WO2021099122A1 - Radarchip mit einer hohlleitereinkopplung - Google Patents

Radarchip mit einer hohlleitereinkopplung Download PDF

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Roland Baur
Steffen WÄLDE
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Vega Grieshaber Kg
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    • H01Q13/02—Waveguide horns

Definitions

  • the invention relates to radar measurement technology.
  • the invention relates to a radar chip with a waveguide coupling, the use of such a radar chip in a radar measuring device, and a method for producing such a radar chip.
  • Radar measuring devices can be used in automation technology in an industrial environment. For example, they are designed in the form of radar level measuring devices, which are very often equipped with horn antennas that are fed via waveguides. Especially in the frequency range between 40 and 300 GHz, the mechanical dimensions of the waveguide components are in a range that they can be easily integrated into the radar device.
  • the coupling of the radar signals generated by the high-frequency circuit of the measuring device into the horn antenna can take place via a so-called stripline, which is also called a microstrip line, which protrudes into a waveguide of the horn antenna.
  • the high-frequency circuit which can be designed as a radar chip, from mechanical stress, it can be cast in a potting compound.
  • a first aspect of the present disclosure relates to a radar chip with a waveguide coupling, set up for coupling a radar signal of the radar chip into an antenna or a waveguide of a radar measuring device and / or for coupling out a radar signal from the antenna or the waveguide.
  • This waveguide can in particular be a part of the antenna that introduces the coupled radar signal into the antenna horn.
  • the waveguide coupling has a high-frequency substrate, for example in the form of a circuit board, with a line, a radiator element and a substrate-integrated waveguide arranged therebetween and connected to it, which is integrated in the substrate.
  • the radiator element can be, for example, a flat exciter patch, or else an exciter pin or a single or double fin.
  • This arrangement is set up for transmitting the radar signal from the radar chip to an antenna or a waveguide of the radar measuring device, as well as for coupling the radar signal into the antenna or the waveguide of the radar measuring device.
  • the radar signals reflected on the medium to be measured can also be transmitted from the antenna to the radar chip via this arrangement.
  • the substrate-integrated waveguide can be viewed as a filled waveguide. According to one embodiment, it has a flat top side and a flat bottom side, between which there is substrate material and which are electrically conductively connected to one another by means of plated-through holes or vias that form the “side walls” of the “waveguide”.
  • the line, the radiator element and the upper side of the substrate-integrated waveguide arranged therebetween are arranged in the same plane of the high-frequency substrate.
  • This plane can be an outer plane, but it can also be a plane inside the high-frequency substrate.
  • the line and an upper side of the substrate-integrated waveguide are arranged in the same plane of the high-frequency substrate, the radiator element and an underside of the substrate-integrated waveguide being arranged in a different plane.
  • the feed or line and the upper side of the substrate-integrated waveguide arranged therebetween are arranged on the surface of the high-frequency substrate.
  • the line is connected to or connected to an initial region of the upper side of the waveguide.
  • This starting area is, for example, the “front edge” of the top.
  • the radiator element is correspondingly connected to or connected to an end region (the rear edge) of the top side of the substrate-integrated waveguide.
  • the substrate-integrated waveguide of the waveguide coupling has a width which is many times greater than the widths of the line and the radiator element.
  • the width runs parallel to the surface of the substrate and perpendicular to the direction of propagation of the radar signal.
  • the width is not necessarily the width of the conductor track.
  • the edge and thus the width of the substrate-integrated waveguide is defined by the vias.
  • the upper side of the substrate-integrated waveguide can, however, extend over a large area and be connected to ground (circuit ground) from the “direct current point of view”. This in turn offers advantages in terms of Ex approval. This is because no voltage can build up on the unforgotten microstrip line that feeds the waveguide, since it is short-circuited from a direct current point of view via the waveguide integrated into the substrate. This in turn means that a potentially flammable atmosphere cannot ignite via this line.
  • the width of the line is less than the width of the radiator element.
  • the radar chip with the waveguide coupling has a potting compound in which the radar chip, the line and a portion of the top of the substrate-integrated waveguide are embedded, set up to protect the radar chip from mechanical loads.
  • This potting compound can be, for example, a relatively hard potting compound, for example a two-component resin, for example GlobTop.
  • This potting compound also embeds the bond wires or soldered connections.
  • a further potting compound can also be provided, which is applied to the first potting compound after the first potting compound and, for example, completely embeds it.
  • This can be a softer potting compound, for example a gelatinous one. This should in particular provide explosion protection for the entire arrangement.
  • the line has a first matching structure in the area of the connection to the substrate-integrated waveguide.
  • the radiator element or its connection line can have a second matching structure in the area of its connection to the substrate-integrated waveguide.
  • the substrate-integrated waveguide has vias from its upper side to its lower side.
  • the radar measuring device has an antenna or a waveguide which rests on the upper side of the substrate-integrated waveguide so that a potting compound can flow into the interior of the antenna or the waveguide.
  • Another aspect relates to a method for producing a radar chip with a waveguide coupling described above and below, in which a radar chip with a waveguide coupling is first provided, which is set up to couple a radar signal from the radar chip into an antenna or a waveguide, followed by potting of the radar chip, the line and a portion of the top of the substrate-integrated waveguide with a first potting compound to protect the radar chip from mechanical loads.
