Форм-фактор радиочастотных компонентов. Часть 2

Все статьи цикла.

Форм-факторы СВЧ ИС (Circuit Package)

Ряд компаний предлагает на рынке корпуса для СВЧ-компонентов. Кроме ранее упомянутых компаний, в группу таких производителей входит российское предприятие АО «Завод «МАРС» — производитель металлостеклянных корпусов, металлокерамических корпусов, проходных изоляторов.

Разработчиками корпусов для СВЧ-компонентов являются компании:

• Century Seals;
• Inseto.

Однокристальные компоненты SCP

Однокристальные компоненты SCP, называемые также одночиповыми корпусами, однокристальными модулями, однокристальными интегральными модулями, представляют собой корпусированный элемент, содержащий одно микроэлектронное устройство, с поддержкой его электрических, механических, температурных и химических характеристик.

Однокристальные компоненты (Single chip package) — это основные ИС компоненты, которые устанавливаются на платы системного уровня во всех электронных системах [16]. Такая корпусированная ИС может содержать миллионы транзисторов или ряд интегральных схем. ИС изготовлены из пластмассы для получения низкой стоимости или выполняются с применением керамики для достижения высоких тепловых характеристик и надежности.

Современная тенденция к миниатюризации компонентов и реализации портативных устройств электронных систем приводит к тому, что однокристальные модули устанавливаются в корпуса, в которых для создания соединения может использоваться любая часть площади поверхности микросхемы, а не только по внешнему периметру (Area Array Packaging). К ним относятся ИС с массивом шариков на нижней стороне подложки BGA (Ball Grid Array) или корпуса с размерами кристалла CSP (Chip Scale Package).

 Компоненты в плоском корпусе FPAK

Компоненты в плоском корпусе FPAK (Flat Pack) представляет собой тип корпусирования, в котором выводы находятся в плоскости, параллельной поверхности крепления подложки. Наиболее употребляемые плоские корпуса варьируются от узкого с шириной 0,25 дюймов (6,35 мм) до длинного с шириной свыше 2 дюймов (50,8 мм). Корпуса изготавливаются размером до 4 кв. дюймов более чем с 350 выводами. Такие обычно прямоугольные или квадратные корпуса имеют толщину стенки 0,04 дюйма (1 мм) или больше.

Компоненты в плоском корпусе могут быть отнесены в одну из следующих групп:

• Однокомпонентный (цельный) плоский копус (One-piece flatpack) — это тип плоского корпуса, в котором тело формируется из одного куска металла в процессе, называемом глубокой вытяжкой (deep drawing). В результате получается тело без пайки или швов. Толщина основания первоначально соответствует толщине стенок, но может быть уменьшена путем шлифования после того, как тело сформировано.
• В составном или многокомпонентном плоском корпусе (Multi-piece flatpack) кольцевая рама (четыре стены) формируется путем глубокой вытяжки. Дно отдельно штампуется из плоского материала. Кольцевая рама и днище изготовлены из металла того же типа. Во время сборки днище и кольцевая рама соединяются вместе с использованием процесса пайки.
• Специальный плоский корпус (Special flatpack) может быть цельным или составным корпусом, который имеет одну или несколько специальных характеристик, например, таких как:
• расширенное днище;
• отсутствие днища;
• специальный соединитель (Special connector);
• волоконно-оптические порты (трубки) Fiber optic ports (tubes);
• необычное формирование выводов (Unusual lead forming);
• различный материал для изготовления рамки кольца и днища.

Компоненты и интегральные схемы в плоском корпусе FPAK размещаются в корпусах различного размера с выводами на двух или четырех сторонах (рис. 11) В этих корпусах применяются выводы типа «крыло чайки» (Gullwing Leads) или плоские выводы, установленные со стандартными интервалами. Следует упомянуть широко распространенные у РЧ-компонентов квадратные плоские безвыводноые корпуса QFN (Quad Flat No Leads), у которых выводы загнуты под корпус, что уменьшает площадь, занимаемую компонентом на плате. Корпуса с расстоянием между выводами (шагом) меньше 50 мил (1,27 мм) принято относить к компонентам с мелким шагом (Fine Pitch Packages).

Рис. 11. Компоненты в плоском корпусе FPAK

Компоненты в плоском корпусе имеют очень хорошие тепловые и электрические характеристики. Компоненты доступны в корпусах типа «полость сверху» (cavity-up), где кристалл монтируется со стороны выводов — на «дне» корпуса, и в корпусах типа «полость снизу» (cavity-down) (рис. 12). Корпус второго типа, в котором кристалл размещается со стороны, противоположной стороне выводов, то есть на его верхней части, отличается от традиционного корпуса «полость сверху» улучшенными тепловыми характеристиками и устойчивостью к изгибу печатной платы. Плоские корпуса компонентов обычно являются керамическими, герметичными и монтируемыми на поверхности.

Рис. 12. Выпускаемые компанией AMETEK ECP плоские корпуса FPAK для СВЧ-компонентов

Керамические корпуса (Ceramic)

В РЧ-компонентах с использованием керамических корпусов (рис. 13) обеспечивается эффективная защита кристаллов интегральных микросхем от влияния внешней среды, отведения тепла от кристалла, имеются надежные электрические связи между кристаллом и выводами, что позволяет гарантировать надежность и долговечность аппаратуры. Керамические корпуса предназначены для использования в составе гражданской и военной техники различного назначения.

Рис. 13. Примеры РЧ-компонентов в керамических корпусах

Корпуса типа керамический безвыводной кристаллоноситель СLCC (Ceramic Leadless Chip Carrier) — эффективная альтернатива монтируемым на поверхность SMD-корпусам (Surface Mounted Device), которые широко используются в промышленности, однако обладают неудовлетворительными частотными характеристиками. К преимуществам корпусов СLCC относится возможность работы в широком частотном диапазоне, малый габаритный размер, пригодность для автоматического поверхностного монтажа, относительно низкая стоимость.

