在高于75千兆赫兹的频率上进行料位测量的高频模块的制作方法

专利名称：在高于75千兆赫兹的频率上进行料位测量的高频模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及料位测量。具体地，本发明涉及一种用于在高于75千兆赫兹(GHz) 的频率上进行料位测量的高频模块；一种具有高频模块的料位雷达；以及一种用于操作具 有高频模块的料位传感器的方法。
背景技术：
在料位测量中使用高频率具有许多优点。例如，这样可以使传感器的部件较小。
在高频范围内的料位测量中有三个不同的频带。第一个是所谓的C带，其范围 在4GHz到8GHz ;K带，其范围在18GHz到27GHz ;以及所谓的W带，其范围大约在75GHz到 llOGHz。 与其它频带相比，W带的高频可能要求在高频(HF)模块的构造方面有特别的设计 技术，该设计技术在C带和K带的频率上可能不是必要的。 在工作在C带或K带中的料位雷达器件的电子模块(所谓的雷达前端)中，可以 使用单独封装的高频部件(HF部件)，而一般地说，到目前为止在W频带中只使用不封装的 部件。原因是，在W带的高频情况下，部件外壳的寄生效应会非常显著地妨碍该高频部件的 功能，并且也妨碍单片微波集成电路(匪IC)的功能。

发明内容
阐述了根据独立权利要求的特征的用于料位测量的高频模块、料位雷达以及操作
料位传感器的方法。此外，在从属权利要求中，阐述了本发明的进一步的实施例。 所描述的示例性实施例同样地涉及该高频模块、料位雷达和方法。换言之，下文中
提到的与该高频模块相关的特性也能够在该方法或该料位雷达中实现，反之亦然。 根据本发明的一个示例性实施例，阐述了一种用于料位测量并且在高于75GHz的
频率上使用，具体说在W带中的频率上使用的高频模块。该高频模块包括微波半导体形式
的芯片(也称作微波开关电路、微波IC、匪IC、或高频部件)、印刷电路板以及该高频模块、
具体说是该微波半导体的外壳，该外壳导电地接合(例如粘合)在该印刷电路板上，使得该
外壳导电地附连在该印刷电路板上。该外壳不仅用于该微波半导体，而是用于整个HF电路。 将高频外壳或HF盖子直接接合和/或夹在印刷电路板上可以避免使用在铣过的 外壳中安装所述微波半导体器件这种比较昂贵的做法。可以使用总体印刷电路板作为复合 印刷电路板(例如FR4/特氟隆(Teflon))或者多层印刷电路板，以代替使用陶瓷上的单独的电路部件。 在这种布置中，复合印刷电路板被认为是多层印刷电路板的特殊情况。 一般地说，多层印刷电路板包括相同的材料(通常是FR4)的若干层。在复合印刷电路板中，至少有一层包含某种其它材料，例如，特氟隆或特氟隆/陶瓷混合物。 为了将外壳接合到印刷电路板上，例如使用导电硅。不需要进行滚缝焊接或激光焊接来密封外壳，因为不要求外壳是气密的。不需要在外壳中填充惰性气体。于是，就能便宜地、简单地和较省力地制造高频模块。 根据本发明的另一示例性实施例，利用锌的压铸方法或镀金属塑料来制造外壳。于是，能够降低制造成本。 由于外壳不需要是气密的，所以，可以不使用密封的玻璃导出体(leadthrough)，而是利用通常的SMD连接器从外壳的内部向外部引出微波半导体的连接或用于控制HF模块或向其供电的线。 通过印刷电路板中的波导耦合将信号线(微波信号)引到外部。所有其它的用于控制HF模块或向其供电的线则通过连接器(在这种情况下为SMD连接器)引出。例如将连接器安置在印刷电路板的背面，换言之，不在HF外壳的下方。HF外壳自身接合到印刷电路板上以便成为气密的。因此，不再需要现有技术中波导去耦合或控制线和电源线所需要的玻璃窗口或玻璃导出体。 也可以不再需要对微波半导体进行封装。 根据本发明的另一示例性实施例，外壳包括一个或若干集成的隔离器来屏蔽电磁辐射，该隔离器(也称作隔离器单元)也是由金属制成的。 例如，将隔离器和外壳设计成一体。也可以将隔离器接合到外壳，或以其它方式附连到外壳。 根据本发明的另一示例性实施例，外壳(如果除了集成的金属隔离器外还可应用的话)包括一个或若干用于屏蔽电磁辐射的隔离器，该隔离器由衰减材料制成或包含衰减材料。 根据本发明的另一示例性实施例，高频模块用于以脉冲工作方式向微波半导体提供电压。 这样，微波半导体的能量消耗以及由此从微波半导体器件向环境转移的热量可以被减少。 应该注意，对于本示例性实施例以及对于下面要阐述的示例性实施例来说，所描述的外壳可以不是必要的。如果不需要外壳提供保护的话，也可以在没有外壳的情况下使用微波半导体。 根据本发明的另一示例性实施例，将高频模块设计为使得在脉冲工作中，在微波半导体的接通过程中，先向微波半导体器件施加负供电电压，然后再施加正供电电压。而在微波半导体器件的关断过程中，首先关断正供电电压，然后关断负供电电压。
