Проектирование функциональных узлов высокочастотной и сверхвысокочастотной электроники значительно отличается от построения обычных схем. Сложность разработки заключается в том, что поведение ВЧ/СВЧ принципиальной схемы определяется не только выбранными номиналами элементов цепей, но и дополнительными характеристиками – добротностью, параметрами схемы замещения, температурной и временной стабильностью. Поэтому подбор и применение электронных компонентов, даже таких несложных, как конденсатор, имеет свою специфику. Пассивная керамическая ВЧ продукция компании Johanson Technology, рассматриваемая в данной статье, отличается высокой добротностью и малыми потерями в широком температурном диапазоне и активно применяется в беспроводных устройствах распространенных в настоящее время стандартов передачи данных.
ВВЕДЕНИЕ
Компания Johanson Technology, основанная в 1990 году (до 1993 являлась подразделением компании Johanson Dielectrics), с момента своего создания специализируется на производстве пассивных элементов, используемых для построения всех основных узлов радиочастотных цепей сотовых телефонов, WLAN, Bluetooth, GPS, CDMA2000, UWB, Wi-Max, ZigBee, Wi-Fi модулей, оптоэлектронной аппаратуры и других ВЧ устройств (рис. 1).
В числе клиентов компании такие известные на рынке беспроводной передачи данных производители, как Texas Instruments, Atmel, Analog Devices, Nordic Semiconductor, Qualcomm, Silicon Labs и многие другие [1]. Широкий ассортимент продукции включает в себя высокодобротные многослойные и однослойные конденсаторы, керамические и проволочные чип индуктивности, антенны, высокочастотные и полосовые фильтры, а также широкий спектр интегральных устройств, изготовленных на основе LTCC технологии (смесители, делители и сумматоры мощности, ответвители, коммутаторы, согласующие трансформаторы импедансов и т.д.). Помимо типовых решений доступна разработка на заказ, а использование современных компьютеризированных систем контроля процесса производства на всех стадиях позволяет получить высокое качество и повторяемость рабочих характеристик выпускаемых изделий [2].
МНОГОСЛОЙНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ (MLCC)
Многослойные керамические чип-конденсаторы (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCC) имеют некоторые отличительные особенности, которые обеспечивают их широкое распространение практически во всех отраслях электроники. Среди таких особенностей можно отметить:
• Высокую удельную емкость;
• Широкий диапазон номинальных емкостей при заданном температурном коэффициенте;
• Миниатюрные габариты (кроме высоковольтных конденсаторов);
• Широкий диапазон доступных рабочих напряжений;
• Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR);
• Высокую частоту последовательного резонанса;
• Стандартный набор типоразмеров, позволяющий легко использовать аналоги различных фирм-производителей;
• Конструктивную возможность автоматизированного монтажа;
• Высокую температурную стабильность, устойчивость к внешним факторам, хорошую механическая прочность;
• Простоту технологии изготовления и, как следствие, дешевизну.
Множество факторов оказывает влияние на основные рабочие параметры конденсаторов. Определяющим же является тип используемого диэлектрика. В MLCC конденсаторах компании Johanson Technology применяется неорганический твердый диэлектрик типа NP0, обладающий низкой диэлектрической проницаемостью и хорошей температурной стабильностью (ТКЕ близок к нулю). Емкость конденсаторов с таким диэлектриком практически не зависит от температуры, напряжения и длительности эксплуатации. В таблице 1 представлены характеристики диэлектрика NP0.
Процесс изготовления керамических конденсаторов включает множество технологических операций и состоит из нескольких стадий. Определяющей для качества и срока службы конденсатора является строгое соблюдение технологии нанесения электродов. Многослойный керамический конденсатор представляет собой монолитную конструкцию из сплошного блока керамического диэлектрика с заключенной в нем электродной структурой и металлизированными торцами для подсоединения контактных поверхностей. Конструкция выводов состоит из двух составляющих: в зависимости от модификации барьерный слой никеля или меди и внешний контактный слой из олова или оловянно-свинцового сплава. Соединение внутренних электродов с внешними производится только с торцов. Внутренние электроды спрятаны внутри конденсатора и не имеют выхода наружу (рис. 2). Такое исполнение обеспечивает возможность использование всех видов пайки, которые применяются в технологии поверхностного монтажа.