В России используются корпуса, соответствующие зарубежным прототипам — керамическим корпусам типа CLCC (QFN) для поверхностного монтажа LC3, LC3B, LC3C, LC4, LC4B, LC5.

На рис. 14 приведен ряд моделей керамических корпусов.

Рис. 14. Керамические корпуса CDIP (Ceramic Dual Inline Packages), CPGA (Ceramic Pin Grid Array) и C-SMD (Ceramic Surface Mount Device)

Наиболее популярные модели керамических корпусов:

• LCC (Leadless Chip Carrier) — корпус (кристаллоноситель) с выводами и без выводов;
• LCC (Ceramic Leadless Chip Carrier) — безвыводной керамический кристаллоноситель;
• CLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier, Gullwing Leads) — с выводами типа «крыло чайки»;
• CLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier, J formed Leads) — с J-образными выводами;
• LDCC (Leaded Chip Carrier) — керамический кристаллоноситель с выводами;
• PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) — пластиковый LCC с выводами.

Корпуса на основе керамики с низкой температурой обжига LTCC

Верстальщику: Это подзаголовок 2 или 3 порядка — п/ж курсив

Дальнейшее развитие многослойная керамика получила с внедрением технологии керамики с низкой температурой обжига LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics), когда керамику начали смешивать со специальными стеклами [17, 18]. Температура обжига керамики снизилась до +850 °С, что привело к существенному упрощению производственного процесса. В настоящее время к технологии LTCC относят керамику, обжигаемую при температурах ниже +1000 °C.

Низкие потери СВЧ и относительно невысокая стоимость производства являются ключевыми преимуществами LTCC-технологии для ВЧ- и СВЧ-приборов. По стоимости LTCC-технология приближается к технологии изготовления печатных плат на основе FR-4, а по своим диэлектрическим характеристикам низкотемпературная керамика сопоставима с алюмооксидной керамикой.

Благодаря использованию толстопленочной технологии такие LTCC ИС отличаются низкой себестоимостью, что представляет значительный интерес с точки зрения массового производства СВЧ-устройств для телекоммуникационных систем различного назначения.

Высокотемпературные отожженные керамические корпуса HTCC

Отличие высокотемпературной керамики HTCC (High Temperature Cofired Ceramics) от низкотемпературной заключается в более высокой температуре спекания слоев керамических плат для корпусов, достигающей +1500…+1600 °С.

Высокотемпературные отожженные керамические корпуса (HTCC) представляют собой многослойную, герметичную и высоконадежную упаковку, созданную с использованием слоев керамической ленты толщиной 5–25 мм, которые прокатаны вместе. Слои ленточных керамических корпусов, состоящие из 92% керамики из оксида алюминия, вольфрама и полимарганца, имеют металлизированные рисунки [19].

Основные процессы и этапы производства многослойных металлокерамических корпусов на основе технологии HTCC кратко рассмотрены в [17]:

1. Основной материал при производстве плат по технологии HTCC — сырой керамический лист: из глинозема Al₂O₃, SiO₂, MgO и других компонентов получают керамическую массу, которую разбавляют толуолом и получают шликер. Из шликера льется керамическая лента.
2. В сырых керамических листах (каждый из которых впоследствии станет слоем керамической платы) выполняются переходные и выравнивающие отверстия и пустоты.
3. Отверстия в керамических листах заполняются или покрываются вольфрамовой пастой для обеспечения электрических соединений.
4. С помощью трафаретной печати в каждом слое формируются проводники, различные площадки, маркировка и т. д., которые наносятся вольфрамовой пастой на поверхность керамических листов с последующей сушкой и отвердением в печи.
5. Каждый керамический лист с нанесенным рисунком и металлизированными отверстиями совмещается и укладывается в стек в последовательности, определенной при проектировании.
6. Проводят вырубку по габариту для отделения плат от общей массы. Поверхности шлифуют.
7. Выполняют спекание керамики и вольфрамовой металлизации при температуре +1500…+1600 °С.
8. Для лучшего смачивания припоя перед пайкой все металлические и металлизированные поверхности покрывают никелем.
9. Выводные рамки корпусов, коваровые ободки и теплоотводы к металлическим контактным площадкам припаивают при помощи серебро-медного эвтектического расплава (или чистым серебром) при температуре +800…+1000 °С.
10. Все открытые металлические и металлизированные поверхности корпуса покрывают металлом (зачастую золотом с подслоем никеля) электролитическим или электролизным методом для защиты от воздействия окружающей среды.

Описанные выше этапы производства представляют собой типовой технологический процесс и в каждом конкретном случае могут уточняться или исключаться.

Достоинства технологии HTCC [17, 19]:

• малые допуски на размеры — благодаря низкому коэффициенту теплового расширения обеспечивается повышенная стабильность размеров корпусов;
• коэффициент теплового расширения (КТР) высокотемпературной керамики достаточно близок к КТР кремния, что позволяет монтировать кристаллы непосредственно на керамическое основание;
• высокие диэлектрические и тепловые характеристики корпусов: в зависимости от используемой марки керамики электрическая прочность варьируется в пределах 45–60 кВ/мм, тангенс угла диэлектрических потерь (tgd) — 0,006–0,0021, а диэлектрическая проницаемость (ɛ) — 8,5–10 в гигагерцевом диапазоне частот;
• возможность создания многослойных герметичных керамических плат: высокотемпературная керамика имеет плотную структуру, а после спекания многослойные керамические модули становятся монолитными; хорошее заполнение переходных отверстий и линий металлизации в плате вольфрамовой пастой;
• высокая твердость используемых керамических материалов.

