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Peter Uhlig
LTCC Technology for Planar Microwave Antenna Systems
LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) is a proven ceramic multilayer packaging technology for high reliability applications. This encompasses automotive, medical, security, aeronautics and aerospace applications. Advanced low-loss material systems and improved manufacturing technology extend the operating range to microwave frequencies (up to 250 GHz). One of the virtues of LTCC is the option to integrate passive components into the multilayer. Matching networks, couplers, and filters can be realized in inner layers, by this means the density of integration is further increased. In this way top and bottom surface feature more room for bare dies and SMT (Surface-Mounting Technology) components to accomplish active microwave systems.
LTCC multilayer substrates offer three-dimensional integration of components and routing of wave-guides for microwaves. This is facilitating new solutions which are impossible in planar technologies like thinfilm hybrids or semiconductors. On the other hand, the accuracy requirements of the complex circuitry are a challenge. For the frequency range of the antenna module for satellite communication (uplink 27:5 GHz to 31 GHz) described here, manufacturing tolerances are critical since the tolerances for the dimensions of transmission line components (especially for their length and width) have to be put in relation to the wavelength in the dielectric.
A succession of transmit/receive modules was developed with increasing density of integration. They utilize the above integration techniques and demonstrate the fitness of the LTCC technology for SatCom multimedia terminals employing DBF (Digital Beam-Forming). The antenna module is a circular polarised, 8 x 8 element array that comprises four 4 x 4 element building blocks. This sub-array is arranged in a grid to form a digital beam forming terminal (transmit system). It consists of 17 LTCC layers with 18 metallisation layers. The front-end module integrates the antenna elements with branch-line couplers, the calibration network, active RF circuits, LO power distribution networks, voltage supply and the pipework of a liquid cooling system.
These complex and highly integrated LTCC antenna modules are far from standard and require several dedicated solutions. This work presents the specific structural and technological requirements and how they have been addressed successfully.
Die keramische Mehrlagentechnologie LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) hat sich überall dort bewährt, wo hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit, insbesondere auch an die mechanische und klimatische Belastbarkeit, gestellt werden. Das sind zum Beispiel Anwendungen im Automobil, in der Medizin, in der Sicherheitstechnik und in der Luft- und Raumfahrt. Die Verfügbarkeit von verlustarmen und hochfrequenzgeeigneten Materialsystemen und eine verbesserte Fertigungstechnologie erweitern den Anwendungsbereich für LTCC-Applikationen bis zu Millimeterwellenfrequenzen (bis 250 GHz).
Die dreidimensionale Aufbau- und Verbindungstechnik der LTCC-Substrate umfasst neben passiven Komponenten (Kondensatoren, Widerstände und Spulen) auch planare Wellenleiter wie Mikrostreifenleiter, Koplanarleitungen und geschirmte Streifenleiter. Bei dem hier vorgestellten 30 GHz Antennenmodul gelten enge Fertigungstoleranzen für die LTCC-Module, da die Genauigkeitsanforderungen für die Dimensionen von Leitungsbauelementen auf die Wellenlänge im Dielektrikum bezogen werden.
Das Antennenmodul ist ein zirkular polarisiertes Antennenarray mit 8 × 8 Elementen. Dieses Sub-Array ist der Grundbaustein für eine wesentlich größere Antennenapertur. Das Antennenmodul selbst besteht aus 17 LTCC-Ebenen und beinhaltet die Antennenelemente mit Branchline-Kopplern, das Kalibrier-Netzwerk, die aktiven Mikrowellenschaltungen, die Leistungsteiler für das LO-Signal, die Spannungsversorgung und die Mikrokanäle für die Flüssigkeitskühlung.
Diese komplexen und hochintegrierten LTCC-Antennenmodule stellen die Substrattechnologie vor eine Reihe neuer Herausforderungen, die maßgeschneiderte Lösungen erfordern. Die vorliegende Arbeit führt aus, worin die spezifischen strukturellen und technologischen Anforderungen dieser keramischen Mehrlagenschaltungen bestehen und wie sie erfolgreich gelöst und umgesetzt wurden.
LTCC multilayer substrates offer three-dimensional integration of components and routing of wave-guides for microwaves. This is facilitating new solutions which are impossible in planar technologies like thinfilm hybrids or semiconductors. On the other hand, the accuracy requirements of the complex circuitry are a challenge. For the frequency range of the antenna module for satellite communication (uplink 27:5 GHz to 31 GHz) described here, manufacturing tolerances are critical since the tolerances for the dimensions of transmission line components (especially for their length and width) have to be put in relation to the wavelength in the dielectric.
A succession of transmit/receive modules was developed with increasing density of integration. They utilize the above integration techniques and demonstrate the fitness of the LTCC technology for SatCom multimedia terminals employing DBF (Digital Beam-Forming). The antenna module is a circular polarised, 8 x 8 element array that comprises four 4 x 4 element building blocks. This sub-array is arranged in a grid to form a digital beam forming terminal (transmit system). It consists of 17 LTCC layers with 18 metallisation layers. The front-end module integrates the antenna elements with branch-line couplers, the calibration network, active RF circuits, LO power distribution networks, voltage supply and the pipework of a liquid cooling system.
These complex and highly integrated LTCC antenna modules are far from standard and require several dedicated solutions. This work presents the specific structural and technological requirements and how they have been addressed successfully.
Die keramische Mehrlagentechnologie LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) hat sich überall dort bewährt, wo hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit, insbesondere auch an die mechanische und klimatische Belastbarkeit, gestellt werden. Das sind zum Beispiel Anwendungen im Automobil, in der Medizin, in der Sicherheitstechnik und in der Luft- und Raumfahrt. Die Verfügbarkeit von verlustarmen und hochfrequenzgeeigneten Materialsystemen und eine verbesserte Fertigungstechnologie erweitern den Anwendungsbereich für LTCC-Applikationen bis zu Millimeterwellenfrequenzen (bis 250 GHz).
Die dreidimensionale Aufbau- und Verbindungstechnik der LTCC-Substrate umfasst neben passiven Komponenten (Kondensatoren, Widerstände und Spulen) auch planare Wellenleiter wie Mikrostreifenleiter, Koplanarleitungen und geschirmte Streifenleiter. Bei dem hier vorgestellten 30 GHz Antennenmodul gelten enge Fertigungstoleranzen für die LTCC-Module, da die Genauigkeitsanforderungen für die Dimensionen von Leitungsbauelementen auf die Wellenlänge im Dielektrikum bezogen werden.
Das Antennenmodul ist ein zirkular polarisiertes Antennenarray mit 8 × 8 Elementen. Dieses Sub-Array ist der Grundbaustein für eine wesentlich größere Antennenapertur. Das Antennenmodul selbst besteht aus 17 LTCC-Ebenen und beinhaltet die Antennenelemente mit Branchline-Kopplern, das Kalibrier-Netzwerk, die aktiven Mikrowellenschaltungen, die Leistungsteiler für das LO-Signal, die Spannungsversorgung und die Mikrokanäle für die Flüssigkeitskühlung.
Diese komplexen und hochintegrierten LTCC-Antennenmodule stellen die Substrattechnologie vor eine Reihe neuer Herausforderungen, die maßgeschneiderte Lösungen erfordern. Die vorliegende Arbeit führt aus, worin die spezifischen strukturellen und technologischen Anforderungen dieser keramischen Mehrlagenschaltungen bestehen und wie sie erfolgreich gelöst und umgesetzt wurden.
Schlagwörter: LTCC (low temperature co-fired ceramic); Planar Antenna; Liquid Cooling; Integrated Resistors; Satellite Communication; Microwave
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