WO2012152474A1 - Schaltungsanordnung für radaranwendungen - Google Patents

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WO2012152474A1
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Oliver Brueggemann
Christian Waldschmidt
Dirk Steinbuch
Thomas Binzer
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for radar applications, in particular motor vehicle radar applications. Furthermore, the invention relates to a radar sensor with such a circuit arrangement and a motor vehicle radar system with a circuit arrangement of this type.
  • Radar sensors are used for distance and / or speed measurement of objects.
  • radar systems are known in which speeds and distances of several objects are detected simultaneously.
  • vehicle speed controllers for motor vehicles with a radar system for locating a vehicle ahead and for measuring the distance to it are known.
  • Such a distance control system is also referred to as ACC (Adaptive Cruise Control) system.
  • Radar sensors are known that form distribution networks to antenna elements on HF substrates.
  • Wafer assemblies are known in which the assembly is fabricated with a rewiring layer for an IC device at the wafer level. Such a wafer assembly is also referred to as an embedded wafer level ball grid array (eWLB).
  • eWLB embedded wafer level ball grid array
  • the semiconductor module comprises a first housing gold mass layer and an integrated circuit device with an integrated circuit that is embedded in the first housing gold mass layer.
  • An intermediate layer comprises a redistribution layer which is connected to the IC device and serves to externally connect the IC device.
  • An integrated antenna structure is disposed within the intermediate layer and is connected to the IC device.
  • Such a semiconductor module can be assembled with suitable for the high frequency range of 77 GHz, for example, precision.
  • Such an eWLB semiconductor module with antennas integrated in the housing is also referred to as Antenna in Package (AiP).
  • the spatial extent of the integrated circuit semiconductor module and antennas must not become arbitrarily large. Therefore, only one or a few antenna elements can be accommodated in the eWLB semiconductor module. Apertures of the antenna structures, which can not be realized within such a semiconductor module due to the limited size of an eWLB semiconductor module, are needed to construct long-range automotive radar sensors.
  • the object of the invention is to provide a novel circuit arrangement for radar applications, which allows a structure of a radar sensor with a larger aperture.
  • a circuit arrangement for radar windings with a printed circuit board and semiconductor modules mounted thereon, in which the semiconductor modules each have an integrated circuit, a rewiring layer for connecting the integrated circuit to the printed circuit board and at least one integrated in the semiconductor module, antenna element connected to the integrated circuit for transmitting and / or receiving radar signals, the integrated circuit comprising at least one RF oscillator and a frequency divider connected thereto, wherein the circuit arrangement comprises phase locked loops for controlling the RF oscillators, the phase locked loops respectively Frequency divider and a phase detector for comparing a frequency-divided signal of the RF oscillator having a reference signal, and wherein the phase locked loops via the circuit board, the reference signals can be fed.
  • the RF oscillators of the semiconductor modules By controlling the RF oscillators of the semiconductor modules by means of phase-locked loops whose frequency dividers are each formed in the integrated circuit of the semiconductor module, it is possible to couple the RF oscillators of the semiconductor modules via reference signals of lower frequency, in particular to synchronize, without requiring an HF Signal must be routed on the circuit board.
  • the printed circuit board can thus be designed without an HF substrate. This simplifies the structure of the circuit considerably and is much cheaper to manufacture.
  • the integration of the antenna elements into the semiconductor modules results in a particularly efficient and reliable construction.
  • it is advantageous that a plurality of semiconductor modules can be coupled to eWLB packages with an integrated antenna, wherein all high-frequency-carrying components can be integrated in the respective semiconductor modules.
  • the RF oscillators are, in particular, oscillators for generating frequencies in the range of microwaves, that is to say decimetres, centimeters, and / or millimeter waves.
  • the phase-locked loops, and thus the RF oscillators can be coupled via the reference signals that can be supplied to them via the printed circuit board.
  • coupled RF oscillators with respective antenna elements it is possible to realize apertures which exceed the extent of a semiconductor module.
  • coupled reference signals for the phase-locked loops can be provided, in particular reference signals based on a common reference signal.
  • the common reference signal preferably has a frequency below 1 MHz, more preferably below 100 kHz.
  • the phase locked loops can be coupled via a common reference signal which can be fed to them via the printed circuit board.
  • the reference signals of the phase locked loops are thus each formed by the common reference signal.
  • the semiconductor modules each comprise a wafer unit and an interface layer, wherein the wafer unit has a semiconductor chip forming the integrated circuit and a housing layer in which the semiconductor chip is embedded, and wherein the interface layer has the redistribution layer which connects the integrated circuit to the printed circuit board connects connected interfaces of the interface layer.
  • the semiconductor module is preferably an eWLB package.
  • the at least one antenna element is arranged in the interface layer.
  • the antenna element can be produced together with the redistribution layer in one method step.
  • the at least one antenna element is arranged, for example, in the redistribution layer.
  • the at least one antenna element is laterally offset from the semiconductor chip.
  • the at least one antenna element is arranged laterally offset relative to the semiconductor chip in an area outside the semiconductor chip in the interface layer.
  • the wafer unit and the interface layer run, for example, in parallel, wherein the interface layer extends over a region of the semiconductor chip and over a region outside the semiconductor chip.
