DE102004059332A1

DE102004059332A1 - Radar-Transceiver

Info

Publication number: DE102004059332A1
Application number: DE102004059332A
Authority: DE
Inventors: Thomas Walter; Dirk Steinbuch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-06-14
Also published as: US20080117097A1; CN101076740A; WO2006061310A1; EP1825292A1

Abstract

Ein Radar-Transceiver, umfassend wenigstens einen mit einer Steuerspannung verstimmbaren Oszillator (110), wenigstens einen Mischer (120) und wenigstens eine Antenne (140) zum Senden und Empfangen höchstfrequenter Signale, wobei der Mischer (120) das Empfangssignal mit dem Signal des Oszillators (110) mischt und ein demoduliertes Signal ausgibt, ist dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Oszillator (110), der wenigstens eine Mischer (120) und die wenigstens eine Antenne (140) auf einem einzigen Chip (100) in einer Ebene nebeneinanderliegend angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radar-Transceiver, umfassend wenigstens einen mit einer Steuerspannung verstimmbaren Oszillator, wenigstens einen Mischer und wenigstens eine Antenne zum Senden und Empfangen höchstfrequenter Signale, wobei der Mischer das Empfangssignal mit dem Signal des Oszillators mischt und ein demoduliertes Signal ausgibt.
Derartige Radar-Transceiver, d.h. Sende-/Empfängermodule, kommen im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich zur Ortung von Gegenständen im Raum oder zur Geschwindigkeitsbestimmung beispielsweise von Fahrzeugen zum Einsatz. Dabei sendet ein derartiger Radar-Transceiver zur Ortung von Gegenständen im Raum und zur Geschwindigkeitsbestimmung höchstfrequente Signale in Form elektromagnetischer Wellen aus, die vom Zielgegenstand reflektiert werden, von dem Radar-Transceiver wieder empfangen und weiterverarbeitet werden. Nicht selten werden dabei mehrere derartige Radar-Transceiver zu einem Gesamtmodul verschaltet. Bei einem Einsatz in Automobilen kommen Frequenzen von etwa 77 GHz zum Einsatz. Derartige Radar-Transceiver werden insbesondere für das sogenannte Abstandswarnradar eingesetzt, welches zur Bestimmung des Abstands eines vor einem Fahrzeug vorherfahrenden weiteren Fahrzeugs und zur Ausgabe von Warnhinweisen bei Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellenwerts des Abstands eingesetzt wird.

Aus der DE 103 00 955 A1 ist ein gattungsgemäßer Radar-Transceiver für Mikrowellen- und Millimeterwellen-Anwendungen mit folgenden Merkmalen bekannt:

– zumindest einen Oszillator, der zumindest ein aktives Schaltungselement, zumindest einen frequenzbestimmenden Resonanzkreis und zumindest eine zur Frequenzbestimmung geeignete Komponente umfaßt,
– zumindest einen Mischer, der zumindest eine Diode und zumindest ein passives Schaltungselement umfaßt,
– ein Substrat mit zumindest zwei direkt übereinander angeordneten dielektrischen Lagen, bei denen auf, unterhalb und zwischen den dielektrischen Lagen Metallisierungsebenen vorgesehen sind, wobei die Unterseite des Substrats Außenkontakte zur Ankontaktierung an einen Systemträger und die Oberseite des Substrats Kontakte zur Ankontaktierung an die Außenelektroden der zumindest einen elektronischen Einzelkomponente aufweist,
– eine oder mehrere auf der Oberseite des Substrats angeordnete elektronische Einzelkomponenten, die
– zumindest eine aktive oder nichtlineare Schaltungskomponente des Mischers und
– zumindest eine aktive oder nichtlineare Schaltungskomponente des spannungsgesteuerten Oszillators umfassen, wobei das zumindest eine passive Schaltungselement des Mischers und/oder der zumindest eine Resonanzkreis des spannungsgesteuerten Oszillators in einer der Metallisierungsebene des Substrats integriert ist.

Als Substrat kommen dabei alle Arten von planaren Schaltungsträgern in Frage. Darunter fallen keramische Substrate (Dünnschichtkeramik, Dickschichtkeramik, LTCC = Low Temperature Cofired Ceramics, HTCC = High Temperature Cofired Ceramics), wobei LTCC und HTCC keramische Mehrlagenschaltungen sind, polymere Substrate, also herkömmliche Leiterplatten wie FR4 oder Softsubstrate, deren Polymerbasis z.B. aus PTFE besteht und die typischerweise glasfaserverstärkt oder keramikpulvergefüllt sind, Silizium sowie metallische Substrate, bei denen metallische Leiterbahnen und eine metallische Basisplatte durch polymere oder keramische Materialien voneinander isoliert sind. Verwendet werden können ferner auch sogenannte Molded-Interconnection-Devices (MID), die aus thermoplastischen Polymeren bestehen, auf denen Leiterbahnen strukturiert sind.

