Содержание
Инженеры, занимающиеся разработкой радиолокационных систем или оборудования спутниковой связи, сталкивались с одной и той же дилеммой: все больше функций, все более высокие технические требования, но все меньше места остается для радиочастотного входного каскада.
Радары с фазированной антенной решеткой требуют сотен каналов. Системы противодействия БПЛА должны одновременно обеспечивать обзор как на дальние, так и на ближние расстояния. Спутниковые терминалы должны помещаться в рюкзак. Все эти требования сходятся в одном техническом направлении: гибридные интегральные схемы.
Речь идет не просто о выборе упаковки — от этого зависит, насколько компактным, функциональным и надежным будет весь Входной блок РЧ может быть. В данной статье с инженерной точки зрения рассматривается реальная роль гибридные интегральные схемы в радар и систем связи, а также рассматривает некоторые технические разработки компании STARDL в этой области.
1. Разъяснение понятия: что такое гибридная интегральная схема?
Многие люди путают гибридные интегральные схемы с монолитные микроволновые интегральные схемы (MMIC). Они связаны между собой, но логика у них разная.
Один MMIC объединяет все элементы радиочастотного контура — усилители, смесители, переключатели, аттенюаторы — на одной полупроводниковой подложке. К его преимуществам относятся компактность, высокая стабильность характеристик и пригодность для массового производства. К недостаткам относятся длительные циклы проектирования, высокие затраты на внесение изменений в конструкцию, а также тот факт, что некоторые высокопроизводительные устройства (такие как мощные усилители на GaN или фильтры с высоким коэффициентом Q) сложно реализовать с помощью технологий MMIC.
A гибридная интегральная схема использует иной подход: несколько микросхем с голыми кристаллами, изготовленных по разным технологическим процессам и из различных материалов, интегрируются на керамическую или металлическую подложку и соединяются с помощью технологий микросборки, образуя полноценный функциональный РЧ-модуль.
Возьмём в качестве примера входной блок приёмно-передающего устройства X-диапазона. Для него может потребоваться Малошумящий усилитель на основе GaAs, а Усилитель мощности на основе GaN, кремниевые переключатели и аттенюаторы, а также керамические фильтры. Все эти микросхемы невозможно изготовить на одной MMIC — либо технологические процессы несовместимы, либо характеристики не соответствуют требованиям. Однако гибридная интегральная схема может вместить их все, причем каждая из них изготавливается с использованием оптимального для неё технологического процесса, а соединение между ними осуществляется с помощью микрополосковых линий на подложке.
Суть гибридной интеграции заключается в том, чтобы “воспользоваться лучшим из каждого подхода”: каждый функциональный блок реализуется с использованием наиболее подходящей технологии, а затем все блоки объединяются в единую систему. Этот подход уже много лет применяется в военной и аэрокосмической отраслях, но становится всё более распространённым и в высокотехнологичном гражданском оборудовании.
2. Почему гибридные интегральные схемы приобретают всё большее значение именно сейчас
Три тенденции способствуют развитию этого направления.
Во-первых, широкое распространение фазированных антенных решеток.
Радары с фазированной антенной решеткой требуют сотен или тысяч каналы передачи/приёма (T/R), каждый из которых представляет собой полноценный РЧ-фронт-энд. Использование дискретных компонентов для каждого канала привело бы к недопустимому увеличению размеров и веса. Однако интеграция всех каналов в одну MMIC-схему создает проблемы с отводом тепла и изоляцией. Гибридная интеграция предлагает компромиссное решение: объединение нескольких каналов в модуль, соединение модулей через подложку, что позволяет контролировать размеры при сохранении тепловых характеристик и уровня изоляции.
Опыт компании STARDL в области радиолокатор с фазированной антенной решеткой Разработка систем в значительной степени зависит от проектных возможностей на уровне гибридной интеграции. Данная Модули T/R в Радары AESA по сути являются инженерными продуктами гибридной интеграции.
Во-вторых, требования к многодиапазонности систем противодействия БПЛА.
Полный система противодействия БПЛА часто требуется одновременное покрытие нескольких частотных диапазонов — радиолокатор обнаружения может работать в X-диапазоне или Ku-диапазоне, в то время как блок подавления сигналов может потребовать охвата широкого спектра от нескольких сотен МГц до 6 ГГц. Ни один полупроводниковый технологический процесс не способен обеспечить такой широкий диапазон частот. Гибридная интеграция — единственное жизнеспособное решение: в разных диапазонах используются различные технологии производства микросхем, объединенные в один модуль.
В-третьих, постоянное стремление к снижению габаритов, веса и энергопотребления (SWaP).
Будь то радиолокационные станции, установленные на дронах, переносные устройства противодействия БПЛА или терминалы спутниковой связи, SWaP является неизбежным ограничением. Системные интеграторы стремятся к тому, чтобы радиочастотный блок был меньше, легче и более энергоэффективным. Гибридная интеграция, благодаря высокой плотности монтажа, позволяет разместить больше функций на той же площади, одновременно снижая потери и повышая эффективность за счет оптимизированных межсоединений.
3. Технические возможности STARDL в области гибридных интегральных схем
Судя по общедоступной информации, STARDL имеет комплексную структуру в Интегральные схемы радиочастотного и микроволнового диапазонов, охватывающий несколько уровней, начиная с голые матрицы до упакованные устройства до интеграция на уровне модулей.