  • the radar chip is potted with a further potting compound, which is applied to the first potting compound.
  • the flat structure of the upper metal layer of the substrate-integrated waveguide makes it possible to to realize a seal between the potting compound and the waveguide, since penetration of the second potting compound into the waveguide would result in the latter no longer fulfilling its task.
  • the second encapsulation can provide efficient explosion protection.
  • Fig. 1 shows a waveguide coupling according to an embodiment.
  • FIG. 2 shows the waveguide coupling of FIG. 1 without a circular waveguide.
  • FIG 3 shows the side view of a radar measuring device with a waveguide coupling.
  • FIG. 4 shows a side sectional view of a radar measuring device with a waveguide coupling according to one embodiment.
  • FIG. 5 shows the top view of the waveguide coupling shown in FIG. 3.
  • FIG. 6 shows a plan view of the waveguide coupling shown in FIG. 4.
  • FIG. 7 shows a flow diagram of a method according to an embodiment.
  • Radar level gauges are very often equipped with horn antennas that are fed via waveguides. Especially in the frequency range between 40 and 300 GHz, the mechanical dimensions of the waveguide components are in a range that they can be easily integrated into the radar device.
  • a high-frequency measurement signal is used in the electronics unit for radar-based level measurement of a radar module 300 is generated on a radar chip 301.
  • the unhoused radar chip sits on a special printed circuit board substrate 302 that has good high-frequency properties, such as low signal attenuation. It is glued on there, for example, and is contacted with bond connections 303.
  • the high-frequency radar signal is then fed to a stripline 304 (microstrip line) via the bond connection 303.
  • the chip can also be soldered onto the substrate.
  • the radar signal is then routed to a stripline 304 (microstrip line) via a soldered connection.
  • the microstrip line in turn leads directly into a waveguide 305 which is perpendicular to the high-frequency substrate.
  • the waveguide has a small gate 306 through which the microstrip line is passed.
  • the waveguide is connected to the antenna 307.
  • the radar signal can be sent and received via this arrangement.
  • a resonator 308 integrated in the substrate can be used to increase the bandwidth of the transition between the microstrip line and the waveguide.
  • the resin is applied to the chip and the substrate in liquid form. The resin flows over the microstrip line to an undefined point.
  • a disadvantage is that the GlobTop 309 only covers the microstrip line up to an undefined area. Since the GlobTop 309 differs from air in its dielectric properties, the microstrip line has a different impedance in the area in which it is covered by the GlobTop material than in the area in which the line is surrounded by air. Furthermore, under certain conditions, radar devices can receive approval for use in potentially explosive areas. A prerequisite for this can be that the entire electronics unit is encapsulated under a potting compound 401 so that no ignitable mixture can accumulate in the electronics. In order to be able to encapsulate such an electronic unit, it must be sealed from the outside. However, this can present a problem with the high frequency signal. The waveguide shouldn't fill with potting compound, otherwise its high-frequency properties can be impaired. However, since the microstrip line leads through a gate into the waveguide, this would inevitably happen with the structure described above.
  • FIG. 1 A solution to this problem is shown in FIG.
  • the electromagnetic wave propagates between the conductor track located at the top and the ground layer in the dielectric of the PCB. This wave is transferred into a filled waveguide consisting of the PCB material 302, the two copper layers 102a 102b and vias 101, which in the context of this description is also referred to as a substrate-integrated waveguide.
  • the term copper layer is to be interpreted broadly.
  • the substrate-integrated waveguide 102a, 102b, 101 leads directly into the waveguide 305 of the antenna and the high-frequency signal is coupled in there.
  • Adaptation structures in the form of tapers 104 which, from a high-frequency technical point of view, create a transition between the respective line structures with less attenuation and reflection have proven advantageous.
  • the electromagnetic wave is fed into the waveguide of the antenna via a correspondingly matched exciter patch 201, which lies on the same level as the upper metal layer of the substrate-integrated waveguide and, like this surface, is also at ground potential, or another type of radiator element .
  • the resonator pot (resonator element) 308 represents a possibility of transferring (coupling in) the high-frequency signal, which is carried on a printed circuit board, over a broadband into the waveguide and vice versa. Without the resonator element, the signal could only be transmitted in a narrow band.
  • the resonant element generates an additional resonance in the transmission behavior of the conductivity type on the circuit board and the waveguide.
  • the first resonance (the energy is transferred very well into the waveguide at resonance points) forms the radiator element. Its geometric dimensions are coordinated in such a way that it (precisely) generates a resonance in the desired frequency range.
  • the second resonance (that of the resonator pot) can be significantly influenced by the pot depth.
  • the depth is in the range of a quarter wavelength in the substrate.
  • a double fin can be provided as a radiator element.
  • the glob top material 309 can now be led out to the smooth surface 102a of the waveguide 102a, 102b, 101, 302 integrated in the substrate. Due to its nature, the substrate-integrated waveguide is completely independent of things on its top and bottom, including the GlobTop material. It is therefore of little relevance at this point how far the GlobTop flows in its liquid form onto the substrate-integrated waveguide.
