具有集成天线的雷达发射器组件的制作方法

具有集成天线的雷达发射器组件
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年2月19日提交的欧洲专利申请19 157 998.6的优先权，其全部内容通过引入方式并入本文。
技术领域
3.本发明涉及用于填充物位测量、用于极限物位确定和/或用于区域监测的传感器。特别地，本发明涉及雷达发射器组件。本发明还涉及用途。


背景技术：

4.为了过程和制造自动化(特别是为了区域监测)、为了例如容器中的填充物位测量或极限物位确定，使用诸如具有高频前端的物位测量装置等各种类型的测量装置或传感器。这些测量装置特别用于指示例如容器中的填充材料的特定物位，即，例如用于指示是否已达到容器中填充物位的预定义上限、下限或其他限值，或用于确定填充材料的拓扑。容器可以是任何形状的器皿或计量箱。容器也可以是诸如溪床或河床等沟渠。在此，高频前端被构造为用于发射和接收微波或雷达波。在此，很多微波传感器使用具有集成天线的雷达芯片。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种在制造中需要较少构造工作量的物位测量装置。
6.该目的通过独立权利要求的主题来实现。本发明的改进示例在从属权利要求和以下说明中得出。
7.第一方面涉及一种用于填充物位测量或极限物位确定的传感器的雷达发射器组件。雷达发射器组件包括发生器、天线和承载板，发生器被构造为产生微波，天线连接到发生器并被构造为发射来自发生器的微波。在此，天线通过l形弯曲的模制件布置成基本上垂直于印刷电路板，并被构造为以垂直于印刷电路板的表面法线的方式发射微波。
8.在此，发生器产生频率范围例如在40至300ghz内的微波，例如在超过140ghz的频率范围内的微波，例如超过200ghz的微波。因此，天线具有辐射特性(即，例如窄带和/或高分辨率)，这有利于填充物位测量和/或极限物位确定。天线可以有利地连接到承载板或被设计为承载板的一部分。例如，天线可以是雷达芯片的一部分。天线或雷达芯片可以与发生器一起布置在承载板上。上面布置有天线的l形弯曲的模制件例如可以被设计为注射模制的电路载体(mid：模制互连设备(molded interconnect device))。通过l形弯曲的模制件，可以将雷达发射器组件构造布置在可被设计为过程连接件的壳体中，其中，评估电子器件布置在该壳体中。因此，这使得雷达发射器组件可以满足看似矛盾的要求：一方面，天线或雷达芯片以垂直于承载板的方式进行辐射。然而，承载板最多可以具有过程连接件的尺寸，因为(例如为了有效地发射微波)它应布置在过程连接件中。此外，(例如，出于线路传输时间和/或信号衰减的原因)发生器和雷达芯片应布置在承载板上或作为承载板的一部分。但
另一方面，(例如)由于空间原因，不再能够将复杂的评估电子器件也布置在承载板上。因此，评估电子器件可以布置在印刷电路板上。此外，其他部件(例如，用于无线和/或有线通信的通信装置)可以布置在印刷电路板上。有利地，l形弯曲的模制件可以在承载板和印刷电路板之间实现高频连接。此外，该模制件使天线能够精确而稳固地定位。
9.在一实施例中，l形弯曲的模制件被设计为注射模制的电路载体(mid：molded interconnect device)。mid是一种注射模制的塑料部件，其上应用了金属导体电路。通过这种实施方式，可以将天线特别精确地定位，此外这可以是可靠且稳健的。
10.此外，l形弯曲的模制件有助于将雷达发射器组件实现为smd部件；这有助于实现集成有雷达发射器组件的紧凑、可靠且易于制造的组件。此外，例如可以通过3d模制承载基板安装、接触和封装雷达发射器组件。用于注射模制的材料例如可以是塑料，特别是具有良好导热性的塑料，从而可以将额外的余热从承载板的部件中散出。
11.在一实施例中，承载板被设计为印刷电路板。在此，平面天线可以例如作为结构被蚀刻到印刷电路板中。发生器可以被设计为印刷电路板上的开放式或封闭式芯片。至少在一些实施例中，该芯片还可以包含用于控制和/或评估测量的部件。
12.在一实施例中，承载板被设计为半导体基板。在此，发生器可以集成到半导体基板中，例如它可以是半导体基板的一部分或布置在其上。此外，用于控制和/或评估测量和/或通信装置的部件也可以集成到半导体基板上。在此，平面天线可以作为导电结构(例如通过光刻技术)被应用到半导体基板上，作为结构被蚀刻、外延到半导体基板中和/或以其他方式制造在其中。特别是在高频(例如，高于100ghz，特别是在超过200ghz)的情况下，波长变得较小，以至于λ/4结构可以直接实现在芯片上。在一实施例中，雷达发射器组件可以被设计为qfn(方形扁平无引脚封装)壳体、bga(球栅阵列)壳体或ewlp(嵌入式晶圆级球栅阵列)壳体中的smd部件(smd：表面安装器件(surface mounted device))，例如用“片上系统”(soc：system on chip)。例如，这种smd部件可用于以传统装配和焊接技术安装在印刷电路板上。
