1996-04-03
Filing date: 1997-03-20
Publication date: 2004-10-28
Also published as: EP0800093B1; US6130640A; DE69729344T8; DE69729344D1; EP0800093A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Radarmodul zur Verwendung in einem FM-Millimeterwellen-Radaralarmsystem zur Verwendung an Kraftfahrzeugen.
Ein bekanntes Kraftfahrzeug-Radaralarmsystem besitzt eine elektronisch abtastende Planare Arrayantenne, wie in dem US-Patent Nr. 5,008,678 offenbart ist. Die offenbarte elektronisch abtastende Planare Arrayantenne umfasst eine Mehrzahl von Planaren Sende- und Empfangsantennenelementen, ein Paar von passiven phasengesteuerten Arrays, wie etwa Planare Mikrostreifen-Butler-Matrizen, und ein Paar von elektronischen Schaltern, die kombiniert sind, um einen Abtaststrahl zu senden und zu empfangen.
Die herkömmliche elektronisch abtastende Planare Arrayantenne ist dahingehend nachteilig, dass ihre passiven phasengesteuerten Arrays keinen relativ großen Winkelbereich mit dem Abtaststrahl abtasten können. Ein anderes Problem ist, dass die Planare Arrayantenne sowohl ein Sendearray von Antennenelementen, die zum Senden eines Radarsignals bestimmt sind, als auch ein Empfangsarray von Antennenelementen, die zum Empfang eines Echosignals bestimmt sind, erfordert, was Beschränkungen mit sich bringt, die es schwierig machen, die Größe der Planaren Arrayantenne zu verringern, und insbesondere, die Planare Arrayantenne an einem Kraftfahrzeug zu installieren.
Im Allgemeinen sind phasengesteuerte Arrayradars, die eine Mehrzahl von Strahlerelementen zum Abstrahlen eines Radarstrahls in eine vorbestimmte Richtung umfassen, bekannt, z. B. aus der US-A-5,471,220, die dem Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht. In diesem Radarsystem sind auf einem gemeinsamen Substrat Radarmodule in einer gestapelten, "sandwichartigen" Packungsanordnung aufgebaut, in der verschiedene Schichten aneinander angrenzend angeordnet sind, um eine kompakte Größe zu erreichen. Die Schichten umfassen eine Antennenschicht, eine Sende/Empfangsschicht, eine Strahlbildungsschicht und eine Mehrzahl von Verbindungsschichten. Zum Wechseln der Richtung, in die Strahlung abgestrahlt wird, werden wie in herkömmlichen Radarsystemen mit phasengesteuerter Arrayantenne elektronische Phasenschieber- und Dämpfungsvorrichtungen für jedes Strahlerelement der Radarantenne verwendet, was es ermöglicht, die Phase und Amplitude der von jedem Strahlerelement abgestrahlten elektromagnetischen Wellen unabhängig einzustellen.
Eine weitere Arrayantenne der herkömmlichen phasengesteuerten Arrayantennenart ist in der US 3,750,175 offenbart. Auch bei dieser Antenne sind elektronische Phasenschieber vorgesehen, um die Phase eines durch ein einzelnes Strahlerelement abgestrahlten Signals einzustellen, so dass ein durch das Antennenelement abgestrahlter/empfangener Strahl elektronisch abgetastet werden kann.
In der EP 0 361 417 ist ein Mikrostreifen-Arrayantennensystem offenbart, wobei jedes der Antennenelemente als ein Strahlerarray konfiguriert ist. Jeder Strahler eines Antennenelements ist dafür ausgebildet, mit einer von den anderen Strahlern des Antennenelements verschiedenen Resonanzfrequenz zu schwingen. Daher ist ein Antennenelement dieses Antennenarraysystems in der Lage, ein Signal in einem Frequenzspektrum abzustrahlen, das ein Vielfaches der Bandbreite eines einzelnen Strahlers ist.
Neuere integrierte Hochfrequenzschaltkreise zur Verwendung in Radaralarmsystemen an Kraftfahrzeugen zur Kollisionsverhinderung und Fahrleitung arbeiten in einem Mikrowellen-Frequenzbereich von 1 GHz bis 3000 GHz. Es gab einen Bedarf nach hybriden ICs mit integrierten Hoch- und Niederfrequenz-Schaltkreisen, die in jeweiligen GHz- und MHz-Frequenzbereichen arbeiten, um ein Packungsvolumen zu verringern und eine Moduldichte zu erhöhen zum Zweck des Installierens einer Mehrzahl von integrierten Hochfrequenz-Schaltkreisen (MMICs) auf einem Substrat.
Bei solchen hybriden ICs ist es notwendig, die integrierten Hoch- und Niederfrequenz-Schaltkreise in einem geeigneten Layout anzuordnen, um unerwünschte Interferenz zwischen den integrierten Hoch- und Niederfrequenz-Schaltkreisen zu vermeiden.
Ein weiteres generisches Radarmodul ist in der EP 0 733 913 A2 offenbart, die nach dem Prioritätstag der vorliegenden Patentanmeldung veröffentlicht wurde.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Radarmodul und eine Antennenvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage sind, einen relativ großen Winkelbereich mit einem Abtaststrahl abzutasten, und die eine geringe Größe aufweisen, die geeignet zur Verwendung insbesondere an Kraftfahrzeugen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Radarmodul nach Anspruch 1 vorgesehen. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen angegeben.
Die Antennenbaugruppe dient als Primärstrahler einer defokussierten Mehrfachstrahlantenne, die einen Sekundärstrahler aufweist, der in der Nähe des Primärstrahlers angeordnet ist. Die Planaren Arrayantennenelemente sind derart angeordnet, dass sie jeweilige elektromagnetische Wellen unter einem vorbestimmten Neigungswinkel abstrahlen.
Die Sende- und Empfangsbaugruppen sind in Paare von jeweils zu zwei benachbarten der Sende- und Empfangskanäle gehörenden Sende- und Empfangsbaugruppen gruppiert, wobei die Paare von Sende- und Empfangsbaugruppen als monolithische integrierte Mikrowellen-Schaltkreise in einer mit einem inerten Gas gefüllten Packung untergebracht sind. Die Packung weist ein dielektrisches Trennelement auf, und die in der Packung untergebrachten Sende- und Empfangsbaugruppen sind voneinander durch das dielektrische Trennelement getrennt.
Vorzugsweise umfasst das Substrat ein dielektrisches oder magnetisches Substrat, und die Antennenbaugruppe, die gemeinsame Signalgeneratorschaltung, die binären Verzweigungsschaltungen, die Sende- und Empfangsbaugruppen und die Zirkulatoren sind als Mikrostreifen auf dem dielektrischen oder magnetischen Substrat hergestellt, und wobei die Mikrostreifen von ausgewählten der Antennen baugruppe, der gemeinsamen Signalgeneratorschaltung, der binären Verzweigungsschaltungen, der Sende- und Empfangsbaugruppen und der Zirkulatoren getrennt auf dem dielektrischen oder magnetischen Substrat hergestellt sind und in einer letzten Herstellungsstufe miteinander verbunden sind. Die Mikrostreifen sind durch Metallfolie oder -drähte verbunden.
Vorzugsweise sind die planaren Arrayantennenelemente in zwei Gruppen unterteilt, wobei die planaren Arrayantennenelemente einer der beiden Gruppen und die planaren Arrayantennenelemente der anderen der beiden Gruppen in einem ineinander greifenden Muster angeordnet sind und an jeweiligen linearen distalen Endabschnitten von Speiseleitungen angeordnet sind, die zu der jeweiligen Gruppe gehören und in entgegengesetzten, um 180° voneinander abweichenden Richtungen verlaufen.
