Переход на миллиметровые волны: межсоединения становятся главной трудностью
С выходом связи в диапазон выше 30 ГГц потери в переходах, отверстиях и разъёмах становятся определяющими, а межсоединения и корпусирование приходится проектировать вместе с радиочастотной частью. Об этом пишет доктор Тюдор Уильямс из Filtronic.
По мере того как сети связи уходят в миллиметровый диапазон, связность становится всё более серьёзной задачей, пишет доктор Тюдор Уильямс.
Спутниковые группировки растут, инфраструктура 5G ставится всё плотнее, а оборонные и космические программы порождают всё большие объёмы данных — давление на сети связи усиливается. Чтобы поспевать, отрасль выходит за пределы привычных частотных диапазонов в область миллиметровых волн: выше 30 ГГц и вплоть до диапазона W.
Но переход на более высокие частоты — это куда больше, чем подгонка существующих решений. На миллиметровых волнах начинают преобладать другие физические эффекты: сигналы ведут себя иначе, а к архитектуре системы предъявляются новые требования. Технологии межсоединений, надёжно работающие на более низких микроволновых частотах, выше 30 ГГц могут стать значительным источником потерь. В результате инженеры обнаруживают, что связность — уже не просто часть решения. Во многих случаях она становится одной из главных трудностей, которую нужно преодолеть, чтобы раскрыть все возможности систем миллиметрового диапазона.
Когда система уходит в миллиметровый диапазон, правила меняются. Длина волны становится настолько малой, что даже небольшие несовершенства на пути сигнала дают заметный эффект. На этих частотах неудачно спроектированное переходное отверстие, неэффективный переход в разъёме или даже небольшое рассогласование по сопротивлению вносят потери, которые на более низких частотах были бы несущественны.
С ростом частоты обычные проводники на печатной плате и коаксиальные кабели применять без ущерба для характеристик становится всё труднее. Поэтому в системах миллиметрового диапазона гораздо большую роль играют волноводные технологии: они дают высокоэффективный способ передачи сигнала с малыми потерями, особенно там, где важны мощность и качество работы.
Таким образом, задача — построить радиочастотные пути сигнала, оптимизированные под конкретные используемые частоты. Не менее важно и то, что межсоединения и корпусирование больше нельзя рассматривать как отдельные вопросы проектирования. Каждый переход — между кристаллом, подложкой, корпусом или волноводом — становится частью общих радиочастотных характеристик. Самые удачные архитектуры миллиметрового диапазона те, где связность проектируется совместно с самого начала, так что целостность сигнала сохраняется от его формирования до излучения.
Межсоединения — не единственная область, где на миллиметровых волнах возникают новые трудности. Полупроводниковые технологии тоже развиваются, подгоняемые нуждой в большей мощности, более высоком КПД и лучших характеристиках.
Долгие годы предпочтительным полупроводником для высокочастотных радиоприменений был арсенид галлия (GaAs). Он по-прежнему играет важную роль в системах миллиметрового диапазона, но по мере роста требований к передающим цепям нитрид галлия (GaN) становится пригодной заменой на всё более высоких частотах. Благодаря способности давать большую удельную мощность и КПД он хорошо подходит там, где одновременно важны характеристики, размеры и потребляемая мощность.
На самых высоких частотах, где критически важен крайне низкий уровень шума, ключевой технологией остаётся фосфид индия (InP). У каждой полупроводниковой технологии свои сильные стороны, и выбирать её надо под конкретное применение и требуемые характеристики.
Современные технологии на GaN, GaAs и InP позволяют получать большую выходную мощность, лучший КПД и отличную линейность во всё более широких полосах, помогая удовлетворить запросы систем связи следующего поколения.
Общее у них одно — трудность отвода тепла. Чем больше мощности радиочастотные приборы отдают из всё более компактных корпусов, тем важнее становится тепловой расчёт.
На миллиметровых волнах проектные решения больше нельзя принимать по отдельности. Отвод тепла, механическая конструкция и радиочастотные характеристики тесно связаны, и изменение в одной области может дать непредвиденные последствия в другой.
Например, элемент, введённый для улучшения отвода тепла, способен повлиять на электромагнитные свойства. И наоборот, механическая конструкция, обеспечивающая прочность, нужную для авиакосмических или оборонных применений, может изменить критические размеры настолько, что это скажется на радиочастотных характеристиках. На частотах порядка 80 ГГц допуски, которые на более низких частотах не играли роли, дают измеримую разницу.
Задача усложняется ещё больше, когда для ожидаемых от систем связи следующего поколения скоростей передачи нужны широкие полосы. Оптимизировать характеристики на одной частоте уже недостаточно. Компоненты, межсоединения и корпуса должны работать одинаково во всём широком диапазоне, зачастую охватывающем несколько гигагерц, сохраняя малые потери, хорошую линейность и устойчивые характеристики по всей рабочей полосе.
Для инженера, работающего в миллиметровом диапазоне, успех зависит от системного подхода с самого начала. Тепловые, механические и электромагнитные требования нужно рассматривать вместе, чтобы получить характеристики, КПД и надёжность, которых требуют современные применения.
На миллиметровых волнах проектирование и производство идут рука об руку. Разработка может выглядеть безупречно в моделировании, но если производство не способно стабильно обеспечить допуски, на которые опирается модель, характеристики быстро просядут. Размещение кристалла, сборка с проволочными выводами и геометрия соединений требуют точности, которая десять лет назад просто не была нужна. И не менее важно, чтобы эта точность повторялась на каждом выпущенном изделии, а не только на аккуратно собранном опытном образце.
Почти 50 лет компания Filtronic сочетает опыт в высокочастотном проектировании, корпусировании, производстве и испытаниях, поставив десятки тысяч модулей миллиметрового диапазона для требовательных коммерческих и оборонных применений. Главное — контролировать каждый критический этап процесса, от выбора полупроводника до производства. По мере роста частот и сужения запасов по характеристикам именно такая связанность этапов часто и отличает разработку, которая работает в лаборатории, от той, которая надёжно работает в поле.
Поскольку рабочие частоты продолжают расти в спутниковой связи, телекоммуникациях, оборонных применениях и датчиках, связность уже нельзя считать отдельной задачей, которую решают в конце программы. Решения по радиочастотной архитектуре, полупроводниковой технологии, корпусированию и производству влияют друг на друга и прямо отражаются на характеристиках всей системы.
Для организаций, разрабатывающих системы миллиметрового диапазона следующего поколения, задача не в том, чтобы просто перенести существующие подходы на более высокие частоты. По мере усложнения требований успех всё больше зависит от целостного взгляда с самого начала. Межсоединения, корпусирование, отвод тепла и производство нужно рассматривать вместе, чтобы достичь той мощности, КПД и надёжности, которых требуют современные применения. На практике это означает проектировать не только под характеристики в лаборатории, но и под их воспроизводимость при реальной эксплуатации и в серийном производстве.