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11-2020

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Bauelemente

Bauelemente Miniaturisierung von HF-Komponenten mit fortschrittlichen Herstellungsmethoden Die Firma Benchmark Lark Technology hat traditionelle Hochfrequenzfilter zu kleinen oberflächenmontierbaren Schaltkreisen mit einer deutlichen Reduzierung in Größe und Gewicht weiterentwickelt. Quelle: Case Study: Miniaturizing RF Components Using Advanced Circuit Fabrication Methodologies, Benchmark Lark Technology Phoenix/Benchmark Electronics, Inc., AZ 85034, USA, www.bench.com/lark, 2020 übersetzt von FS Die Kombination aus hoher Leistungsfähigkeit und viel kleinerer Baugröße wurde durch das Fachwissen der Lark-Ingenieure und durch einen einzigartigen Herstellungsprozess ermöglicht. Die Herausforderung bestand darin, leichte und kleine Filter für Mikrowellen und Millimeterwellen (mmWave) zu entwickeln, welche sich besonders gut für Anwendungen in Technologien wie kommerzielle 5G-Wireless- und modernste militärische Kommunikations- Systeme eignen. Denn immer kleinere elektronische Geräte arbeiten mit immer höheren Frequenzen und mit immer ausgefeilterer Elektronik. Passive und aktive HF-Komponenten sind der Grundstock bei der Gestaltung dieser Anwendungen zum Erzeugen, Blockieren und Empfangen von Signalen bei bestimmten Frequenzen, um Daten von Punkt A nach Punkt B ohne Interferenzen zu übertragen. Diese Komponenten müssen miniaturisiert werden, sollen sie die nächste Generation von Innovationen ermöglichen. Die herkömmliche Wellenleitertechnologie weist eine hohe Qualität (ablesbar an hohen Gütefaktoren Q) auf, also verlustarme Eigenschaften, ist aber auch sperrig und schwierig in planare Technologien wie übliche Platinenoberflächen zu integrieren und lässt sich nicht allzu leicht montieren oder mit anderen Komponenten stapeln. HF-Filter, die bestimmte Frequenzbänder durchlassen oder blockieren, in denen Signale von HF- oder Mikrowellen-Geräten empfangen werden, sind häufig in großen Mengen in modernen Kommunikationssystemen erforderlich. Die Optimierung der Größe, des Gewichts und der Leistung sowie der Kosten bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung oder Verbesserung der Leistungsfähigkeit sind wichtige Schritte zur Verbesserung der Performance des Gesamtsystems. Aus diesen Gründen liegt hier das größte Potenzial in der Schaffung miniaturisierter Komponenten, die leicht montiert und gestapelt werden können. Die Lösung hat man bei Benchmark Lark Technology in Form eines einzigartigen Schaltungs-Design und in einer fortschrittlichen Herstellungstechnologie gefunden. Benchmark Lark Technology ist damit in der Lage, Mikrowellenund HF-Filter von bester Qualität für Telekommunikation, Medizin, Bild 1: Messergebnisse SMT-BP-Filter aus Quarzglas Computer, Luft- und Raumfahrt und Verteidigungszwecke bereitzustellen. Heute bietet Lark Hochleistungs- HF-Komponenten in hochdichter Schaltungsherstellung an, die optimale HF- und Hochgeschwindigkeits-Schaltungen ermöglichen und eine beträchtliche Schaltungsminiaturisierung erlauben. Die Kombination von bestimmten Fähigkeiten war wesentlich für das Design kleinerer, leichterer Filter. Um zu kleineren Hochleistungsfiltern zu gelangen, die viele der Nachteile herkömmlicher Wellenleitertechnologie vermeiden, haben Ingenieure bei Lark eine neue Linie von oberflächenmontierbaren Filtern geschaffen. Bei Verwendung eines dielektrisch gefüllten Wellenleiters entwickelten Ingenieure einen Filtertyp, der sich durch hohe Güte Q, geringe Größe und einfache Integration in vorhandene planare Technologien auszeichnet. Um die Herausforderungen der Miniaturisierung von HF-Filtern zu lösen, mussten die Lark HF-Filter-Designer und Hochleistungsschaltungs-Designer arbeiteten zusammen. Basis war Larks einzigartiger Halbadditiv- Schaltungsherstellungsprozess, 12 hf-praxis 11/2020