Vorzugsweise umfasst die gemeinsame Signalgeneratorschaltung einen FM-Signalgenerator zum Erzeugen eines FM-Signals, dessen Frequenz im Wesentlichen linear variiert, und einen Frequenzvervielfacher zum Multiplizieren der Frequenz des von dem FM-Signalgenerator erzeugten FM-Signals.
Vorzugsweise umfassen die zu den planaren Arrayantennenelementen gesendeten Signale frequenzmodulierte Signale. Die Empfangsbaugruppen enthalten Mischer zum Mischen der Echosignale von den planaren Arrayantennenelementen mit den frequenzmodulierten Signalen, um dadurch Schwebungssignale zu erzeugen. Die Sendebaugruppen enthalten Sendeverstärker zum Verstärken der Hochfrequenzsignale und Senden der verstärkten Hochfrequenzsignale zu der Antennenbaugruppe, und die Empfangsbaugruppen enthalten Empfangsverstärker zum Verstärken der Echosignale und Zuführen der verstärkten Echosignale zu den Mischern.
Weiterhin ist ein Hochfrequenzmodul vorgesehen, umfassend ein Substrat, eine Antennenbaugruppe, die eine Mehrzahl von Arrayantennenelementen umfasst, die an einer Fläche des Substrats unabhängig voneinander angebracht sind, wobei die planaren Arrayantennenelemente jeweilige Speiseleitungen aufweisen, eine Mehrzahl von integrierten monolithischen Mikrowellen-Schaltkreisen, die an der Fläche des Substrats angebracht sind, wobei die integrierten monolithischen Mikrowellen-Schaltkreise mit den Speiseleitungen verbunden sind und eng beieinander angeordnet sind. Das Hochfrequenzmodul umfasst ferner eine Mehrzahl von an dem Substrat unabhängig voneinander angebrachten Packungen, wobei die integrierten monolithischen Mikrowellen-Schaltkreise jeweils in den Packungen eingeschlossen und abgedichtet sind. Die planaren Arrayantennenelemente sind in einer Richtung aneinander gereiht. Die integrierten monolithischen Mikrowellen-Schaltkreise steuern/regeln die Direktivität von Strahlen, die von den Planaren Arrayantennenelementen gesendet werden.
Eine Mehrzahl von Vorspannungs-Schaltkreisen ist an einer gegenüberliegenden Fläche des Substrats entfernt von der Antennenbaugruppe und den integrierten monolithischen Mikrowellen-Schaltkreisen angebracht und mit den integrierten monolithischen Mikrowellen-Schaltkreisen elektrisch verbunden.
Eine Mehrzahl von Schaltkreisen ist an einer entgegengesetzten Fläche des Substrats entfernt von der Antennenbaugruppe und den integrierten monolithischen Mikrowellen-Schaltkreisen angebracht, zum Verarbeiten von Eingangssignalen, die den integrierten monolithischen Mikrowellen-Schaltkreisen zugeführt werden sollen, und von Ausgangssignalen, die von den integrierten monolithischen Mikrowellen-Schaltkreisen zugeführt werden.
An einer Fläche des Metallsubstrats ist eine integrierte monolithische Mikrowellen-Schaltkreispackung angebracht, umfassend ein Metallsubstrat, einen integrierten Hochfrequenz-Schaltkreis, und ein integrierter Niederfrequenz-Schaltkreis ist an einer entgegengesetzten Fläche des Metallsubstrats angebracht und mit dem integrierten Hochfrequenz-Schaltkreis elektrisch verbunden. Der integrierte monolithische Mikrowellen-Schaltkreis umfasst ferner ein elektrisch leitfähiges Element, das sich durch das Metallsubstrat von der einen Fläche zu der entgegengesetzten Fläche erstreckt, wobei der integrierte Hochfrequenz-Schaltkreis und der integrierte Niederfrequenz-Schaltkreis durch das elektrisch leitfähige Element elektrisch miteinander verbunden sind. Der integrierte monolithische Mikrowellen-Schaltkreis umfasst ferner ein dielektrisches Substrat, das an der einen Fläche des Metallsubstrats angebracht ist, und einen an dem dielektrischen Substrat angebrachten Anschluss zum Zuführen eines Eingangssignals zu und eines Ausgangssignals von dem integrierten Hochfrequenz-Schaltkreis. Das elektrisch leitfähige Element umfasst ein plattiertes Durchgangsloch.
Weiterhin umfasst eine integrierte monolithische Mikrowellen-Schaltkreispackung ein Metallsubstrat, einen an einer Fläche des Metallsubstrats angebrachten integrierten Hochfrequenz-Schaltkreis und einen an einer entgegengesetzten Fläche des Metallsubstrats angebrachten Gleichspannungs-Vorspannungsschaltkreis, der mit dem integrierten Hochfrequenz-Schaltkreis elektrisch verbunden ist. Die integrierte monolithische Mikrowellen-Schaltkreispackung umfasst ferner ein elektrisch leitfähiges Element, das sich durch das Metallsubstrat von der einen Fläche zu der entgegengesetzten Fläche erstreckt, wobei der integrierte Hochfrequenz-Schaltkreis und der Gleichspannungs-Vorspannungsschaltkreis durch das elektrisch leitfähige Element elektrisch miteinander verbunden sind. Die integrierte monolithische Mikrowellen-Schaltkreispackung umfasst ferner ein dielektrisches Substrat, das an der einen Fläche des Metallsubstrats angebracht ist, und einen an dem dielektrischen Substrat angebrachten Anschluss zum Zuführen eines Eingangssignals zu und eines Ausgangssignals von dem integrierten Hochfrequenz-Schaltkreis. Das elektrisch leitfähige Element umfasst ein plattiertes Durchgangsloch.
Eine weitere integrierte monolithische Mikrowellen-Schaltkreispackung umfasst ein Metallsubstrat, einen integrierten Hochfrequenz-Schaltkreis, der an einer Fläche des Metallsubstrats angebracht ist, und einen integrierten Niederfrequenz-Schaltkreis und einen Gleichspannungs-Vorspannungsschaltkreis, die an einer entgegengesetzten Fläche des Metallsubstrats angebracht sind und mit dem integrierten Hochfrequenz-Schaltkreis elektrisch verbunden sind. Die integrierte monolithische Mikrowellen-Schaltkreispackung umfasst ferner ein elektrisch leitfähiges Element, das sich durch das Metallsubstrat von der einen Fläche zu der entgegengesetzten Fläche erstreckt, wobei der integrierte Hochfrequenz-Schaltkreis und der integrierte Niederfrequenz-Schaltkreis miteinander durch das elektrisch leitfähgie Element elektrisch verbunden sind, und wobei der integrierte Hochfrequenz-Schaltkreis und der Gleichspannungs-Vorspannungsschaltkreis elektrisch miteinander durch das elektrisch leitfähige Element verbunden sind. Die integrierte monolithische Mikrowellen-Schaltkreispackung umfasst ferner ein dielektrisches Substrat, das an der einen Fläche des Metallsubstrats angebracht ist, und einen an dem dielektrischen Substrat angebrachten Anschluss zum Zuführen eines Eingangssignals zu und eines Ausgangssignals von dem integrierten Hochfrequenz-Schaltkreis. Jedes der elektrisch leitfähigen Elemente umfasst ein plattiertes Durchgangsloch.
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegneden Erfindung werden deutlich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung beispielhaft zeigen.