根据本发明的另一示例性实施例，将微波半导体器件置于印刷电路板上。
例如，将微波半导体器件直接接合到印刷电路板。 根据本发明的另一示例性实施例，高频模块包括设置于微波半导体器件和印刷电路板之间的金属化层。在这种情形中，微波半导体器件不是直接被置于印刷电路板上，而是
5被置于印刷电路板上的金属化层上。 根据本发明的另一示例性实施例，在印刷电路板上提供信号线，该信号线连接到微波半导体。通过该信号线，微波半导体被连接到外壳的外部，换言之，被连接到外壳的周围环境中。 根据本发明的另一示例性实施例，印刷电路板被设计成具有若干层的复合印刷电路板。 根据本发明的另一示例性实施例，高频模块由用于料位测量的雷达传感器使用。具体说，高频模块用于脉冲雷达工作。 根据本发明的另一示例性实施例，阐述了具有上述高频模块的料位雷达。 根据本发明的另一示例性实施例，阐述了用于操作具有上述高频模块的料位传感
器的方法，其中，以脉冲工作方式为高频模块中的微波半导体提供电压。 根据本发明的另一示例性实施例，在脉冲式工作的每个周期中进行脉冲式工作的方法包括施加供电电压的过程和关断供电电压的过程。当施加电压时，先向微波半导体提供负供电电压，然后提供正供电电压，以便在脉冲工作的周期中接通微波半导体。在关断过程中，首先关断正供电电压，然后关断负供电电压，以便在脉冲工作周期中关断微波半导体。 下面将参考附图来描述本发明的示例性实施例。


图1示出了高频模块的图解剖面 图2示出了另一个高频模块的图解剖面图； 图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的高频模块的剖面图； 图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的供电电压的与时间相关的切换的
图示； 图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的高频模块的框 图6示出了另一个高频模块的剖面图； 图7示出了根据本发明的另一个示例性实施例的高频模块的剖面 图8示出了根据本发明的一个示例性实施例的料位雷达；
图9示出了根据本发明的一个示例性实施例的方法的流程图。
具体实施例方式图中所示是概略性的，没有按比例画出。 在下面对图的描述中，使用同一附图标记来指示相同或相似的单元。 图1示出了包含被置于基板107(例如由陶瓷材料制成)上的微波半导体(芯
片)301的高频模块的剖面图。在基板107和芯片301之间有金属层303。 芯片301通过接合线307、308与延伸的信号线104或101相连。通过相应的通孔
镀体(through hole plating) 102、105，信号线101、104穿过基板107，然后在基板的背面
继续延伸(参见附图标记304、106)。 此外，在芯片301的下方提供通孔镀体306，通孔镀体306与基板背面上的大面积金属连接体(metallic mass connection) 305连接。这些通孔镀体用于导走热量。 金属接触304、106的目的是焊接到印刷电路板(未示出)上。 此外，提供外壳103，该外壳接合到基板107上以便被密封。接合连接体710、 108
用于接合。 通过若干穿过基板的通孔镀体来确保从印刷电路板到芯片的大面积连接。类似地，通过通孔镀体将信号线引到外部。最后，通过将部件焊接到印刷电路板上来安装该部件。 然而，或许不能在W带的频率上应用这种封装技术和连接技术。如果使用的话，部件外壳自身以及穿过基板的引导信号线会导致非常显著的寄生效应，例如衰减和失配。所以，在W带中，通过短接合线将不带外壳的芯片直接与印刷电路板上的信号线连接(参见图2)。 图2示出了在例如W带中使用的高频模块的剖面图。微波半导体或芯片301被置于印刷电路板302上的凹陷200中。芯片301通过接合线307、308与相应的信号线309、304连接。印刷电路板302是HF印刷电路板。 此外，在印刷电路板的背面提供由例如铜制成的金属化层201 (大面积层)。
将HF印刷电路板的经金属化的背面置于用于散热的金属层202上，因此，该金属层用作吸热装置。 换言之，芯片301就这样被置于例如从印刷电路板上铣出的腔中。