  • the circuit arrangement has an oscillator arranged on the printed circuit board for generating a reference signal, in particular a common reference signal.
  • the reference signal can be supplied to the phase locked loops via the printed circuit board.
  • the oscillator is preferably a quartz oscillator.
  • the oscillator is an oscillator circuit comprising an oscillating quartz.
  • a plurality of the semiconductor modules are arranged in a regular arrangement in a row on the circuit board.
  • a locally distributed positioning of the antenna elements integrated in the semiconductor modules can be achieved.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a circuit arrangement of a radar sensor with monostatic antenna concept
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor module of
  • Figure 3 is a schematic representation of the structure of a radar sensor of a motor vehicle radar system with arranged in series antenna elements and a dielectric lens.
  • Fig. 5 is a schematic view of an embodiment of a circuit arrangement with bistatic antenna concept. DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
  • Fig. 1 shows schematically a circuit arrangement with a plurality of semiconductor modules 10, one of which is shown in cross-section in Fig. 2.
  • the semiconductor modules 10 are mounted, for example, in a row on a printed circuit board 12.
  • Fig. 1 two of the semiconductor modules 10 are exemplified.
  • Each of the semiconductor modules 10 comprises an integrated antenna element 14 and an integrated circuit 16 in the form of a semiconductor chip.
  • the antenna element is e.g. around a patch element, which serves in the example shown for transmitting and receiving a radar signal.
  • the integrated circuit 16 comprises the RF part of a transmitting and receiving circuit and is connected to the antenna element 14.
  • the integrated circuit 16 includes an RF oscillator 18 for generating a radar signal for emission by the antenna element 14. Further, the integrated circuit 16 comprises, in a manner known per se, a mixer 20 for mixing the received radar signal with the transmitted signal.
  • the antenna element 14 is connected, for example, via a coupler 21 in the form of a rat race ring with the oscillator 18 and the mixer 20 to separate the transmit and receive signals.
  • the mixed RF signal is filtered, for example, and fed to an A / D converter 22 for further processing.
  • the integrated circuit 16 is a so-called MMIC chip (Monolithic Microwave Integrated Circuit).
  • the frequency and phase of the controllable RF oscillator 18 is controlled by a phase-locked loop 24, which comprises a frequency divider 26, a phase discriminator or phase detector 28 and a loop or control filter 30.
  • the RF oscillator 18 is a voltage controlled oscillator (VCO, Voltage Contra II ed Oscillator).
  • VCO voltage controlled oscillator
  • Via a conductor structure 32 on the printed circuit board 12, a common reference signal from an oscillator 34 is supplied to the phase detectors 28 of the respective phase locked loops.
  • the oscillator 34 is a quartz oscillator comprising a quartz crystal.
  • the phase locked loops 24 are coupled together. In the example described, they are in particular synchronized so that the HF oscillators 18 oscillate synchronously.
  • the respective phase detector 28 compares the signal of the HF oscillator divided by the frequency divider 26 with the reference signal supplied via the conductor structure 32.
  • the control filter 30 converts the output signal of the phase detector 28 into a control signal for the controllable RF oscillator 18.
  • the integrated circuit 16 comprises, optionally with the exception of the rat race ring of the coupler 21, all the HF-leading components assigned to the respective antenna element 14.
  • the integrated circuit 16 comprises not only the RF oscillator 18 but also the frequency divider 26 and the mixer 20.
  • the respective antenna elements 14 and couplers 21 are integrated in the semiconductor modules 10.
  • all the high frequency processing circuit parts of the circuit including the high frequency processing circuit parts of the phase locked loops may be integrated in the semiconductor modules 10.
  • the printed circuit board 12 may therefore be a conventional printed circuit board without an RF substrate.
  • FIG. 2 schematically shows the structure of one of the semiconductor modules 10.
  • the semiconductor module 10 is a so-called eWLB package in which a wafer unit comprises the semiconductor chip forming the integrated circuit 16 and a package gold mass layer which forms a package layer 38 in which the semiconductor chip is embedded.
  • This wafer unit 36 assembled during production is also referred to as a reconstituted wafer. It is provided with an interface layer 40, which has a redistribution layer 42 and connections 44 in the form of 3D connection structures, in particular solder balls.
  • the redistribution layer has pads on a first side that contact pads of the wafer unit 36. On a second side, the redistribution layer is connected to the terminals 44 for external contacting. That way is the integrated circuit 16 connected to the circuit board 12 connected to the terminals 44 of the interface layer 40.
  • FIG. 2 shows by way of example four terminals 44, which are connected to strip conductors on the printed circuit board 12.
  • the semiconductor module 10 can be applied to the printed circuit board 12 by standard processes, in particular surface-mount processes.
  • the antenna element 14 is also integrated in the interface layer 40 and connected to the integrated circuit 16 via the coupler 21, which is also integrated in the interface layer.
  • the antenna element 14 and the coupler 21 are integrated into the interface layer as part of the redistribution layer 42.
  • the coupler 21 may also be integrated in the semiconductor chip of the integrated circuit 16, and the integrated circuit 16 may comprise the coupler 21.