1 ist ein Blockdiagramm eines FM-Radarsystems, das ein FM-Radarmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält,
2 ist eine Planansicht einer physikalischen Struktur des in 1 gezeigten FM-Radarmoduls,
3 ist eine vergrößerte Planansicht einer Einheit von Sende- und Empfangskanälen des in 2 gezeigten FM-Radarmoduls,
4 ist eine vergrößerte fragmentarische Planansicht jeder Signalverzweigungsschaltung eines FM-Signalverteilers in dem in 1 gezeigten FM-Radarmodul,
5 ist eine Perspektivansicht des FM-Radarsystems, das das in 1 gezeigte FM-Radarmodul enthält,
6 ist ein Diagramm, das einen Neigungswinkel von Planaren Arrayantennenelementen des in 1 gezeigten Radarmoduls zeigt,
7 ist ein Diagramm, das Abstände zu echoerzeugenden Objekten zeigt, die durch das das in 1 gezeigte FM-Radarmodul enthaltende FM-Radarsystem erfasst worden sind, sowie eine Verteilung von durch das FM-Radarsystem abgedeckte Richtungen,
8 ist eine Planansicht eines MMIC eines FM-Radarmoduls,
9 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie IX-IX von 8,
10 ist eine Planansicht einer MMIC-Packung, die in dem in 1 gezeigten FM-Radarmodul enthalten sein kann,
11 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie XI-XI von 10,
12 ist eine vergrößerte fragmentarische Querschnittsansicht jedes der Durchgangslochbereiche in der in 11 gezeigten MMIC-Packung, und
13 ist eine vergrößerte Planansicht des in 12 gezeigten Durchgangslochbereichs.
1 zeigt in Blockform ein FM-Radarsystem, das ein FM-Radarmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das FM-Radarsystem allgemein ein FM-Radarmodul 10 gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Hauptradarschaltung 20. Das FM-Radarsystem ist vorzugsweise an einem Kraftfahrzeug (nicht gezeigt) installiert.
Das FM-Radarmodul 10 umfasst eine planare Arrayantennenbaugruppe 12 zum Senden und Empfangen von FM-Signalen, eine Sende- und Empfangsbaugruppe 13, eine Zirkulatorbaugruppe 14, eine FM-Signalgeneratorschaltung 18 und einen FM-Signalverteiler 19, die alle auf einem dielektrischen Substrat 11 angebracht sind. Das dielektrische Substrat 11 kann durch ein magnetisches Substrat ersetzt sein.
Das FM-Radarmodul 10 weist eine Mehrzahl von (16 in der gezeigten Ausführungsform) Sende- und Empfangskanälen A–P auf. Die planare Arrayantennenbaugruppe 12 umfasst eine Mehrzahl von planaren Arrayantennenelementen 12a–12p, die jeweils zu den Sende- und Empfangskanälen A–P gehören. Die Sende- und Empfangsbaugruppe 13 umfasst eine Mehrzahl von Sende- und Empfangselementen 13a–13p, die jeweils zu den Sende- und Empfangskanälen A–P gehören. Die Zirkulatorbaugruppe 14 umfasst eine Mehrzahl von Zirkulatoren 14a–14p, die jeweils zu den Sende- und Empfangskanälen A–P gehören und jeweils in Reihe mit den planaren Arrayantennenelementen 12a–12p geschaltet sind, und auch jeweils in Reihe mit den Sende- und Empfangselementen 13a–13p geschaltet sind. Die FM-Signalgeneratorschaltung 18 wird von den Sende- und Empfangskanälen A–P geteilt. Ein durch die FM-Signalgeneratorschaltung 18 erzeugtes FM-Signal wird durch den FM-Signalverteiler 19 zu den Sende- und Empfangselementen 13a–13p verteilt. Der FM-Signalverteiler 19 umfasst eine Mehrzahl von binären Verzweigungsschaltungen in der Form von Mikrostreifen in mehrfachen Stufen.
Die Sende- und Empfangselemente 13a–13p enthalten jeweilige selektive Sendeverstärker 15a–15p, jeweilige selektive Empfangsverstärker 16a–16p und jeweilige Mischer 17a–17p. Die Sende- und Empfangselemente 13a–13p in den jeweiligen Sende- und Empfangskanälen A–P empfangen zu sendende FM-(frequenzmodulierte)-Signale, die von der FM-Signalgeneratorschaltung 18 durch den FM-Signalverteiler 19 zugeführt werden.
Die FM-Signalgeneratorschaltung 18 umfasst einen FM-Signalgenerator 18a, der einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zum Erzeugen und Ausgeben eines FM-Signals mit einer Dreiecks- oder Sägezahnwellenform umfasst, sowie einen Frequenzmultiplizierer 18b zum Multiplizieren der Frequenz des durch den FM-Signalgenerator 18a erzeugten FM-Signals.
Die Hauptradarschaltung 20 umfasst eine CPU (zentrale Prozessoreinheit) 21, einen Kanalkontroller 22, einen Selektor 24, einen A/D-(Analog/Digital)-Wandler 25, eine FFT-(schnelle-Fourier-Transformations)-Schaltung 26 und einen Speicher 27.
Das in 1 gezeigte FM-Radarmodul 10 weist eine in 2 gezeigte physikalische Struktur auf. Das FM-Radarmodul 10 weist ein dielektrisches Substrat 11 auf, das aus hochreiner Aluminiumoxidkeramik mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 9,7 hergestellt ist und das in Segmente unterteilt ist, die jeweils darauf die planare Arrayantennenbaugruppe 12, die Sende- und Empfangsbaugruppe 13, die FM-Signalgeneratorschaltung 18 und den FM-Signalverteiler 19 in der Form von Mikrostreifenleitern tragen. Die Sende- und Empfangsbaugruppe 13, die FM-Signalgeneratorschaltung 18 und der FM-Signalverteiler 19 sind in einem Metallgehäuse MC fest angebracht, wobei ihre dielektrischen Substrat-11-Segmente und Metallplatten an ihren Rückseiten in Kontakt gehalten sind, und wobei ihre Mikrostreifenleiter durch Metallfolie oder -drähte verbunden sind. Die Zirkulatorbaugruppe 14 ist auf einem auf einer Metallplatte angeordneten Ferritsubstrat angebracht. In einer letzten Stufe des Zusammenbauverfahrens des FM-Radarmoduls wird die Öffnung des Metallgehäuses MC durch eine Metallplatte verschlossen.
Damit das FM-Radarmodul 10 ein Installationsvolumen für die 16 Zirkulatoren 14a–14p, die relativ groß sind, zur Verfügung stellt, sind die Planare Arrayantennenbaugruppe 12, die Sende- und Empfangsbaugruppe 13 und die Zirkulatorbaugruppe 14 in zwei Gruppen unterteilt.
Insbesondere sind die Arrayantennenelemente 12a–12p in eine Gruppe von acht planaren Arrayantennenelementen 12a–12h und eine Gruppe von acht planaren Arrayantennenelementen 12i–12p unterteilt. Die acht planaren Arrayantennenelemente 12a–12h der einen Gruppe und die acht planaren Arrayantennenelemente 12i–12p der anderen Gruppe sind in einem ineinander greifenden Muster angeordnet und an jeweiligen linearen distalen Endabschnitten von Speiseleitungen angeordnet, die zu den jeweiligen Gruppen gehören und in entgegengesetz ten Richtungen verlaufen, die um 180° voneinander abweichen. Die planaren Arrayantennenelemente 12a–12h sind in einer Richtung senkrecht zu den linearen distalen Endabschnitten der Speiseleitungen aufgereiht. Jedes der planaren Arrayantennenelemente 12a–12h umfasst drei Patches, die an gegebenen Abständen entlang des linearen distalen Endabschnitts einer der Speiseleitungen angeordnet sind.