  • the impedance of the line can be adjusted to a defined impedance of, for example, 50 ohms.
  • the taper 104 is matched to the GlobTop material.
  • the metallic waveguide can now be designed in such a way that its outer wall 402 rests directly on the surface of the waveguide integrated in the substrate, see FIG. 4.
  • a sealing surface is no longer necessary because there is no longer an opening in the waveguide of the antenna and thus the potting compound described above does not flow into the waveguide, but at the same time the high-frequency signal can be coupled into the waveguide.
  • FIG. 2 shows the waveguide coupling of FIG. 1 without a circular waveguide.
  • the metallic top side 102a of the substrate-integrated waveguide opens into an annular structure, which is also connected to the lower copper layer 102b by means of vias.
  • the two layers 102a, 102b do not have to have any annular end regions. However, it is advantageous if they have at least one circular inner contour so that the radiator element 201 has sufficient space. It is advisable to adapt the inner contour of the two layer end regions to the inner contour of the waveguide 402 placed thereon, as shown in the figures (here the waveguide 402 is a round waveguide).
  • the inner contours can, however, also be oval or rectangular. In the latter case, one speaks of a rectangular waveguide.
  • Figures 5 and 6 each show the top view of corresponding radar modules.
  • Figure 5 shows the embodiment of Figure 3.
  • Figure 6 shows the case that the GlobTop Material 309 finds a defined termination through the substrate-integrated waveguide on the microstrip line.
  • Another aspect relates to the avoidance of undefined points of the impedance jump between the microstrip line surrounded by GlobTop and the air-covered microstrip line.
  • a tolerance-afflicted “gate” to the waveguide can be omitted, which means that there is less variation in performance in production.
  • the distance between the radar chip and the waveguide can also be reduced, as a result of which a more compact design is possible.
  • the copper layer on top which can be seen in FIG. 1, shows the stripline 103 on the left, onto which the radar chip 301 feeds. In the middle is the area with the substrate-integrated waveguide and the smooth copper surface.
  • the transparent contour 309 (see FIG. 6), which lies above the stripline for signal feed and half above the filled, substrate-integrated waveguide, represents the GlobTop material. On the right-hand side you can see the substrate-integrated waveguide that guides the signal into the antenna .
  • the bevels 104 at the transition from the stripline 103 to the ground plane 102a of the waveguide serve to improve the transition between the stripline and the waveguide and improve the adaptation and thus reduce the reflections.
  • the plated-through holes 101 form the two walls of the filled waveguide and connect the copper surfaces
  • the electromagnetic wave is excited in the waveguide via a patch 201, which is connected to the upper copper layer 102a at the end of the substrate-integrated waveguide.
  • the two copper surfaces 102a and 102b can be connected to the ground potential.
  • 7 shows a flow diagram of a method according to an embodiment.
  • a radar chip as described above with a waveguide coupling is provided.
  • the radar chip, its line and a partial area of the top of the substrate-integrated waveguide are encapsulated with a first potting compound to protect the radar chip from mechanical loads.
  • the radar chip is potted with a further potting compound, which is applied to the first potting compound, for explosion protection.

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Abstract

Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung, die ein Hochfrequenzsubstrat mit einer Leitung, einem Strahlerelement und einem dazwischen angeordneten substratintegrierten Wellenleiter aufweist, zum Ein- und Auskoppeln des Radarsignals in die Antenne oder den Hohlleiter des Radarmessgeräts.

Description

Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 102019 217 736.0, eingereicht am 18. November 2019, die in vollem Umfang durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft die Radarmesstechnik. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung, die Verwendung eines derartigen Radarchips in einem Radarmessgerät, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Radarchips.
Hintergrund
Radarmessgeräte können in der Automatisierungstechnik im industriellen Umfeld eingesetzt werden. Beispielsweise sind sie in Form von Radarfüllstandmessgeräten ausgeführt, die sehr häufig mit Hornantennen ausgestattet sind, welche über Hohlleiter gespeist werden. Vor allem im Frequenzbereich zwischen 40 und 300GHz sind die mechanischen Abmessungen der Hohlleiterkomponenten in einem Bereich, dass man sie gut im Radargerät integrieren kann.
Die Einkopplung der von der Hochfrequenzschaltung des Messgeräts erzeugten Radarsignale in die Hornantenne kann über eine sogenannte Stripline, die auch als Mikrostreifenleitung bezeichnet wird, erfolgen, die in einen Hohlleiterder Hornantenne hineinragt.
Um die Hochfrequenzschaltung, die als Radarchip ausgeführt sein kann, vor mechanischen Beanspruchungen zu schützen, kann diese in eine Vergussmasse eingegossen werden. Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung bereitzustellen, der durch Vergussmasse geschützt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung, eingerichtet zum Einkoppeln eines Radarsignals des Radarchips in eine Antenne oder einen Hohlleiter eines Radarmessgeräts und/oder zum Auskoppeln eines Radarsignals aus der Antenne bzw. dem Hohlleiter. Bei diesem Hohlleiter kann es sich insbesondere um einen Teil der Antenne handeln, der das eingekoppelte Radarsignal in das Antennenhorn einleitet.