Многослойные керамические конденсаторы Johanson Technology, обладающие высокой добротностью и низким эквивалентным сопротивлением, отлично подходят в качестве замены компонентов таких компаний как ATC, AVX, Kemet, Murata, Panasonic, NXP, TDK и т.д. Они надежно функционируют в диапазоне температур от -55 до +125 °C и имеют несколько градаций точности: A (±0,05 пФ), B (±0,1 пФ), C (±0,25 пФ), D (±0,5 пФ) – до значения емкости 9,1 пФ и F (± 1%), G (± 2%), J (± 5%), K (± 10%) выше этого номинала [3]. Изготовителем применяется условное подразделение на отдельные серии в зависимости от величин добротности и рабочих напряжений (таблица 2).
Различают конденсаторы S-серии (R07S, R14S, R15S) с ультравысокой добротностью, малогабаритные высокодобротные конденсаторы L-серии (R05L) и сверхвысокодобротные конденсаторы E-серии (S42E, S48E, S58E), предназначенные, в основном, для высоковольтных применений. S-серия с максимальным рабочим напряжением 250 В, используемая в прецизионных времязадающих цепях и фильтрах, выполняется в корпусах трех типоразмеров: 0402, 0603 и 0805. Конденсаторы L-серии с вертикальным и горизонтальным расположением внутренних слоев ориентированы на СВЧ устройства, частота их последовательного резонанса достигает 20 ГГц. E-серия с номинальным напряжением до 7200 В соответствует требованиям военных стандартов MIL-PRF-55681 и MIL-PRF-123, для получения большой электрической прочности толщина слоев диэлектрика увеличена. Помимо использования типовых корпусов с контактными площадками у данных элементов присутствуют модификации с проволочными или ленточными аксиальными или радиальными выводами (рис. 3).
ОДНОСЛОЙНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ
Еще одно семейство элементов Johanson Technology составляют низкопрофильные однослойные конденсаторы (SLC). Высокодобротные емкости квадратной или прямоугольной формы с размерами от 0,25*0,25 до 5*5 мм и номиналом от 0,1 до 4000 пФ способны работать в диапазоне частот до 50 ГГц, поэтому они используются в оптических приложениях, или, вместе с дополнительными MLCC-конденсаторами, в микросборках для сверхширокополосной связи. Конденсаторы, рассчитанные на рабочие напряжения 50 и 100 В, подразделяются на три серии в зависимости от способа нанесения металлизации на керамический диэлектрик: V, B и U (рис. 4).
Слой металлизации, формирующий контактные площадки, образуется комбинацией TiW/Au либо TiW/Ni/Au [4]. В пределах каждой серии доступны компоненты с диэлектриками 14 типов, их параметры представлены в таблице 3.
Характерная черта широкополосных однослойных конденсаторов серии GBBL – высокая удельная емкость и превосходная стабильность во всем диапазоне рабочих температур от -55 до +125 ºС (рис. 5). Серия GBBL изготавливается на основе собственной модификации диэлектрика типа X7R [5]. Запатентованный производственный процесс позволяет получить микроструктуру, представляющую собой комбинацию проводящих гранул и изолирующего барьерного слоя (GBBL), выступающего в качестве тонкого диэлектрика. Контроль толщины барьерного слоя и размеров проводящих гранул в сумме обеспечивает высокостабильное значение диэлектрической постоянной. Конденсаторы данного типа предназначены для рабочих напряжений 16, 25 или 50 В, тангенс угла потерь не превышает 0,025, а номинальная шкала емкостей составляет 68 – 3900 пФ.
Прецизионные конденсаторы, выпускаемые под торговой маркой LASERtrim, предназначены для точной настройки радиочастотных цепей. Они используются в генераторах, фильтрах и антенных цепях сотовых телефонов, беспроводных точек доступа, считывателей RFID-меток и других портативных устройств. Лазерная подгонка номинала выполняется при помощи специальной станции, интегрированной в автоматизированный сборочный конвейер. Луч YAG лазера под контролем компьютера удаляет необходимую для получения заданной емкости часть слоя металлизации на поверхности конденсатора. Мониторинг параметров цепи обратной связи гарантирует чрезвычайно высокую точность настройки. Типовая структура конденсаторов данного типа показана на рис. 6.
Номинальные значения для разных моделей серий L14, L15, L18 и L41 составляют единицы и десятки пФ, максимальное рабочее напряжение 50 В. Компоненты, доступные в стандартных чип корпусах четырех типоразмеров: 0603, 0805, 1206 и 1210, подходят для автоматического монтажа.