Показанные на рис. 15 металлокерамические цоколи используются в микрокриогенной технике, в составе вакуумных криостатируемых корпусов, что необходимо для охлаждения чувствительных элементов в различных системах. Система позволяет производить охлаждение матриц всего спектрального ИК-диапазона.

Рис. 15. Изделия высокотемпературной керамики для корпусирования СВЧ-компонентов, выпускаемые компанией AMETEK ECP [19]

Радиационно-защитные корпуса

Для локальной защиты кристаллов ИМС от воздействия ионизирующего излучения КП по дозовым эффектам существует ряд технических решений: специализированные корпуса ИМС (WALOPACK, RAD-PAK), покрытия и локальная защита ИМС в составе аппаратуры космических аппаратов [11]. Эти решения предназначены для повышения радиационной стойкости коммерческих микросхем либо микросхем с уникальными функциональными характеристиками, радиационно стойкие аналоги которых отсутствуют.

В российской компании «ТЕСТПРИБОР» [11] разработано два варианта специализированных металлокерамических корпусов с интегрированными радиационно-защитными экранами (РЗЭ): 4247.100-2 и 4248.144-2 (рис. 16). Их основное различие состоит в способе герметизации подкорпусного пространства. В первом корпусе металлическая крышка с Т-образным профилем соединяется с корпусом методом шовно-роликовой сварки, а защитный экран размещается под ней; во втором — защитный экран припаивается к корпусу и также служит крышкой. Оба корпуса имеют нижние защитные экраны, которые одновременно являются монтажными площадками для посадки кристаллов ИМС.

Рис. 16. Специализированные планарные металлокерамические корпуса с интегрированными радиационно-защитными экранами 100-выводной 4247.100-2 и 144-выводной 4248.144-2

Бортовая радиоэлектронная аппаратура космических аппаратов в условиях воздействия ионизирующего излучения должна обеспечивать срок активного существования космических аппаратов в течение 10–15 лет, что может быть достигнуто при условии использования радиационно стойкой элементной базы. Разработанные в АО «ТЕСТПРИБОР» специализированные радиационно-защитные экраны (РЗЭ) локальной защиты блоков, узлов и электронных модулей бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов позволяют в значительной степени снизить суммарную накопленную дозу от воздействия электронов и протонов (рис. 17). Это позволяет использовать в космических аппаратах электронные компоненты коммерческого уровня качества, имеющие цену на 1–2 порядка ниже, чем на радиационно стойкую.

Рис. 17. Конструкционная защита РЭА от электронного и протонного излучения космического пространства [20]

Некорпусированные компоненты (Die)

Ведущие компании — разработчики и производители микроэлектронного оборудования, зачастую предлагают серии своих изделий в форм-факторах от отдельных некорпусированных кристаллов до микросхем высокой степени интеграции и корпусированных модулей. Некорпусированный кристалл или компонент (Die) требует при установке в изделие минимального пространства, что позволяет предельно уменьшить размеры конечного изделия [21].

В настоящее время применение некорпусированных полупроводниковых приборов в технологии печатного монтажа достаточно широко распространено при изготовлении многокристальных модулей (МКМ). В качестве примера на рис. 18–20 показан внешний вид ряда некорпусированных компонентов.

Некорпусированный СВЧ широкополосный активный GaAs удвоитель частоты CMD214 компании Custom MMIC (рис. 18) предназначен для применения в диапазоне 24–36 ГГц. При использовании входного сигнала fo c уровнем +13 дБм умножитель обеспечивает выходную мощность +17 дБм. На частоте 26 ГГц подавление fo и 3fo составляет более 32 дБн и 25 дБн соответственно.

Рис. 18. Некорпусированная СВЧ ИС активного удвоителя частоты диапазона 24–36 ГГц (K-, Ka-, Q-диапазоны). Модель CMD214 компании Custom MMIC

Двойной балансный GaAs-смеситель общего назначения CMD179 (рис. 19) можно использовать для преобразования частоты с повышением и понижением в диапазоне 16–26 ГГц. Некорпусированный смеситель, который обеспечивает потери преобразования 7 дБ, развязку гетеродин-РЧ более 40 дБ, ширину полосы ПЧ 8 ГГц и точку пересечения по входу IP3, равную +18 дБм, идеально подходит для использования в гибридных сборках, учитывая его небольшой размер 0,9 кв. мм.

Рис. 19. Некорпусированная GaAs СВЧ ИС широкополосного двойного балансного смесителя 16–26 ГГц CMD179 компании Custom MMIC

Выпускаемая компанией MACOM некорпусированная микросхема MA4SW310 (рис. 20) — это последовательный шунтирующий широкополосный PIN-диодный SP3T-переключатель. Благодаря применению новой технологии и небольшому расстоянию между элементами схемы реализован РЧ-компонент с низкими вносимыми потерями и высокой развязкой (изоляцией) на частотах до 26,5 ГГц.

Рис. 20. Некорпусированная микросхема PIN-диодного SP3T переключателя MA4SW310 от компании MACOM

Малый форм-фактор SFF

Достаточно часто в описаниях РЧ-компонентов встречается термин «маленький форм-фактор» SFF (Small Form Factor) и его варианты: smallest form factor, ultra-small form factor, industries smallest and lightest form factor, compact form factor. Как правило, за этими терминами стоят только характеристики размера РЧ-компонента, его массогабаритные параметры, а сам термин используется лишь для обозначения маленького размера компонента. Однако с SFF-стандартом текущая ситуация становится более сложной.

С понятием малого форм-фактора SFF в настоящее время связывают реализацию необходимого изделия с максимальным использованием серийно выпускаемых коммерчески доступных компонентов и плат [22].