Derartige Microwave Monolithic Integrated Circuit (MMICs) werden demnach zusammen mit diskreten Bauteilen zu einem Multichip-Modul (MCM) verbaut. Dieses MCM wird wie ein herkömmliches SMD-Bauelement noch auf ein Trägermaterial aufgebracht, welche höchstfrequente Leitungsführungen und Antennen beinhaltet. Die Verbindung muß dabei so ausgeführt sein, daß eine Übertragung von höchstfrequenten HF-Signalen möglich ist. Solche HF-Übergänge einigermaßen verlustarm herstellen zu können, sind bei einem solchen MCM sehr hohe Anforderungen an die Fertigung zu stellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen komplexen Aufbau des MCM und dessen Bestückung auf einem speziellen Board zur Gewährleistung der HF-Übergänge zu vermeiden und einen Radar-Transceiver zu vermitteln, der nicht nur einen einfach herzustellenden Aufbau und kleine Baumaße aufweist, sondern der insbesondere auch zur Bestückung auf an sich bekannten Schaltungsträgern, beispielsweise gewöhnlichen Leiterplatten und dergleichen auf einfachste Weise geeignet ist. Diese Aufgabe wird bei einem Radar-Transceiver der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der wenigstens eine Oszillator, der wenigstens eine Mischer und zudem die wenigstens eine Antenne auf einem einzigen Chip in einer Ebene nebeneinanderliegend angeordnet sind. Durch diesen Aufbau sind sämtliche Radarfunktionen auf einem einzigen Chip angeordnet. Durch die Vermeidung aufwendiger HF-Übergänge beschränkt sich hierdurch die Fertigung auf ein simples Aufkleben des Chips (MMICs) auf eine beliebige Niederfrequenz-Leiterplatte, wobei eine elektrische Verbindung zwischen Schaltelementen der Leiterplatte und dem Chip nur im Niederfrequenz- oder Gleichspannungs-Bereich erforderlich ist.

In der Ebene, in der der Oszillator, der Mischer und die Antenne angeordnet sind, kann darüber hinaus auch eine Phasenregelkreis-Schaltung zur Regelung des Oszillators in einer Phasenregelschleife angeordnet sein.

Bevorzugt ist in der Ebene auch wenigstens ein Verstärker, beispielsweise ein Zwischenfrequenzverstärker oder ein Antennenverstärker zum Verstärken der gesendeten und/oder der empfangenen Signale angeordnet.

Die Antenne ist vorzugsweise eine Patch-Antenne, so daß hier ebenfalls keine HF-Verbindung notwendig ist. Eine Ankopplung an größere Antennen kann berührungslos durch elektromagnetische Strahlungsankopplung erfolgen.

Zur Kontaktierung von Gleichspannungsanschlüssen und Niederfrequenzverbindungen sind in der Ebene des Chips des weiteren vorteilhafterweise Bond-Pads angeordnet, die der Kontaktierung des Radar-Transceivers nach dessen Anordnung auf beispielsweise einer Leiterplatte dienen.

Die vorbeschriebene Ausbildung als Ein-Chip-Frontend-System hat den großen Vorteil, daß der Herstellungs- und Verarbeitungsaufwand gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten MMICs erheblich reduziert und vereinfacht wird. Sämtliche in der Multichip-Modulfertigung kritischen Prozesse werden hierdurch auf den Waver-Herstellungsprozeß ausgelagert, der eine sehr große Reproduzierbarkeit aufweist.

Zeichnung

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.

In der Zeichnung zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Radar-Transceivers;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Radar-Transceivers und