Die Sende- und Empfangselemente 12a–13p sind aus acht MMIC-(integrierte monolithische Mikrowellenschaltkreise)-Packungen 13A–13H auf einem GaAs-Halbleitersubstrat hergestellt. Die acht MMIC-Packungen 13A–13H sind in zwei Gruppen unterteilt. Jede der acht MMIC-Packungen 13A–13H ist aus den Sende- und Empfangselementen von benachbarten zwei der 16 Sende- und Empfangskanäle A–P zusammengesetzt, wie in 3 gezeigt ist, die nur die MMIC-Packung 13A zeigt. Insbesondere ist die in 3 gezeigte MMIC-Packung 13A aus dem selektiven Sendeverstärker 15a, dem selektiven Empfangsverstärker 16a und dem Mischer 17a, die zu dem Sende- und Empfangselement 13a des Sende- und Empfangskanals A gehören, sowie dem selektiven Sendeverstärker 15b, dem selektiven Empfangsverstärker 16b und dem Mischer 17b, die zu dem Sende- und Empfangselement 13b des Sende- und Empfangskanals B gehören, zusammengesetzt. Das GaAs-Halbleitersubstrat mit den MMIC-Packungen 13A–13H darauf ist in einer Keramikpackung untergebracht, die mit einem Stickstoffgas gefüllt ist.
Wie in 3 gezeigt ist, ist die planare Arrayantenne 12a, die aus den drei rechteckigen Patches Pa₁, Pa₂, Pa₃ des Sende- und Empfangskanals A zusammengesetzt ist, mit dem linearen distalen Endabschnitt einer Speiseleitung FLa verbunden, deren proximaler Endabschnitt in einen Sendeendabschnitt TXOUT und einen Empfangsendabschnitt RXIN durch den Zirkulator 14a unterteilt ist. Die rechteckigen Patches Pa₁, Pa₂, Pa₃ sind in einem bestimmten Abstand entlang des linearen distalen Endabschnitts der Speiseleitung FLa beabstandet. Der durch den Zirkulator 14a getrennte Sendeendabschnitt TXOUT ist durch den selektiven Sendeverstärker 15a mit einem Eingangsanschluss TXIN der MMIC-Packung 13A zum Empfang eines FM-Signals von der FM-Signalgeneratorschaltung 18 verbunden. Der durch den Zirkulator 14a abgetrennte Empfangsendab schnitt RXIN ist mit einem Eingangsanschluss, d. h. einem Empfangssignal-Eingangsanschluss, des Mischers 17a verbunden. Der andere Eingangsanschluss, d. h. ein lokaler Oszillatoreingangsanschluss, des Mischers 17a wird selektiv mit einem FM-Signal von dem Eingangsanschluss TXIN durch den selektiven Empfangsverstärker 16a versorgt.
Ähnlich ist die planare Arrayantenne 12b, die aus den rechteckigen Patches Pb₁, Pb₂, Pb₃ des Sende- und Empfangskanals B zusammengesetzt ist, mit dem linearen distalen Endabschnitt einer Speiseleitung FLb verbunden, deren proximaler Endabschnitt durch den Zirkulator 14b in einen Sendeendabschnitt TXOUT und einen Empfangsendabschnitt RXIN unterteilt ist. Die rechteckigen Patches Pb₁, Pb₂, Pb₃ sind in einem bestimmten Abstand entlang des linearen distalen Endabschnitts der Speiseleitung FLb beabstandet. Der durch den Zirkulator 14b getrennte Sendeendabschnitt TXOUT ist durch den selektiven Sendeverstärker 15b mit dem Eingangsanschluss TXIN der MMIC-Packung 13A zum Empfang eines FM-Signals von der FM-Signalgeneratorschaltung 18 verbunden. Der durch den Zirkulator 14b getrennte Empfangsendabschnitt RXIN ist mit einem Eingangsanschluss des Mischers 17b verbunden. Der andere Eingangsanschluss des Mischers 17b wird selektiv mit einem FM-Signal von dem Eingangsanschluss TXIN durch den selektiven Empfangsverstärker 16b versorgt.
Die selektiven Sendeverstärker 15a, 15b und die selektiven Sendeverstärker 16a, 16b der Sende- und Empfangskanäle A, B sind hauptsächlich aus Hochfrequenz-FETs (Feld-Effekt-Transistoren) zusammengesetzt. Diese vier selektiven Verstärker 15a, 15b, 16a, 16b verstärken intermittierend zugeführte Eingangssignale in Antwort auf jeweilige intermittierende Drain-Spannungen Vd1–Vd4, die selektiv von dem Kanalkontroller 22 der Hauptradarschaltung 20 zugeführt werden. Die vier selektiven Verstärker 15a, 15b, 16a, 16b werden ebenfalls mit einer konstanten Gate-Spannung Vg versorgt.
Die Zirkulatoren 14a, 14b werden jeweils einander entgegengesetzten Gleichspannungs-Magnetfeldern ausgesetzt, um Signale in gegenseitig entgegengesetzte Richtungen in den Zirkulatoren 14a, 14b zu drehen. Die Anwendung von Gleichspannungs-Magnetfeldern in gegenseitig entgegengesetzten Richtungen auf die Zirkulatoren 14a, 14b ist wirksam, um diese Gleichspannungs-Magnetfelder aufzuheben und zu verhindern, dass ein Gleichspannungs-Magnetfeld erzeugt wird.
4 zeigt fragmentarisch in einem vergrößerten Maßstab jede Signalverzweigungsschaltung des FM-Signalverteilers 19 in dem in 1 gezeigten FM-Radarmodul. Zur Impedanzanpassung der Signalverzweigungsschaltung ist ein Dünnfilmwiderstand R mit einem Widerstand von ungefähr 100 zwischen verzweigte Arme eines Mikrostreifenleiters der Signalverzweigungsschaltung eingefügt.
5 zeigt perspektivisch das FM-Radarsystem, das das in 1 gezeigte FM-Radarmodul 10 enthält. Wie in 5 gezeigt ist, ist das FM-Radarmodul 10 in einem Metallhalter 40 untergebracht und mit einem Sekundärstrahler 30 durch den Metallhalter 40 verbunden, wobei der Antennenaufbau 12 als ein Primärstrahler dient. Der Sekundärstrahler 30 weist eine parabolische Reflexionsfläche 30a auf, und die aus den 16 planaren Arrayantennenelementen 12a–12p zusammengesetzte Antennenbaugruppe 12 ist in der Nähe des Brennpunkts der parabolischen Reflexionsfläche 30a angeordnet. FM-Signale in einem Millimeterwellenlängenbereich, die von den jeweiligen planaren Arrayantennenelementen 12a–12p abgestrahlt werden, werden durch die parabolische Reflexionsfläche 30a reflektiert und unter jeweiligen unterschiedlichen Winkeln oder Richtungen in einer horizontalen Richtung vom Sekundärstrahler 30 nach vorn abgestrahlt. Der aus der Antennenbaugruppe 12 zusammengesetzte Primärstrahler und der Sekundärstrahler 30 bilden gemeinsam eine versetzte, defokussierte Mehrfachstrahl-Parabolantenne.
In jedem der planaren Arrayantennenelemente 12a–12p sind die drei rechteckigen Patches in einem bestimmten Abstand voneinander entlang des linearen distalen Endabschnitts der Speiseleitung beabstandet. Elektromagnetische Wellen werden unter einem bestimmten Neigungswinkel von den jeweiligen planaren Arrayantennenelementen 12a–12p abgestrahlt. Wie in 6 gezeigt ist, ist insbesondere die Richtung (angedeutet durch durchgezogene Linien), in die die elekt romagnetischen Wellen von den jeweiligen Patches abgestrahlt werden, unter einem Neigungswinkel zu einer Linie (als gepunktet-gestrichelte Linie angedeutet) senkrecht zu dem dielektrischen Substrat 11 geneigt, so dass Gleichphasenflächen (angedeutet durch gepunktete Linien) der von den jeweiligen Patches abgestrahlten elektromagnetischen Wellen senkrecht zu der Richtung liegen, in die sie von den jeweiligen Patches abgestrahlt werden. Die Gleichphasenflächen der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen werden durch eine Verzögerungszeit bestimmt, die verursacht wird, wenn sich die Signale durch die Speiseleitungen ausbreiten und die elektromagnetischen Wellen durch die Luft ausbreiten.
