Brian J. Laughlin, Ph.D.
Científicos principalest, Brian.j.laughlin@dupont.com
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Mientras la infraestructura, los dispositivos y las aplicaciones de las telecomunicaciones 5G evolucionan, la necesidad de circuitos que funcionen en las bandas de ondas milimétricas (mmWave) de mayor frecuencia es evidente. El funcionamiento de los circuitos de alta frecuencia presenta muchos retos, entre ellos la necesidad de crear un procesamiento eficiente de las señales de radiofrecuencia y de la transmisión inalámbrica, lo que generalmente puede lograrse a través de una mayor integración que permita caminos de comunicación más cortos. Además, los materiales avanzados que permiten tanto la integración heterogénea de dispositivos activos dispares (por ejemplo, Si, GaAs, GaN y SiC) como de dispositivos pasivos (por ejemplo, SMD, antenas, filtros, etc.), al tiempo que proporcionan un funcionamiento estable y bajas pérdidas en una variedad de entornos, son consideraciones críticas de rendimiento. La cinta DuPont™ GreenTape™ Low-Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) y la metalización de plata (Ag) ofrecen un excelente rendimiento de alta frecuencia en diseños optimizados para una alta fiabilidad y una larga vida útil, incluso en los entornos más difíciles.
Figura 1: Constante dieléctrica (Dk) y pérdida dieléctrica (Df) de GreenTape™ medidas por un Fabry Perot de 20 a 100 GHz.
Como parte de una iniciativa para demostrar el alto rendimiento de GreenTape™ y crear un diseño de referencia que vaya más allá de una ficha técnica básica del material, DuPont Microcircuit and Component Materials (MCM) se asoció con el Dr. Chun-An "Ivan" Lu, de los Laboratorios de Investigación Química y de Materiales (MCL) del Instituto de Investigación Tecnológica Industrial (ITRI) de Taiwán. El resultado de este esfuerzo conjunto fue la creación de un sistema de comunicación inalámbrica con una antena en paquete (AiP) que integra un conjunto de antenas orientables en un módulo frontal de radiofrecuencia (RFFE) que funciona a 28 GHz. La base de esta demostración es el dieléctrico cerámico GreenTape™, que tiene excelentes propiedades dieléctricas hasta 100 GHz, manteniendo un Dk de 7,1 y un Df de <0,0010 (véase la figura 1). Además, las propiedades dieléctricas de la cerámica GreenTape™ son estables en todo el rango de temperaturas extremas (-50°C a 150°C) a las que puede estar expuesto un cabezal de radio desplegado (véase la Figura 2). Utilizando un conjunto completo de pastas de metalización de Ag de alta conductividad para los planos de tierra, los rellenos de las vías, las líneas de señal y las almohadillas soldables, se puede fabricar un módulo multicapa mediante el procesamiento estándar de LTCC† que se somete a cocción conjunta y, a continuación, se puede seguir procesando para montar en superficie pasivos, conectores y semiconductores activos.
Figura 2: Propiedades dieléctricas de GreenTape™ medidas a 28 GHz in situ desde -50°C hasta 150°C
Se diseñó un módulo RFFE AiP para incorporar conjuntos de chips de circuitos integrados (CI) de fasores de Anokiwave y utilizar un conjunto de antenas de parche de 2 x 4. (La figura 3 muestra imágenes de la parte superior e inferior del módulo LTCC, una ilustración del módulo completamente montado y un esquema de la arquitectura del sistema). El diseño y la creación de prototipos del módulo comenzaron con los parches de antena radiante, seguidos de la red de líneas de alimentación y el divisor de potencia y, por último, la integración y el funcionamiento con el CI fasorial con todos los pasivos y conectores necesarios.
Figura 3: (arriba) Imágenes del módulo LTCC con el lado de la antena a la izquierda y la almohadilla SMD/Conector/IC a la derecha. (centro) Ilustración del módulo multicapa totalmente ensamblado. (abajo) Representación esquemática del módulo AiP RFFE y de la arquitectura del sistema.
El dispositivo LTCC fabricado muestra una excelente concordancia entre las simulaciones del diseño utilizando las propiedades de los materiales medidos previamente y el rendimiento medido, como muestran las pérdidas de retorno de los elementos de la antena (Figura 4). El módulo se evaluó mediante mediciones en el aire a 28 GHz, en las que se observó una potencia isotrópica radiada efectiva (EIRP) superior a 18 dBm mientras se dirigía el haz radiado por el conjunto y los circuitos integrados fasoriales sobre ±35°. Se observó una magnitud del vector de error inferior a una parte por millón (~0,7 ppm EVM) en un esquema de modulación de amplitud en cuadratura de 64 (64 QAM). Estos resultados se lograron gracias a las excelentes propiedades de alta frecuencia del material GreenTape™ LTCC y al diseño altamente integrado del sistema.
Figura 4: (arriba a la derecha) Los datos simulados frente a los medidos para los elementos de la antena muestran una excelente concordancia. (arriba a la izquierda) Rendimiento del conjunto de antenas sobre ±35° de dirección del haz. (abajo) Fotografía del componente del transmisor y los datos del EVM que muestran un error de <1ppm.
La demostración de AiP muestra con éxito cómo DuPont™ GreenTape™ LTCC puede utilizarse para crear dispositivos para telecomunicaciones 5G que operen en el régimen de ondas milimétricas. Tras construir un sistema de software y componentes para simular las funciones de procesamiento de señales, se transmitió vídeo de resolución 4K de forma fiable a más de 10 metros.
Nuestro diseño de referencia es análogo a varios casos de uso en el mundo real de la construcción de 5G a partir de equipos en las instalaciones del cliente (CPE), incluyendo:
- células pequeñas instaladas en el interior
- fábricas conectadas
- células pequeñas de propiedad municipal o de proveedores para la cobertura en zonas densamente pobladas, como ciudades inteligentes o estadios y centros de espectáculos
- cabezales de radio de estación base mmWave
En las celdas pequeñas y macro desplegadas en el exterior, el LTCC tiene ventajas únicas sobre las plataformas de materiales laminados orgánicos debido a una conductividad térmica significativamente mayor del dieléctrico que ayuda a la gestión térmica en la potencia de funcionamiento de milivatios a >1W. Además, el LTCC se ha establecido como un material altamente fiable con una resistencia a la flexión de >200 MPa. A diferencia de otros materiales, es hermético y, por tanto, impermeable a la humedad que puede degradar el rendimiento. La expansión térmica del LTCC también se ajusta a los circuitos integrados críticos que son componentes activos en los módulos. Estos datos y el diseño de referencia se ofrecen para animar a los diseñadores de hardware a considerar cómo las propiedades del LTCC y el rendimiento de alta frecuencia pueden permitir que los dispositivos proporcionen un mayor acceso a las bandas de ondas milimétricas 5G. El equipo de DuPont agradece las consultas de los actores del sector que quieran colaborar en las aplicaciones de antena para GreenTape™.
Para más información y para ver un breve vídeo de esta demostración, visite: https://www.youtube.com/watch?v=gJcwya3HLzs [This is automatically translated from English]