Die Hohlleitereinkopplung weist ein Hochfrequenzsubstrat auf, beispielsweise in Form einer Platine, mit einer Leitung, einem Strahlerelement und einem dazwischen angeordneten und daran angeschlossenen substratintegrierten Wellenleiter, der in das Substrat integriert ist. Bei dem Strahlerelement kann es sich beispielsweise um ein flächiges Erregerpatch handeln, oder aber auch um einen Erregerstift oder eine Einzel- oder Doppelfinne. Diese Anordnung ist eingerichtet zum Übertragen des Radarsignals von dem Radarchip an eine Antenne oder einen Hohlleiter des Radarmessgeräts, sowie zum Einkoppeln des Radarsignals in die Antenne bzw. den Hohlleiter des Radarmessgeräts. Ebenso können die an dem zu messenden Medium reflektierten Radarsignale über diese Anordnung von der Antenne zum Radarchip übertragen werden.
Der substratintegrierte Wellenleiter kann als gefüllter Hohlleiter angesehen werden. Gemäß einer Ausführungsform weist er eine flächige Oberseite und eine flächige Unterseite auf, zwischen denen sich Substratmaterial befindet und welche mittels Durchkontaktierungen bzw. Vias, welche die „Seitenwände“ des „Hohlleiters“ ausbilden, elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Leitung, das Strahlerelement und die Oberseite des dazwischen angeordneten substratintegrierten Wellenleiters in derselben Ebene des Hochfrequenzsubstrats angeordnet. Bei dieser Ebene kann es sich um eine Außenebene handeln, aber auch um eine Ebene im Inneren des Hochfrequenzsubstrats. Gemäß einer Ausführungsform sind die Leitung und eine Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters in derselben Ebene des Hochfrequenzsubstrats angeordnet, wobei das Strahlerelement und eine Unterseite des substratintegrierten Wellenleiters in einer anderen Ebene angeordnet sind. Gemäß einer Ausführungsform sind die Zuführung bzw. Leitung und die Oberseite des dazwischen angeordneten substratintegrierten Wellenleiters auf der Oberfläche des Hochfrequenzsubstrats angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Leitung mit einem Anfangsbereich der Oberseite des Hohlleiters verbunden bzw. daran angeschlossen. Bei diesem Anfangsbereich handelt es sich beispielsweise um die „Vorderkante“ der Oberseite. Das Strahlerelement ist entsprechend mit einem Endbereich (der Hinterkante) der Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters verbunden bzw. daran angeschlossen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der substratintegrierte Wellenleiter der Hohlleitereinkopplung eine Breite auf, die um ein Vielfaches größer ist als die Breiten der Leitung und des Strahlerelements. Die Breite verläuft hierbei parallel zur Oberfläche des Substrats und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Radarsignals.
Generell lässt sich sagen, dass die Breite, wie in Fig 1 dargestellt, nicht zwangsweise die Breite der Leiterbahn ist. Der Rand und somit die Breite des substratintegrierten Wellenleiters wird durch die Vias definiert. Die Oberseite des substratintegierten Wellenleiters kann sich aber darüber hinaus großflächig ausdehnen und aus „Gleichstrom-Sicht“ mit Ground (Schaltungsmasse) verbunden sein. Das wiederum bietet Vorteile hinsichtlich der Ex- Zulassung. Denn somit kann sich auf der unvergessenen Mikrostreifenleitung, die den Hohlleiter speist, keine Spannung aufbauen, da diese über den substratintegrierten Wellenleiter aus Gleichstromsicht kurzgeschlossen ist. Das wiederum führt dazu, dass sich potentiell zündbare Atmosphäre über diese Leitung nicht entzünden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Breite der Leitung geringer als die Breite des Strahlerelements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Radarchip mit der Hohlleitereinkopplung eine Vergussmasse auf, in welcher der Radarchip, die Leitung und ein Teilbereich der Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters eingebettet ist, eingerichtet zum Schutz des Radarchips vor mechanischen Belastungen. Bei dieser Vergussmasse kann es sich beispielsweise um eine verhältnismäßig harte Vergussmasse handeln, beispielsweise ein Zweikomponentenharz, beispielsweise GlobTop.
Diese Vergussmasse bettet auch die Bonddrähte bzw. Lötverbindungen ein.
Es kann auch eine weitere Vergussmasse vorgesehen sein, welche nach der ersten Vergussmasse auf die erste Vergussmasse aufgebracht ist und diese beispielsweise vollständig einbettet. Hierbei kann es sich um eine weichere Vergussmasse handeln, beispielsweise eine gallertartige. Dieses soll insbesondere einen Explosionsschutz für die gesamte Anordnung bereitstellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Leitung eine erste An passstruktur im Bereich des Anschlusses an dem substratintegrierten Wellenleiter auf. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann das Strahlerelement bzw. seine Anschlussleitung eine zweite An passstruktur im Bereich ihres Anschlusses an den substratintegrierten Wellenleiter aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der substratintegrierte Wellenleiter Durchkontaktierungen von seiner Oberseite zu seiner Unterseite auf.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen Radarchips mit Hohlleitereinkopplung in einem Radarmessgerät, insbesondere in einem Radarfüllstandmessgerät. Beispielsweise weist das Radarmessgerät eine Antenne oder einen Hohlleiter auf, die bzw. der auf der Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters aufliegt, so dass eine Vergussmasse ins Innere der Antenne bzw. des Hohlleiters fließen kann.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines oben und im Folgenden beschriebenen Radarchips mit einer Hohlleitereinkopplung, bei dem zunächst ein Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung bereitgestellt wird, der eingerichtet ist zum Einkoppeln eines Radarsignals des Radarchips in eine Antenne oder einen Hohlleiter, gefolgt von einem Vergießen des Radarchips, der Leitung und eines Teilbereichs der Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters mit einer ersten Vergussmasse, zum Schutz des Radarchips vor mechanischen Belastungen.