На уровень «голого кристалла», Компания STARDL предлагает различные радиочастотные микросхемы, работающие в диапазоне от постоянного тока до 50 ГГц, в том числе малошумящие усилители, усилители мощности, усилители мощности, миксеры, множители, фазосдвигатели, цифровые аттенюаторы, и многое другое. Эти готовые микросхемы являются базовыми “строительными блоками” для гибридной интеграции — системные интеграторы могут выбирать и комбинировать их в соответствии со своими потребностями для разработки индивидуальных гибридных модулей.
На уровень упакованного устройства, Компания STARDL предлагает как пластиковые, так и керамические корпуса. Керамические корпуса отличаются более высокой надёжностью и подходят для применения в военной и аэрокосмической отраслях; пластиковые корпуса являются более экономичным решением для крупносерийного коммерческого производства.
На уровень интеграции на уровне модулей, STARDL осуществляет сборку голых кристаллов, пассивных компонентов и соединительных подложек в комплектные модули РЧ-входного каскада которые готовы к непосредственной интеграции в радиолокационные или коммуникационные системы. Это возможность сквозной интеграции – от полупроводниковых устройств до готовых к использованию систем – является одним из ключевых преимуществ компании STARDL.
Также стоит отметить инвестиции STARDL в Силовые устройства на основе GaN. Благодаря высокой удельной мощности GaN является чрезвычайно ценным материалом для радиолокационных передатчиков и систем радиоэлектронной борьбы. Однако микросхемы на основе GaN требуют сложного смещения и строгого управления тепловым режимом, что затрудняет их использование в автономном режиме. Более прагматичным инженерным подходом является их интеграция в гибридный модуль, в котором смещение, отвод тепла и согласование осуществляются на уровне модуля.
4. Три проблемы проектирования, которых практически невозможно избежать в инженерном деле
Размещение микросхем на подложке, их соединение между собой и герметизация — звучит просто. Но на практике почти всегда возникают три проблемы.
Управление тепловым режимом. В гибридном модуле усилитель мощности зачастую является самым крупным источником тепла. При недостаточном отводе тепла температура переходов повышается, что приводит к резкому снижению рабочих характеристик и ухудшению надежности. В конструкциях модулей компании STARDL всесторонне учитываются расположение микросхем, тепловые пути и материалы корпуса, что обеспечивает эффективный отвод тепла.
Электромагнитная совместимость (ЭМС). Размещение нескольких радиочастотных функций в ограниченном пространстве неизбежно приводит к перекрестным помехам и взаимной связи сигналов. Сильные сигналы из цепи передачи могут проникать в цепь приема, вызывая насыщение приемника; сигналы локального генератора могут проникать через подложку в непреднамеренные траектории. Инженерный опыт компании STARDL в области Радиочастотная изоляция в основном посвящена решению именно этих проблем.
Технологичность. Сборка гибридных модулей включает в себя крепление кристалла, проволочную сварку, тестирование и другие этапы, каждый из которых сопряжен со своими проблемами, влияющими на выход готовой продукции. Проекты, в которых не учитываются требования технологичности, зачастую создают серьезные трудности на этапе производства. Компания STARDL решает эту проблему ещё на этапе проектирования, что является одной из причин, благодаря которой она может надежно поставлять продукцию в более чем 70 стран и регионов.
5. Несколько критериев оценки для системных инженеров
Если вы рассматриваете гибридные решения в области интегральных схем, вот несколько аспектов, на которые стоит обратить внимание:
Диапазон частот. Убедитесь, что чипы и модули поставщика поддерживают необходимые вам диапазоны частот. Продукция STARDL охватывает диапазон от постоянного тока до миллиметровых волн, но всегда проверяйте технические характеристики конкретных моделей.
Уровень интеграции. Более высокая степень интеграции не всегда является преимуществом. Чрезмерная интеграция может привести к проблемам с теплоотводом или усложнить процесс тестирования. Главное — найти оптимальный баланс для архитектуры вашей системы.
Проверка надежности. В военной и аэрокосмической отраслях предъявляются чрезвычайно высокие требования к надёжности. Продукция компании STARDL прошла тщательную проверку качества, однако для конкретных проектов мы рекомендуем запрашивать протоколы испытаний на надёжность.
Возможность настройки. Одним из преимуществ гибридной интеграции является возможность адаптировать решения к конкретным потребностям. Компания STARDL поддерживает настройку частоты, модификацию конструкции и разработку решений для конкретных задач. Если у вас есть особые требования, вы можете напрямую проконсультироваться с инженерной командой компании.
Почему это важно для проектирования систем
Гибридные интегральные схемы не являются новой концепцией, но их роль в современном радар а также систем связи переходит из разряда “дополнительных” в разряд “необходимых”. В условиях, когда сложность систем постоянно растет, а доступное пространство — сокращается, способность эффективно интегрировать множество процессов и функций в компактный модуль сама по себе становится ключевым конкурентным преимуществом.
Компания STARDL осуществила значительные инвестиции во всю цепочку гибридной интеграции — от голые матрицы до упакованные устройства до интеграция на уровне модулей, охватывающий GaAs, GaN, а также процессы на основе кремния. Для инженеров, занимающихся проектированием радиолокационные блоки ввода-вывода, системы противодействия БПЛА, или терминалы спутниковой связи, это поставщик решений, на которого стоит обратить пристальное внимание.
