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Ingenieure, die an Radarsystemen oder Satellitenkommunikationsgeräten arbeiten, stehen alle vor dem gleichen Dilemma: mehr Funktionen, höhere Anforderungen, aber immer weniger Platz für das HF-Frontend.
Phased-Array-Radare benötigen Hunderte von Kanälen. Systeme zur Abwehr von Drohnen müssen gleichzeitig in die Ferne und in die Nähe blicken können. Satellitenterminals müssen in einen Rucksack passen. All diese Anforderungen laufen auf eine technische Richtung hinaus: hybride integrierte Schaltungen.
Hier geht es nicht nur um die Wahl der Gehäuseform – dies bestimmt, wie klein, wie leistungsfähig und wie zuverlässig das gesamte HF-Frontend sein kann. Dieser Artikel beleuchtet aus ingenieurwissenschaftlicher Perspektive die tatsächliche Rolle von hybride integrierte Schaltungen in Radar sowie Kommunikationssysteme und beleuchtet einige der technischen Entwicklungen von STARDL in diesem Bereich.
1. Klärung des Begriffs: Was genau ist eine hybride integrierte Schaltung?
Viele Menschen verwechseln hybride integrierte Schaltungen mit monolithische integrierte Mikrowellenschaltungen (MMICs). Sie hängen zwar zusammen, aber die Logik ist eine andere.
Ein MMIC integriert die gesamte HF-Funktionalität – Verstärker, Mischer, Schalter, Dämpfungsglieder – auf einem einzigen Halbleitersubstrat. Zu den Vorteilen zählen die geringe Größe, eine gute Konsistenz und die Eignung für die Massenproduktion. Zu den Nachteilen zählen lange Entwicklungszyklen, hohe Revisionskosten und die Tatsache, dass bestimmte Hochleistungsbauelemente (wie beispielsweise GaN-Hochleistungsverstärker oder Hoch-Q-Filter) lassen sich mit MMIC-Verfahren nur schwer realisieren.
A hybride integrierte Schaltung geht einen anderen Weg: Mehrere „Bare-Die“-Chips mit unterschiedlichen Fertigungsprozessen und Materialien werden auf einem Keramik- oder Metallsubstrat integriert und mithilfe von Mikrobaugruppen-Techniken miteinander verbunden, um ein vollständiges HF-Funktionsmodul zu bilden.
Nehmen wir als Beispiel die Frontend-Schaltung eines X-Band-Transceivers. Diese benötigt möglicherweise einen GaAs-Rauscharmer Verstärker, ein GaN-Leistungsverstärker, Schalter und Dämpfungsglieder auf Siliziumbasis sowie Filter auf Keramikbasis. Diese Chips lassen sich nicht alle auf einem einzigen MMIC herstellen – entweder sind die Fertigungsprozesse nicht kompatibel oder die Leistung bleibt hinter den Erwartungen zurück. Eine hybride integrierte Schaltung kann jedoch alle diese Komponenten unterbringen, wobei für jede der optimale Fertigungsprozess zum Einsatz kommt und die Komponenten über Mikrostreifenleitungen auf dem Substrat miteinander verbunden sind.
Das Wesentliche an der hybriden Integration ist, “das Beste aus beiden Welten zu vereinen”.”: Jeder Funktionsblock wird in der jeweils am besten geeigneten Technologie realisiert und anschließend werden alle Blöcke miteinander integriert. Dieser Ansatz wird seit vielen Jahren in militärischen und luft- und raumfahrttechnischen Anwendungen eingesetzt, findet aber auch bei zivilen High-End-Geräten zunehmend Verbreitung.
2. Warum hybride integrierte Schaltungen gerade jetzt an Bedeutung gewinnen
Drei Trends treiben diese Entwicklung voran.
Erstens: die zunehmende Verbreitung von Phased-Array-Antennen.
Phased-Array-Radare erfordern Hunderte oder Tausende von Sende-/Empfangskanäle (T/R), wobei es sich jeweils um ein vollständiges HF-Frontend handelt. Die Verwendung diskreter Bauteile für jeden Kanal würde zu einer unzumutbaren Größe und einem unzumutbaren Gewicht führen. Die Integration aller Kanäle auf einem einzigen MMIC bringt jedoch Herausforderungen hinsichtlich der Wärmeableitung und der Isolation mit sich. Die hybride Integration bietet einen Mittelweg: Die Gruppierung mehrerer Kanäle in einem Modul, die Verbindung der Module über ein Substrat sowie die Begrenzung der Größe bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der thermischen Leistung und der Isolationsleistung.