Постоянное развитие РЧ-схемотехники и технологий вызвало переход от транзисторов к интегральным схемам (IC). Затем ИС эволюционировали в системы на кристалле SoC (Systems on Chip). Больше не нужно покупать несколько ИС и дискретных компонентов, размещать их на плате и соединять друг с другом. Теперь можно приобрести компоненты уровня SoC и просто подключиться к ним через набор стандартизированных электронных соединений на стандартизированном модуле или промежуточной плате (midplanes). Продолжая эволюционный путь, концепция SoC развивается далее в компоненте «система на модуле» SoM (System on Module), предлагая компоненты еще более высокой степени интеграции, такие как РЧ-часть, сетевые компоненты, память и источники питания. Это делает SoM практически полной системой, размещаемой в отдельном корпусе. В результате системы становятся компактнее, выделяют меньшее количество тепла, обладают хорошей функциональностью; имеют возможности, преимущественно ограниченные плотностью размещения соединителей и допустимыми температурными режимами устройства.

У инженера есть дилемма выбора наилучшей технологии, которая будет применяться при проектировании качественных изделий формата SFF. Традиционно разработчики могут выбирать или отдельные готовые РЧ-компоненты, или же целые модули, платы и делать все возможное, чтобы адаптировать их к своим требованиям. Множество доступных технологий и компонентов может послужить причиной неудачной разработки, потому что неправильный выбор, сделанный в начале проекта, способен позднее привести к печальному результату.

Обычно при изготовлении готовых плат разработчики СВЧ-оборудования стараются придерживаться принятых надежных коммерческих стандартов, например, VME, VPX, cPCI, часто используемых в системах, ориентированных на авиационно-космические и оборонные рынки. С развитием технологий на основе модулей и почти повсеместным внедрением SoC-компонентов теперь конечные пользователи могут при меньших затратах получать более качественные решения, которые точно отвечают их потребностям. Этот факт относится ко многим отраслям, включая военные и авиакосмические системы (MIL/Aero), медицину, тяжелую промышленность, транспорт и автомобильные рынки.

Общепризнанные отраслевые стандарты заставляют рынок производить гармонизированные и совместимые продукты. Уделяя повышенное внимание стандартизации, ведущие производители компонентов и модулей создают объединения, чтобы инженеры могли проектировать специализированные платы, объединительные платы (backplanes) или промежуточные платы, поддерживающие множество приемлемых стандартных расширений. Такой подход позволяет специалисту по проектированию и интеграции выбирать необходимые варианты из широкого спектра поставщиков и предложений. Таким образом, снижается его личный риск, накладные расходы и время выхода на рынок.

Органы по стандартизации во всех важнейших секторах рынка наращивают темпы разработки нормативных документов, которые непосредственно влияют на рынок SFF. В качестве таких стандартов можно назвать:

• стандарты COM Express, опубликованные PCI Группой производителей промышленных компьютеров (Industrial Computer Manufacturers Group, PICMG);
• стандарт SMARC (Smart Mobility Architecture), опубликованный Группой стандартизации встраиваемых технологий (SGET, Standardization Group for Embedded Technologies);
• стандарт MiniPCIe (Mini PCI Express), опубликованный Специальной группой по межсоединениям периферийных компонентов (PCI-SIG, Peripheral Component Interconnect Special Interest Group);
• стандарт mSATA (Mini-SATA) Международной организации Serial ATA (SATA-IO, Serial ATA International Organization).

Примерами основных стандартов, применение которых ранее рассматривалось главным образом на промышленном и коммерческом рынках, являются COM Express PICMG, MiniPCIe PCI-SIG и SMARC-модули SGeT.

Параллельно традиционные разработчики стандартов для типично консервативных авиационных и военных применений, в частности ассоциация ANSI/VITA (American National Standards Institute и VITA Standards Organization), в этой ситуации проявляет активность [23]. Несмотря на то что ANSI/VITA выпускает стандарты с меньшей скоростью, чем их промышленные родственники, она начинает использовать традиционные коммерческие и промышленные стандарты. Завершается работа над новым стандартом, специально предназначенным для надежного рынка малого форм-фактора SFF. Этот новый стандарт называется VITA 74, он также известен как VNX и одобрен ассоциацией VITA, проходит этап публикации ANSI и будет представлен как стандарт ANSI/VITA 74 или AV74.

Стандарт VNX (VITA 74) предназначен для высокопроизводительных малогабаритных систем с жесткими требованиями по SWаP-C (Size, Weight and Power and Cost).

Версия стандарта VITA 74.0 касается базовой конструкции и функциональности модуля, а также других «точечных стандартов» для особых случаев использования, таких как SpaceVNX (VITA 74.4) для CubeSAT, VNX с оптической платой (VITA 74.5) и VNX с объединительной платой RF (VITA 74.6) и т. д.

Популярность SFF-модулей выросла в связи с быстрым распространением компьютерных технологий в автомобильной, медицинской и биотехнологической отрасли. Эти новые рынки позволяют резко снизить цены на модульные платы. Разрабатываются новые промышленные модули, которые достаточно дешевы для своего предполагаемого рынка и в то же время достаточно прочны для использования в изделиях MIL/Aero. С их применением РЧ-система может фактически стать дешевле при уменьшении физического размера.

Компонентные решения типа «система на модуле» (SoM), основанные на отраслевых стандартах, сейчас появляются на рынке SFF-изделий для военных и авиационных проектов. Теперь инженерам выгоднее разрабатывать полузаказные соединительные платы (midplanes) или несущие платы, чтобы поддерживать стандартные компоненты и объединить максимальное число функциональных возможностей, которые являются подходящими по рабочим температурам — термически практичными, с минимальным риском отклонений от графика разработки. Более того, эти модули на основе коммерческих и промышленных стандартов могут быть размещены на платах на основе MIL-стандарта, таких как XMC, VPX и VNX.