Während in 6 zur Unterscheidung der Patches von der Speiseleitung die Patches dicker gezeigt sind als die Speiseleitung, ist dies nur zum Zwecke der Verdeutlichung geschehen, und tatsächlich weisen sie dieselbe Dicke auf. Die Länge des Speiseleitungsabschnitts, der die drei Patches jeder der acht planaren Arrayantennenelemente einer Gruppe verbindet, ist im Wesentlichen um eine halbe Wellenlänge unterschiedlich von der Länge des Speiseleitungsabschnitts, der die drei Patches jeder der acht planaren Arrayantennenelemente der anderen Gruppe verbindet, so dass die elektromagnetischen Wellen von den planaren Arrayantennenelementen der beiden Gruppen unter demselben Winkel in Richtung zu dem Sekundärstrahler hin abgestrahlt werden.
Da, wie in 5 gezeigt ist, jedes der planaren Arrayantennenelemente 12a–12p die elektromagnetische Welle unter dem Neigungswinkel, wie oben beschrieben, abstrahlt, wird effektiv verhindert, dass das FM-Radarmodul 10, welches eine im Vergleich zu dem Primärstrahler beträchtliche Größe aufweist, die elektromagnetischen Wellen stört, die von dem Sekundärstrahler 30 abgestrahlt werden. Demzufolge kann das FM-Radarmodul 10, welches die Antennenbaugruppe 12 als Primärstrahler enthält, in der Nähe des Sekundärstrahlers 30 angeordnet werden. Mit dieser Anordnung wird es ermöglicht, dass das FM-Radarmodul 10 eine MMIC-basierte Struktur aufweist, die aus den MMIC-Packungen 13A–13H aufgebaut ist, welche aus den Sende- und Empfangsbaugruppen 13, der Antennenbaugruppe 12 auf dem dielektrischen Substrat zusammengesetzt sind.
Die Antennenbaugruppe 12 als Primärstrahler mit einem Neigungswinkel wird mit dem Sekundärstrahler 30 mit der parabolischen Reflexionsfläche 30a in der gezeigten Ausführungsform kombiniert. Jedoch kann die Antennenbaugruppe einen Primärstrahler ohne Neigungswinkel umfassen und kann mit einer dielektrischen Linse kombiniert werden. Alternativ kann dann, wenn die Direktivität des Primärstrahlers erhöht werden soll oder ein Bereich zum Erfassen von FM-Signale reflektierenden Objekten auf einen Bereich in der Nähe des Kraftfahrzeugs, an dem das FM-Radarsystem installiert ist, beschränkt werden soll, der Sekundärstrahler, etwa eine Reflexionsfläche oder eine dielektrische Linse, weggelassen werden und die Antennenbaugruppe kann nur planare Arrayantennenelemente umfassen.
Wieder zurückgehend zu 1 wird ein von der FM-Signalgeneratorschaltung 18 zugeführtes FM-Millimeterwellensignal als FM-Signale verteilt, die selektiv nur in gegebenen Perioden durch die jeweiligen selektiven Sendeverstärker 15a–15p in den jeweiligen Sende- und Empfangskanälen A–P verstärkt werden. Insbesondere verstärken die selektiven Sendeverstärker 15a–15p die jeweiligen FM-Signale nur in aufeinander folgenden Perioden nach Maßgabe von Kanalsteuer/regelsignalen, die von dem Kanalkontroller 22 zugeführt werden.
Insbesondere umfasst jeder der selektiven Sendeverstärker 15a–15p zwei kaskadierte FETs (Feld-Effekt-Transistoren) und Schaltertransistoren, um intermittierend eine Betriebs-Drain-Spannung den FETs nach Maßgabe des Kanalsteuer/regelsignals zuzuführen, und verstärkt selektiv das FM-Millimeterwellensignal nur in einer Periode, in der diesem Betriebsenergie zugeführt werden soll. Solange bis eine Drain-Spannung zugeführt wird, erteilt jeder der selektiven Sendeverstärker 15a–15p dem hindurchtretenden FM-Millimeterwellensignal eine große Einfügungsdämpfung, was praktisch die FM-Signalgeneratorschaltung 18 und den entsprechenden der Zirkulatoren 14a–14p trennt.
Daher wirkt jeder der selektiven Sendeverstärker 15a–15p als ein Schalter, der eine solche Verstärkung aufweist, dass er selektiv die FM-Signalgeneratorschaltung 18 mit dem entsprechenden der Zirkulatoren 14a–14p verbindet und die FM-Signalgeneratorschaltung 18 von dem entsprechenden der Zirkulatoren 14a–14p trennt. Die durch den jeweiligen selektiven Sendeverstärker 15a–15p verstärkten FM-Millimeterwellensignale werden durch die jeweiligen Zirkulatoren 14a–14p den jeweiligen planaren Arrayantennenelementen 12a–12p zugeführt, welche dann die FM-Millimeterwellensignale als elektromagnetische Wellen von dem dielektrischen Substrat 11 weg zu dem Sekundärstrahler 30 hin abstrahlen (siehe 5). Die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen werden durch die parabolische Reflexionsfläche 30a des Sekundärstrahlers 30 von dem Kraftfahrzeug, an dem das FM-Radarsystem installiert ist, abgestrahlt. Auf diese Weise kann die Direktivität von Signalen von den planaren Arrayantennenelementen 12a–12p durch die selektiven Sendeverstärker 15a–15p gesteuert/geregelt werden.
Einige der als elektromagnetische Wellen von dem Kraftfahrzeug abgestrahlten FM-Millimeterwellensignale werden durch Objekte reflektiert, wandern zurück und werden durch die planaren Arrayantennenelemente 12a–12p empfangen. Die reflektierten elektromagnetischen Wellen, die durch die planaren Arrayantennenelemente 12a–12p empfangen werden, werden jeweils als FM-Echosignale von den Sendekanälen durch die Zirkulatoren 14a–14p getrennt. Die getrennten FM-Echosignale werden den jeweiligen Empfangssignal-Eingangsanschlüssen der Mischer 17a–17p zugeführt. Die anderen lokalen Oszillatoreingangsanschlüsse der Mischer 17a–17p werden mit verstärkten FM-Millimeterwellensignalen von den jeweiligen Empfangsverstärkern 16a–16p versorgt, welche aufeinander folgend FM-Millimeterwellensignale intermittierend nur in gegebenen Perioden nach Maßgabe von von dem Kanalkontroller 22 zugeführten Kanalsteuer/regelsignalen verstärken. Die selektiven Empfangsverstärker 16a–16p wirken als jeweilige Schalter, ebenso wie die selektiven Sendeverstärker 15a–15p.
Von den jeweiligen Ausgangsanschlüssen der Mischer 17a–17p ausgegebene Schwebungssignale werden durch Ausgangsanschlüsse BTa, BTb zu dem Selektor 24 übertragen. In dem Selektor 24 werden die Schwebungssignale durch jeweilige Verstärker 24a–24b verstärkt, deren Verstärkungsfaktor abhängig von der Frequenz variiert. Die Verstärker 24a–24b werden in einer zeitlich abwechselnden Weise durch den Kanalkontroller 22 ausgewählt, um die verstärkten Schwe bungssignale durch ein Koaxialkabel dem A/D-Wandler 25 zuzuführen, der die Schwebungssignale in digitale Schwebungssignale umwandelt. Die digitalen Schwebungssignale werden dann der FFT-Schaltung 26 zugeführt und dadurch in ein Frequenzspektrum umgewandelt, das dann der CPU 21 zugeführt wird.