13.在一实施例中，发生器是半导体芯片的一部分。半导体芯片还可以包含例如用于控制和/或评估测量、用于与测量装置进行通信和/或用于为测量装置供电的其他系统部件。
14.在一实施例中，雷达发射器组件还包括高频透镜或介电透镜，其中，高频透镜布置在平面天线的辐射方向上，以便由此影响平面天线的辐射特性。通过这种高频透镜可以改变辐射特性，以达到尽可能窄的辐射角。例如，在超过200ghz的频率下，可以使用直径在15至20mm的范围内的透镜来实现数度(例如小于5
°
)的孔径角。透镜可例如由高密度聚乙烯(hdpe)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚醚醚酮(peek)、硅或陶瓷制成和/或具有这些材料中的至少一种。
15.在一实施例中，雷达发射器组件还包括壳体，雷达发射器组件布置在该壳体内。与同雷达信号的侧向辐射一起(参见上文)，印刷电路板可以纵向地安装在传感器的壳体中，并能够以此方式最佳地利用空间。
16.在一实施例中，壳体被实现为过程连接件或过程连接件的一部分。在一实施例和/或变形例中，壳体的至少一部分具有外螺纹。因此，(在相对较少构造工作量的情况下)可以提供用于广泛应用领域的集成且稳健的系统。特别地，外螺纹可以提供一种易于使用的测
量装置，其通过拧入可以确保过程连接件的高密封性。
17.在一实施例中，壳体在其纵向延伸中包括第一部分和第二部分，其中，第二部分具有比第一部分更大的横截面。在一实施例和/或变形例中，第二部分被至少部分地设计为外螺纹。这种构造性解决方案有助于简单安装。此外，在另一实施例和/或变形例中，还可以使l形弯曲的模制件更靠近壳体的过程侧端部地移动，从而使壳体更紧凑。
18.在一实施例中，壳体被一体地设计。这在过程的密封性方面可能有进一步的优势。此外，由此可以简化生产。
19.在一实施例中，壳体由塑料制成，特别是由聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚醚醚酮(peek)或聚丙烯(pp)制成，或具有这些材料中的至少一种。
20.在一实施例中，微波具有至少40ghz、例如至少140ghz、至少200ghz的频率。这些频率范围有助于例如在填充物位测量和/或拓扑检测中提高分辨率。此外，这些频率有助于整个系统的进一步小型化；例如，雷达发射器组件可以有利地集成在半导体芯片上。
21.另一方面涉及上述和/或下述的雷达发射器组件的用于填充物位测量、用于极限物位确定和/或用于拓扑检测、用于区域监测和/或用于制造自动化的用途。
22.为了进一步说明，将根据附图所示的实施例来说明本发明。这些实施例仅应理解为示例而非限制。以下附图中的图示是示意性的，并且未按比例绘制。
附图说明
23.图1以侧视图示出了根据一实施例的雷达发射器组件的示意图。
24.图2a以侧视图示出了根据另一实施例的雷达发射器组件的示意图。
25.图2b以侧视图示出了根据另一实施例的雷达发射器组件的示意图。
26.图3a以平面图示出了根据一实施例的雷达发射器组件的示意图。
27.图3b以平面图示出了根据另一实施例的雷达发射器组件的示意图。
28.图3c以平面图示出了根据另一实施例的雷达发射器组件的示意图。
29.图4以侧视图示出了根据另一实施例的雷达发射器组件的示意图。
30.图5以侧向截面示出了根据另一实施例的雷达发射器组件的示意图。
具体实施方式
31.图1以侧视图示出了根据一实施例的雷达发射器组件的示意图。雷达发射器组件10包括承载板40。承载板40可以例如被设计为印刷电路板或半导体基板。此外，还绘制了承载板40的表面法线45。发生器20集成在承载板40上。发生器20被构造为产生微波。包括发生器20的半导体芯片还可以包含例如用于控制和/或评估测量、用于通信和/或用于给测量装置供电的其他系统部件，承载板40集成在该测量装置中。未示出例如到半导体芯片的引线等其他细节。
32.承载板40还包括经由线路25连接到发生器20的平面天线30。平面天线放置在承载板40的边缘41附近。平面天线30被构造为发射来自发生器20的微波，并具有用箭头标出的辐射方向或主辐射方向35。平面天线30和辐射方向35布置成基本上垂直于承载板40的表面法线45。特别是在高频的情况下，微波的波长可以很小以至于能够直接在半导体基板40上实现λ/4结构或相应的其他天线结构。
33.承载基板40可以内置在smd壳体70中，以便随后以标准工艺(例如，焊接或粘附)将其安装在印刷电路板上。为此，smd壳体在底侧具有相应的触点。