Некоммерческая организация VITA объединяет производителей, интеграторов, поставщиков и пользователей, имеющих общий рыночный интерес к модульным встроенным вычислительным системам реального времени. Они вносят основной вклад во многие надежные стандарты, используемые сегодня, такие как PMC, XMC и OpenVPX. После того как стандарт VPX был окончательно создан, следующей целью для VITA стало создание среды, где игроки могли бы продолжать естественное движение к стандартам малого форм-фактора SFF, используя инновационные концепции, сделавшие успешным VPX. В то же время это позволяет внедрять передовые коммерческие технологии SoM и параллельно рассчитывать на еще более высокие скорости и интерфейсы шины данных PCIe. Стандарт по своей сути позволяет использовать другие успешные стандарты для объединительной платы, внутрисистемного подключения, чтобы сократить риск разработки, стоимость и время выхода на рынок; с наиболее определяющей чувствительностью к SWaP-C. Результатом является создание стандарта VITA 74, также известного как VNX.

Коммерческий стандарт модулей VNX готовых коммерческих изделий COTS (Commercial off the Shelf) применяется для компонентов форм-фактора SFF с радиаторным охлаждением, надежных одноплатных компьютеров, сигнальных процессоров и модулей ввода/вывода, которые могут стать частью интегрированной системы. Используя принципы модульной архитектуры открытых систем MOSA (Modular Open Systems Architecture), стандарт VNX предлагает основанный на существующих стандартах первый модульный подход к созданию систем SFF (рис. 21).

Рис. 21. Концепция выполнения компонентов с использованием форм-фактора SFF стандарта VITA 74 (VNX) для рынка MIL/Aero [22]

Для того чтобы минимизировать экономический, технический и плановый риски при работе над новым стандартом VNX SFF, компании-разработчики решили применить существующие проверенные технологии и накопленный опыт из максимально возможного количества стандартов. Подход VNX заключался в том, что описывает модуль не «изнутри», а «снаружи»: соединители, профили слотов, сигнализация перегрузки, размер модуля и основные детали охлаждения, предлагая гибкость внутри модулей конструкторам. Это позволяет инженерам интегрировать коммерчески доступные компоненты форматов COM и SoM в предварительно определенный надежный модуль. Такой модуль по определению должен поддерживать среды с радиаторным охлаждением, обычно используемые в системах, соответствующих стандартам Mil-STD-810 и VITA 47, включая повышенные рабочие температуры, сильные удары и вибрацию. Проще говоря, подобные изделия можно рассматривать как стандартные модули большой степени интеграции, построенные на стандартных модулях меньшей степени интеграции; что приводит к быстрому выходу на рынок систем с ограниченными или нулевыми единовременными затратами на проектирование NRE (Non Recurring Engineering), независимо от того, насколько уникальны требования к характеристикам компонента.

Подводя итог, можно отметить, что если инженер в полной мере использует преимущества стандартных модулей, плат и систем, неудачи при проектировании должны исчезнуть. Еще более важным фактом является растущая доступность высококвалифицированных поставщиков, предлагающих готовые компоненты малого форм-фактора SFF во многих вариантах для поддержки даже самых уникальных требований; многообещающее максимальное сохранение SWaP с минимальными затратами NRE, что приводит к экономически эффективному оптимальному решению.

Особый интерес к модулям формата SFF возник в процессе развития программируемого радиооборудования SDR, особенно в последнее время, в связи с построением когнитивных систем [24].

Многодиапазонный и многостандартный радиоинтерфейс SDR-оборудования может быть наилучшим образом реализован при использовании модульного принципа построения системы. Такой выбор, во-первых, связан со сложившимся техническим менталитетом инженерно-научных кадров мира, поэтому сегодня модульная архитектура представляется наиболее очевидным этапом дальнейшего развития систем SDR. В статье [24] рассказано об элементной базе, оптимальной для разработки устройств архитектуры SDR.

Основными компонентами, без которых трудно обойтись при реализации SDR, являются программируемые логические микросхемы ПЛИС (FPGA) и цифровые сигнальные процессоры DSP для обработки цифровых сигналов. Эти компоненты широко распространены и имеют невысокую стоимость, а потому при грамотном и тщательном проектировании можно получить недорогое универсальное многостандартное радио на базе архитектуры SDR.

Для систем, получивших название SFF (Small Form—Factor), характерны высокие требования к производительности подсистемы цифровой обработки сигналов и высокая сложность алгоритмов. Использование связки DSP + FPGA позволяет применять традиционный подход к проектированию, снизить стоимость системы и время разработки.

Примером такой SFF-платформы служит система с модульной архитектурой построения фирмы Lyrtech (рис. 22), реализованная на базе цифрового сигнального процессора компании Texas Instruments и Xilinx ПЛИС [24]. Внешний вид системы указывает на то, что она выполнена по модульной архитектуре. Платформа содержит радиочастотный модуль, модуль преобразования данных, модуль цифровой обработки сигналов и необязательные дополнительные модули расширения.

Рис. 22. Вид платформы SDR формата FFM фирмы Lyrtech и структурная схема платформы SDR формата FFM фирмы Lyrtech [24]

Набор SFF-компонентов можно использовать для создания одно- или многостандартных радиосистем для военных и коммерческих приложений. Для военных целей такие платформы находят применение в тактических системах связи, коммуникационных шлюзах, ранцевых радиостанциях и автомобильных станциях связи. Коммерческий сектор внедрения платформы SDR SFF уже сейчас представлен устройствами чтения меток бесконтактной радиочастотной идентификации RFID, абонентским оборудованием мобильной связи — примерами могут служить любые широкополосные беспроводные системы данных, а также базовые станции мини- и микроформата. Вообще же области применения систем SFF SDR поистине безграничны, на основе данных платформ можно создать практически любую радиосистему, которая наилучшим образом будет удовлетворять заданным требованиям.