Die Erfahrung von STARDL in Phased-Array-Radar Systeme sind in hohem Maße von den Konstruktionsfähigkeiten auf der Ebene der Hybridintegration abhängig. Die T/R-Module in AESA-Radare sind im Wesentlichen technisch hergestellte Produkte hybrider Integration.
Zweitens: die Anforderungen an Mehrband-Systeme zur Abwehr von Drohnen.
Eine vollständige System zur Abwehr von Drohnen muss oft mehrere Frequenzbänder gleichzeitig abdecken – das Erkennungsradar arbeitet möglicherweise im X-Band oder Ku-Band, während die Störvorrichtung ein breites Spektrum von einigen hundert MHz bis zu 6 GHz abdecken muss. Kein einzelner Halbleiterprozess kann einen so breiten Frequenzbereich abdecken. Die hybride Integration ist die einzige tragfähige Lösung: Verschiedene Frequenzbänder nutzen unterschiedliche Chip-Technologien, die in einem Modul integriert sind.
Drittens: Ständiger Druck hinsichtlich Größe, Gewicht und Leistung (SWaP).
Ob für drohnengestützte Radarsysteme, tragbare UAV-Abwehrgeräte oder Satellitenkommunikationsterminals, SWaP ist eine unvermeidbare Einschränkung. Systemintegratoren wünschen sich, dass das HF-Frontend kleiner, leichter und energieeffizienter ist. Hybride Integration, … kann durch eine hochdichte Bestückung mehr Funktionen auf derselben Fläche unterbringen und gleichzeitig durch optimierte Verbindungen Verluste reduzieren und den Wirkungsgrad verbessern.
3. STARDLs technologischer Fußabdruck bei hybriden integrierten Schaltungen
Nach öffentlich zugänglichen Informationen verfügt STARDL über eine umfassende Struktur in Integrierte Hochfrequenz- und Mikrowellen-Schaltkreise, das verschiedene Ebenen abdeckt, von unverpackte Chips zu verpackte Geräte zu Integration auf Modulebene.
Bei der Bare-Die-Ebene, STARDL bietet verschiedene HF-Chips an, die den Frequenzbereich von Gleichstrom bis 50 GHz abdecken, darunter rauscharme Verstärker, Treiberverstärker, Leistungsverstärker, Mixer, Multiplikatoren, Phasenschieber, digitale Dämpfungsregler, und vieles mehr. Diese unbestückten Chips sind die grundlegenden “Bausteine” für die Hybridintegration – Systemintegratoren können sie entsprechend ihren eigenen Anforderungen auswählen und kombinieren, um maßgeschneiderte Hybridmodule zu entwickeln.
Bei der Ebene der verpackten Geräte, STARDL bietet sowohl Kunststoff- als auch Keramikgehäuse an. Keramikgehäuse zeichnen sich durch eine höhere Zuverlässigkeit aus und eignen sich für Anwendungen im Militär- und Luftfahrtbereich; Kunststoffgehäuse sind für die kommerzielle Massenproduktion kostengünstiger.
Bei der Integrationsschicht auf Modulebene, STARDL montiert ungehäuste Chips, passive Bauteile und Verbindungssubstrate zu komplette HF-Frontend-Module die für die direkte Integration in Radar- oder Kommunikationssysteme bereit sind. Dies End-to-End-Integrationsfähigkeit – von Halbleiterbauelementen bis hin zu einsatzbereiten Produkten – ist eine der herausragenden Stärken von STARDL.
Erwähnenswert ist auch die Investition von STARDL in GaN-Leistungsbauelemente. Die hohe Leistungsdichte von GaN macht es für Radarsender und elektronische Kampfführungssysteme äußerst wertvoll. GaN-Chips erfordern jedoch eine komplexe Vorspannung und ein strenges Wärmemanagement, was ihren Einsatz als eigenständige Komponenten erschwert. Die Integration in ein Hybridmodul, bei dem Vorspannung, Wärmeableitung und Anpassung auf Modulebene geregelt werden, stellt einen pragmatischeren technischen Ansatz dar.
4. Drei konstruktive Herausforderungen, die im Ingenieurwesen kaum zu vermeiden sind
Chips auf ein Substrat aufbringen, sie miteinander verbinden und verkapseln – das klingt einfach. In der Praxis treten jedoch fast immer drei Probleme auf.
