DE19535962C1 - Dopplerradarmodul - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dopplerradarmodul, das in Mikrostreifenleitungstechnik aufgebaut ist und eine Antenne, eine Schaltung zum Senden und Empfangen von Mikrowellen und ein aus einem elektrisch leitenden Material gefertigtes Ge­ häuse aufweist.

Ein solches Dopplerradarmodul ist beispielsweise aus der eu­ ropäischen Patentanmeldung EP 638 818 A1 bekannt. Bei diesem be­ kannten Dopplerradarmodul ist eine Schaltung zum Senden und Empfangen von Mikrowellen in Mikrostreifenleitungstechnik beidseitig auf einer Multilayerplatine aufgebracht, die in einem aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden Ge­ häuse befestigt ist. Auf den Außenflächen des Gehäuses ist eine Flächenantenne und eine NF-Platine mit Spannungsregler und Dopplersignalverstärker befestigt. Dieses besonders klei­ ne und sehr einfach aufgebaute Dopplerradarmodul ist für ei­ nen Betrieb bei ca. 10 Ghz ausgelegt. Bei dieser Frequenz weist es eine geringe Oberwellenabstrahlung und eine hohe Empfindlichkeit bei geringer Sendleistung auf.

Das oben beschriebene Dopplerradarmodul nach dem Stand der Technik eignet sich jedoch nicht für den Betrieb bei der weltweit fernmeldetechnisch zugelassenen Betriebsfrequenz von ungefähr 2.45 Ghz, da es bei dieser Frequenz eine unzulässig hohe Oberwellenabstrahlung, eine zu geringe Empfindlichkeit und zu große Abmessungen besitzt.

Weiterhin ist aus der US-Patentschrift 4,967,201 ein Radar- Sende/Empfangs-Modul bekannt, das in Multilayer-Technik auf­ gebaut ist. Hierbei ist auf einem einzigen Multilayer- Substrat mit zwei gegenüberliegenden Befestigungsoberflächen ein Mikrowellensignalprozessor, ein Steuersignalprozessor, ein Netzteil und eine Kühlvorrichtung angeordnet. Diese Bau­ weise ermöglicht einen kompakten Aufbau des Radar- Sende/Empfangs-Moduls.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Dopplerradarmodul zu entwickeln, das im unteren GHz-Bereich, insbesondere bei 2.45 Ghz, eine geringe Oberwellenabstrahlung und eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Gleichzeitig soll dieses Dopplerradarmodul möglichst klein und einfach her­ stellbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaltung zum Senden und Empfangen von Mikrowellen auf einem ersten elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht ist, daß die Oberwellenfilteranordnung als Triplate-Struktur aufgebaut ist, bei der eine Mehrzahl von Filterstrukturen zwischen einem zweiten und einem dritten elektrisch isolierenden Substrat angeordnet ist, die jeweils auf einer der Mehrzahl von Filterstrukturen gegenüberliegenden Seite eine erste bzw. eine zweite Massemetallisierung aufweisen, daß das erste elektrisch isolierende Substrat mit der Schaltung zum Senden und Empfangen von Mikrowellen und die Oberwellenfilteranordnung zu einer Multilayerplatine zusammengefügt ist, derart, daß die erste Massemetallisierung auf der Seite des ersten elektrisch isolierenden Substrats aufliegt, die der Schaltung zum Senden und Empfangen von Mikrowellen gegenüberliegt, daß die Antenne eine Flächenantenne ist, bei der ein Flächendipol auf einem vierten elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht ist, daß die Antenne derart auf der Multilayerplatine befestigt ist, daß die dem Flächendipol gegenüberliegende Seite des vierten elektrisch isolierenden Substrates der zweiten Massemetallisierung gegenüberliegt, daß die Schaltung, die Oberwellenfilteranordnung, der Flächendipol und die erste und die zweite Massemetallisierung mittels elektrisch leitender Substratdurchführungen entsprechend einem vorgegebenen Schaltplan miteinander verschaltet sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1a bis 6 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b je eine perspektivische Ansicht einer in einzelne Substratebenen aufgetrennten Multilayerplatine mit Antenne gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel von oben bzw. von unten,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Substrat mit den Filterstruk­ turen der Oberwellenfilteranordnung,

Fig. 3a eine Draufsicht auf die Flächenantenne,

Fig. 3b einen Schnitt durch die Flächenantenne entlang der in Fig. 3a eingezeichneten Linie A-A,

Fig. 4a und 4b je einen senkrechten Schnitt durch einen Teilbereich der Multilayerplatine mit Antenne gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5a eine Draufsicht auf ein Dopplerradarmodul gemäß einem der beiden Ausführungsbeispiele,

Fig. 5b eine schematische Darstellung eines Schnittes durch das Dopplerradarmodul entlang der in Fig. 5a eingezeichneten Linie B-B,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch einen Teilbereich der Multilayerplatine mit Antenne gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.