КЕРАМИЧЕСКИЕ И ПРОВОЛОЧНЫЕ ВЧ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
Основные направления применения катушек индуктивности компании Johanson Technology – согласование импедансов в контурах высокочастотных цепей, получение резонансных схем и проектирование фильтров высокочастотных сигналов. Линейка продукции данного типа включает в себя многослойные керамические (MLCI) и высокодобротные с проволочной намоткой катушки, отличающимися, прежде всего, габаритными размерами (таблица 4). Они имеют высокую стабильность, точность и добротность [6].
Миниатюрные керамические индуктивности в типовых корпусах 0201, 0402 и 0603 с рабочим током от 100 до 300 мА могут принимать 50 различных номинальных значений из стандартного ряда в диапазоне от 0,6 до 220 нГн. Проволочные индуктивности обладают расширенным диапазоном доступных номиналов с максимальным значением 10000 нГн, они изготавливаются в корпусах для поверхностного монтажа типа 0402, 0603 и 0805, в качестве каркаса также используется керамика. В зависимости от модели погрешность значения индуктивности не превышает 0,2 нГн (литера C в наименовании), 0,3 нГн (S), 2% (G), 5% (J) и 10% (K). Внешний вид катушек изображен на рис. 7.
ВЧ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ LTCC ТЕХНОЛОГИИ
Компания Johanson Technology прилагает много усилий на создание элементной базы и функциональных устройств различного назначения, выполненных в виде трёхмерных интегрированных структур на основе перспективной технологии низкотемпературной спеченной керамики (LTCC, Low Temperature Cofired Ceramic). Использование LTCC-подложек позволяет существенно расширить диапазон рабочих частот, увеличить степень интеграции, улучшить показатели надёжности и массогабаритные характеристики вновь создаваемых средств передачи данных [7]. Типичный модуль, выполненный по LTCC технологии, представляет собой “бутерброд”, состоящий из нескольких слоев керамического материала и запекаемый в печи обжига для фиксации многослойной структуры.
Одним из основных отличий низкотемпературной керамики от высокотемпературной является спекание слоёв при температуре ниже 1000 °С, что даёт возможность работать с пастами на основе золота, серебра и меди, отличающимися малым удельным сопротивлением. Элементы схемы размещаются не на плоскости, а в объеме. Используя различные типы керамических материалов с разными диэлектрическими постоянными, можно интегрировать в схему не только стандартные пассивные компоненты, но и такие устройства, как ответвители, сумматоры, делители сигнала, фильтры, а также трансформаторы импедансов (рис. 8).
Разработанные устройства успешно применяются в аппаратуре передачи данных стандартов Bluetooth, 802.11 (a,b и g), WLAN, GPS/ГЛОНАСС, GSM/3G/Wi-Max/LTE, ZigBee, фирменных ISM протоколах и спутниковых системах (таблица 5).
Среди других отличительных особенностей можно отметить:
• Малое значение коэффициента теплового расширения и высокую теплопроводность;
• Герметичность. Плотная структура LTCC-керамики не пропускает влагу, она может использоваться в атмосфере с высокой влажностью без дополнительной защиты;
• Механическую прочность конструкции в широком диапазоне температур;
• Контролируемый импеданс цепей;
• Высокую повторяемость параметров изделий;
• Возможность организации массового производства с последующим изменением ключевых параметров.
Отдельного внимания заслуживают пассивные керамические чип-антенны. В настоящее время каталог компании включает 46 малогабаритных моделей с диапазонами рабочих частот от 0,08 до 10 ГГц [8]. Изготавливаемые на базе LTCC технологии устройства подходят для аппаратуры GSM, GPS, ISM, CDMA, TDMA и Bluetooth, а также могут успешно применяться в Wi-Fi, Wi-MAX, UWB и WLAN приложениях (рис. 9). Несмотря на свои малые размеры, чип-антенны имеют хорошие электрические характеристики, стабильность которых определяется высококачественной керамикой. Температурный коэффициент не превышает 2ppm/ºС вплоть до максимальной температуры эксплуатации +125 ºС. По требованию заказчика возможно тестирование на соответствие требованиям автомобильного стандарта AEC-Q200.