  • the antenna element 14 is offset laterally with respect to the semiconductor chip and thus lies in the region next to the housing layer 38, outside a region of the interface layer 40 adjacent to the semiconductor chip.
  • a main emission direction of the antenna element 14 perpendicular to the wafer unit 36 is shown in dashed lines in FIG.
  • the printed circuit board 12 is provided with a reflector 46 in the form of a conductive region.
  • the antenna element 14 is connected via the coupler 21 via contact points on the first side of the redistribution layer 42 to the semiconductor chip.
  • Fig. 3 shows schematically a radar sensor with an array of a series of antenna elements 14 of the circuit arrangement of Fig. 1.
  • the antenna elements 14 are arranged in front of a beam shaping device 48 in the form of a dielectric cylindrical lens with a circular segment-shaped cross section.
  • the antenna elements 14 are arranged side by side in the transverse direction (Y direction) and have a main radiation direction in the direction of the lens (X direction).
  • the lens concentrates or focuses the radar signal in the vertical direction (Z-direction), i. concerning the elevation.
  • the beam shaping device may comprise further dielectric elements or lenses in a manner known per se, for example for the azimuthal focusing of the radar signal in the Y direction.
  • the antenna elements 14 form a matrix arrangement on the printed circuit board 12.
  • the antenna elements 14 are arranged at regular intervals in rows and columns in the Y direction and Z direction.
  • the phase arrangement of the antenna elements 14 can be synchronized with one another by the circuit arrangement described above, so that conclusions are drawn about the direction of an object reflecting the radar signal in a manner known per se, for example from the phase position of the received signals can be.
  • FIG. 1 shows a monostatic circuit arrangement in which the antenna elements 14 each act as a transmitting antenna and as a receiving antenna
  • FIG. 5 shows an example of a bistatic circuit arrangement in which separate semiconductor modules 50 with transmitting antenna elements 14 and semiconductor modules 60 with receiving antenna elements 14
  • the circuit arrangement corresponds to the circuit arrangement described with reference to FIG. 1, and the semiconductor modules 50, 60 are analogous to the circuit modules 10 built up.
  • the mixer 20 is provided only in the receiving semiconductor module 60.
  • a plurality of transmitting semiconductor modules 50 are arranged in a row, and a plurality of receiving semiconductor modules 60 are arranged in parallel therewith in a row.
  • the transmitting semiconductor modules 50 each comprise an antenna element 14 and an integrated circuit 56 in the form of a semiconductor chip, which comprises the RF oscillator 18 and the frequency divider 26.
  • the receiving semiconductor modules 60 each comprise an antenna element 14 and an integrated circuit 66 in the form of a semiconductor chip, which comprises the RF oscillator 18, the frequency divider 26 and the mixer 20.
  • the radar sensor with one of the circuit arrangements described above is for example part of a motor vehicle radar system, in particular of a motor vehicle radar system for driver assistance.
  • a common reference signal is fed via the conductor structure 32 to the phase locked loop 24, which is used directly to drive the frequency divider 28 to synchronize the RF oscillators 18 with each other.
  • reference signals supplied via the printed circuit board 12.
  • the reference signals are based on the common reference signal. It is also conceivable to provide a plurality of coupled oscillators 34 for supplying the respective phase-locked loops via corresponding conductor structures 32.
  • the antenna elements are patch elements. But it can also antenna elements in the form of electric dipoles, for example printed dipoles, or magnetic dipoles.

Abstract

Schaltungsanordnung für Radaranwendungen, mit einer Leiterplatte (12) und darauf angebrachten Halbleitermodulen (10), die jeweils eine integrierte Schaltung (16), eine Umverdrahtungsschicht (42) zum Verbinden der integrierten Schaltung (16) mit der Leiterplatte (12) und wenigstens ein in dem Halbleitermodul (10) integriertes, mit der integrierten Schaltung (16) verbundenes Antennenelement (14) zum Senden und/oder Empfangen von Radarsignalen umfassen, wobei die integrierte Schaltung (16) wenigstens einen HF-Oszillator (18) und einen mit diesem verbundenen Frequenzteiler (26) umfasst, wobei die Schaltungsanordnung Phasenregelkreise (24) zur Steuerung der HF-Oszillatoren (18) umfasst, wobei die Phasenregelkreise (24) jeweils den Frequenzteiler (26) und einen Phasendetektor (28) zum Vergleichen eines frequenzgeteilten Signals des HF-Oszillators (18) mit einem Referenzsignal aufweisen, und wobei den Phasenregelkreisen (24) über die Leiterplatte (12) die Referenzsignale zuführbar sind.

Description

Titel:
SCHALTUNGSANORDNUNG FÜR RADARANWENDUNGEN
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Radaranwendungen, insbesondere Kraftfahrzeug-Radaranwendungen. Weiter betrifft die Erfindung einen Radarsensor mit einer derartigen Schaltungsanordnung sowie ein Kraftfahrzeug-Radarsystem mit einer Schaltungsanordnung dieser Art.