Большое преимущество SFF SDR состоит в том, что она может быть использована для быстрого прототипирования и проверки различных вариантов платформ и их конфигураций. Есть еще одно важное достоинство — эта платформа интегрируется с инструментами на базе моделей Simulink, благодаря чему разработчики имеют возможность использовать системы C/HDL или MATLAB Simulink для быстрой проверки концепции опытной системы и оптимизации ее параметров с целью обеспечения минимальной стоимости и других характеристик [24].

Коаксиальные компоненты

Коаксиальные компоненты, компоненты для кабельного подключения, компоненты с соединителями (разъемами), подсоединяемые (подключаемые) (Connectorized, Module with Connector, Coaxial) подключаются с помощью коаксиальных или другого типа соединителей (разъемов).

В качестве примера данного форм-фактора на рис. 23 приведен активный смеситель MixNV компании Windfreak Technologies, оснащенный встроенным ФАПЧ-синтезатором и предназначенный для использования в диапазоне 1 МГц — 6 ГГц. Устройство управляется и получает напряжение питания через USB-соединитель от компьютера. Смеситель имеет встроенную энергонезависимую память, поэтому его можно запрограммировать для самостоятельной установки и поддержки любой частоты гетеродина, ЧМ-модуляции или других параметров. Это позволяет конечному пользователю поместить его в коробку или стойку без необходимости управления ПК. Смеситель доступен в оснащенном коаксиальными соединителями модуле, имеющем размер 6,35×3,5×1,9 см, и оптимален для программно-определяемого радиооборудования SDR, радаров, преобразователей частоты с повышением и понижением.

Рис. 23. Активные смесители серии MixNV компании Windfreak Technologies

Компания L3 Narda-MITEQ производит и предлагает на рынке одну из самых обширных линеек РЧ-смесителей (рис. 24а). В стандартном каталоге более моделей 400 смесителей с частотами до 50 ГГц. Продукты представлены в различных вариантах корпусирования как в недорогих коммерческих, так и в высоконадежных герметизированных смесителях, в том числе и в коаксиальном выполнении. Компания L3 Narda-MITEQ может предложить также индивидуальные решения, отвечающие конкретным требованиям заказчика.

В качестве еще одного примера форм-фактора коаксиального РЧ-компонента на рис. 24б показан коаксиальный РЧ SP6T-ключ модели CS18T16-12, изготовленный компанией Teledyne Microwave.

Рис. 24. Различные модели смесителей компании L3 Narda-MITEQ в коаксиальном исполнении и коаксиальный SP6T-ключ модели CS18T16-12, производимый компанией Teledyne Microwave

РЧ-компоненты в проходном (in-line) конструктивном исполнении

РЧ-компоненты с использованием проходного (in-line) форм-фактора для выполнения своей функции включаются в разрыв коаксиальной или волноводной линии передачи.

В таком конструктиве выпускаются РЧ-усилители различного рода, устройства защиты РЧ-трактов, детекторы, аттенюаторы, переключатели и многочисленные варианты адаптеров (переходников) типа «волновод-коаксиал» (Waveguide to Coax Adapter, WCA). По сути дела, компоненты в проходном выполнении, оказываются встроенными в линию передачи и иногда называются соответственно — «встраиваемые компоненты».

Зачастую для удобной сборки и эксплуатации таких РЧ-компонентов в составе тестовых и лабораторных установок эти модели изготавливаются в прочных SMA-корпусах (SMA Housing) (рис. 25а). На рис. 25б показан генератор сигнала 1 ГГц RFPRO33-1000 компании Crystek в проходном выполнении. Выходной РЧ-сигнал формируются на штыревой части SMA-соединителя, на розеточный SMA-соединитель подается напряжение питания +3,3 В [25].

Рис. 25. SMA корпус (1,5″ SMA Housing) и генератор сигнала 1 ГГц RFPRO33-1000 компании Crystek в проходном выполнении с использованием такого корпуса

На рис. 26а показан волноводно-коаксиальный адаптер (переходник) серии WCA компании Millitech, работающий до 110 ГГц. Подключение к адаптеру происходит с использованием соединителей 2,92; 2,4; 1,85 и 1,0 мм. В этом же диапазоне частот работает и адаптер QWA компании QuinStar (рис. 26б).

Рис. 26. Волноводно-коаксиальные адаптеры серии WCA компании Millitech (а) и QWA компании QuinStar (б), РЧ-компоненты компании BSC в проходном исполнении (в, г, д)

Компания BSC Filters, входящая в состав группы компаний CMP, является одним из ведущих мировых производителей СВЧ-фильтров и диплексеров в частотном диапазоне 300 кГц — 94 ГГц для коммерческого и военного применений. Продукция компании BSC Filters используется в аппаратуре телекоммуникаций, спутниковой связи, радиолокации, измерительной технике, аэрокосмической промышленности. Ряд изделий выпускается компанией в проходном исполнении (рис. 26в).

Ультракороткие волноводно-коаксиальные переходы компании BSC производятся для различных частотных диапазонов. Линейные размеры данных переходов такие же, как и у стандартных волноводных фланцев, однако они меньше по размерам, легче, проще в установке и дешевле, чем стандартные переходы. Материал: латунь или посеребренный алюминий.

Волноводные и волноводно-коаксиальные переходы BSC (рис. 26г) находят широкое применение в сфере телекоммуникаций и военной промышленности. Компания BSC представляет три типа переходов:

1. Обычные угловые переходы с размерами волноводов от WR 28 до WR 430.
2. Запатентованные ультракороткие переходы, обеспечивающие полное согласование на очень малой длине.
3. NANo-переходы — оптимальны для МШУ и других типов усилителей.