Die in den Fig. 1a und 1b dargestellte, in einzelne Substratebenen aufgetrennte Multilayerplatine 13 setzt sich aus drei beispielsweise achteckigen elektrisch isolierenden Substraten 4, 9, 10 zusammen, die übereinander angeordnet sind. Die Substrate 4, 9, 10 bestehen beispielsweise aus Epoxidharz, Teflon-Material oder aus Al₂O₃ und haben z. B. eine Dicke von etwa 0,5 mm. Auf der Unterseite des Substrats 4 ist eine Schaltung zum Senden und Empfangen von Mikrowellen aufgebracht. Das zwischen dem Substrat 4 und dem Substrat 10 angeordnete Substrat 9 ist auf seiner Unterseite mit einer Massemetallisierung 11 versehen. Auf seiner Oberseite ist eine HF-Filterstruktur 5 mit einem HF-Einkoppelpunkt 21 und einem Antennenanschlußpunkt 22, drei NF-Filterstrukturen 6, 7, 8, die einerseits mit je einem DC-Einkoppelpunkt 26, 27, 28, und andererseits mit je einem Schaltungsanschlußpunkt 23, 24, 25 verbunden sind, sowie Massestege 29 aufgebracht. Die Oberseite des Substrats 10 ist wiederum mit einer Massemetallisierung 12 versehen.

Die HF- und NF-Filterstrukturen 5-8 auf der Oberseite des Substrats 9 bilden zusammen mit den beiden Massemetallisie­ rungen 11 und 12 eine Oberwellenfilteranordnung 2 in Tripla­ testruktur. Die HF-Filterstruktur 5 hat eine geringe Durch­ gangsdämpfung für die Grundwelle und eine hohe Dämpfung für die 1. und die 2. Oberwelle der von der Schaltung 3 erzeugten HF-Strahlung. Sie ist beispielhaft als LC-Tiefpaß-Filter 5. Ordnung in Mikrostreifenleitungstechnik ausgeführt. Die NF-Filterstrukturen 6, 7, 8 unterdrücken ebenfalls die Oberwellen. Diese haben ebenfalls Tiefpaß-Charakter und weisen zweifach LC-Sperrfilter in Mikrostreifenleitungstechnik auf.

Über dem Substrat 10 ist eine Antenne 1 angeordnet. Diese be­ steht aus einem weiteren achteckigen elektrisch isolierenden Substrat 15, auf dessen Oberseite ein Flächendipol 14 und auf dessen Unterseite eine Massemetallisierung 16 aufgebracht ist. Das Substrat 15 besteht beispielsweise wiederum aus Epoxidharz, Teflon-Material oder aus Al₂O₃.

Sämtliche Strukturen auf der Oberseite des Substrats 9 und auf der Unterseite des Substrats 4, die Massemetallisierungen 11, 12 und 16 sowie der Flächendipol 14 bestehen beispiels­ weise aus einer etwa 35 um dicken Schicht aus Cu oder aus ei­ nem anderen elektrisch leitenden Material.

Die achteckige Geometrie der Multilayerplatine 13 und der Antenne 1 ergibt hinsichtlich Montagekonzept sehr geringe Gehäuseabmessungen. Andere Geometrien, wie beispielsweise viereckig oder oval, sind ohne Funktionsbeeinträchtigung ebenso denkbar.

Die in der Fig. 2 schematisch dargestellte Draufsicht auf das Substrat 9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform bzw. An­ ordnung der HF-Filterstruktur 5 mit HF-Einkoppelpunkt 21 und Antennenanschlußpunkt 22, der NF-Filterstrukturen 6, 7, 8 mit Schaltungsanschlußpunkten 23, 24, 25, der DC-Einkoppelpunkte 26, 27, 28 und der Massestege 29. Die DC-Einkoppelpunkte 26, 27, 28 sind auf dem Substrat randseitig in einer Reihe ange­ ordnet. Die Massestege 29 verlaufen im wesentlichen zwischen den DC-Einkoppelpunkten 26, 27, 28 und den NF-Filterstukturen 6, 7, 8. Darüberhinaus ist zwischen den NF-Filterstukturen 7 und 8 ebenfalls ein Massesteg 29 auf das Substrat 9 aufge­ bracht. Die Massestege 29 dienen dazu, eine HF-Ausbreitung im Substrat zu vermindern und eine seitliche HF-Abstrahlung zu reduzieren. Eine Minderung der seitlichen HF-Abstrahlung kann auch durch eine zusätzliche Metallisierung der Seitenflächen, eine sogenannte Kantenmetallisierung der Substrate 9 und 10 erzielt werden. Die Kantenmetallisierung besteht z. B. wiederum aus einer etwa 35 µm dicken Cu-Schicht.