In einem möglichen weiteren Verfahrensschritt wird der Radarchip mit einer weiteren Vergussmasse vergossen, welche auf die erste Vergussmasse aufgebracht wird. Durch die ebene Struktur der oberen Metallschicht des substratintegrierten Hohlleiters ist es möglich, eine Abdichtung zwischen der Vergussmasse und dem Hohlleiter zu realisieren, da ein Eindringen der zweiten Vergussmasse in den Hohlleiter dazu führen würde, dass dieser seine Aufgabe nicht mehr erfüllt.
Durch den zweiten Verguss kann neben dem mechanischen Schutz ein effizienter Explosionsschutz bereitgestellt werden.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen beschrieben. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugsziffern verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt eine Hohlleitereinkopplung gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 2 zeigt die Hohlleitereinkopplung der Fig. 1 ohne Rundhohlleiter.
Fig. 3 zeigt die Seitenansicht eines Radarmessgeräts mit einer Hohlleitereinkopplung.
Fig. 4 zeigt eine Seitenschnittansicht eines Radarmessgeräts mit einer Hohlleitereinkopplung gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf die in der Fig. 3 dargestellte Hohlleitereinkopplung.
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die in Fig. 4 dargestellte Hohlleitereinkopplung.
Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Radarfüllstandmessgeräte sind sehr häufig mit Hornantennen ausgestattet, die über Hohlleiter gespeist werden. Vor allem im Frequenzbereich zwischen 40 und 300GHz sind die mechanischen Abmessungen der Hohlleiterkomponenten in einem Bereich, dass man sie gut im Radargerät integrieren kann.
Fig. 3 zeigt die Seitenansicht eines Radarmessgeräts mit einer Hohlleitereinkopplung. Zur radarbasierten Füllstandmessung wird ein hochfrequentes Messsignal in der Elektronikeinheit eines Radarmoduls 300 auf einem Radarchip 301 erzeugt. Der ungehäuste Radarchip sitzt auf einem speziellen Leiterplattensubstrat 302, das gute Hochfrequenzeigenschaften, wie zum Beispiel eine geringe Signaldämpfung, aufweist. Dort ist er beispielsweise aufgeklebt und wird mit Bondverbindungen 303 kontaktiert. Das hochfrequente Radarsignal wird dann über die Bondverbindung 303 auf eine Stripline 304 (Mikrostreifenleitung) geführt. Alternativ hierzu kann der Chip auch auf das Substrat aufgelötet werden. Das Radarsignal wird dann über eine Lötverbindung auf eine Stripline 304 (Mikrostreifenleitung) geführt. Die Mikrostreifenleitung wiederum führt direkt in einen Hohlleiter 305, der senkrecht auf dem Hochfrequenzsubstrat steht. Der Hohlleiter weist ein kleines Tor 306 auf, durch das die Mikrostreifenleitung hindurchgeführt wird.
Der Hohlleiter ist mit der Antenne 307 verbunden. Das Radarsignal kann über diese Anordnung gesendet und empfangen werden. Zur Erhöhung der Bandbreite des Übergangs zwischen der Mikrostreifenleitung und dem Hohlleiter kann ein im Substrat integrierter Resonator 308 verwendet werden. Zum Schutz des Radarchips vor mechanischen Belastungen, Staub oder anderen Verunreinigungen wird dieser mitsamt den Bondverbindungen bzw. Lötverbindungen unter einem Epoxidharz 309 (GlobTop) vergossen. Das Harz wird dabei in flüssiger Form auf den Chip und das Substrat aufgebracht. Dabei fließt das Harz bis zu einem nichtdefinierten Punkt über die Mikrostreifenleitung.
Diese Anordnung weist jedoch einige Nachteile auf, die mit der im Folgenden beschriebenen Anordnung behoben werden.
Ein Nachteil ist, dass das GlobTop 309 die Mikrostreifenleitung nur bis zu einem Undefinierten Bereich abdeckt. Da sich das GlobTop 309 in den dielektrischen Eigenschaften von Luft unterscheidet, besitzt die Mikrostreifenleitung in dem Bereich, in dem sie vom GlobTop Material verdeckt wird, eine andere Impedanz als in dem Bereich, in dem die Leitung von Luft umgeben ist. Weiterhin können Radargeräte unter bestimmten Voraussetzungen eine Zulassung zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen erhalten. Eine Voraussetzung hierfür kann sein, dass die gesamte Elektronikeinheit unter einer Vergussmasse 401 vergossen wird, damit sich in der Elektronik kein zündfähiges Gemisch anreichern kann. Um solch eine Elektronikeinheit vergießen zu können, muss diese nach außen hin abgedichtet werden. Das kann jedoch ein Problem in Zusammenhang mit dem Hochfrequenzsignal darstellen. Der Hohlleiter sollte nicht mit Vergussmasse volllaufen, da sonst dessen Hochfrequenzeigenschaften verschlechtert werden können. Da die Mikrostreifenleitung jedoch durch ein Tor in den Hohlleiter hinein führt, würde das mit oben beschriebenen Aufbau zwangsläufig passieren.
