Brian J. Laughlin, Ph.D.
Scientifique principal, Brian.j.laughlin@dupont.com
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Alors que l'infrastructure, les dispositifs et les applications des télécommunications 5G sont en pleine évolution, le besoin de circuits qui fonctionnent sur les bandes d'ondes millimétriques (mmWave) à plus haute fréquence est évident. Le fonctionnement des circuits à haute fréquence présente de nombreux défis, notamment la nécessité de créer un traitement des signaux RF et une transmission sans fil efficaces, ce qui peut généralement être obtenu par une intégration accrue permettant des chemins de communication plus courts. En outre, les matériaux avancés qui permettent à la fois l'intégration hétérogène de dispositifs actifs disparates (par exemple, Si, GaAs, GaN et SiC) et de dispositifs passifs (par exemple, CMS, antennes, filtres, etc.) tout en assurant un fonctionnement stable et de faibles pertes dans une variété d'environnements sont des considérations de performance critiques. Le ruban DuPont™ GreenTape™ Low-Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) et la métallisation à l'argent (Ag) offrent d'excellentes performances haute fréquence dans des conceptions optimisées pour une fiabilité élevée et une longue durée de vie - même dans les environnements les plus difficiles.
Figure 1 : Constante diélectrique (Dk) et perte diélectrique (Df) du GreenTape™ mesurées par un Fabry Perot de 20 à 100 GHz.
Dans le cadre d'une initiative visant à démontrer les hautes performances du GreenTape™ et à créer une conception de référence allant au-delà d'une simple fiche technique de matériau, DuPont Microcircuit and Component Materials (MCM) s'est associé au Dr Chun-An " Ivan " Lu des Material and Chemical Research Laboratories (MCL) de l'Industrial Research Institute (ITRI) à Taiwan. Lu, du Material and Chemical Research Laboratories (MCL) de l'Industrial Technology Research Institute (ITRI) de Taiwan. Cet effort conjoint a permis de créer un système de communication sans fil doté d'une antenne en boîtier (AiP) qui intègre un réseau d'antennes orientables dans un module frontal de radiofréquence (RFFE) fonctionnant à 28 GHz. La base de cette démonstration est le diélectrique céramique GreenTape™ qui présente d'excellentes propriétés diélectriques jusqu'à 100 GHz tout en maintenant un Dk de 7,1 et un Df de <0,0010 (voir figure 1). De plus, les propriétés diélectriques de la céramique GreenTape™ sont stables dans toute la gamme de températures extrêmes (-50°C à 150°C) auxquelles une tête radio déployée peut être exposée (voir Figure 2). En utilisant une suite complète de pâtes de métallisation Ag à haute conductivité pour les plans de masse, les remplissages de via, les lignes de signaux et les plots soudables, il est possible de fabriquer un module multicouche à l'aide d'un traitement LTCC standard† qui est co-cuit et qui peut ensuite être traité pour monter en surface des passives, des connecteurs et des semi-conducteurs actifs.
Figure 2 : Propriétés diélectriques du GreenTape™ mesurées à 28 GHz in-situ de -50°C à 150°C
Un module RFFE AiP a été conçu pour incorporer des puces à circuit intégré (CI) de phasers Anokiwave et utiliser un réseau d'antennes patch 2 x 4. (La figure 3 montre des images du haut et du bas du module LTCC, une illustration du module entièrement assemblé et un schéma de l'architecture du système). La conception et le prototypage du module ont commencé par les patchs d'antenne rayonnante, suivis par le réseau de lignes d'alimentation et le diviseur de puissance, et, enfin, l'intégration et le fonctionnement avec le circuit intégré de phasage avec tous les passives et connecteurs nécessaires.
Figure 3 : (en haut) Images du module LTCC avec le côté antenne à gauche et le pad SMD/Connecteur/IC à droite. (milieu) Illustration du module multicouche entièrement assemblé. (en bas) Représentation schématique du module AiP RFFE et de l'architecture du système.
Le dispositif LTCC fabriqué présente un excellent accord entre les simulations de la conception utilisant les propriétés des matériaux mesurées précédemment et les performances mesurées, comme le montre l'affaiblissement de retour des éléments d'antenne (figure 4). Le module a été évalué par des mesures aériennes à 28 GHz où la puissance isotrope rayonnée effective (PIRE) de plus de 18 dBm a été observée tout en dirigeant le faisceau rayonné par le réseau et les circuits intégrés de phasage sur ±35°. Une amplitude de vecteur d'erreur inférieure à 1 partie par million (~0,7 ppm EVM) a été observée dans un schéma de modulation d'amplitude en quadrature (64 QAM). Ces résultats ont été obtenus grâce aux excellentes propriétés haute fréquence du matériau GreenTape™ LTCC et à la conception hautement intégrée du système.
Figure 4 : (en haut à droite) Les données simulées par rapport aux données mesurées pour les éléments d'antenne montrent un excellent accord. (en haut à gauche) Performances du réseau d'antennes sur ±35° d'orientation du faisceau. (en bas) Photographie du composant de l'émetteur et des données EVM montrant une erreur de <1ppm.
La démonstration de l'AiP montre avec succès comment DuPont™ GreenTape™ LTCC peut être utilisé pour créer des dispositifs pour les télécommunications 5G fonctionnant dans le régime des ondes mm. Après avoir construit un système logiciel et des composants pour simuler les fonctions de traitement du signal, une vidéo de résolution 4K a été transmise de manière fiable sur 10 mètres.
Notre conception de référence est analogue à plusieurs cas d'utilisation dans la mise en place réelle de la 5G à partir de l'équipement chez le client (CPE), notamment :
- petites cellules installées à l'intérieur
- usines connectées
- les petites cellules appartenant aux municipalités ou aux fournisseurs d'accès pour la couverture des zones densément peuplées, comme les villes intelligentes ou les arénas et les centres de spectacles.
- têtes radio de stations de base mmWave
Dans les petites et macro cellules déployées à l'extérieur, la CCLT présente des avantages uniques par rapport aux plates-formes de matériaux stratifiés organiques en raison d'une conductivité thermique nettement supérieure du diélectrique, ce qui facilite la gestion thermique pour des puissances de fonctionnement allant de quelques milliwatts à plus de 1W. De plus, la CCLT est reconnue comme un matériau très fiable avec une résistance à la flexion >200 MPa. Contrairement à d'autres matériaux, elle est hermétique, et donc imperméable à l'humidité qui peut dégrader les performances. L'expansion thermique de la CCLT est également très proche de celle des circuits intégrés critiques qui sont des composants actifs des modules. Ces données et la conception de référence sont fournies pour encourager les concepteurs de matériel à examiner comment les propriétés de la CCLT et les performances à haute fréquence peuvent permettre aux dispositifs de fournir un meilleur accès aux bandes 5G mmWave. L'équipe de DuPont accueille volontiers les demandes de renseignements des acteurs de l'industrie qui souhaitent collaborer à des applications d'antenne pour GreenTape™.
Pour plus d'informations et pour visionner une courte vidéo de cette démonstration, veuillez visiter le site : https://www.youtube.com/watch?v=gJcwya3HLzs [This is automatically translated from English]