STAND DER TECHNIK
Radarsensoren werden zur Abstands- und/oder Geschwindigkeitsmessung von Objekten verwendet. Insbesondere sind Radarsysteme bekannt, bei denen Geschwindigkeiten und Distanzen mehrerer Objekte simultan erfasst werden. Es sind beispielsweise Fahrgeschwindigkeitsregler für Kraftfahrzeuge mit einem Radarsystem zur Ortung eines vorausfahrenden Fahrzeuges und zur Messung des Abstandes zu diesem bekannt. Ein solches Abstandsregelsystem wird auch als ACC-System (Adaptive Cruise Control) bezeichnet.
Es sind Radarsensoren bekannt, die auf HF-Substraten Verteilernetzwerke zu Antennenelementen bilden.
DE 10 2007 051 875 A1 beschreibt eine HF-Baugruppe mit einer Leiterplatteneinrichtung mit einem Träger, auf dem HF-Chips von HF-Chipmodulen angebracht sind. Es können mehrere Antenneneinrichtungen zentral auf der Vorderseite jedes HF-Chips angeordnet sein. An den beiden Schmalseiten der Vorderseite des HF-Chips befinden sich jeweils in zwei Reihen Kontaktflächen, mit denen der HF-Chip mit Kontakten des Substrates des HF-Chipmoduls leitend verbunden ist. Die Montage erfolgt durch Flip- Chip-Technik. Die Substrate der Chip-Module sind wiederum an Anschlussbereichen mit der Leiterplatteneinrichtung verbunden. Zur Vereinfachung des Aufbaus von HF-Schaltungen für Radaranwendungen werden für die Sende- und Empfangsschaltungen zunehmend integrierte Mikrowellenschaltungen des MMIC-Typs verwendet (Microwave Monolithic Integrated Circuit).
Es sind Wafer-Baugruppen bekannt, bei denen die Baugruppe mit einer Umverdrah- tungsschicht für ein IC-Bauelement auf Wafer-Ebene hergestellt wird. Eine solche Wa- fer-Baugruppe wird auch als eingebettetes Gitter-Array auf Waferebene (eWLB, em- bedded Wafer Level Ball Grid Array) bezeichnet.
DE 10 2010 001 407 A1 beschreibt ein Halbleitermodul, bei dem auf Wafer-Ebene Antennen integriert sind. Das Halbleitermodul umfasst eine erste Gehäusemoldmassen- schicht und ein IC-Bauelement mit einem integrierten Schaltkreis, das in die erste Ge- häusemoldmassenschicht eingebettet ist. Eine Zwischenschicht umfasst eine Um- verdrahtungsschicht, welche an dem IC-Bauelement angeschlossen ist und dazu dient, das IC-Bauelement extern anzuschließen. Eine integrierte Antennenstruktur ist innerhalb der Zwischenschicht angeordnet und ist an dem IC-Bauelement angeschlossen. Ein derartiges Halbleitermodul kann mit für den Hochfrequenzbereich von beispielsweise 77 GHz geeigneter Präzision konfektioniert werden.
Ein solches eWLB-Halbleitermodul mit im Gehäuse integrierten Antennen wird auch als Antenna in Package (AiP) bezeichnet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG Bei einem eWLB-Halbleitermodul mit integrierter Schaltung und integrierten Antennen darf aus Gründen der Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit die räumliche Ausdehnung des Halbleitermoduls mit integrierter Schaltung und Antennen nicht beliebig groß werden. Es können daher nur eines oder wenige Antennenelemente im eWLB- Halbleitermodul untergebracht werden. Zum Aufbau von Kraftfahrzeug-Radarsensoren mit hoher Reichweite werden Aperturen der Antennenstrukturen benötigt, die aufgrund der Beschränktheit der Größe eines eWLB-Halbleitermoduls nicht innerhalb eines solchen Halbleitermoduls realisiert werden können. Aufgabe der Erfindung ist es, eine neuartige Schaltungsanordnung für Radaranwendungen zu schaffen, die einen Aufbau eines Radarsensors mit größerer Apertur ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung für Radaran- Wendungen, mit einer Leiterplatte und darauf angebrachten Halbleitermodulen gelöst, bei der die Halbleitermodule jeweils eine integrierte Schaltung, eine Umverdrahtungss- chicht zum Verbinden der integrierten Schaltung mit der Leiterplatte und wenigstens ein in dem Halbleitermodul integriertes, mit der integrierten Schaltung verbundenes Antennenelement zum Senden und /oder Empfangen von Radarsignalen aufweisen, wobei die integrierte Schaltung wenigstens einen HF-Oszillator und einen mit diesem verbundenen Frequenzteiler umfasst, wobei die Schaltungsanordnung Phasenregelkreise zur Steuerung der HF-Oszillatoren umfasst, wobei die Phasenregelkreise jeweils den Frequenzteiler und einen Phasendetektor zum Vergleichen eines frequenzgeteilten Signals des HF-Oszillators mit einem Referenzsignal aufweisen, und wobei den Phasenregelkreisen über die Leiterplatte die Referenzsignale zuführbar sind.