Eine Lösung für dieses Problem ist in Fig. 1 dargestellt. Die elektromagnetische Welle breitet sich bei einer Stripline 103, im Kontext der vorliegenden Offenbarung auch als „Leitung“ bezeichnet, zwischen der oben liegenden Leiterbahn und dem Masse-Layer im Dielektrikum der PCB aus. Diese Welle wird in einen aus dem PCB-Material 302, den zwei Kupferlayern 102a 102b und Durchkontaktierungen 101 bestehenden gefüllten Hohlleiter überführt, der im Rahmen dieser Beschreibung auch als substratintegrierter Wellenleiter bezeichnet wird. Der Begriff Kupferlayer ist breit auszulegen.
Der substratintegrierte Wellenleiter 102a, 102b, 101 führt direkt in den Hohlleiter 305 der Antenne und das Hochfrequenzsignal wird dort eingekoppelt. Vorteilhaft erweisen sich dabei Anpassstrukturen in Form von Tapern 104, die aus hochfrequenztechnischer Sicht einen dämpfungs- und reflexionsärmeren Übergang zwischen den jeweiligen Leitungsstrukturen schaffen. Im Inneren des Hohlleiters 305 wird die elektromagnetische Welle über ein entsprechend abgestimmtes Erregerpatch 201 , welches auf der gleichen Ebene wie die obere Metallschicht des substratintegrierten Wellenleiters liegt und wie diese Fläche ebenfalls auf Massepotential liegt, oder eine andere Art von Strahlerelement in den Hohlleiter der Antenne eingespeist. Der Resonatortopf (Resonatorelement) 308 stellt eine Möglichkeit dar, das Hochfrequenzsignal, das auf einer Leiterplatte geführt wird, breitbandig in den Hohlleiter zu überführen (einzukoppeln) und umgekehrt. Ohne das Resonatorelement könnte das Signal nur schmalbandig übertragen werden. Das Resonantelement erzeugt eine zusätzliche Resonanz im Übertragungsverhalten des Leitungstyps auf der Leiterplatte und dem Hohlleiter. Die erste Resonanz (an Resonanzstellen wird die Energie sehr gut in den Hohlleiter übertragen) bildet das Strahlerelement. Dessen geometrische Abmessungen sind so abgestimmt, dass es (genau) eine Resonanz im gewünschten Frequenzbereich erzeugt.
Die zweite Resonanz (die des Resonatortopfs) kann maßgeblich durch die Topftiefe beeinflusst werden. Die Tiefe bewegt sich im Bereich einer viertel Wellenlänge im Substrat.
Die Welle, die sich auf der Leitung der Leiterplatte in den Hohlleiter hinein bewegt, löst sich vom Strahlerelement ab. Ein Teil der Welle läuft in Richtung der Hohlleiteröffnung, der andere Teil läuft in Richtung Resonatortopf. Am Boden des Resonatortopfs wird die Welle reflektiert und läuft nun ebenfalls in Richtung der Hohlleiteröffnung. Diese reflektierte Welle überlagert sich nun konstruktiv mit der Welle die ohnehin schon in Richtung Hohlleiteröffnung läuft, was sich sehr positiv auf das Übertragungsverhalten auswirkt. Alternativ zu einem Resonatortopf kann eine Doppelfinne als Strahlerelement vorgesehen sein.
Das GlobTop Material 309 kann jetzt bis auf die glatte Oberfläche 102a des im Substrat integrierten Wellenleiters 102a, 102b, 101 , 302 hinausgeführt werden. Der substratintegrierte Wellenleiter ist aufgrund seiner Beschaffenheit vollkommen unabhängig von Dingen, die sich auf dessen Ober- und Unterseite befindet, so auch vom GlobTop Material. Daher ist es an dieser Stelle wenig relevant, wie weit das GlobTop in seiner flüssigen Form auf den substratintegrierten Wellenleiter fließt.
Da man jetzt die gesamte Mikrostreifenleitung auf der dem Radarchip zugewandten Seite unter GlobTop Material vergießen kann, kann man die Impedanz der Leitung auf eine definierte Impedanz von zum Beispiel 50 Ohm abstimmen. Der Taper 104 ist dabei auf das GlobTop Material abgestimmt.
Weiterhin kann jetzt der metallische Hohlleiter so ausgeführt werden, dass dessen Außenwandung 402 direkt auf der Fläche des im Substrat integrierten Wellenleiters aufsetzt, siehe Figur 4. Eine Dichtfläche ist dabei nicht mehr nötig, da es keine Öffnung mehr in den Hohlleiter der Antenne gibt und somit die oben beschriebene Vergussmasse nicht in den Hohlleiter hineinfließen, gleichzeitig aber das Hochfrequenzsignal in den Hohlleiter eingekoppelt werden kann.