Die CPU 21 analysiert das Frequenzspektrum der empfangenen FM-Echosignale, die von der FFT-Schaltung 26 zugeführt werden, und berechnet Abstände zu Objekten, die die FM-Echosignale in den jeweiligen Sende- und Empfangskanälen und daher aus jeweiligen Richtungen erzeugt haben. Typischerweise erzeugt die CPU 21 eine zweidimensionale Karte von Hindernissen zum Kraftfahrzeug, wie in 7 gezeigt ist.
8 und 9 zeigen eine MMIC-Packung eines FM-Radarmoduls gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 8 und 9 gezeigt ist, umfasst die MMIC-Packung ein Metallsubstrat 100, wobei an einer seiner Flächen dielektrische Substrate 101, 102, 103, 104, 105, 130, beispielsweise aus Aluminiumoxid, angebracht sind, und ein Paar von MMICs 110, 120, die an der Fläche des Metallsubstrats 100 angebracht ist. Signalausgangsanschlüsse 111, 121 sind jeweils an den dielektrischen Substraten 101, 103 angebracht und Signaleingangsanschlüsse 112, 122 sind jeweils an den dielektrischen Substraten 102, 104 angebracht. Ein Signaleingangsanschluss 131 zum Empfang eines zugeführten FM-Signals ist an dem dielektrischen Substrat 105 angebracht. Ein durch den Signaleingangsanschluss 131 empfangenes FM-Signal wird in zwei FM-Signale durch eine binäre Verzweigungsschaltung in der Form eines Mikrostreifenleiters (nicht gezeigt) auf dem dielektrischen Substrat 130 aufgeteilt, und die beiden FM-Signale werden durch jeweilige Strahlführungen 113, 123 den MMICs 110, 120 zugeführt. Die MMICs 110, 120 enthalten jeweilige selektive Sendeverstärker, jeweilige selektive Empfangsverstärker und jeweilige Mischer (nicht gezeigt). Die MMICs 110, 120 sind voneinander durch ein dielektrisches Trennelement 140 getrennt, das an dem Metallsubstrat 100 angebracht ist, um es zu ermöglichen, dass die Resonanzfrequenz eines Hohlraums in der MMIC-Packung größer ist als das Frequenzband des FM-Signals.
Zu sendende FM-Signale werden von den MMICs 110, 120 durch die Signalausgangsanschlüsse 111, 121 den Zirkulatoren (nicht gezeigt) zugeführt. Empfangene FM-Signale werden von den Zirkulatoren durch die Signaleingangsanschlüsse 112, 122 den MMICs 110, 120 zugeführt. Durch die MMICs 110, 120 erzeugte Schwebungssignale werden durch Verbindungsdrähte 119, 129 zu jeweiligen Ausgangsanschlüssen 115, 125 (siehe 9) gesendet, die mit den Verbindungsdrähten 119, 129 verbunden sind und sich durch das Metallsubstrat 100 zu einer Rückseite desselben erstrecken, die von den MMICs 110, 120 entfernt liegt. Die Schwebungssignale werden dann von den Ausgangsanschlüssen 115, 125 durch jeweilige Koaxialkabel (nicht gezeigt) zu einer Hauptradarschaltung (nicht gezeigt) geliefert. Eine Vorspannung und Verstärkungssteuer/regelsignale werden durch Signalanschlüsse 114, 124 und Verbindungsdrähte 117, 127 den MMICs 110, 120 zugeführt. Die Signalanschlüsse 114, 124 werden mit den Verbindungsdrähten 117, 127 verbunden und erstrecken sich durch das Metallsubstrat 100 zu dessen Rückseite, die von den MMICs 110, 120 entfernt liegt.
Wie in 9 gezeigt ist, enthält die MMIC-Packung ferner einen Deckel 150, der an dem Metallsubstrat 100 durch einen Rahmen 141 angebracht ist. Die Anschlüsse 114, 115, 124, 125 werden an dem Metallsubstrat 100 durch jeweilige Isolatoren 116, 118, 126, 128 gehalten, die den durch das Metallsubstrat 110, den Deckel 150 und den Rahmen 141 definierten Hohlraum hermetisch kapseln, der mit einem inerten Gas gefüllt ist. Der Deckel 150 und der Rahmen 141 sind aus der Illustration in 8 weggelassen.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die in einer Ausführung als FM-Radarmodul beschrieben worden sind, können ebenso bei einigen anderen verschiedenen Radarmodulen angewendet werden, einschließlich eines AM-Radarmoduls, eines Impuls-Radarmoduls, usw.
Das FM-Radarmodul gemäß der vorliegenden Erfindung bietet die folgenden verschiedenen Vorteile:
Da die Mehrzahl von kleinen Planaren Arrayantennenelementen derart aufgereiht ist, dass sie von den Sende- und Empfangsbaugruppen durch die Zirkulatoren geteilt werden, kann die Anzahl von planaren Arrayantennenelementen in einem begrenzten Installationsvolumen vergrößert werden, was es ermöglicht, einen relativ großen Winkelbereich mit einem Abtaststrahl abzutasten. Die planaren Arrayantennenelemente dienen als ein Primärstrahler in einer versetzten defokussierten Mehrfachstrahl-Parabolantenne zum weiten Abtasten eines Winkelbereichs und für hohe Richtungsauflösung.
Da die planaren Arrayantennenelemente mit den Zirkulatoren kombiniert sind, so dass sie von den Sende- und Empfangsbaugruppen geteilt werden, sind die verschiedenen Komponenten der Antennenbaugruppe 12 in einer sehr dichten Konfiguration angebracht. Insbesondere sind die selektiven Sende- und Empfangsverstärker und die Mischer in der Form von MMICs an dem einzigen dielektrischen Substrat angebracht, welches die als Primärstrahler dienende Antennenbaugruppe 12 bildet. Ein abtastendes FM-Radarsystem, das die Antennenbaugruppe 12 enthält, weist eine sehr dichte Struktur, eine geringe Größe, geringe Kosten und eine hohe Auflösung auf, was es zur Verwendung an Kraftfahrzeugen geeignet macht. Das FM-Radarsystem kann in einem weiten Bereich von Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden, einschließlich eines aktiven Fahrsteuer/regelsystems, eines Kollisionsverhinderungssystems usw.
Die FM-Signalgeneratorschaltung 18 und der FM-Signalverteiler 19 sind in dem FM-Radarmodul 10 enthalten, anstatt in der Hauptradarschaltung 20. Diese Anordnung ist wirksam zur Verringerung der Größe und Kosten des FM-Radarsystems.
Das FM-Radarsystem wurde als ein Kraftfahrzeug-Radarsystem beschrieben. Jedoch sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch anwendbar auf ein allgemeines Kommunikationssystem, wie ein Hochfrequenz-Lokalnetzwerk (LAN) zum Inneneinsatz.
10 und 11 zeigen eine andere MMIC-Packung, die in dem in 1 gezeigten FM-Radarmodul enthalten sein kann. Wie in 10 und 11 gezeigt ist, weist die MMIC-Packung, allgemein mit 200 bezeichnet, eine Hybrid-IC-Struktur auf, die ein Metallsubstat 202, eine integrierte Hochfrequenzschaltung (MMIC) 203 und ein dielektrisches Substrat 206 aufweist, die auf einer Fläche des Metallsubstrats 202 angebracht sind, sowie eine integrierte Niederfrequenzschaltung 204 und eine Gleichspannungs-Vorspannungsschaltung 205 aufweist, die an der entgegengesetzten Seite des Metallsubstrats 202 angebracht sind. Die MMIC-Packung 200 besitzt ebenso ein Gehäuse 212 aus geformtem Kunstharz, Keramik oder Metall, in dem die obigen Komponenten der MMIC-Packung 200 untergebracht sind.
