ブライアン・J・ラフリン博士
5G 通信のインフラ、デバイス、アプリケーションは進化していますが、より高い周波数のミリ波帯で動作する回路が必要であることは明らかです。高周波回路の動作には、効率的なRF信号処理と無線伝送を実現する必要があり、一般に、通信経路の短縮を可能にする高集積化によって達成されるなど、多くの課題があります。また、さまざまな環境下で安定した動作と低損失を実現しながら、異種アクティブデバイス（Si、GaAs、GaN、SiCなど）とパッシブデバイス（SMD、アンテナ、フィルタなど）の異種集積を可能にする先端材料は、重要な性能検討項目となっています。デュポン™グリーンテープ™低温同時焼成セラミック（LTCC）テープと銀（Ag）メタライゼーションは、最も厳しい環境においても、高い信頼性と長寿命に最適化した設計で優れた高周波性能を実現します。
図1: GreenTape™の誘電率（Dk）と誘電損失（Df）をファブリーペローで20～100GHzまで測定したもの。
グリーンテープ™ の高性能を実証し、基本的な材料データシートを超えるリファレンスデザインを作成する取り組みの一環として、デュポン マイクロサーキット＆コンポーネントマテリアルズ（MCM）は、台湾工業技術研究院（ITRI）の材料化学研究所（MCL）のChun-An "Ivan" Lu博士と提携しました。デュポンのマイクロサーキット・コンポーネントマテリアルズ（MCM）は、台湾の工業技術研究院（ITRI）材料化学研究所（MCL）の呂俊敦博士と提携しました。この共同研究の結果、28GHz帯で動作するRFFE（Radio Frequency Front-End Module）にビームステアラブルアンテナを組み込んだAiP（Antenna in Package）型の無線通信システムを開発しました。このデモの基盤となっているのはGreenTape™セラミック誘電体で、Dk 7.1、Df 0.0010未満を維持しながら100 GHzまで優れた誘電特性を発揮します（図1参照）。さらに、GreenTape™ セラミックの誘電特性は、配備された無線ヘッドがさらされる可能性のある極端な温度範囲 (-50°C ～ 150°C) を通じて安定しています (図 2 を参照)。グランドプレーン、ビアフィル、信号線、はんだ付け用パッドに高導電性Agメタライゼーションペーストをフルセットで使用し、標準LTCCプロセス†で多層モジュールを製造し、同時焼成して、さらに表面実装受動素子、コネクタ、アクティブ半導体に加工することが可能です。
図2：GreenTape™の誘電特性を-50℃から150℃まで28GHzでin-situ測定。
RFFE AiP モジュールは、アノキウェーブ社のフェーザ集積回路（IC）チップセットを搭載し、2×4 のパッチアンテナアレイを使用するように設計されています（図 3 に、LTCC モジュールの上面、組み立て後の図、およびシステムアーキテクチャの概略図を示します）。(図 3 に LTCC モジュールの上面と下面、組み立てられたモジュールの図解、およびシステムアーキテ クチャの概略図を示す)。モジュールの設計と試作は、放射するアンテナパッチから始まり、フィードラインネットワークとパワーデバイダ、そして最後に必要なすべての受動素子とコネクタを備えたフェーザICの統合と動作が行われました。
図3：（上）LTCCモジュールの画像で、左側がアンテナ側、右側がSMD/コネクタ/ICパッド側です。(中）多層モジュールが完全に組み立てられた状態の説明図。(下）AiP RFFEモジュールとシステムアーキテクチャの模式図。
製作した LTCC デバイスは、前回測定した材料特性を用いた設計のシミュレーションと、アンテナ素子のリターンロスに示される実測性能の間で優れた一致を示しました（図 4）。このモジュールを28 GHz帯で空中線計測したところ、アレイとフェーザICで放射ビームを±35°以上ステアリングしながら、18 dBm以上の実効等方性放射電力（EIRP）が観測されました。また、64quadrature amplitude modulation（64QAM）方式において、100万分の1以下のエラーベクトル振幅（約0.7ppm EVM）が観測されました。これらの結果は、GreenTape™ LTCC材料の優れた高周波特性と、システムの高度に統合された設計によって達成されたものです。
図 4: (右上) アンテナ素子のシミュレーションと実測値がよく一致している。(左上）±35°のビームステアリングにおけるアンテナアレイの性能。(下）送信機部品とEVMデータ（誤差1ppm以下）の写真。
AiPのデモでは、デュポン™グリーンテープ™LTCCを使用して、mmWave領域で動作する5G通信用のデバイスを作成することに成功しました。ソフトウェアシステムと信号処理機能をシミュレートするコンポーネントを構築した後、4K解像度のビデオを10メートル以上確実に伝送することができました。
当社のリファレンスデザインは、顧客構内設備（CPE）から現実の5G構築における以下のようないくつかのユースケースに類似しています。
- 屋内に設置されたスモールセル
- 接続された工場
- スマートシティやアリーナ、パフォーマンスセンターなどの人口密集地における自治体やプロバイダ所有のスモールセルによるカバレッジ
- mmWave基地局用無線機ヘッド
屋外に設置される小型およびマクロセルにおいて、LTCCは有機ラミネート材料プラットフォームと比較して、誘電体の熱伝導率が著しく高く、ミリワットから1W以上の動作電力における熱管理に役立つという独自の利点を備えています。さらに、LTCCは200MPa以上の曲げ強度を持つ高信頼性材料として確立されています。他の材料とは異なり、密閉型であるため、性能を低下させる可能性のある湿気に対して不浸透性です。また、LTCCの熱膨張率は、モジュール内のアクティブコンポーネントである重要なICとほぼ一致する。これらのデータとリファレンスデザインは、LTCCの特性と高周波性能により、5Gのミリ波帯へのアクセスを向上させるデバイスを実現できることを、ハードウェア設計者に理解してもらうために提供されています。デュポンチームは、GreenTape™のアンテナアプリケーションの共同開発を希望する業界関係者からの問い合わせを歓迎します。
このデモの詳細と短い動画は、こちらをご覧ください。https://www.youtube.com/watch?v=gJcwya3HLzs [This is automatically translated from English]
