带有双鳍部的雷达模块的制作方法

带有双鳍部的雷达模块
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年4月2日提交的德国专利申请10 2019 204 671.1的优先权，其全部内容通过引入方式并入本文。
技术领域
3.本发明涉及用于工厂监测和过程自动化的雷达测量技术。特别地，本发明涉及用于工厂监测的雷达模块、具有这类雷达模块的雷达测量装置以及雷达模块的用于填充物位测量、极限物位测量、物流自动化或制造自动化的用途。


背景技术：

4.雷达测量装置用于例如在填充物位测量领域、极限物位测量领域或物体识别领域的过程自动化，特别是监测工厂。
5.要发射的雷达信号由具有雷达信号源的雷达模块产生，并耦合到波导或天线中，然后从波导或天线向要监测的物体或产品的方向发射雷达信号。
6.为此，波导耦合结构的常见设计包括金属引脚、鳍部、贴片天线或类似结构。微波信号通常通过接合连接与承载板上的电路部件(例如，微带结构)连接。
7.这类雷达测量装置特别可被设计用于w波段或k波段频率。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种适用于工厂监测的替代雷达模块。
9.该目的通过独立权利要求的主题实现。本发明的改进示例在从属权利要求和以下实施例的说明中得出。
10.本发明的第一方面涉及一种被配置成用于工厂监测的雷达模块，其包括微波芯片。该微波芯片包括被配置为产生具有超过75ghz的频率的雷达信号的雷达信号源。它还包括连接到雷达信号源的耦合器(在下文中也可称为耦合元件)。
11.例如，工厂监测可以是填充物位或极限物位测量。雷达模块还可被配置为例如在危险区域监测的情况下监测机器的危险区域，检测甚至识别物体，或检测和计数传送带上的物体或确定传送带上的松散材料的质量流。
12.术语“过程自动化”可以理解为技术的一个子领域，其包含无人工参与的用于机器和工厂的操作的所有措施。相关工厂监测和过程自动化的一个目标是在化学、食品、制药、石油、造纸、水泥、航运或矿业领域中使工厂的各个部件的交互自动化。为此，可以使用大量的传感器，这些传感器特别适用于过程工业的诸如机械稳定性、对于污染物的不敏感性、极端温度、极端压力等特定要求。通常将这些传感器的测量值传送到控制室，在控制室中可以监测诸如填充物位、极限物位、流量、压力或密度等过程参数，并且可以手动或自动更改整个工厂的设置。
13.过程自动化的一个子领域涉及物流自动化。在物流自动化领域中，借助于距离传
感器和角度传感器使建筑物内或单个物流设备内的过程自动化。典型的应用是用于以下领域的物流自动化系统：机场的办理行李和货物托运处理领域、交通监控领域(收费系统)、贸易领域、包裹配送或还有建筑物安全(访问控制)领域。先前列出的示例的共同点在于，各个应用端都需要将存在检测与物体大小和位置的精确测量结合起来。为此，可以使用借助于激光、led、2d相机或3d相机的基于光学测量方法的传感器，这些传感器根据渡越时间原理(tof：time of flight)检测距离。
14.过程自动化的另一子领域涉及工厂/制造自动化。在诸如汽车制造业、食品制造业、制药业或一般包装行业等许多行业中，都可以见到这种应用示例。工厂自动化的目的是使通过机器、生产线和/或机器人执行的货物制造自动化，即，在没有人工参与的情况下运行。在此使用的传感器以及在检测物体的位置和大小时对于测量精度的特定要求与上述物流自动化示例中的传感器和特定要求相当。
15.在高频下的使用减小了天线和耦合器以及波导或天线耦合结构的整体尺寸，其中，耦合器是波导或天线耦合结构的一个部分。因此，雷达信号耦合结构的所有部件都可以直接集成在微波芯片上。
16.由微波芯片的雷达信号源产生的雷达信号直接从微波芯片耦合到波导或直接耦合到天线中。特别地，雷达信号源被配置为产生频率大于75ghz或大于150ghz的雷达信号，替代地产生频率大于200ghz，特别是大于240ghz的雷达信号。
17.根据一实施例，耦合器包括两个彼此相对布置并例如彼此镜像对称的鳍部。这两个鳍部将由雷达信号源产生的发射信号转换为电磁波，电磁波然后在波导或喇叭天线中传播。雷达信号源和鳍部之间的连接也在微波芯片中进行，使得在很大程度上避免了从雷达信号源(hf发生器)到线路并从线路到相应鳍部的干扰性过渡，从而减少了干扰反射。
18.根据一实施例，两个鳍部被配置为发射对称的雷达信号。
19.为了改善耦合特性，可以在耦合区域中设置一个或多个台阶部。
20.根据另一实施例，雷达模块具有包围两个鳍部的框架，使得该框架保护两个鳍部免受外部机械的影响。该框架用于连接到波导或直接连接到天线。作为微波芯片一部分的电介质可被设置在框架内部及其周围。在这种情况下，电介质例如是芯片的顶层。
21.根据另一实施例，两个鳍部被腔室(也可被称为谐振腔室)包围，该谐振腔室至少部分地填充有电介质。