Кроме выпуска стандартизованной продукции компания Johanson Technology изготавливает специализированные схемы, выполненные по спецификации заказчика. С помощью структуры, размещенной на требуемой подложке, можно легко формировать проводящие, резистивные, емкостные и прочие элементы схемы. Заказчику достаточно затем лишь установить оставшиеся дискретные элементы. Подобные решения используются там, где необходимо обеспечить высокую надежность устройства при минимальных размерах, например, в СВЧ-аппаратуре, оптических репитерах и т. д.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА
На сайте компании Johanson Technology размещены подробные руководства по выбору компонентов, их согласованию, разработке посадочных мест на печатной плате, по технологии пайки и режимам хранения. Для сокращения времени разработки радиочастотных устройств инженеры часто выполняют предварительную симуляцию ВЧ-цепей. Сделать обоснованный выбор компонента, подходящего для решения конкретной задачи, поможет бесплатный пакет программ для моделирования JTISoft, разработанный компанией Johanson Technology (рис. 10). Графический интерфейс пользователя JTISoft состоит из двух программ: MLCsoft (для многослойных керамических конденсаторов шести типоразмеров) и MLIsoft (для многослойных керамических индуктивностей четырех типоразмеров).
В основном окне приложения отображаются расширенный набор электрических параметров (частота последовательного и параллельного резонанса, эквивалентное последовательное сопротивление, добротность, эффективная емкость, S-параметры и т.д.), которые динамически изменяются при выборе пользователем номинала компонента с учетом желаемой точности, его размера и рабочей частоты в диапазоне от 200 МГц до 20 ГГц. Кроме того, доступно детальное графическое отображение значений основных характеристик в выбранном диапазоне частот. На двухмерных графиках с обычным или логарифмическим масштабом изображаются S-параметры, импеданс, добротность, ESR, также возможно построение круговых диаграмм Смита, полученные графики экспортируются в формате BMP. Результатом моделирования являются: наименование компонента, удовлетворяющего заданным условиям, и его частотные зависимости, представленные в выходном формате S2P. Для моделирования работы также можно воспользоваться сторонним ПО, для этого на сайте производителя выложены специальные библиотечные файлы, подходящие для таких известных симуляторов, как Agilent ADS, AWR и Eagleware.
Для сокращения стоимости макетирования разработчики имеют возможность приобрести недорогие наборы (кассеты), содержащие ряд образцов конденсаторов, индуктивностей и других пассивных элементов, сгруппированных как по типу, так и по области применения. Например, L/C-805DS включает в себя многослойные конденсаторы с емкостью из стандартного ряда от 4,7 до 220 пФ и проволочные высокодобротные индуктивности с номиналом в диапазоне 2,7 – 10000 нГн, изготовленные в корпусах типоразмера 0805. Набор 2450L/C402D помимо конденсаторов и индуктивностей типа 0402, содержит керамические антенны, фильтры и элементы согласования импедансов, рассчитанные на рабочую частоту 2,45 МГц. Всего в настоящее время существует 32 различных варианта комплектов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Требования рынка диктуют необходимость создания миниатюрных высокочастотных радиоэлектронных устройств, обладающих высочайшей надёжностью и уникальными эксплуатационными характеристиками. Компания Johanson Technology предлагает широкую линейку пассивных керамических компонентов ВЧ и СВЧ диапазонов частот. Миниатюрные конденсаторы и катушки индуктивности, изготовленные на основе высокостабильного диэлектрика, а также интегрированные LTCC элементы находят применение в устройствах GSM, GPS, ISM, CDMA, TDMA, Bluetooth, Wi-Fi и Wi-MAX стандартов связи. Продукции компании уже много лет отдают предпочтение такие известные производители беспроводных модулей, как Texas Instruments, Nordic Semiconductor, Silicon Labs и многие другие.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1) Официальный сайт компании Johanson Technology. // www.johansontechnology.com
2) High frequency ceramic solutions. Product catalog.
3) Multi-layer high-Q capacitors. Selection guide.
4) SLC microwave/millimeterwave capacitors. Datasheet.
5) GBBL broadband single layer capacitor. Datasheet.
6) RF ceramic chip inductors. Datasheet.
7) Перцель Я., Яковлев А. Преимущества использования технологии низкотемпературной керамики для реализации радиоэлектронных устройств. // Современная электроника, №8 2012, с. 16-17
8) Ceramic chip antennas. Datasheet.