Возбудители NANо компании BSC представляют собой экономичное решение в применениях, требующих, чтобы в волноводном возбудителе отсутствовал коаксиальный переход (рис. 26д), — это уменьшает вносимые потери или коэффициент шума. NANo позволяет соединить волновод с ближайшим СВЧ-модулем без дополнительного коаксиального перехода. Сопряженные элементы могут быть протестированы при помощи съемных коаксиальных соединителей. Низкая стоимость и революционный подход делают работу NANo сопоставимой со стандартными переходами. Потери на отражение: > 14 дБ во всей полосе. Материал: бронза или посеребренный алюминий.

Компоненты без внешних соединителей. РЧ-вставки

Компоненты без внешних соединителей (Drop-in, drop-in module): РЧ-компоненты, которые не требуют обязательного использования соединителей, а могут подключаться к внешним цепям, например, распаиваться непосредственно на месте установки или помещаться в специальный корпус. Корпус компонента может быть привинчен к экранирующей плоскости устройства (рис. 27).

Рис. 27. Примеры РЧ-компонентов в drop-in-исполнении

В отечественной литературе для обозначения таких компонентов нет закрепившегося русскоязычного эквивалента, поэтому используются термины: drop-in-компонент, конструктивный элемент, РЧ—вставка. Некоторые компании сразу позиционируют выпускаемые drop-in-компоненты как заменяющие вставки — Drop-In Replacement, предназначенные для легкой замены конкретных используемых компонентов при модернизации или улучшении характеристик оборудования.

Центральный проводник выводов компонента может быть соединен с микрополосковой линией, внутренним контактом радиочастотного соединителя или выводами аналогичных компонентов. Электрическое соединение выводов компонента с необходимыми цепями и его корпусирование выполняется различными способами: пайкой (solder), прижимом (clamp) и обжимом с деформацией (crimp).

Например, РЧ-компоненты, выпускаемые компанией B&Z Technologies, устанавливаются в едином стандартном корпусе (рис. 28) [26]. В нем размещаются различные комбинации РЧ-вставок, отличающиеся по функциям, мощности, коэффициенту усилия и коэффициенту шума для диапазона 5 кГц — 60 ГГц.

Рис. 28. Выполнение усилителей в виде конструктивного элемента, то есть в Drop-in исполнении (слева), и вариант корпусирования с применением стандартных соединителей на входе и выходе, предлагаемых компанией B&Z Technologies

Инженеры компании работают над созданием на одном стандартном подсистемном шасси (subsystem chassis) устройств и трактов с различными параметрами. При использовании компоновки и конструктивного оформления устройств компании B&Z Technologies, а также инновационного метода каскадирования этих устройств высокочастотные системы могут быть смонтированы с предсказуемыми характеристиками. Дополнительное достоинство этих методов — значительное уменьшение пульсаций частотных характеристик (frequency response ripple) без необходимости дополнительной изоляции между отдельными компонентами. Это следствие уменьшения электрической длины контактирования (electrical length) между элементами микроволновой схемы.

Для получения необходимых и предсказуемых характеристик отдельных компонентов следует использовать корпус, который имеет небольшие размеры, работает на частотах до 70 ГГц и может быть просто и надежно подключен к оборудованию для тестирования и получения характеристик устройства. Кроме того, корпусированное устройство должно надежно включаться в цепь компонентов тракта обработки сигналов. При этом требуется исключить возможность утечки РЧ-сигналов, что могло бы привести к возникновению ряда нежелательных явлений, в частности паразитной генерации. Эти соображения наряду с необходимостью обеспечения надежного монтажа компонентов, РЧ-заземления, хорошего теплового рассеяния и простого метода подключения (connectorization) устройств имеют решающее значение при разработке специалистами стандартных корпусов для компонентов.

Одним из таких корпусов является Ultra Package, разработанный компанией B&Z Technologies (рис. 29). Этот корпус, действующий на частотах до 70 ГГц, имеет малые габариты — только 10×10×2,54 мм (0,4×0,4×0,1″), что обусловлено малыми размерами его коаксиального РЧ-вывода с диаметром контакта 0,23 мм (0,009″), дизайном микроволновой рабочей полости (microwave cavity) и особенностями крепления блока. Малые паразитные прохождения сигнала (feed-throughs) снижают возможность паразитного возбуждения.

Рис. 29. Внутренний контакт (interconnect) и наружный соединитель (outer conductor) корпуса Ultra Package

Внешние подключения к корпусу могут выполняться очень просто, что позволяет получать точные параметры устройства. Кроме того, микроволновые полости корпуса спроектированы так, чтобы уменьшить любой волноводный эффект (waveguide effect). Рабочая полость корпуса позволяет устанавливать в ней дискретные устройства толщиной 0,1 мм, свойственной большинству высокочастотных дискретных устройств и монолитных интегральных схем СВЧ-диапазона (MMIC). Такие корпуса используются с доступными MMIC- и РЧ-компонентами — ГУНами, усилителями, атеннюаторами, смесителями, а также схемами, содержащими отдельные дискретные элементы.

Метод каскадирования этих типов корпусов прост, но эффективен [26]. Первым шагом процесса является корпусирование (упаковка) отдельного микроволнового компонента и оценка его параметров. Затем, начиная с одного конца РЧ-тракта, первое устройство укрепляется на своем месте общего подсистемного шасси (рис. 30). Далее на РЧ-штырьке (RF pin) первого устройства устанавливается внутреннее соединение — контакт «розетка-розетка» (female-female interconnect), к которому подсоединяется уже следующее устройство РЧ-тракта.

Рис. 30. При использовании корпусов Ultra Package полностью смонтированный на общем шасси преобразователь с понижением частоты диапазона ММВ имеет длину всего 63,5 мм (2,5 дюйма)

После этого поверх РЧ-штырька с уже установленным внутренним контактом размещается наружный соединитель (outer conductor), служащий для электрического соединения внешних компонентов с корпусом. Наконец, на свое место устанавливается следующее устройство и проверяется, насколько надежно входной РЧ-штырек подключился к другому концу внутреннего контакта, уже находящегося на первом устройстве.