34.图2a和2b以侧视图示出了根据另一实施例的雷达发射器组件10的示意图。与图1中相同的附图标记表示相同或相似的元件。在图2a的示例性实施例中，雷达发射器组件10有利地布置在壳体60中，该壳体可以是传感器或测量装置的一部分。以此方式，可以最佳地利用壳体60中的空间。此外还有利的是，平面天线30放置在承载板40的边缘附近，或在替代实施例中放置在印刷电路板75的边缘附近，并朝向透镜50侧向地发射微波或雷达信号。示例性实施例还示出了高频透镜50，其可以有助于聚束微波并因此实现窄辐射角。这对于长测量距离特别有利，例如测量大型容器或计量箱中或河床上方的填充物位、水位和/或表面拓扑。
35.在图2b中，图1的示例性实施例作为smd部件10安装在传感器壳体60中的印刷电路板75上。如图2a的示例性实施例所示地进行辐射。
36.所示的壳体60也可以被实现为过程连接件或过程连接件的一部分。在此，过程侧的端部区域65例如可以被设计为特别稳固的，并能抵抗热、机械和/或化学材料。因此，(在相对较少构造工作量的情况下)可以提供用于广泛应用领域的稳固系统。
37.图3a以平面图(沿表面法线45)示出了根据一实施例的雷达发射器组件10的示意图。该实施例可以例如对应于图1的实施例。雷达发射器组件10包括承载板40。承载板40例如可以被设计为印刷电路板或半导体基板。发生器20和平面天线30布置在承载板40上。发生器20和平面天线30经由线路25连接。在示意性示出的该示例性实施例中，平面天线30被设计为所谓的八木(yagi)天线。八木天线放置在承载板40的边缘附近。八木天线30被构造为发射来自发生器20的微波并具有辐射方向或主辐射方向35(由箭头表示)。
38.图3b以平面图示出了根据另一实施例的雷达发射器组件10的示意图。与图3a中相同的附图标记表示相同或相似的元件。在示意性示出的该示例性实施例中，平面天线30被设计为所谓的准八木天线。
39.图3c以平面图示出了根据另一实施例的雷达发射器组件10的示意图。与图3a中相同的附图标记表示相同或相似的元件。在示意性示出的该示例性实施例中，平面天线30被设计为所谓的维瓦尔第(vivaldi)天线。
40.图4以侧视图示出了根据另一实施例的雷达发射器组件11的示意图。雷达发射器组件11包括承载板40。半导体芯片形式的发生器20布置在承载板40上。发生器20被构造为产生微波。此外，天线31布置在承载板40上。天线31被设计为平面天线，其在其表面法线的方向上具有主辐射方向35。天线31经由线路25连接到发生器20并被构造为发射来自发生器20的微波。例如，天线可以是贴片天线。承载板40和天线31二者通过l形弯曲的模制件80布置成基本上垂直于印刷电路板75。l形弯曲的模制件80例如可以被设计为注射模制的电路载体(mid：molded interconnect device)。可以安装、接触并通过压力注塑包封件70来封装mid。此外，封装的部件可以包括用于进一步聚焦发射的微波信号的透镜50。
41.图5以侧截面示出了根据另一实施例的雷达发射器组件12的示意图。图5基本上包括图4的所有元件；在此，相同的附图标记表示相同或相似的元件。此外，图5示出了其中布置有图4的雷达发射器组件11的壳体60。在此，壳体60在其纵向延伸上包括第一部分61和第二部分62，其中，第二部分62具有比第一部分61更大的横截面。此外，第二部分62至少被部
分地设计为外螺纹。例如，这种实施例可以简单地拧入到螺纹中，使得其因此能够良好地密封例如处理罐。因此，印刷电路板75可以更进一步地朝向透镜50移动或它可以是诸如smd壳体70等封装部件的一部分；特别地，图4的雷达发射器组件11的一部分可以布置在第二部分62中并由此有助于实现特别紧凑的测量装置。
42.此外，应注意“包括”和“具有”不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。还应指出，已经参考其中一个上述示例性实施例说明的特征或步骤也可以与上述其他示例性实施例的其他特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应被视为限制。
43.附图标记列表
44.10、11 雷达发射器组件
45.20 发生器
46.25 线路
47.30 主辐射在天线平面中的平面天线
48.31 主辐射垂直于天线平面的平面天线
49.35 辐射方向
50.40 承载板
51.41 承载板边缘
52.42 弯曲的模制件
53.43 注射模制件
54.45 承载板的法线
55.50 高频透镜
56.60 传感器壳体
57.60、61 传感器壳体的第一或第二部分
58.70 smd壳体
59.75 印刷电路板
60.80 l形模制件