Компактный антенный модуль на LTCC-керамике Ка-диапазона

Введение

В связи с развитием высокоскоростных беспроводных систем связи среди компаний-изготовителей наблюдается тенденция к повышению функциональности, производительности и надежности устройств, а также к достижению эффективной связи между различными компонентами, что выражается в уменьшении габаритов и интеграции компонентов, как активных, так и пассивных, на одной многослойной плате. Благодаря успехам в области проектирования микроэлектронных устройств приемо-передающие модули или их элементы могут быть реализованы в интегральном исполнении в виде управляющего кристалла (core chip). В результате традиционная конструкция активной фазированной антенной решетки (АФАР), включающая антенное полотно и систему приемо-передающих модулей, все чаще реализуется в виде компактного антенного модуля, объединяющего на одной многослойной плате решетку излучателей с интегрированными устройствами управления сигналом. Использование многослойных структур позволяет повысить скорость передачи данных между составными частями модуля, эффективно организовать теплоотвод и упростить процесс изготовления, так как готовая монолитная структура содержит все необходимые компоненты и практически не требует дополнительного монтажа. Антенную решетку изготавливают в виде массива печатных излучателей, что позволяет получить планарную компактную конструкцию — это особенно важно для диапазона высоких частот, который активно осваивается благодаря возможности увеличения плотности потока передачи данных.

В большинстве случаев антенные модули на многослойных структурах реализуются на основе полупроводниковой технологии или на органических и керамических подложках. Системы на основе полупроводниковой технологии Si или SiGe применяются, как правило, для высоких рабочих частот, где СВЧ-потери при переходе с кристалла управления на печатную плату становятся критичными и оправдывают использование дорогостоящей технологии [1]. Наиболее распространенной технологией для изготовления многослойных антенных модулей в области связи, в том числе и для космических применений, в настоящий момент является технология низкотемпературной керамики LTCC [2]. Керамика низкотемпературного обжига обрела популярность вследствие ряда преимуществ по сравнению с обычными органическими материалами для печатных плат и керамикой высокотемпературного обжига. Во‑первых, благодаря тому, что спекание слоев керамики происходит при температуре ниже +1000 °C, для таких структур используются легкоплавкие металлы, обладающие высокой проводимостью, как, например, серебро и золото [3]. Проводимость металла сигнальных линий оказывает критическое влияние на уровень потерь с повышением рабочей частоты для СВЧ-тракта. Во‑вторых, коэффициент температурного расширения (КТР) LTCC близок к КТР кристаллов, что обеспечивает их надежную интеграцию на керамическую подложку. При этом LTCC может функционировать в широком диапазоне температур [4]. Более того, теплопроводность низкотемпературной керамики в несколько раз выше, чем у традиционных печатных плат, что является важным фактором для осуществления теплоотвода, в особенности с повышением частоты, когда размеры устройства значительно сокращаются, а плотность сигнальных линий повышается [5]. В‑третьих, низкотемпературная керамика отличается высоким показателем преломления и низкими диэлектрическими потерями. Высокий показатель преломления позволяет уменьшить габариты устройства. Однако ширина полосы пропускания уменьшается с ростом ε, что может затруднить разработку широкополосных устройств на LTCC, хотя данное ограничение удается преодолеть с помощью некоторых конструкционных решений [6]. Существующие многочисленные примеры реализованных устройств на основе LTCC выполнены для широкого диапазона частот вплоть до 270 ГГц [7]. Все вышеперечисленные особенности, а также нечувствительность керамики к радиационному излучению делают LTCC-керамику основным претендентом для перспективных космических применений.

Многослойная СВЧ-плата для антенного модуля

Компанией ООО «Базовые технологии» была проведена работа по созданию многослойной СВЧ-платы для антенного модуля Ка-диапазона для перспективных систем спутниковой связи. В качестве материала подложки была выбрана низкотемпературная совместно-обжигаемая керамика производства АО «НПП «Исток» им. Шокина».