Wärmemanagement. In einem Hybridmodul ist der Leistungsverstärker häufig die größte Wärmequelle. Bei unzureichender Wärmeableitung steigen die Sperrschichttemperaturen an, die Leistung nimmt drastisch ab und die Zuverlässigkeit leidet darunter. Bei den Modulkonstruktionen von STARDL werden die Anordnung der Chips, die Wärmepfade und die Gehäusematerialien umfassend berücksichtigt, um eine effiziente Wärmeableitung zu gewährleisten.
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Die Unterbringung mehrerer HF-Funktionen auf kleinem Raum führt unweigerlich zu Signalübersprechen und -kopplung. Starke Signale aus der Sendekette können in die Empfangskette gelangen und den Empfänger übersteuern; Signale des lokalen Oszillators können sich über das Substrat in unbeabsichtigte Pfade koppeln. Die technische Erfahrung von STARDL in HF-Isolierung dabei geht es vor allem darum, genau diese Probleme zu lösen.
Fertigungsfähigkeit. Die Montage von Hybridmodulen umfasst das Anbringen der Chips, das Drahtbonden, das Testen und weitere Schritte – wobei jeder dieser Schritte seine eigenen Herausforderungen hinsichtlich der Ausbeute mit sich bringt. Designs, bei denen die Herstellbarkeit außer Acht gelassen wird, führen in der Produktion oft zu Problemen. STARDL berücksichtigt dies bereits in der Entwurfsphase, was einer der Gründe dafür ist, dass das Unternehmen Produkte zuverlässig in über 70 Länder und Regionen liefern kann.
5. Einige Bewertungsaspekte für Systemingenieure
Wenn Sie Lösungen mit hybriden integrierten Schaltkreisen prüfen, sollten Sie folgende Aspekte berücksichtigen:
Frequenzbereich. Vergewissern Sie sich, dass die Chips und Module des Anbieters die von Ihnen benötigten Frequenzbänder abdecken. Die Produkte von STARDL decken einen Frequenzbereich von Gleichstrom bis hin zu Millimeterwellen ab; überprüfen Sie jedoch stets das Datenblatt der jeweiligen Modelle.
Integrationsgrad. Eine höhere Integration ist nicht immer besser. Eine übermäßige Integration kann zu thermischen Problemen oder Komplikationen bei den Tests führen. Entscheidend ist, das richtige Gleichgewicht für Ihre Systemarchitektur zu finden.
Zuverlässigkeitsprüfung. Anwendungen in den Bereichen Militär und Luft- und Raumfahrt erfordern eine extrem hohe Zuverlässigkeit. Die Produkte von STARDL wurden einer strengen Qualitätsprüfung unterzogen; für bestimmte Projekte empfehlen wir jedoch, Zuverlässigkeitsprüfberichte anzufordern.
Anpassungsmöglichkeiten. Ein Vorteil der Hybridintegration ist die Möglichkeit, Lösungen genau auf spezifische Anforderungen zuzuschneiden. STARDL unterstützt Frequenzanpassungen, strukturelle Modifikationen und anwendungsspezifische Entwicklungen. Sollten Sie besondere Anforderungen haben, steht Ihnen das Ingenieurteam von STARDL für eine direkte Beratung zur Verfügung.
Warum dies für die Systemgestaltung von Bedeutung ist
Hybride integrierte Schaltungen sind kein neues Konzept, aber ihre Rolle in der modernen Radar und Kommunikationssysteme wandelt sich von “optional” zu “unverzichtbar”. Wenn die Komplexität der Systeme stetig zunimmt, während der verfügbare Platz immer knapper wird, ist die Fähigkeit, mehrere Prozesse und Funktionen effizient in einem kompakten Modul zu integrieren, an sich schon ein entscheidender Wettbewerbsvorteil.
STARDL hat erhebliche Investitionen in die gesamte Hybrid-Integrationskette getätigt – von unverpackte Chips zu verpackte Geräte zu Integration auf Modulebene, sich erstreckend über GaAs, GaN, sowie auf Silizium basierende Verfahren. Für Ingenieure, die Radar-Frontends, Systeme zur Abwehr von Drohnen, oder Satellitenkommunikationsterminals, … dies ist ein Lösungsanbieter, den man sich genauer ansehen sollte.