针对W带的微波半导体例如由半导体材料砷化镓(GaAs)制成，因为GaAs具有较高的可达到的极限频率，它非常适合于毫米波范围的应用。然而，与其它半导体材料(诸如硅)相比，由GaAs制成的高频部件的不利之处在于功率消耗和功率耗散较大。即使没有输入信号时，芯片也消耗功率并以必须耗散掉的热量的形式产生耗散功率。为此，芯片通常直接接合在作为吸热装置的金属层上，该金属层一方面确保了与芯片的背面有良好的大面积电连接，另一方面用于散热。然而，这种设计技术与例如料位雷达传感器的K带模块中所使用的常规的SMD安装技术相比是非常昂贵的。 因此，或许有必要在印刷电路板中精心地铣出空腔，或者需要由接合到金属外壳中的若干较小的印刷电路板构成电路，其中将芯片置于该外壳之间。 图3示出了用于W带的没有吸热装置的高频模块300。在这种布置中，芯片301被置于印刷电路板302上的金属化层303上。通过接合线307、308将芯片与信号线309、304连接。信号线309、304与芯片301处于印刷电路板302同一侧。不需要为信号线设置通孔镀体。 印刷电路板302为例如多层印刷电路板。 在印刷电路板302的背面有例如铜层的金属化层作为大面积层305。在芯片的下方提供通孔镀体306，以用于芯片的大面积连接。 可以用于料位传感器的脉冲雷达方法的优点在于，只需要在出现雷达脉冲的时间点接通对发送或接收脉冲进行处理的半导体部件。在所有其它时刻，可以将微波半导体器件的供电电压关断。 这个方法的结果是，芯片的平均功率消耗以及因此导致的平均耗散功率显著地减小了。考虑到双导体能力(two-conductor c即ability)，即为传感器提供4-20mA的电流，雷达模块的平均功率消耗的减小是所希望的。 在脉冲式工作的情况下，需要通过吸热装置耗散掉的所产生的热量也可以减少。
通过脉冲雷达的导通时长与周期时长的特定比值(有脉冲-暂停比或占空比)，在脉冲式工
作中，HF半导体可以完全不用吸热装置。该比值取决于，例如，印刷电路板的热导率和所使
用的接合剂的热导率、所获得的电功率、半导体的效率、以及芯片面积自身。 由于能够不使用吸热装置，印刷电路板的设计可以被大大简化，并且可以更经济
地实现。微波半导体直接接合在HF印刷电路板上(所谓的板上芯片安装)。芯片下方的
通孔镀体确保了从HF印刷电路板的大面积层到芯片下方的金属区域的良好的大面积电连
接。特别地，这样还不需要HF印刷电路板上有任何凹陷或空腔。 在板上芯片技术中，还使用短接合线307、308来实现从印刷电路板上的信号线到
芯片的连接。这种设计技术对微波半导体的HF特性没有显著的不利影响。 下面，利用United Monolithic Semiconductors (UMS)的W带倍频器芯片CHU3377
为例来详细描述微波半导体的脉冲电压供电。这是一种砷化镓芯片，它将12. 67GHz到
12. 83GHz频率范围的输入信号倍频为76GHz到77GHz的输出频率。同时，还利用该部件放
大W频带的输出信号。 应该注意，根据本发明的高频模块可以用于75GHz以上的频率，例如，用于W带中的频率，特别地，用于79GHz的频率。类似地，高频模块也可以用于较低频率，例如，用于约26GHz的频率。 图4示出了根据本发明的示例性实施例的使用以脉冲式工作的W带倍频器匪ICCHU 3377的供电电压随时间的变化。水平轴401示出了时间变化，单位为10纳秒/单位刻度(ns/div)，因此，范围为从0纳秒到100纳秒。 垂直轴402示出了电压，单位为2V/单位刻度，因此范围为从-8V到+8V。
附图标记403示出了电压零点。曲线404示出了脉冲信号(PRF)，曲线405示出了正供电电压，曲线407示出了负供电电压，而曲线406示出了用于脉冲生成器的控制信号。
该图示出了正的电压供电在负的电压供电接通之后接通，而在负的电压供电断开之前断开。 该倍频器需要两个直流供电。 一个电压在+4.5V左右，而另一个电压在-4.5V左右。通过施加这两个供电电压，芯片上的所有晶体管都被置于其工作点(所谓的片上自偏置(on-chip self-biasing))。应该注意，负的供电电压必须总是在正的供电电压之前施加。否则会由于吸收过多的电流而毁坏该芯片。相应地，在关断过程中，在断开负电压之前必须首先断开正电压。在图4的情形中，负供电电压接通约30纳秒。正供电在约2到3纳秒之后，并总共施加了约10纳秒。 在连续波(CW)信号工作中，该芯片的功率消耗在该正供电电压下约为900mW，而在该负供电电压下约为45mW。脉冲式工作的结果是，在该正供电下的平均功率消耗能够减小到约50mW，而在负供电下则减小到约6mW。 