Bauelemente Bild 2: LCP-SMT-BP-Filter der Sub-25-Mikron-Bahnen und 10+ Schichten mit komplexen Schaltungstopologien ermöglicht. Diese technologischen Vorteile ermöglichten dem Lark-Team mehrere Tools zur Lösung der Miniaturisierungsprobleme bei gleichzeitiger Maximierung der HF-Leistung. Die Wahl des richtigen Materials für das Substrat war eine wichtige Überlegung für eine optimale Leistung bei Mikrowellen- und mmW-Frequenzen. Das Team experimentierte zunächst mit vielen Filtertopologien und Substraten bei niedrigen, leichter handhabbaren Frequenzen, um die Miniaturisierung von HF-Komponenten mit fortschrittlichen Schaltungsherstellungsmethoden in den Griff zu bekommen. Dabei gelang es, anfängliche Design- Probleme zu identifizieren und zu überwinden und beste Materialien für weitere Versuche zu identifizieren. Die Einengung der Materialien auf Quarzglas (fused silica) und Flüssigkris tall Polymer (LCP) erwies sich als vielversprechend. Das Team entwarf ein Hochfrequenzfilter und produzierte einen Prototyp in Quarzglas (Aufmacherfoto, Größenvergleich mit einem herkömmlichen WG- Filter); in Bild 1 sieht man, dass ein geringer Verlust auftritt. Dies ermöglicht ultrastabiles Übertemperaturmaterial für Schmalbandfilter. Quarzglas ist jedoch auf eine Schicht des Designs beschränkt. Bild 3: Vergleich von Mikrostreifen-BP-Filter und LCP-Streifenleitungsfilter LCP hingegen hat ausgezeichnete Eigenschaften für einzelne und mehrschichtige Breitbandfilter- Designs. Zusätzlich ist LCP ein thermoplastisches Material mit hervorragenden elektrischen und mechanischen Eigenschaften, wie stabiles Dielektrikum (Konstante 3,16 ±0,05), geringe Verlusttangente infolge geringem dielektrischem Verlust (0,0045) bis 110 GHz sowie geringe Feuchtigkeitsabsorption und niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (17 ppm/K). Damit hat Benchmark Lark Technology einzigartige Eigenschaften und Fähigkeiten zum Aufbau von Hochleistungs- LCP-Schaltungen gefunden. Der Entwicklungsprozess ging von dort aus schnell voran. Aber es waren noch einige Herausforderungen zu bewältigen: HF-Filter müssen genau die richtige Dimension aufweisen, um eine gute Leistung zu erzielen, dies stellte zunächst eine Herausforderung für das Schaltungs-Design-Team dar. Bei der zweiten Iteration fand das Team eine Lösung für die Schaltungsdicke und mit der dritten Iteration hatte das Team ein mehrschichtig erstelltes miniaturisiertes Hochleistungsfilter geschaffen, s. Bild 2. Das Ergebnis ist ein neues RF-Modul mit Architekturen, die Besseres bieten als bekannt und die hohe Leistungsfähigkeit mit einem kleinen Gehäuse verknüpfen. Benchmark Lark Technology hat den Mikrostreifen-Ansatz verändert, um ein BP-Filter als kleines, oberflächenmontierbares LCP-Streifenleitungsfilter zu realisieren. Es isst 0,25 x 0,25 x 0,032 Inches und wiegt nur 0,09 g. Dies ist fünfmal leichter als ein Interdigital- Mikrostreifen-BP-Filter, hergestellt auf RO4003-Substrat, links zu sehen in Bild 3. Das Diagramm in Bild 4 informiert zum Durchlassverhalten. Lark entwickelt derzeit neue Mikrowellen- und mmWave-Filter für Frequenzen bis 110 GHz mit LCP für hohe Leistung und Optimierung der Größe, des Gewichts und der Schock-Resistenz. In HF- Systemen mit dutzenden von Filtern sollte diese neue Technologie erhebliche positive Auswirkungen auf das System haben. Am wichtigsten für RF-Innovationen ist die Fähigkeit zur Herstellung von LCP-Schaltungen mit mehr als zehn Schichten. Dies bedeutet, dass einzelne Filter nur der Anfang sind. Damit können Filtermodule und andere Mehrkomponentenmodule entworfen und hergestellt werden bei gestapelter Topologie (Bild 5). Darüber hinaus lassen sich passive und aktive Komponenten zwischen LCP-Schichten einbetten, nicht nur, um die Größe des Moduls zu reduzieren, sondern auch, um die Performance zu verbessern. ◄ Bild 4: Messergebnisse zum neuen Filter Bild 5: Geschaltete Filterbank mit Stapel-LCP-BP-Filtern hf-praxis 11/2020 13

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