Wie oben beschrieben wurde, ist die in einem GHz-Frequenzbereich arbeitende integrierte Hochfrequenzschaltung 203 an einer Fläche des Metallsubstrats 202 angebracht, und die in einem MHz- bis GHz-Frequenzbereich arbeitende integrierte Niederfrequenzschaltung 204 und die Gleichspannungs-Vorspannungsschaltung 205, welche elektrische Energie sowie eine Gleichspannungs-Vorspannung der integrierten Hochfrequenzschaltung 203 zuführt, sind an der entgegengesetzten Fläche des Metallsubstrats 202 angebracht. Daher weist die MMIC-Packung 200 viele in einem begrenzten Volumen untergebrachte IC-Chips auf.
Da die integrierte Hochfrequenzschaltung 203 und die integrierte Niederfrequenzschaltung 204 und die Gleichspannungs-Vorspannungsschaltung 205 voneinander durch das Metallsubstrat 202 getrennt sind, wird verhindert, dass sie einander stören, obwohl sie in unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten.
Die integrierte Hochfrequenzschaltung 203, die integrierte Niederfrequenzschaltung 204 und die Gleichspannungs-Vorspannungsschaltung 205 weisen Erdungsanschlüsse auf, die zur effektiven Verhinderung von Störungen zwischen der integrierten Hochfrequenzschaltung 203, der integrierten Niederfrequenzschaltung 204 und der Gleichspannungs-Vorspannungsschaltung 205 mit dem Metallsubstrat 202 verbunden sind.
Das Metallsubstrat 202, das aus Kovar oder dergleichen hergestellt ist, weist Ausnehmungen 202A, 202B auf, die in einer seiner Flächen definiert sind, und die in tegrierte Hochfrequenzschaltung 203 und das dielektrische Substrat 206 sind jeweils in den Ausnehmungen 202A, 202B angeordnet.
Kontaktflächen 208D, 208G, 208H sind durch Verdampfen oder dgl. auf Isolierschichten am Boden der Ausnehmungen 202A ausgebildet und durch jeweilige dünne Drähte W1, W2, W3 aus Gold oder dgl. mit jeweiligen Kontaktflächen 208A, 208B, 208C verbunden, die an der integrierten Hochfrequenzschaltung 203 angebracht sind.
Die Kontaktflächen 208G, 208H weisen Durchgangslochbereiche 207 auf, die durch das Metallsubstrat 202 von einer Fläche zu dessen entgegengesetzter Fläche verlaufen. Die Durchgangslochbereiche 207 sind durch die Feinschaltungs-Herstellungstechnik des Halbleiter-Herstellungsprozesses hergestellt. Der integrierte Hochfrequenzschaltkreis 203 und der integrierte Niederfrequenzschaltkreis 204 sind elektrisch miteinander durch einen der Durchgangslochbereiche 207 verbunden, und der integrierte Hochfrequenzschaltkreis 203 und der Gleichspannungs-Vorspannungsschaltkreis 205 sind elektrisch miteinander durch den anderen Durchangslochbereich 207 verbunden. Insbesondere sind Kontaktflächen (nicht gezeigt) an der entgegengesetzten Fläche des Metallsubstrats 202 fluchtend mit den Kontaktflächen 208G, 208H angebracht und elektrisch mit den Kontaktflächen 208G, 208H durch die jeweiligen Durchgangslochbereiche 207 verbunden. Der integrierte Niederfrequenzschaltkreis 204 und der Gleichspannungs-Vorspannungsschaltkreis 205 weisen ebenfalls jeweilige Kontaktflächen (nicht gezeigt) auf, die durch Drähte elektrisch mit den Kontaktflächen verbunden sind, die an der entgegengesetzten Fläche des Metallsubstrats 202 fluchtend mit den Kontaktflächen 208G, 208H angebracht sind. Demzufolge sind der integrierte Hochfrequenzschaltkreis 203 an der einen Fläche des Metallsubstrats 202 und der integrierte Niederfrequenzschaltkreis 204 und der Gleichspannungs-Vorspannungsschaltkreis 205 an der anderen Fläche des Metallsubstrats 202 miteinander elektrisch in sehr zuverlässiger Weise durch die Durchgangslochbereiche 207 verbunden.
Das dielektrische Substrat 206 ist z. B. aus einer hochreinen Aluminiumoxidkera mik hergestellt, und seine freiliegende Fläche schließt bündig mit der Fläche des Metallsubstrats 202.
Eine Kontaktfläche 208E, ein Anschluss 208E und ein leitendes Muster 209 sind auf der freiliegenden Fläche des dielektrischen Substrats 206 durch Aufdampfen oder dgl. ausgebildet. Die Kontaktfläche 208E und die Kontaktfläche 208D sind miteinander durch einen Draht W4 aus Gold oder dgl. verbunden, und eine IC-Leitung 211 ist mit dem Anschluss 208E zum Zuführen eines Eingangssignals von einer externen Quelle zu der integrierten Hochfrequenzschaltung 203 oder zum Abliefern eines Ausgangssignals von der integrierten Hochfrequenzschaltung 203 zu einer externen Schaltung verbunden.
Weil das dielektrische Substrat 206 bündig mit dem Metallsubstrat 202, an dem die integrierte Hochfrequenzschaltung 203 angeordnet ist, liegt und die Kontaktfläche 208E und der Anschluss 208E an dem dielektrischen Substrat 206 angebracht ist, liegt der Anschluss 208E für die integrierte Hochfrequenzschaltung 203 in einer horizontalen Ebene der integrierte Hochfrequenzschaltung 203.
12 zeigt jeden der Durchgangslochbereiche 207 in einem vergrößerten fragmentarischen Querschnitt. Wie in 12 gezeigt ist, weist der Durchgangslochbereich 207 ein von einer Fläche zu der anderen Fläche des Metallsubstrats 202 verlaufendes Durchgangsloch auf. Eine Isolierschicht 213 ist an den Flächen des Metallsubstats 202 breiter als der Durchgangslochbereich 207 abgeschieden, und ebenfalls an der Wand des Durchgangslochbereichs. Danach ist eine leitfähige Schicht auf der Isolierschicht 213 abgeschieden, wodurch die Kontaktflächen 208G, 208H und ein plattiertes Durchgangsloch 214, das die Kontaktflächen 208G, 208H durch einen kürzesten Abstand elektrisch verbindet, erzeugt werden.
13 zeigt in Planansicht den in 12 gezeigten Durchgangslochbereich 207. Wie in 13 gezeigt ist, unterliegt die Isolierschicht 213 den Kontaktflächen 208G, 208H und die Isolierschicht 213 mit dem darin definierten plattierten Durchgangsloch 214 ist konzentrisch an der Wand des Durchgangslochs abgeschieden, das sich von der einen Fläche zu der anderen Fläche des Metallsubstrats 202 erstreckt.
Obwohl jede der Kontaktflächen 208G, 208H ein plattiertes Durchgangsloch 214 in 10 bis 13 aufweist, können sie eine Mehrzahl von plattierten Durchgangslöchern in Anbetracht der Zuverlässigkeit der plattierten Durchgangslöcher aufweisen. Daher kann das plattierte Durchgangsloch 214 durch ein leitfähiges Element ersetzt werden, um eine elektrische Verbindung zwischen den Schaltungen an den entgegengesetzten Flächen des Metallsubstrats 202 bereitzustellen.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und im Detail beschrieben worden sind, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen darin durchgeführt werden können, ohne von dem Rahmen der angefügten Ansprüche abzuweichen.
Ein Radarmodul umfasst eine Antennenbaugruppe, eine Mehrzahl von Sende- und Empfangsbaugruppen, eine Mehrzahl von Zirkulatoren, eine gemeinsame Signalgeneratorschaltung und einen Signalverteiler, die alle an einem dielektrischen Substrat angebracht sind. Die Sende- und Empfangsbaugruppen können in jeweiligen integrierten monolithischen Mikrowellen-Schaltkreispackungen untergebracht sein, von denen jede ein Metallsubstrat, eine an einer Fläche des Metallsubstrats angebrachte integrierte Hochfrequenzschaltung und eine an einer entgegengesetzten Fläche des Metallsubstrats angebrachte und mit der integrierten Hochfrequenzschaltung elektrisch verbundene integrierte Niederfrequenzschaltung aufweist.

