저자: Aaron Vaisman, Camilo Gomez-Duarte, LTCC 설계 그룹, Mini-Circuits
소개
필터 합성 및 시뮬레이션 소프트웨어의 이론과 최신 기술이 성숙해졌음에도 불구하고, mmWave 필터 설계 시뮬레이션 결과는 여전히 일반적으로 주의를 기울여 받아들여집니다. 가장 중요한 설계 과제 중 하나는 시뮬레이션과 작동하는 설계 간의 일치를 적시에 달성하는 것입니다. 사용되는 기술에 따라 설계자가 결과가 원하는 성능을 충족하기 전에 여러 번의 설계 및 제조 스핀을 거치는 것은 드문 일이 아닙니다. 이 프로세스는 설계 주기에 상당한 시간과 비용을 추가하고 수익 창출 시간에 직접적인 영향을 미칩니다. mmWave 제품 개발의 또 다른 주요 과제는 40GHz 이상의 주파수에서 비용 효율적인 고성능 표면 실장 패키징을 달성하는 방법입니다 – 이것은 mmWave 기술 상용화의 주요 장애물이었습니다.
Mini-Circuits는 수백 개의 테스트 구조, 광범위한 재료 특성화 및 모델링과 함께 새로운 다중 물리학 설계 워크플로우 및 독자적인 알고리즘을 결합하여 최대 50GHz까지 LTCC 부품에서 첫 번째 스핀 성공을 달성했습니다.
또한 Mini-Circuits는 55GHz까지 뛰어난 전기적 성능을 보여주는 LTCC 및 유기 기판 재료를 모두 사용하는 시장 선도적인 표면 실장 패키지 기술을 개발했습니다.
기술 혁신의 결과로 Mini-Circuits의 광범위한 LTCC 제품 포트폴리오는 고객에게 다음과 같은 이점을 제공합니다:
- 크기 및 비용 절감 – mmWave 주파수 대역에서 가장 비용 효율적인 솔루션.
- 부품 치수가 이전의 0.12 x 0.06″에서 0.02 x 0.02″ 풋프린트까지 축소
- 더 작은 크기에서 우수한 RF 성능
- 초고차단 필터 구현
- 맞춤형 부품이 필요한 시스템의 시장 출시 시간 단축
- 단일 스핀 구현으로 4개월 턴어라운드 가능
고급 시뮬레이션 및 모델링
Mini-Circuits가 사용하는 고급 성능 모델링 기술을 통해 상용 시장에서 일반적으로 10GHz 미만으로 제한되는 것과 달리 최대 50GHz까지 LTCC 부품을 성공적으로 설계할 수 있습니다. Mini-Circuits가 사용하는 다중 물리학 시뮬레이션 워크플로우는 EM, 구조 및 열 시뮬레이터를 통합하며, 각 시뮬레이터는 실제 물리적 효과를 설명하기 위해 다른 시뮬레이터의 결과를 반영합니다.
일반적으로 Mini-Circuits는 제작 전에 수동 소자의 RF 성능을 예측하기 위해 두 가지 일반적인 시뮬레이션 기술을 결합하며, 각각 장단점이 있습니다. 모멘트법(MoM) 기술은 구조 내의 전도성 금속화를 메싱하여 작동합니다. 이 방법은 빠르게 수행하고 반복할 수 있지만 대부분 2D 표면으로 제한되며 기판이 공간에서 무한히 확장된다고 가정하므로 진정한 기판 절단 3D 모델을 제공하지 않습니다.
유한 요소법(FEM) 시뮬레이션은 볼륨을 절단할 수 있는 진정한 3D 모델을 제공합니다. 이 방법은 도체가 아닌 기판 구조를 메싱하여 작동합니다. FEM 시뮬레이션은 MoM에서는 없는 기판을 통한 결합 및 기생 효과와 3D 구조 절단의 효과를 더 잘 포착합니다. 단점은 FEM 시뮬레이션이 일반적으로 구현하는 데 더 느리다는 것입니다.
FEM 접근 방식은 신호가 모놀리식 구조를 통해 3D 방식으로 이동하는 LTCC 필터에 더 정확합니다. 이상적으로 그 구조의 특성은 균일해야 합니다. 그러나 실제로 LTCC 구조는 분산 및 이방성 거동을 가진 세라믹과 전도성 재료의 여러 층으로 구성됩니다. 따라서 이러한 특성을 가진 구조를 통해 이동하는 신호의 비선형 거동을 설명하기 위해 재료의 진정한 3D 특성화가 필요합니다.