Система представляет собой многослойную печатную плату, на которой располагается антенная решетка и интегрируется кристалл управления, как показано на рис. 1–2. Отличительной особенностью модуля является его компактность и возможность получения антенной решетки любого размера с помощью расположения необходимого количества устройств вплотную друг к другу, как показано на рис. 3. Благодаря совместимости модулей можно расширять антенную решетку для достижения необходимого уровня усиления. Контактные площадки для управления кристаллом находятся на специальной рамке на обратной стороне платы. Предполагается производить соединение контактных площадок с платой управления посредством BGA-пайки. Посадочные места под кристалл расположены в нишах для более удобной распайки выводов. Модуль состоит из десяти слоев керамики, пять из которых относятся к рамке, и одиннадцати слоев металлизации. Габаритные размеры модуля 32×32×2,5 мм.

Рис. 1. Лицевая сторона модели антенного модуля

Рис. 2. Обратная сторона антенного модуля, на которой расположены кристаллы управления в нишах, керамическая рамка, контакты для управления кристаллом, СВЧ-выходы с антенной подрешетки

Рис. 3. Иллюстрация принципа расширения антенной решетки за счет увеличения количества модулей

Антенная решетка модуля размером 4×4 излучателей состоит из четырех подрешеток размером 2×2, каждая из них должна управляться отдельным кристаллом. Одиночный излучатель выполнен в виде прямоугольной патч-антенны. Печатные излучатели прямоугольной формы наиболее часто используются для Ка-диапазона, особенно когда габариты и масса антенной решетки жестко ограничены [8]. Возбуждение каждого излучателя происходит через апертурную связь, СВЧ-мощность подводится по микрополосковой линии c импедансом 50 Ом. Сигнал с каждой из четырех подрешеток выводится на один СВЧ-выход с помощью системы деления, как показано на рис. 4. Микрополосковая линия ограничена по бокам межслойными соединениями (ground vias) для предотвращения паразитных возбуждений. С помощью системы межслойных переходов сигнал выводится на обратную сторону платы к выводам кристалла.

Рис. 4. Схематичное изображение системы деления для подрешетки размером 2×2

Для проверки характеристик отдельной антенной подрешетки был изготовлен макет, как показано на рис. 5, где СВЧ-сигнал выводится на обратную сторону многослойной платы к SMPM-соединителю для приема/передачи ВЧ сигнала. Макет был изготовлен на предприятии АО «НПП «Исток» им. Шокина» на основе керамики российского производства. Наряду с наиболее крупными зарубежными производителями низкотемпературных керамик Dupont и Ferro, предоставляющими широкие линейки материалов для различных частотных диапазонов [9, 10], российское предприятие АО «НПП «Исток» предлагает решение по импортозамещению низкотемпературной керамики, представив материал собственного производства «пленка СКМ». Параметры пленки СКМ и используемых паст максимально приближены к параметрам Dupont 951, ранее применявшегося на предприятии. Данную керамику рекомендуется использовать для частот до 60 ГГц. Толщина сырых слоев пленки СКМ составляла 250 мкм, толщина металлизации — 10 мкм. Для металлизации использовались пасты на основе серебра.

Рис. 5. Макет многослойной СВЧ-платы на LTCC

Результаты измерений диаграммы направленности и согласования антенной подрешетки приведены на рис. 6–7. Антенная решетка формирует диаграмму направленности, характерную для массива из четырех излучателей, с максимальным усилением 10,35 дБи на частоте 32 ГГц. Измеренный коэффициент отражения S11 на частоте 32 ГГц составляет –13 дБ.

Рис. 6. Измеренная диаграмма направленности антенной подрешетки размером

Рис. 7. Измеренный КСВН антенной подрешетки размером 2×2

Выводы

Развитие микроэлектроники и высокоскоростных беспроводных систем связи позволило значительно повысить скорость передачи данных, снизить потери и увеличить функциональность и надежность приемо-передающих устройств благодаря появлению антенных модулей с интегрированными системами управления сигналом. Одной из самых распространенных технологий для создания многослойных антенных модулей является низкотемпературная совместно-обжигаемая керамика, позволяющая легко и надежно интегрировать в платы полупроводниковые устройства. В статье представлен макет антенного модуля Ка-диапазона на основе низкотемпературной керамики российского производства и продемонстрирована работа антенной части. Данный модуль может быть модифицирован под конкретный кристалл и работать как антенная фазированная решетка для перспективных космических применений.