Indem die HF-Oszillatoren der Halbleitermodule über Phasenregelkreise gesteuert werden, deren Frequenzteiler jeweils in der integrierten Schaltung des Halbleitermoduls ausgebildet ist, wird es ermöglicht, die HF-Oszillatoren der Halbleitermodule über Referenzsignale niedrigerer Frequenz zu koppeln, insbesondere zu synchronisieren, ohne dass dafür ein HF-Signal auf der Leiterplatte geführt werden muss. Die Leiterplatte kann somit ohne HF-Substrat ausgeführt sein. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau der Schaltungsanordnung beträchtlich und ist wesentlich kostengünstiger herzustellen. Außerdem ergibt sich durch die Integration der Antennenelemente in die Halbleitermodule ein besonders effizienter und zuverlässiger Aufbau. Vorteilhaft ist insbesondere, dass mehrere Halbleitermodule mit eWLB-Gehäusen mit integrierter Antenne gekoppelt werden können, wobei alle Hochfrequenz führenden Komponenten in den jeweiligen Halbleitermodulen integriert sein können.
Die HF-Oszillatoren sind insbesondere Oszillatoren zur Erzeugung von Frequenzen im Bereich von Mikrowellen, also Dezimeter-, Zentimeter-, und/oder Millimeterwellen. Beispielsweise sind die Phasenregelkreise, und somit die HF-Oszillatoren, über die ihnen über die Leiterplatte zuführbaren Referenzsignale koppelbar. Mit mehreren gekoppelten HF-Oszillatoren mit jeweiligen Antennenelementen können Aperturen realisiert werden, die die Ausdehnung eines Halbleitermoduls übersteigen. Es können beispielsweise gekoppelte Referenzsignale für die Phasenregelkreise vorgesehen sein, insbesondere auf einem gemeinsamen Referenzsignal basierende Referenzsignale. Das gemeinsame Referenzsignal hat vorzugsweise eine Frequenz unterhalb von 1 MHz, besonders bevorzugt unterhalb von 100 kHz.
Vorzugsweise sind die Phasenregelkreise über ein ihnen über die Leiterplatte zuführbares gemeinsames Referenzsignal koppelbar. Die Referenzsignale der Phasenregelkreise werden somit jeweils durch das gemeinsame Referenzsignal gebildet.
Bevorzugt weisen die Halbleitermodule jeweils eine Wafereinheit und eine Schnittstellenschicht auf, wobei die Wafereinheit einen Halbleiterchip, der die integrierte Schaltung bildet, und eine Gehäuseschicht aufweist, in die der Halbleiterchip eingebettet ist, und wobei die Schnittstellenschicht die Umverdrahtungsschicht aufweist, die die integrierte Schaltung an mit der Leiterplatte verbundene Anschlüsse der Schnittstellenschicht anschließt. Insbesondere ist das Halbleitermodul bevorzugt ein eWLB- Package.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Antennenelement in der Schnittstellenschicht angeordnet. Beispielsweise kann das Antennenelement in einem Verfahrensschritt gemeinsam mit der Umverdrahtungsschicht hergestellt werden. Das wenigstens eine Antennenelement ist beispielsweise in der Umverdrahtungsschicht angeordnet.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Antennenelement seitlich gegenüber dem Halbleiterchip versetzt. Beispielsweise ist das wenigstens eine Antennenelement seitlich gegenüber dem Halbleiterchip versetzt in einem Bereich außerhalb des Halbleiterchips in der Schnittstellenschicht angeordnet. Die Wafereinheit und die Schnittstellenschicht verlaufen beispielsweise parallel, wobei sich die Schnittstellenschicht über einen Bereich des Halbleiterchips und über einen Bereich außerhalb des Halbleiterchips erstreckt. In einem Ausführungsbeispiel weist die Schaltungsanordnung einen auf der Leiterplatte angeordneten Oszillator zur Erzeugung eines Referenzsignals, insbesondere eines gemeinsamen Referenzsignals auf. Vorzugsweise ist das Referenzsignal den Phasenregelkreisen über die Leiterplatte zuführbar. Der Oszillator ist vorzugsweise ein Quarz- Oszillator. Beispielsweise ist der Oszillator eine einen Schwingquarz umfassende Oszillatorschaltung. Dadurch kann eine hohe Konstanz des Referenzsignals ermöglicht werden.
In einem Ausführungsbeispiel sind mehrere der Halbleitermodule in einer regelmäßigen Anordnung in einer Reihe auf der Leiterplatte angeordnet. Somit kann eine örtlich verteile Positionierung der in den Halbleitermodulen integrierten Antennenelemente erreicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Schaltungsanordnung eines Radarsensors mit monostatischem Antennenkonzept;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleitermoduls der
Schaltungsanordnung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Radarsensors eines Kraftfahrzeug-Radarsystems mit in Reihe angeordneten Antennenelementen und einer dielektrischen Linse;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Matrixanordnung von Antennenelementen; und
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Schaltungsanordnung mit bistatischem Antennenkonzept. BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Fig. 1 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung mit mehreren Halbleitermodulen 10, von denen eines im Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist. Die Halbleitermodule 10 sind beispielsweise in einer Reihe auf einer Leiterplatte 12 angebracht. In Fig. 1 sind exemplarisch zwei der Halbleitermodule 10 dargestellt.