图5示出了根据本发明的示例性实施例的具有脉冲发生器503和具有脉冲供电电压的倍频器301的W带发射分支的框图。由控制单元502将PRF(Tx)信号501脉冲化并对PRF(Tx)信号501进行时间控制。具体说，通过线510将控制信号406(参见图4)发送到脉冲发生器503。然后，脉冲发生器503所产生的信号通过带通滤波器504，之后被发送到倍频器301。类似地，控制单元502产生负供电电压和正供电电压，将这些供电电压通过线508或509传输到倍频器301。然后，将倍频器301中所产生的信号传递到带通滤波器506，之后，将其例如耦合到圆形波导507中。 图6示出了具有外壳的高频模块。该外壳包括顶部701以及右侧部分和左侧部分703、702，其中右侧部分和左侧部分703、702通过焊接连接604焊接到顶部701。外壳内的空间充满惰性气体。该外壳是气密的。将信号线304通过焊入的玻璃引出体601、602从外壳中引出。 下部603也构成了金属外壳的一部分。因此，具有嵌入凹腔中的芯片301的整个印刷电路板被设置于气密的外壳中。此外，可以提供用于内部屏蔽的隔离器706，也可以在外壳的内部上方提供衰减材料707。 为了屏蔽和为了免受外部影B向，HF模块的印刷电路板被安装在外壳中。芯片301(例如，被置于印刷电路板的凹腔中)在印刷电路板中直接接合在金属外壳底部603上。同时，该金属外壳底部也用作吸热装置。通过滚缝焊接或激光焊接气密地密封外壳盖子
701。 为了防止腐蚀，该外壳的内部充满惰性气体。只能通过焊入的玻璃引出体来实现到外部的电连接，这种方式是精细的，因而制造起来比较昂贵。可以使用具有与焊入的玻璃引出体相同的热膨胀特性的合金作为外壳材料。因此，多数时候可以使用可伐(Kovar)或因瓦(Invar)合金作为外壳材料。 外壳内部的隔离器706用来使各种开关部件彼此屏蔽。在外壳盖子上内部接合的衰减材料707用来抑制外壳共振。这种外壳相对比较复杂，要求使用特殊材料、部件和技术，因此，不能经济地制造。 图7示出了根据本发明的示例性实施例的具有外壳的高频模块。 微波半导体301包括使其免受环境影响的钝化部分。在许多应用情形中，该钝化
部分能提供足够的保护。不需要对外壳进行气密密封，也不需要充入惰性气氛。此外，不需
要提供吸热装置，从而可以很大程度上更加简单从而也更加经济地实现外壳设计。 具体说，通过导电粘合材料710、711将具有侧壁702、703、704、705的金属盖子701
直接接合到印刷电路板302上。在这种布置中，可以将印刷电路板很好地设计成包含若干
不同层的复合印刷电路板，即所谓的多层印刷电路板。在这种设计中，不需要进行滚缝焊接
或激光焊接来封闭外壳。 该外壳盖子可以做成单片，或者可以由若干单独的片制成(顶部701和侧面部分
702、 704、703、705)。由于成本的原因，盖子不做成铣件，而是可以做成锌压铸件或由镀金属塑料材料制成。 此外，提供内部隔离器706，用来在外壳内提供屏蔽。这些隔离器可以事先集成在盖子中，因此也可以设计成金属的。另一种选择包括，以与顶部区域707中的衰减材料同样的衰减材料来设计内部隔离部件706。此外，可以提供金属隔离器或者包含衰减材料的隔离器。 因此库存中只需要保留一种空白的外壳用于各种印刷电路板。通过不同的插入部件(隔离器)或不同的衰减材料填入方式连同随后的硬化处理来实现针对不同的印刷电路板的各种样式的外壳。通过印刷电路板中的通孔镀体实现到外部的电连接，以取代通过玻璃引出体来实现到外部的电连接，这些通孔镀体依次与SMD连接器连接。
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在图7所示的示例性实施例中，印刷电路板302的背面也包含金属层708。
可以将(可弯曲的)隔离器706压到印刷电路板上；这些隔离器不穿过印刷电路板(如图6中的示例性实施例的情况)。 图8示出了根据本发明的一个示例性实施例的料位雷达。料位雷达801包括高频模块300、700。高频模块所产生的雷达信号803朝物料表面804的方向发射，并由物料表面反射。所产生的反射信号805由料位雷达的天线806接收，随后对其进行评估。该料位雷达例如被安装在容器802中。 图9示出了一种方法的流程图，其中在步骤900中开始料位测量。在步骤901中将负供电电压施加到微波半导体，然后在步骤902中将正供电电压施加到微波半导体。在步骤903中断开正供电电压，然后在步骤904中断开负供电电压。之后，重新开始执行步骤901(参见步骤905)。这样，实现了微波半导体器件的电压供电的脉冲工作。在获得的各种读数之后关断传感器(参见步骤906)。 另外，应该指出，"包含"并不排除其它元件或步骤，单称并不排除复指。此外，应该指出，参考上述示例性实施例之一描述的特性或步骤也可以与以上所述的其它示例性实施例中的其它特性或步骤结合使用。权利要求书中的附图标记不应该被理解为是限制。