22.根据另一实施例，腔室填充有大气气体。
23.根据另一实施例，耦合器是耦合引脚(einkoppelstift)或贴片天线。
24.根据另一实施例，耦合器和雷达信号源经由公共基板相互连接。基板为微波芯片的层。雷达信号源和耦合器之间的信号连接可被配置为具有尽可能小的衰减，从而尽可能少地影响雷达模块的灵敏度。由于没有提供用于将耦合器连接到雷达信号源的接合线，因此接合线的长度和位置的变化不会对雷达模块的性能产生负面影响。
25.根据另一实施例，雷达模块包括波导和/或天线。耦合器被配置为将雷达信号耦合到波导和/或天线中，其中，波导被配置为传递耦合的雷达信号。天线被配置为发射耦合的雷达信号并再次接收回波。
26.根据另一实施例，天线是喇叭天线，并可选地具有波导形式的连接件。
27.根据另一实施例，雷达模块被设计为产生具有超过200ghz的发射频率的雷达信
号。
28.根据另一实施例，谐振空腔的直径小于1.5mm。
29.另一方面涉及一种具有上述和下述雷达模块的雷达测量装置。
30.另一方面涉及上述和下述雷达模块的用于填充物位测量、极限物位测量、物流自动化或制造自动化的用途。
31.下面将参考附图说明实施例。附图中的图示是示意性的，且未按比例绘制。如果在以下的附图说明中使用相同的附图标记，则它们表示相同或相似的元件。
附图说明
32.图1示出根据一实施例的雷达模块。
33.图2示出图1的雷达模块的俯视图。
34.图3示出根据一实施例的雷达模块的立体图。
35.图4示出具有上述和下述雷达模块的雷达测量装置。
具体实施方式
36.图1示出根据一实施例的雷达测量装置的雷达模块100的一小部分。雷达模块用于过程自动化领域，特别是用于工厂监测。
37.该雷达模块包括微波芯片101，在该微波芯片上或中形成有雷达信号源102。设置有耦合器103，该耦合器例如是彼此相对布置的两个鳍部105、106的形式。雷达信号源通过与雷达信号源102连接的电连接件116与两个鳍部105中的一者连接。
38.芯片本身形成谐振空腔(resonanzraum)，该谐振空腔由金属框架107形成，并且耦合器103位于该谐振空腔的腔室中。框架用于将耦合结构连接到波导或直接连接到天线。
39.框架107和耦合器103/105至少基本上由金属制成，并例如至少部分地嵌入到微波芯片101的介电层中。介电层可以大约延伸到耦合器103的端面的高度或超过该高度，使得耦合器103完全嵌入到介电层中。
40.谐振空腔的横截面可被配置为宽度大于其深度的矩形，例如宽度约为深度的两倍。
41.台阶部109、110可设置在谐振空腔的两个较窄的侧面上(特别参见图2)，通过它们可以改善耦合特性。
42.图2示出图1的雷达模块的俯视图。第二鳍部106位于接地面115上，该接地面115导电地连接到框架107。
43.在相对布置的鳍部105、106之间存在可至少部分地填充有电介质的腔室108。
44.图3示出雷达模块100的另一实施例，其中，框架107的底部被设计为窄于框架107的上部区域。在下部区域中，框架的相对的较长侧面上设置有凹槽。与第一鳍部105连接的电连接件116穿过其中一个凹槽。
45.图3示出微波芯片101的三个层。附图标记111表示介电层，在介电层上方和下方分别是金属层112、113。可以在金属层113的上方设置另一介电层，该另一介电层例如形成到虚线114，使得框架107从其突出。
46.另一波导连接到该框架107，或者天线直接连接到该框架。
47.由于雷达信号的高频率(大于75ghz)，双鳍部的机械设计非常的小，以至于可以很容易地将其集成到微波芯片中。
48.借助于两个镜像对称地相对布置的鳍部105、106，雷达信号通过谐振空腔108馈送到波导或天线中。因此，电磁波从一开始就被对称地释放到波导或喇叭天线中，且未被吸收。
49.通过在两个鳍部周围的谐振空腔108中填充适用于微波的电介质，该装置的机械设计由于所产生的(物理的、波的)缩短因子而减小，从而可以相应地节省芯片上的空间并因此节省成本。
50.由于集成在芯片上，芯片和双鳍部之间不需要芯片外部的连接线路。因此避免了反射，由此可以改进雷达模块的所谓的振铃行为并可以节省成本。
51.在高频下的使用减小了波导耦合结构或天线耦合结构的机械元件的尺寸，以至于它们可以直接集成到微波芯片中。
52.双鳍部可以像芯片生产过程中的芯片的其他元件一样，通过相应地布置铜和电介质来构建。在这种情况下，两个鳍部之间的空间可以留有空气或填充电介质。至于两个变形例中的哪一者是优选的，可取决于被馈送的天线的类型，例如，电介质导体或是未填充的喇叭。
53.图4示出了具有上述雷达模块100和与其连接的喇叭天线401的雷达测量装置400。
54.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。