3 schematisch die Anordnung von Polyrods über Patch-Antennen erfindungsgemmäßer Radar-Transceiver.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein als Ein-Chip-Frontend (ECF) ausgebildeter Radar-Transceiver ist, wie in 1 dargestellt, als ein einziger Silizium-Germanium-Chip realisiert. In der Ebene des Chips sind nebeneinanderliegend angeordnet ein Fundamental-Oszillator 110, der eine Frequenz von 77 GHz erzeugt, ein Mischer l20 sowie ein Zwischenfrequenzverstärker 130 und wenigstens eine Patch-Antenne 140.
Das von dem Fundamental-Oszillator 110 erzeugte Signal wird dem Mischer 120 zugeführt. Dem Mischer 120 wird ferner das Antennensignal der Patch-Antenne 140 zugeführt. In dem Mischer l20 wird dieses Empfangssignal der Patch-Antenne l40 mit dem Signal des Oszillators 110 gemischt und ein demoduliertes Signal ausgegeben, das nach Verstärkung in dem Zwischenfrequenzverstärker 130 an entsprechenden Bond-Pads 135 anliegt und von dort über an sich bekannte Borddrähte niederfrequent an Bauteile auf einer Leiterplatte 400, auf der der Chip angeordnet ist (vergl. 3), weitergeleitet wird.
Zur Spannungsversorgung des Oszillators 110 sind weitere Bond-Pads 112 vorgesehen, ferner sind zur Frquenzabstimmung Bond-Pads 115 vorgesehen, die alle in der Ebene des Chips 100 angeordnet sind. Der Oszillator 110 wird über einen internen LC-Schwingkreis stabilisiert. Seine Frequenz kann auf an sich bekannte Weise über einen dafür vorgesehenen Tuning-Eingang, der mit den Bond-Pads 115 elektrisch leitend verbunden ist, verstimmt werden.
Der in 2 dargestellte Radar-Transceiver unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten dadurch, daß neben dem Oszillator 110, dem Mischer 120, dem Verstärker 130 und der Antenne 140 auch noch eine Phasenregelkreis-Schaltung (PLL-Schaltung) 150 in der Ebene des Chips 100 angeordnet ist, die zur Regelung des Oszillators in einer an sich bekannten Phasenregelschleife vorgesehen ist. In diesem Falle weist der Oszillator 110 einen Ausgang 111 auf, an dem z.B. ein Viertel der Frequenz ausgegeben wird. Dieser Ausgang wird der in der Ebene des Chips 100 integrierten PLL-Schaltung 150 zugeführt. Neben Bond-Pads 152 für die Spannungsversorgung sind hier Bond-Pads l55 zur Abstimmung des Oszillators 110 über die PLL-Schaltung 150 auf dem Chip 100 vorgesehen.
In den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen sind keine Antennenverstärker gezeigt. Antennenverstärker zum Verstärken mittels der Antenne l40 gesendeten Signale und/oder zum Verstärken der von dieser Antenne empfangenen Signale können ebenfalls in der Ebene des Chips 100 vorgesehen sein.
Die Antenne 140 ist eine Patch-Antenne, die unter einem sogenannten Polyrod 200 (siehe 3), wie es aus der DE 199 39 834 A1 sowie der EP 1 121 726 B1 , auf die zum Zwecke der Offenbarung vorliegend Bezug genommen wird, hervorgeht. Das Polyrod 200 hat die Aufgabe, die elektromagnetische Energie des Antennenpatches 140 zu bündeln und abzustrahlen. Durch ein derartiges Polyrod 200 findet insbesondere eine Vofokussierung auf eine dielektrische Linse 220 statt. Es existiert kein physikalischer Kontakt des Polyrods 200 zum Chip 100 selbst, vielmehr kann das Polyrod 200 auf einer Leiterplatte, auf der auch der Chip 100 angeordnet ist, befestigt sein. Das Zentrum des Polyrods 200 ist dabei genau über dem Zentrum der Patch-Antenne 140 angeordnet, wie es schematisch aus 3 hervorgeht.
Der Vorteil vorbeschriebenen Radar-Transceiver ist darin zu sehen, daß sämtliche Bauelemente des Transceivers auf einem einzigen Chip 100 angeordnet sind. Dies erlaubt nicht nur eine einfache Herstellung, sondern auch eine hohe Integration. Außerdem werden die Funktion störende HF-Leitungsverbindungen so weitgehend überflüssig.

Claims

Radar-Transceiver, umfassend wenigstens einen mit einer Steuerspannung verstimmbaren Oszillator (110), wenigstens einen Mischer (120) und wenigstens eine Antenne (140) zum Senden und Empfangen höchstfrequenter Signale, wobei der Mischer (120) das Empfangssignal mit dem Signal des Oszillators (110) mischt und ein demoduliertes Signal ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Oszillator (110), der wenigstens eine Mischer (120) und die wenigstens eine Antenne (140) auf einem einzigen Chip (100) in einer Ebene nebeneinanderliegend angeordnet sind.
Radar-Transceiver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene eine Phasenregelkreis-Schaltung (150) zur Regelung des Oszillators (110) in einer Phasenregelschleife angeordnet ist.
Radar-Transceiver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene wenigstens ein Verstärker (130) angeordnet ist.
Radar-Transceiver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Antenne eine Patch-Antenne (140) ist.
Radar-Transceiver nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Patch-Antenne (140) unter einem Polyrod (200) angeordnet ist.
Radar-Transceiver nach enem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip (100) eine Silizium-Germanium-Halbleiterelement ist.
Radar-Transceiver nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene Bond-Pads (112, 115, 135, 152, 155) angeordnet sind.
Radar-Transceiver nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Oszillator (110) eine Frequenz von 77 GHz erzeugt.