Fig. 2 zeigt die Hohlleitereinkopplung der Fig. 1 ohne Rundhohlleiter. Die metallische Oberseite 102a des substratintegrierten Wellenleiters mündet in einer ringförmigen Struktur, die ebenfalls mittels Durchkontaktierungen an den unteren Kupferlayer 102b angeschlossen ist. Die beiden Layer 102a, 102b müssen keine ringförmigen Endbereiche aufweisen. Jedoch ist es vorteilhaft, wenn sie zumindest eine kreisförmige Innenkontur aufweisen, damit das Strahlerelement 201 ausreichend Platz hat. Es bietet sich an, die Innenkontur der beiden Layerendbereiche an die Innenkontur das darauf aufsetzenden Hohlleiters 402 anzupassen, so wie dies in den Figuren gezeigt ist (hier ist der Hohlleiter 402 ein Rundhohlleiter). Die Innenkonturen können aber auch oval oder rechteckig sein. Im letzteren Fall spricht man von einem Rechteckhohlleiter.
Die Figuren 5 und 6 zeigen jeweils die Draufsicht auf entsprechende Radarmodule. Figur 5 zeigt hierbei die Ausführungsform der Figur 3. Figur 6 zeigt den Fall, dass das GlobTop Material 309 durch den substratintegrierten Wellenleiter auf der Mikrostreifenleitung einen definierten Abschluss findet.
Ein wichtiger Aspekt ist es, dass die Abdichtung zwischen der vergossenen Elektronik und dem luftgefülltem Hohlleiter entfällt, und zwar durch den direkten Anschluss des substratintegrierten Wellenleiters an den Hohlleiter. Die elektromagnetische Energie wird dabei im Dielektrikum der Platine bei durchgängiger ununterbrochener Massefläche transportiert. Somit entfällt der Rücksprung auf eine Mikrostreifenleitung, was wiederum vorteilhaft hinsichtlich Übertragungsverhalten ist.
Ein weiterer Aspekt betrifft die Vermeidung von Undefinierten Stellen des Impedanzsprungs zwischen von GlobTop-umgebener-Mikrostreifenleitung und luftumhüllter Mikrostreifenleitung.
Ein toleranzbehaftetes „Tor“ zum Hohlleiter hin kann entfallen, wodurch weniger Streuung der Performance in der Fertigung auftritt.
Auch kann der Abstand zwischen dem Radarchip und dem Hohlleiter verringert werden, wodurch eine kompaktere Bauweise möglich ist. Die oben liegende Kupferschicht, die in Figur 1 zu sehen ist, zeigt links die Stripline 103, auf die der Radar-Chip 301 einspeist. In der Mitte liegt der Bereich mit dem substratintegrierten Wellenleiter und der glatten Kupferoberfläche. Die durchsichtige Kontur 309 (vgl. Figur 6), welche über der Stripline zur Signaleinspeisung und zur Hälfte über dem gefüllten substratintegrierten Wellenleiter liegt, stellt das GlobTop Material dar. Auf der rechten Seite sieht man den substratintegrierten Wellenleiter, der das Signal in die Antenne leitet.
Die Abschrägungen 104 am Übergang der Stripline 103 auf die Massefläche 102a des Wellenleiters dienen der besseren Überleitung zwischen Stripline und Wellenleiter und verbessern die Anpassung und reduziert somit die Reflexionen. Die Durchkontaktierungen 101 bilden die beiden Wandungen des gefüllten Hohlleiters und verbinden die Kupferflächen
102a und 102b.
Die elektromagnetische Welle wird über ein Patch 201 , welches am Ende des substratintegrierten Wellenleiters am oberen Kupferlayer 102a angeschlossen ist, im Hohlleiter angeregt. Die beiden Kupferflächen 102a und 102b können dabei auf das Ground- Potential (Masse) gelegt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, den Anschluss des Erregerpatches am unteren Masselayer 102b anzuordnen. Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 701 wird ein oben beschriebener Radarchip mit einer Hohlleitereinkopplung bereitgestellt. In Schritt 702 werden der Radarchip, seine Leitung und ein Teilbereich der Oberseite des substratintegrierten Wellenleiters mit einer ersten Vergussmasse vergossen, zum Schutz des Radarchips vor mechanischen Belastungen. In Schritt 703 wird der Radarchip mit einer weiteren Vergussmasse vergossen, welche auf die erste Vergussmasse aufgebracht wird, zum Explosionsschutz.
Bei diesem Vorgang muss nicht darauf geachtet werden, dass keine Vergussmasse in den Hohlleiter bzw. die Antenne einfließt, da der Innenraum der Antenne bzw. des Hohlleiters dort, wo das Hochfrequenzsignal in den Hohlleiter bzw. die Antenne eingeführt ist, abgedichtet ist.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Radarchip (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100), eingerichtet zum Ein- und Auskoppeln eines Radarsignals des Radarchips in eine Antenne (307) oder einen Hohlleiter (305) eines Radarmessgeräts (300), die Hohlleitereinkopplung aufweisend: ein Hochfrequenzsubstrat (302) mit einer Leitung (103), einem Strahlerelement (201) und einem dazwischen angeordneten und daran angeschlossenen substratintegrierten Wellenleiter (102a, 102b, 101 , 302), eingerichtet zum Übertragen des Radarsignals zwischen dem Radarchip und der Antenne oder dem Hohlleiter des Radarmessgeräts und zum Ein- und Auskoppeln des Radarsignals in die Antenne oder den Hohlleiter des Radarmessgeräts.