이 두 접근 방식이 강력하지만, 과거에는 그 자체만으로 시뮬레이션과 측정 간의 긴밀한 일치를 달성할 수 없었고 여전히 여러 설계 스핀이 필요했습니다. 이러한 한계로 인해 장치의 실제 성능에 대한 기여를 위해 재료 구조에 대한 더 깊은 이해가 필요했습니다. Mini-Circuits는 밀리미터파 범위까지 LTCC 제품에 사용되는 기판과 전도성 요소의 재료 특성을 광범위하게 특성화하고 이 노하우를 다중 물리학 시뮬레이션 워크플로우에 통합했습니다.
시뮬레이션 대 측정 예시
그림 3은 표준 시뮬레이션 모델, Mini-Circuits의 고급 재료 시뮬레이션 모델 및 실제 측정 성능에서 LTCC 대역통과 필터의 S21 플롯을 보여줍니다. 분홍색 플롯은 새로운 시뮬레이션에 모델링한 재료 지식 없이 시뮬레이션한 결과를 나타냅니다. 이 시뮬레이션과 측정된 성능 간의 불일치에 주목하십시오. 빨간 선은 우리가 수행한 모든 재료 특성화 및 모델링을 통합한 Mini-Circuits의 새로운 시뮬레이션 워크플로우를 나타냅니다. 이 시뮬레이션은 전체 측정 범위에서 측정된 필터 성능을 매우 밀접하게 추적합니다.
그림 4는 다른 LTCC 대역통과 필터 모델에 대한 Mini-Circuits의 고급 시뮬레이션 결과와 측정된 성능 간의 추가 비교를 보여줍니다. S21과 S11이 모두 표시되어 두 파라미터 모두에 대해 매우 정확한 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 이 사례들은 팹에서 첫 번째 실행 후 시뮬레이션 결과와 측정된 성능 간의 긴밀한 일치를 달성할 수 있는 고유한 능력을 대표합니다.
위에서 설명한 학습 내용은 집중 소자 토폴로지를 활용한 LTCC 필터 설계에 대해 보여주었지만, 동일한 접근 방식은 그림 5에 표시된 분포 필터 설계와 같은 탐색적 필터 기술에도 광범위하게 적용됩니다.
점점 더 높은 주파수로의 최근 애플리케이션 전환은 이러한 분포 필터 토폴로지의 탐색을 필요로 했습니다. Mini-Circuits에서 우리는 연구 문헌에서 많은 개념을 가져와 사양에 기반한 임의의 분포 필터 토폴로지를 합성할 수 있는 자체 알고리즘을 만들었습니다. 또한 시뮬레이션된 S-파라미터와 전체 3D 모델에서 최적화된 치수를 생성할 수 있는 최적화 도구도 만들었습니다.
결론
단일 패스 성공은 오랫동안 설계 워크플로우의 궁극적인 목표로 여겨져 왔습니다. LTCC 기술의 물리적으로 복잡한 특성으로 인해 첫 번째 시도에서 시뮬레이션과 작동하는 설계 간의 일치를 달성하는 것이 특히 어렵습니다. 광범위한 재료 특성화 및 모델링과 함께 고급 설계 도구, 독자적인 알고리즘 및 새로운 설계 워크플로우를 사용함으로써 이제 우리의 시뮬레이션은 성능에 대한 실제 효과를 일관되게 LTCC 설계에서 첫 번째 스핀 성공을 달성할 수 있는 수준까지 설명합니다. 이 분야에서의 우리의 역량은 표준 및 맞춤형 부품을 가속화하여 고객의 시장 출시 시간을 단축하는 데 도움이 되었습니다. 이러한 혁신은 또한 기존 LTCC 필터 설계를 향상시켜 크기를 줄이고 차단 성능을 개선할 수 있게 했습니다. 이 기사에서 제시된 설계 역량은 다른 기술과 고주파 패키징 솔루션의 혁신으로 확장됩니다.
Mini-Circuits LTCC 필터 링크
https://www.minicircuits.com/products/LTCC-Ceramic-RF-Filters.html