Bei der in Fig. 3a gezeigten Draufsicht auf die Antenne 1 des Ausführungsbeispieles besteht das achteckige Substrat 15 aus Epoxidharz und der Flächendipol 14 aus einer Cu-Schicht, die einen HF-Einspeisepunkt 31 aufweist. Der HF-Einspeise­ punkt 31 ist mittels einer elektrisch leitenden Substrat­ durchführung 32 (Fig. 3b), die isoliert durch die Masseme­ tallisierung 16 hindurchgeführt ist, mit der Multilayerpla­ tine 13 verbunden. Die Länge der strahlenden Kanten 18, 19 des Flächendipols 14 ist kleiner als deren Abstand voneinan­ der und die Differenz zwischen der Länge des Substrats 15 und dem Abstand zwischen den beiden strahlenden Kanten 18, 19 ist größer als 2 mm. Die Dicke des Substrats 15 ist größer als 3 mm. Mittels Variation des Abstandes zwischen dem Einspei­ spunkt 31 und der nächstliegenden strahlenden Kante 18 kann die Impedanz der Antenne 1 eingestellt werden.

Eine für die Betriebsfrequenz von etwa 2,45 GHz besonders be­ vorzugte Ausführungsform der Antenne 1 weist folgende Maße auf:
Länge der strahlenden Kanten 18, 19: 14 mm,
Abstand der strahlenden Kanten 18, 19 voneinander: 29,4 mm,
Breite des Substrats 15: 26 mm,
Länge des Substrats: 36 mm,
Dicke des Substrats: 3,3 mm,
Abstand zwischen Einspeisepunkt 31 und nächstliegender strah­ lenden Kante 18: 11 mm.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Antenne 1 weist das Substrat 15, wie in Fig. 3b gezeigt, eine Kantenmetallisie­ rung 33 auf, die beispielsweise wiederum aus einer 35 µm dicken Cu-Schicht besteht. Diese Kantenmetallisierung 33 Substrats 15 verringert die seitliche Ausbreitung der HF-Strahlung, wodurch die Abstrahlcharakteristik der Antenne 1 verbessert ist.

Die in den Fig. 4a und 4b gezeigten schematischen Darstel­ lungen von Schnitten durch die Multilayerplatine 13 mit An­ tenne 1 veranschaulicht die Verbindungstechnik zwischen den einzelnen Komponenten des Dopplerradarmoduls untereinander mittels elektrisch leitender Substratdurchführungen 17, 18, 19, 20, 21, 22. Die Massemetallisierungen 11 und 12 und die Massestege 29 sind mittels der Substratdurchführungen 17 und 21, sogenannter Massedurchkontaktierungen, miteinander ver­ bunden. Elektrisch leitende Verbindungsmittel 34 und 35, be­ stehend aus metallischem Lot oder elektrisch leitendem Kleb­ stoff, verbinden die Massemetallisierung 16 mit der Multi­ layerplatine 13 bzw. die vom Flächendipol 14 kommende Substratdurchführung 32 mit der Substratdurchführung 19 der Multilayerplatine 13.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Multilayerplatine 13 weist an den Seitenflächen der Substrate 4, 9 und 10 eine Kantenmetallisierung 37 auf. Lediglich im Bereich von äußeren Anschlußflächen weist diese bevorzugte Multilayerplatine 13 keine Kantenmetallisierung auf.

Das Gehäuse 36 (Fig. 5a und 5b) des Dopplerradarmoduls ge­ mäß dem Ausführungsbeispiel besteht aus einem elektrisch lei­ tenden Material und besitzt an seiner Oberseite eine achteckige Öffnung 37, in der die Multilayerplatine 13 mit Antenne 1 befestigt ist. Das Gehäuse 36 ist derart geformt, daß die DC-Zuführung und die Dopplersignalauskoppelung über die Oberwellenfilteranordnung 2 erfolgen kann.

Das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Dopplerradarmoduls unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, daß, wie in Fig. 6 gezeigt, die zweite 12 und die dritte 16 Massemetallisierung durch eine einzige Massemetallisierung 38 ersetzt ist, die wahlweise auf dem Substrat 10 oder auf dem Substrat 15 aufgebracht ist. Je nach Ausführungsform ist dann das Substrat 10 oder das Substrat 15 auf der Massemetallisierung 38 beispielsweise mittels eines Lotes oder eines Klebstoffes befestigt.