2. Radarchip (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach Anspruch 1 , wobei die Leitung (103), das Strahlerelement (201) und eine Oberseite (102a) des dazwischen angeordneten substratintegrierten Wellenleiters (102a, 102b, 101 , 302) in derselben Ebene des Hochfrequenzsubstrats (302) angeordnet sind.
3. Radarchip (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach Anspruch 1 , wobei die Leitung (103) und eine Oberseite (102a) des substratintegrierten Wellenleiters (102a, 102b, 101 , 302) in derselben Ebene des Hochfrequenzsubstrats (302) angeordnet sind; und wobei das Strahlerelement (201) und eine Unterseite (102b) des substratintegrierten Wellenleiters (102a, 102b, 101 , 302) in einer anderen Ebene angeordnet sind.
4. Radarchip (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitung (103) und die Oberseite (102a) des dazwischen angeordneten substratintegrierten Wellenleiters (102a, 102b, 101 , 302) auf der Oberfläche des Hochfrequenzsubstrats (302) angeordnet sind.
5. Radarchip (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Leitung (103) mit einem Anfangsbereich der Oberseite (102a) des substratintegrierten Wellenleiters (102a, 102b, 101 , 302) verbunden ist; wobei das Strahlerelement (201) mit einem Endbereich der Oberseite (102a) des substratintegrierten Wellenleiters (102a, 102b, 101 , 302) verbunden ist.
6. Radarchip (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der substratintegrierte Wellenleiter (102a, 102b, 101 , 302) der
Hohlleitereinkopplung eine Breite aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die Breiten der Leitung (103) und des Strahlerelements (201).
7. Radarchip (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite der Leitung (103) geringer ist als die Breite des Strahlerelements (201).
8. Radarchip (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: eine erste Vergussmasse (309), in welcher der Radarchip (301), die Leitung (103) und ein Teilbereich der Oberseite (102a) des substratintegrierten Wellenleiters (102a, 102b, 101 , 302) eingebettet ist, eingerichtet zum Schutz des Radarchips (301) vor mechanischen Belastungen.
9. Radarchip (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach Anspruch 8, weiter aufweisend: eine weitere Vergussmasse (401), welche nach der ersten Vergussmasse auf die erste Vergussmasse aufgebracht ist.
10. Radarchip (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitung (103) eine erste An passstruktur (104a) im Bereich des Anschlusses der Leitung an den substratintegrierten Wellenleiter (102a, 102b, 101 , 302) aufweist; und/oder wobei das Strahlerelement (201) bzw. seine Zuführleitung eine zweite An passstruktur (104a) im Bereich des Anschlusses der zweiten Leitung an den substratintegrierten Wellenleiter (102a, 102b, 101 , 302) aufweist.
11. Radarchip (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der substratintegrierte Wellenleiter (102a, 102b, 101 , 302)
Durchkontaktierungen (101) von seiner Oberseite (102a) zu seiner Unterseite (102b) aufweist.
12. Verwendung eines Radarchips (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Radarmessgerät (300), insbesondere in einem Radarfüllstandmessgerät.
13. Verwendung nach Anspruch 12, wobei das Radarmessgerät (300) eine Antenne (307) oder einen Hohlleiter (305) aufweist, die bzw. der auf der Oberseite (102a) des Hohlleiters (102a, 102b, 101 , 302) aufliegt.
14. Verfahren zum Herstellen eines Radarchips (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , aufweisend die Schritte:
Bereitstellen eines Radarchips (301) mit einer Hohlleitereinkopplung (100), eingerichtet zum Übertragen eines Radarsignals zwischen Radarchip-und Antenne (307) oder einem Hohlleiter (305) eines Radarmessgeräts (300), die Hohlleitereinkopplung aufweisend: ein Hochfrequenzsubstrat (302) mit einer Leitung (103), einem Strahlerelement (201) und einem dazwischen angeordneten und daran angeschlossenen substratintegrierten Wellenleiter (102a, 102b, 101 , 302), eingerichtet zum Übertragen des Radarsignals zwischen Radarchip und Antenne oder dem Hohlleiter des Radarmessgeräts und zum Ein- und Auskoppeln des Radarsignals in die Antenne oder den Hohlleiter des Radarmessgeräts; Vergießen des Radarchips (301), der Leitung (103) und eines Teilbereichs der
Oberseite (102a) des substratintegrierten Wellenleiters (102a, 102b, 101 , 302) mit einer ersten Vergussmasse (309), zum Schutz des Radarchips (301) vor mechanischen Belastungen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, weiter aufweisend den Schritt: Vergießen des Radarchips (301) mit einerweiteren Vergussmasse (401), welche auf die erste Vergussmasse (309) aufgebracht wird.
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