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LTCC technology for planar microwave antenna systems

Uhlig, Peter

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 der in dieser Arbeit vorgestellten Anwendung in der Satellitenkommunikation im Ka-band (Uplink 27.5 GHz - 31 GHz) gelten enge Fertigungstoleranzen für die LTCC-Module, da die Genauigkeitsanforderungen für die Dimensionen von Leitungsbauelementen auf die Wellenlänge im Dielektrikum bezogen werden. Im Verlauf der SANTANA-Projekte wurde eine Reihe von Sende- und Empfangsmodulen mit zunehmender Integrationsdichte entwickelt. Dabei wurden die o. g. Integrationstechniken eingesetzt und die Eignung der LTCC-Technologie für hochkomplexe Satellitenterminals im Ka-band demonstriert. Die Systemfunktionalität (d.h. die Breitbanddatenübertragung und elektronische Strahlschwenkung) wurde durch eine erfolgreiche Kommunikationsverbindung zwischen einer Funkbake und einem mobilen Terminal bewiesen. Das SANTANA 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 im Rahmen der SANTANA-Projekte erfolgreich gelöst und umgesetzt wurden.

LTCC (Low Temperature Cofired 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 SANTANA antenna module for the satellite Ka-band (uplink 27:5 GHz to 31 GHz), 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. In order to attain a design that is not only functional but can be produced with good yield, DFM (design for manufacturability) is an important guideline throughout the entire development and design process. Within the SANTANA projects, 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 Ka-band multimedia terminals employing DBF (Digital Beam-Forming). The communication link between a SANTANA system and mobile platforms with a medium size system demonstrated successfully the system functionality. The SANTANA 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) for the Ka-band uplink. 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 expository will present the specific structural and technological requirements and how they have been addressed successfully in the course of the SANTANA projects.

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Uhlig, Peter: LTCC technology for planar microwave antenna systems. 2019.

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