Claims (11)

1. Dopplerradarmodul, das in Mikrostreifenleitungstechnik aufgebaut ist und eine Antenne (1), eine Schaltung (3) zum Senden und Empfangen von Mikrowellen und ein aus einem elek­ trisch leitenden Material gefertigtes Gehäuse (36) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltung (3) zum Senden und Empfangen von Mikrowel­ len auf einem ersten elektrisch isolierenden Substrat (4) aufgebracht ist,
daß die Oberwellenfilteranordnung (2) als Triplate-Struktur aufgebaut ist, bei der eine Mehrzahl von Filterstrukturen zwischen einem zweiten (9) und einem dritten (10) elektrisch isolierenden Substrat angeordnet ist, die jeweils auf einer der Mehrzahl von Filterstrukturen gegenüberliegenden Seite eine erste (11) bzw. eine zweite (12) Massemetallisierung aufweisen,
daß das erste elektrisch isolierende Substrat (4) mit der Schaltung (3) zum Senden und Empfangen von Mikrowellen und die Oberwellenfilteranordnung (2) zu einer Multilayerplatine (13) zusammengefügt ist, derart, daß die erste Massemetalli­ sierung (11) auf der Seite des ersten elektrisch isolierenden Substrats (4) aufliegt, die der Schaltung (3) zum Senden und Empfangen von Mikrowellen gegenüberliegt,
daß die Antenne (1) eine Flächenantenne ist, bei der ein Flä­ chendipol (14) auf einem vierten elektrisch isolierenden Substrat (15) aufgebracht ist,
daß die Antenne (1) derart auf der Multilayerplatine (13) be­ festigt ist, daß die dem Flächendipol (14) gegenüberliegende Seite des vierten elektrisch isolierenden Substrates der zweiten Massemetallisierung (12) gegenüberliegt,
daß die Schaltung (3), die Oberwellenfilteranordnung (2), der Flächendipol (14) und die erste (11) und die zweite (12) Massemetallisierung mittels elektrisch leitender Substratdurchführungen (17-22) entsprechend einem vorgegebenen Schaltplan miteinander verschaltet sind.

2. Doppler-Radar-Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß es für den Frequenzbereich von 1 bis 5 GHz ausgelegt ist.

3. Doppler-Radar-Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Länge (29) der strahlenden Kanten (18, 19) des Flächendipols (14) kleiner als deren Abstand voneinander ist, daß die Differenz zwischen der Länge des vierten Substrats (15) und dem Abstand der beiden strahlenden Kanten (18, 19) des Flächendipols (14) größer als 2 mm ist und daß die Dicke des vierten Substrats (15) größer als 3 mm ist.

4. Doppler-Radar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vierte elektrisch isolierende Substrat (15) auf der dem Flächendipol (14) gegenüberliegenden Seite eine dritte Massemetallisierung (16) aufweist, die mit der zweiten Massemetallisierung (12) elektrisch leitend verbunden ist.

5. Doppler-Radar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das vierte elektrisch isolierende Substrat (15) eine Kantenmetallisierung (20) aufweist.

6. Doppler-Radar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat (9) auf der Seite, auf der die Filterstrukturen aufgebracht sind, randseitig eine Mehrzahl von DC-Einkoppelpunkten (26, 27, 28) aufweist.

7. Doppler-Radar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Oberwellenfilteranordnung (2) aufweist:
einen HF-Triplatefilter (5), der zwischen der Schaltung (3) und der Antenne (1) angeschlossen ist und
drei NF-Triplatefilter (6, 7, 8) die jeweils einerseits an einen DC-Einkoppelpunkt (26, 27, 28) angeschlossen und ander­ seits mit der Schaltung (3) verbunden sind.

8. Doppler-Radar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat (9) und das dritte Substrat (10) je eine Kantenmetallisierung aufweisen.

9. Doppler-Radar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Multilayerplatine (13) eine Kantenmetallisierung (37) aufweist.

10. Doppler-Radar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß das erste Substrat (4) auf der Seite, auf der die Schaltung (3) aufgebracht ist, randseitig mindestens einen Massesteg aufweist, der eine seitliche Abstrahlung der Mikrowellenstrahlung verhindert.

11. Doppler-Radar-Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat (9) auf der Seite, auf der die Filterstrukturen aufgebracht sind, zwi­ schen den NF-Filterstrukturen und den DC-Einkoppelpunkten eine Mehrzahl von Massestegen aufweist, die eine seitliche Abstrahlung der Mikrowellenstrahlung verhindert.