Jedes der Halbleitermodule 10 umfasst ein integriertes Antennenelement 14 und eine integrierte Schaltung 16 in Form eines Halbleiterchips. Bei dem Antennenelement handelt es sich z.B. um ein Patchelement, welches in dem gezeigten Beispiel zum Senden und Empfangen eines Radarsignals dient. Die integrierte Schaltung 16 umfasst den HF-Teil einer Sende- und Empfangsschaltung und ist mit dem Antennenelement 14 verbunden.
Insbesondere enthält die integrierte Schaltung 16 einen HF-Oszillator 18 zur Erzeugung eines Radarsignals zur Abstrahlung durch das Antennenelement 14. Weiter umfasst die integrierte Schaltung 16 in an sich bekannter Weise einen Mischer 20 zum Mischen des empfangenen Radarsignals mit dem gesendeten Signal. Das Antennenelement 14 ist beispielsweise über einen Koppler 21 in Form eines Rat-Race-Rings mit dem Oszillator 18 und dem Mischer 20 verbunden, um die Sende- und Empfangssignale zu trennen. Das gemischte HF-Signal wird beispielsweise gefiltert und einem A/D- Wandler 22 zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Bei der integrierten Schaltung 16 handelt es sich um einen sogenannten MMIC-Chip (Monolithic Microwave Integrated Circuit).
Die Frequenz und Phasenlage des steuerbaren HF-Oszillators 18 wird über einen Phasenregelkreis 24 geregelt, der einen Frequenzteiler 26, einen Phasendiskriminator oder Phasendetektor 28 und einen Schleifen- oder Regelfilter 30 umfasst. Beispiels- weise ist der HF-Oszillator 18 ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO, Voltage Contra II ed Oscillator). Über eine Leiterstruktur 32 auf der Leiterplatte 12 wird den Phasendetektoren 28 der jeweiligen Phasenregelkreise ein gemeinsames Referenzsignal von einem Oszillator 34 zugeführt. Bei dem Oszillator 34 handelt es sich um einen Quarzoszillator, der einen Schwingquarz umfasst. Durch das gemeinsame Referenzsignal werden die Phasenregelkreise 24 miteinander gekoppelt. Im beschriebenen Beispiel werden sie insbesondere synchronisiert, so dass die HF-Oszillatoren 18 synchron oszillieren. Der jeweilige Phasendetektor 28 vergleicht das vom Frequenzteiler 26 heruntergeteilte Signal des HF-Oszillators mit dem über die Leiterstruktur 32 zugeführten Referenzsignal. Der Regelfilter 30 setzt das Ausgangssignal des Phasendetektors 28 in ein Steuersignal für den steuerbaren HF-Oszillator 18 um.
Die integrierte Schaltung 16 umfasst, optional mit Ausnahme des Rat-Race-Rings des Kopplers 21 , alle dem jeweiligen Antennenelement 14 zugeordneten HF-führenden Bauteile. Insbesondere umfasst die integrierte Schaltung 16 neben dem HF-Oszillator 18 auch den Frequenzteiler 26 sowie den Mischer 20. Wie im folgenden beschrieben, sind die jeweiligen Antennenelemente 14 und Koppler 21 in den Halbleitermodulen 10 integriert. Somit können alle hochfrequenzverarbeitenden Schaltungsteile der Schaltungsanordnung einschließlich den hochfrequenzverarbeitenden Schaltungsteilen der Phasenregelkreise in den Halbleitermodulen 10 integriert sein. Bei der Leiterplatte 12 kann es sich daher um eine gewöhnliche Leiterplatte ohne ein HF-Substrat handeln. Dies wird ermöglicht, da zum einen zur Kopplung der Phasenregelkreise lediglich ein niederfrequentes Signal benötigt wird, und da zum anderen in den jeweiligen Halbleitermodulen sowohl die Antennenelemente als auch die HF-führenden Schaltungsteile einschließlich des Frequenzteilers 26 integriert sind. Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines der Halbleitermodule 10.
Bei dem Halbleitermodul 10 handelt es sich um ein sogenanntes eWLB-Package, bei dem eine Wafereinheit den die integrierte Schaltung 16 bildenden Halbleiterchip und eine Gehäusemoldmassenschicht umfasst, welche eine Gehäuseschicht 38 bildet, in die der Halbleiterchip eingebettet ist. Diese während der Herstellung zusammengesetz- te Wafereinheit 36 wird auch als Reconstituted Wafer bezeichnet. Sie ist mit einer Schnittstellenschicht 40 versehen, die eine Umverdrahtungsschicht 42 und Anschlüsse 44 in Form von 3D-Verbindungsstrukturen, insbesondere Lotkugeln, aufweist. Die Umverdrahtungsschicht hat auf einer ersten Seite Kontaktstellen, die Kontaktstellen der Wafereinheit 36 kontaktieren. Auf einer zweiten Seite ist die Umverdrahtungsschicht mit den Anschlüssen 44 zur externen Kontaktierung verbunden. Auf diese Weise ist die integrierte Schaltung 16 an die mit der Leiterplatte 12 verbundenen Anschlüsse 44 der Schnittstellenschicht 40 angeschlossen. Fig. 2 zeigt exemplarisch vier Anschlüsse 44, die an Leiterbahnen auf der Leiterplatte 12 angeschlossen sind. Das Halbleitermodul 10 kann mittels Standardprozessen, insbesondere Oberflächenmontage-Prozessen auf die Leiterplatte 12 aufgebracht werden.