权利要求
一种用于在高于75GHz的频率上进行料位测量的高频模块，所述高频模块包括至少一个微波半导体(301)；印刷电路板(302)；所述高频模块的外壳(701、702、703、704、705)，该外壳(701、702、703、704、705)导电地接合到所述印刷电路板(302)。
2. 根据权利要求l所述的高频模块，其中 利用锌压铸方法制造所述外壳(701、702、703、704、705)。
3. 根据权利要求l所述的高频模块，其中利用塑料注塑方法制造所述外壳(701、702、703、704、705)并对其进行金属化。
4. 根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述的高频模块，其中所述外壳(701、 702、703、704、705)包括集成的隔离单元(706)以屏蔽电磁辐射，该隔离单元(706)也由金 属制成。
5. 根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述的高频模块，其中所述外壳(701、 702、703、704、705)包括隔离单元(706)以屏蔽电磁辐射，该隔离元件(706)包含衰减材料。
6. 根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述的高频模块，其中所述高频模块以脉 冲工作方式向所述微波半导体(301)提供电压。
7. 根据权利要求6所述的高频模块，其中在脉冲工作中，在接通过程中，先向所述微波半导体(301)提供负供电电压然后提供 正供电电压；以及在关断过程中，先关断所述正供电电压然后关断所述负供电电压。
8. 根据权利要求6或7所述的高频模块，其中 将所述微波半导体(301)置于所述印刷电路板(302)上。
9. 根据权利要求6到8中的任何一个权利要求所述的高频模块，其中 所述微波半导体器件(301)直接接合到所述印刷电路板(302)。
10. 根据权利要求8或9中的一个权利要求所述的高频模块，还包括 设置于所述微波半导体(301)和所述印刷电路板(302)之间的金属化层(303)。
11. 根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述的高频模块，还包括 所述印刷电路板(302)上的至少一个信号线(304)，该信号线(304)连接到所述微波半导体(301)。
12. 根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述的高频模块，其中所述印刷电路板 为多层印刷电路板。
13. 根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述的高频模块，其中所述高频模块由 用于料位测量的雷达传感器使用。
14. 具有根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述的高频模块的料位雷达。
15. —种对具有根据权利要求1到13中的任何一个权利要求所述的高频模块的料位传 感器进行操作的方法，所述方法包括以下步骤以脉冲工作方式向所述微波半导体(301)提供电压。
16. 根据权利要求15所述的方法，还包括以下步骤先向所述微波半导体(301)提供负供电电压，然后提供正供电电压，以便在脉冲工作周期中接通所述微波半导体；以及先关断所述正供电电压，然后关断所述负供电电压，以便在所述脉冲工作周期中关断 所述微波半导体。
全文摘要
一种用于在高于75千兆赫兹(GHz)的频率上进行料位测量的高频模块。根据本发明的一个示例性实施例，提出了一种用于料位测量并且在高于75GHz的频率上使用的高频模块，该高频模块包括微波半导体、印刷电路板和接合到所述印刷电路板的外壳。为了减小所需要的功率，所述微波半导体以脉冲方式工作。
文档编号G01F23/284GK101726342SQ200910205429
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月23日 优先权日2008年10月29日
发明者丹尼尔·舒尔特海斯, 米夏埃尔·菲舍尔 申请人:Vega格里沙贝两合公司