Для предотвращения нежелательных излучений два последовательно включенных компонента должны находиться под постоянным прижимом (end—end pressure), чтобы обеспечить хороший контакт наружного соединителя с корпусом компонента. Прижим обеспечивается и поддерживается с помощью кулачковых винтов (cam-screws), у которых головка эксцентрична по отношению к основному центру винта. Последующие компоненты могут каскадироваться шаг за шагом, аналогично предыдущим процедурам. Окончания РЧ-трактов могут быть выведены на зажимы с различными типами интерфейсов. РЧ-соединения выполняются с помощью стандартных коаксиальных 3,5-; 2,92- или 1,85-мм контактов. Конфигурации входов и выходов могут быть копланарными (coplanar), полосковыми (strip line) или микрополосковыми (microstrip) линиями передачи.

В качестве еще одного примера на рис. 31 показаны смесители компании Pulsar Microwave моделей MM-04-L и MV-07-S без внешних соединителей — в drop-in-исполнении, и принцип их установки непосредственно на монтажную плату.

Рис. 31. Смесители компании Pulsar Microwave без внешних соединителей в drop-in-исполнении и принцип их установки на монтажную плату

Вставные компоненты

Вставные, подключаемые, втычные [27] или сменные компоненты, в англоязычной литературе обозначаемые термином Plug In, в отечественной литературе имеют иногда совсем уж простое название — «плагины» [28, 29]. Данный форм-фактор имеет достаточно размытые границы. Прежде всего, это действительно вставные блоки, в том числе и по USB-входам.

Анализ рынка РЧ-компонентов показывает, что в подавляющем большинстве к классу вставных компании-производители относят компоненты в различных вариантах корпусирования, предназначенные для монтажа в отверстия печатных плат THT (рис. 32).

Рис. 32. Компоненты во вставном (Plug In) исполнении, предлагаемые компанией Mini-Circuits

Компания Mini-Circuits предлагает широкий ассортимент вставных Plug-in компонентов в различных стилях корпусирования для монтажа в отверстия печатных плат. Подавляющее большинство этих продуктов экранировано, а для герметизации корпуса используется процесс лазерной сварки (laser welding). Эта автоматизированная процедура обеспечивает более высокую надежность, чем герметизация пайкой (solder sealing) или точечная сварка (spot welding), а также снижает производственные затраты.

На рис. 33 показан РЧ-синтезатор LNO-HP01M-P3U4HP220E во вставном варианте корпусирования (Plug-in Unit), предлагаемый компанией AdvanteX.

Рис. 33. РЧ-синтезатор LNO-HP01M-P3U4HP220E компании AdvanteX

В силу постоянной тенденции к миниатюризации в настоящее время с использованием вставного форм-фактора производятся уже целые тракты или РЧ-блоки. В качестве примера на рис. 34 представлен широко используемый модуль приемопередатчика Bluetooth HC06 HC-06 во вставном исполнении, изготовленный компанией ZTZ.

Рис. 34. Серийный модуль приемопередатчика Bluetooth HC06 HC-06 во вставном исполнении

Металлические плагины

Ряд производителей выделяют в отдельные группы металлические плагины или металлические вставные корпуса (Metal Plug-ins). Изготовителями металлических вставных корпусов являются компании AMETEK [30], Century Seals [31], и Inseto [32].

Металлические плагины представляют собой герметичные корпуса с металлическим основанием и вертикальным расположением выводов для монтажа в отверстия печатной платы, которые выходят из нижней части корпуса (рис. 35). Такие корпуса вставного стиля (Plug-in) изготавливаются в двух основных вариантах, получивших названия «вставные ванны» PB (Plug-in Bathtub) и «специальные вставки» PS (Plug-in Specials).

Рис. 35. Компоненты корпусов металлических плагинов (Metal Plug-ins) компании AMETEK

Корпуса вставные типа корыта (ванны) (Plug-in Bathtub packages) — это готовые корпуса, полностью выкованные из плоской детали или необработанного металла, обычно из прецизионного сплава ковара (сплав 29НК) или холоднокатаной стали калибра CRS (Cold Rolled Steel), и с расположением вводов-выводов, адаптированным к спецификациям заказчика. Данный тип оформления является наиболее экономичным, поскольку в нем для создания корпуса используется наименьшее число этапов изготовления, но имеет определенные ограничения.

Специальные вставляемые корпуса, или специальные плагины (Plug-in Special packages), также изготавливаются из плоских кусков сырья кузнечного плоского материала, но производятся с использованием двух отдельных процессов изготовления. Первый процесс — создание рамки (frame). Рамка формируется ковкой из кузнечного плоского материала или в процессе экструзии (выдавливания) и отрезается до нужной высоты.

Второй этап изготовления — создание базовой пластины (base plate). Это основание или дно может иметь различные формы, размеры и материалы. Некоторые базовые конфигурации содержат отверстия или прорези для крепления на сопрягаемые поверхности, в то время как другие могут просто соответствовать требуемой точной конфигурации. Затем два компонента соединяются вместе с использованием различных сплавов, таких как медь, медь/серебро или низкотемпературные золотосодержащие сплавы — золото/олово или золото/германий. Достоинствами двухкомпонентной конструкции Plug-in Special являются расширенные возможности монтажа и более ровные поверхности корпусов РЧ-изделий.

Оба варианта корпусов предназначены для производства больших объемов изделий. Вертикальные конфигурации их выводов позволяют легко организовать сборку и в конечном счете добиться более высокой производственной мощности. Оба варианта плагинов также могут иметь практически любую конфигурацию вводов и выводов, но чаще всего реализуются в виде сетки (grid pattern). Такие шаблоны обычно имеют шаг выводов 0,100 дюйма (0,254 см), но он может быть изменен в соответствии с конкретными требованиями заказчика.