In die Schnittstellenschicht 40 ist außerdem das Antennenelement 14 integriert und über den ebenfalls in der Schnittstellenschicht integrierten Koppler 21 mit der integrierten Schaltung 16 verbunden. Insbesondere sind das Antennenelement 14 und der Koppler 21 als Teil der Umverdrahtungsschicht 42 in die Schnittstellenschicht integriert. Der Koppler 21 kann aber abweichend von der Darstellung in Fig. 1 auch in dem Halbleiterchip der integrierten Schaltung 16 integriert sein, und die integrierte Schaltung 16 kann den Koppler 21 umfassen.
Das Antennenelement 14 ist seitlich gegenüber dem Halbleiterchip versetzt und liegt somit im Bereich neben der Gehäuseschicht 38, außerhalb eines dem Halbleiterchip benachbarten Bereichs der Schnitttstellenschicht 40. In Fig. 2 ist gestrichelt eine Hauptabstrahlrichtung des Antennenelements 14 senkrecht zur Wafereinheit 36 dargestellt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist die Leiterplatte 12 mit einem Reflektor 46 in Form eines leitfähigen Bereichs versehen. Das Antennenelement 14 ist über den Koppler 21 über Kontaktstellen an der ersten Seite der Umverdrahtungsschicht 42 an den Halbleiterchip angeschlossen. Durch die Integration des Antennenelements 14 in das auf Waferebene gefertigte Halbleitermodul mit Antenne im Gehäuse (Antenna in Package, AiP) ist eine präzise Anbindung des Antennenelements möglich, so dass eine besonders effiziente Herstellung ermöglicht wird. Insbesondere entfällt gegenüber herkömmlichen Antennenpatches, die extern an eine HF-Schaltung anzuschließen sind, die Notwendigkeit für ein HF-Substrat auf der Leiterplatte. Dennoch kann durch die beschriebenen gekoppelten Phasenregelkreise der HF-Oszillatoren 18 eine definierte Phasenbeziehung der von den Antennenelementen 14 abgestrahlten Radarsignale erreicht werden.
Durch diese Schaltungsanordnung kann ein Radarfrontend eines Radarsensors ohne HF-Substrat realisiert werden, da sich nur der niederfrequente Teil des Phasenregel- kreises nebst den übrigen Schaltungselementen auf der Leiterplatte 12 befindet, während die hochfrequenten Schaltungsteile in den Halbleitermodulen 10 integriert sind.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Radarsensor mit einer Anordnung einer Reihe von Antennenelementen 14 der Schaltungsanordnung aus Fig. 1. Die Antennenelemente 14 sind vor einer Strahlformungseinrichtung 48 in Form einer dielektrischen Zylinderlinse mit kreissegmentförmigem Querschnitt angeordnet. Die Antennenelemente 14 sind nebeneinander in Querrichtung (Y-Richtung) angeordnet und haben eine Hauptabstrahlrichtung in Richtung auf die Linse (X-Richtung). Durch die Linse erfolgt eine Bündelung oder Fokussierung des Radarsignals in vertikaler Richtung (Z-Richtung), d.h. betreffend die Elevation.
Die Strahlformungseinrichtung kann in an sich bekannter Weise weitere dielektrische Elemente oder Linsen enthalten, beispielsweise zur azimutalen Fokussierung des Radarsignals in Y-Richtung.
Fig. 4 zeigt eine Variante, bei der die Halbleitermodule, und somit die Antennenelemente 14, eine Matrixanordnung auf der Leiterplatte 12 bilden. Die Antennenelemente 14 sind in regelmäßigen Abständen in Reihen und Spalten in Y-Richtung und Z- Richtung angeordnet.
Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 3 und 4 können durch die oben beschriebene Schaltungsanordnung die Phasenlage der Antennenelemente 14 zueinander synchro- nisiert werden, so dass in an sich bekannter Weise beispielsweise aus der Phasenlage der empfangenen Signale Rückschlüsse auf die Richtung eines das Radarsignal reflektierenden Objektes gezogen werden können.
Während Fig. 1 eine monostatische Schaltungsanordnung zeigt, bei der die Antennenelemente 14 jeweils als Sendeantenne und als Empfangsantenne wirken, zeigt Fig. 5 ein Beispiel einer bistatischen Schaltungsanordnung, bei der getrennte Halbleitermodule 50 mit Sende-Antennenelementen 14 und Halbleitermodule 60 mit Empfangs- Antennenelementen 14 vorgesehen sind, jeweils ohne Koppler 21. Im übrigen entspricht die Schaltungsanordnung der anhand von Fig. 1 beschriebenen Schaltungsanordnung, und die Halbleitermodule 50, 60 sind analog zu den Schaltungsmodulen 10 aufgebaut. Dabei ist beispielsweise der Mischer 20 lediglich im Empfangs- Halbleitermodul 60 vorgesehen. Beispielsweise sind mehrere Sende-Halbleitermodule 50 in einer Reihe angeordnet, und mehrere Empfangs-Halbleitermodule 60 sind parallel dazu in einer Reihe angeordnet. Wiederum sind alle hochfrequenzführenden Bautei- le zusammen mit den Antennenelementen 14 in den Halbleitermodulen 50, 60 integriert. Dabei umfassen die Sende-Halbleitermodule 50 jeweils ein Antennenelement 14 und eine integrierte Schaltung 56 in Form eines Halbleiterchips, welche den HF- Oszillator 18 und den Frequenzteiler 26 umfasst. Die Empfangs-Halbleitermodule 60 umfassen jeweils ein Antennenelement 14 und eine integrierte Schaltung 66 in Form eines Halbleiterchips, welche den HF-Oszillator 18, den Frequenzteiler 26 und den Mischer 20 umfasst.