Claims

Radarmodul, umfassend eine Antennenbaugruppe mit einer Mehrzahl von Sende- und Empfangskanälen (A–P), wobei das Modul ein Substrat (11) enthält, auf dem angebracht ist: – eine Mehrzahl von planaren Arrayantennenelementen (12a–12p), wobei jedes Arrayantennenelement (12a–12p) jeweils einem der Sende- und Empfangskanäle (A–P) zugeordnet ist und wobei jedes planare Arrayantennenelement (12a–12p) aus einer Mehrzahl von Patches (Pa1, Pa2, Pa3; Pb1, ... Pps) besteht; – eine Mehrzahl von Sende- und Empfangsbaugruppen (13a–13p), wobei jede Sende- und Empfangsbaugruppe (13a–13p) jeweils einem der Sende- und Empfangskanäle (A–P) zugeordnet ist, zum selektiven Senden von Hochfrequenzsignalen an ein jeweiliges planares Arrayantennenelement (12a–12p) und Empfangen von Echosignalen von dem jeweiligen planaren Arrayantennenelement (12a–12p); – eine Mehrzahl von Zirkulatoren (14a–14p), wobei jeder Zirkulator (14a–14p) jeweils einem der Sende- und Empfangskanäle (A–P) zugeordnet ist, – wobei die Zirkulatoren (14a–14p) jeweils zwischen ein jeweiliges planares Arrayantennenelement (12a–12p) und einen jeweiligen Sende- und Empfangsendabschnitt (RXIN, TXOUT) einer jeweiligen Sende- und Empfangsbaugruppe (13a–13p) geschaltet sind; – eine gemeinsame Signalgeneratorschaltung (18) zum Erzeugen eines einem jeweiligen Sendeabschnitt (TXIN) jeder der Sende- und Empfangsbaugruppen (13a–13p) zuzuführenden Signals; und – einen Signalverteiler (19) zum Verteilen des durch die gemeinsame Signalgeneratorschaltung (18) erzeugten Signals an die Sendeab schnitte (TXIN) durch binäre Verzweigungsschaltungen (4) in mehreren Stufen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sende- und Empfangsbaugruppen (13a–13p) in Paare von jeweils zu zwei benachbarten der Sende- und Empfangskanäle (A–P) gehörenden Sende- und Empfangsbaugruppen (13a–13p) gruppiert sind, wobei jedes der Paare von Sende- und Empfangsbaugruppen (13a–13p) als integrierte Mikrowellenschaltung in einer jeweiligen Packung aufgenommen ist, die ein dielektrisches Trennelement (140) aufweist, wobei das dielektrische Trennelement (140) die in der Packung aufgenommenen Sende- und Empfangsbaugruppen (13a–13p) trennt, – die Antennenbaugruppe als Primärstrahler einer defokussierten Mehrfachstrahlantenne dient, die einen Sekundärstrahler (30) aufweist, der nahe bei dem Primärstrahler angeordnet ist, – wobei die Patches (Pa1, Pa2, Pa3; Pb1, ... Pps) jedes der planaren Arrayantennenelemente (12a–12p) entlang eines linearen distalen Endabschnitts einer jeweiligen Speiseleitung (Fla–Flp) angeordnet sind, die einen jeweiligen Zirkulator (14a–14p) mit dem jeweiligen planaren Arrayantennenelement (12a–12p) verbindet, und – die planaren Arrayantennenelemente (12a–12p) in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu den linearen distalen Endabschnitten der Speiseleitungen (Fla–Flp) aufgereiht sind, – wobei elektromagnetische Wellen von den planaren Arrayantennenelementen (12a–12p) zu dem Sekundärstrahler hin unter einem vorbestimmten Neigungswinkel (θ) bezüglich einer senkrecht auf dem Substrat (11) stehenden Linie abgestrahlt werden, – wobei die von den planaren Arrayantennenelementen (12a–12p) abgestrahlten elektromagnetischen Wellen durch den Sekundärstrahler (30) in horizontaler Richtung unter jeweiligen unterschiedlichen Winkeln reflektiert werden.
Radarmodul nach Anspruch 1, wobei der Sekundärstrahler (30) eine parabolische Reflexionsfläche (30a) umfasst.
Radarmodul nach Anspruch 2, wobei die aus den planaren Antennenelementen (12a–12p) bestehende Antennenbaugruppe in der Nähe eines Brennpunkts der parabolischen Reflexionsfläche (30a) angeordnet ist.
Radarmodul nach Anspruch 1, wobei der Sekundärstrahler (30) eine dielektrische Linse umfasst.
Radarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die planaren Arrayantennenelemente (12a–12p) in zwei Gruppen aufgeteilt sind, wobei die planaren Arrayantennenelemente (12a–12h) einer der beiden Gruppen und die planaren Arrayantennenelemente (12i–12p) der anderen der beiden Gruppen in einem ineinander greifenden Muster angeordnet sind und an jeweiligen linearen distalen Endabschnitten von Speiseleitungen (Fla–Flp) angeordnet sind, die zu den jeweiligen Gruppen gehören und in entgegengesetzte, um 180° voneinander abweichende Richtungen verlaufen.
Radarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die gemeinsame Signalgeneratorschaltung (18) einen FM-Signalgenerator (19a) umfasst zum Erzeugen eines FM-Signals, dessen Frequenz im Wesentlichen linear variiert, und einen Frequenzmultiplizierer (18b) umfasst zum Multiplizieren der Frequenz des von dem FM-Signalgenerator (18) erzeugten FM-Signals.
Radarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jede der Packungen mit einem inerten Gas gefüllt ist.
Radarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Substrat (11) ein dielektrisches oder magnetisches Substrat umfasst und wobei die Antennenbaugruppe (12), die gemeinsame Signalgeneratorschaltung (18), die binären Verzweigungsschaltungen (4), die Sende- und Empfangsbaugruppen (13a–13p) und die Zirkulatoren (14a–14p) als Mikrostreifenleitungen auf dem dielektrischen oder magnetischen Substrat hergestellt sind und wobei die Mikrostreifenleitungen von ausgewählten Elementen aus der Antennenbaugruppe (12), der gemeinsamen Signalgeneratorschaltung (18), den binären Verzweigungsschaltungen (4), den Sende- und Empfangsbaugruppen (13a–13p) und den Zirkulatoren (14a–14p) getrennt auf dem dielektrischen oder magnetischen Substrat hergestellt sind und in einer letzten Herstellungsstufe miteinander verbunden worden sind.
Radarmodul nach Anspruch 8, wobei die Mikrostreifenleitungen durch Metall aus Folie oder Drähten miteinander verbunden sind.
Radarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die an die planaren Arrayantennenelemente (12a–12p) gesendeten Hochfrequenzsignale frequenzmodulierte Signale umfassen, wobei die Empfangsbaugruppen Mischer (17a–17p) enthalten zum Mischen der Echosignale von den planaren Arrayantennenelementen (12a–12p) mit den frequenzmodulierten Signalen, um dadurch Schwebungssignale zu erzeugen.
Radarmodul nach Anspruch 10, wobei die Sendebaugruppen Sendeverstärker (15a–15p) enthalten zum Verstärken der Hochfrequenzsignale und zum Senden der verstärkten Hochfrequenzsignale zu der Antennenbaugruppe (12) und wobei die Empfangsbaugruppen Empfangsverstärker enthalten zum Verstärken der Echosignale und Zuführen der verstärkten Echosignale zu den Mischern.