Der Radarsensor mit einer der oben beschriebenen Schaltungsanordnungen ist beispielsweise Bestandteil eines Kraftfahrzeug-Radarsystems, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Radarsystems zur Fahrerassistenz.
In den beschriebenen Beispielen wird ein gemeinsames Referenzsignal über die Leiterstruktur 32 den Phasenregelkreisen 24 zugeführt, welches direkt zur Ansteuerung des Frequenzteilers 28 verwendet wird, um die HF-Oszillatoren 18 miteinander zu synchronisieren. Abweichend davon sind auch andere Formen der Koppelung der HF- Oszillatoren durch über die Leiterplatte 12 zugeführte Referenzsignale denkbar. Eine Koppelung, insbesondere eine definierte Phasenbeziehung zwischen den HF- Oszillatoren 18 bei gleichen oder unterschiedlichen Oszillationsfrequenzen, kann beispielsweise bewirkt werden, indem das gemeinsame Referenzsignal über einen Frequenzteiler und/oder einen Mischer dem Phasendetektor 28 zugeführt wird. Auf diese Weise können mit einem Frequenzoffset versehene Referenzsignale den einzelnen Phasenregelkreisen zugeführt werden. Die Referenzsignale basieren dabei auf dem gemeinsamen Referenzsignal. Auch ist es denkbar, mehrere gekoppelte Oszillatoren 34 zur Versorgung der jeweiligen Phasenregelkreise über entsprechende Leiterstrukturen 32 vorzusehen.
In den beschriebenen Beispielen sind die Antennenelemente Patchelemente. Es kön- nen aber auch Antennenelemente in Form von elektrischen Dipolen, beispielsweise gedruckten Dipolen ("printed dipoles"), oder magnetischen Dipolen vorgesehen sein.

Claims

- PATENTANSPRÜCHE
1. Schaltungsanordnung für Radaranwendungen, mit einer Leiterplatte (12) und darauf angebrachten Halbleitermodulen (10), wobei die Halbleitermodule (10) jeweils eine integrierte Schaltung (16), eine Umverdrahtungsschicht (42) zum Verbinden der integrierten Schaltung (16) mit der Leiterplatte (12) und wenigstens ein im Halbleitermodul (10) integriertes, mit der integrierten Schaltung (16) verbundenes Antennenelement (14) zum Senden und/oder Empfangen von Radarsignalen aufweisen, wobei die integrierte Schaltung (16) wenigstens einen HF-Oszillator (18) und einen mit diesem verbundenen Frequenzteiler (26) umfasst, wobei die Schaltungsanordnung Phasenregelkreise (24) zur Steuerung der HF- Oszillatoren (18) umfasst, wobei die Phasenregelkreise (24) jeweils den Frequenzteiler (26) und einen Phasendetektor (28) zum Vergleichen eines frequenzgeteilten Signals des HF-Oszillators (18) mit einem Referenzsignal aufweisen, und wobei den Phasenregelkreisen (24) über die Leiterplatte (12) die Referenzsignale zuführbar sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , bei der die Halbleitermodule (10) jeweils eine Wafereinheit (36) und eine Schnittstellenschicht (40) aufweisen, wobei die Wafereinheit (36) einen Halbleiterchip, der die integrierte Schaltung (16) bildet, und eine Gehäuseschicht (38) aufweist, in die der Halbleiterchip eingebettet ist, und wobei die Schnittstellenschicht (40) die Umverdrahtungsschicht (42) aufweist, die die integrierte Schaltung (16) an mit der Leiterplatte (12) verbundene Anschlüsse (44) der Schnittstellenschicht (40) anschließt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei das wenigstens eine Antennen- element (14) in der Schnittstellenschicht (40) angeordnet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schaltungsanordnung einen auf der Leiterplatte (12) angeordneten Oszillator (34) zur Erzeugung eines Referenzsignals aufweist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei der das Referenzsignal ein ge- meinsames Referenzsignal für die Phasenregelkreise ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere der Halbleitermodule (10) in einer regelmäßigen Anordnung in einer Reihe auf der Leiterplatte (12) angeordnet sind.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei vor den Halbleitermodulen (10) eine Strahlformungseinrichtung (48) angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Halbleitermodule (10) eine Matrixanordnung auf der Leiterplatte (12) bilden.
9. Radarsensor mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Kraftfahrzeug-Radarsystem mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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