EPP 10.2023

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» BAUGRUPPENFERTIGUNG dualität“, freut sich Becker. In der Entwicklung war es wichtig, stets kompatibel zu den Standard-Leiterplattenprozessen zu bleiben, um die neuartige PCBintegrierte Hohlleitertechnologie kosteneffizient in neue Systeme integrieren zu können. Basierend auf dieser Technik wurden folgende funktionale Blöcke realisiert: • Leitungsabschnitte • Ein- und Auskoppelstrukturen zu (koplanaren) Streifenleitungen auf der PCB-Oberfläche • Hornantennen mit Abstrahl-Charakteristik ausgehend von den Seiten der PCB • Schlitzantennen zur Abstrahlung senkrecht zur PCB-Oberfläche (oder in einem definierten Winkel dazu gekippt) • Verzweigungen mit definiertem Teilungsverhältnis der Signalstärke • Frequenz-Filter-Strukturen Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt Vergleich mit konventionellen Leitungsstrukturen: In der HF-Technologie wird typischerweise auf Mikrostreifen oder Ground-Koplanarleitungen gesetzt. Diese haben den Vorteil, dass sie schon bei Gleichstrom für das Transportieren von Leistung verwendet werden können. Dafür haben diese Leitungen bei höheren Frequenzen zusätzliche Verluste durch das Substratmaterial, aber auch gleichzeitig durch Rauigkeit an den verschiedenen Interfaces zwischen Metall und Substrat. Um diese Herausforderungen zu lösen, kann man solche Leitungen auch in Hohlleiterform umsetzen und, wie beschrieben, direkt in die Leiterplattentechnologie integrieren. Die Hohlleiter haben aber den Nachteil, dass sie keine klassischen TEM-Moden aufweisen, sondern entweder ein TE- oder TM-Mode. Dadurch ist die Cutoff-Frequenz direkt abhängig von den Abmessungen des Hohlleiters (nur mit TEM-Moden gibt es eine Leitung bei Gleichstrom). Bei Vergleich von beiden Leitungstypen ergibt sich deswegen das Bild, dass die klassischen Leitungstypen bis ca. 50 GHz bessere Performance zeigen als der demonstrierte Hohlleiter. Der Schaltplan und Integration der PDK in den Altium Schaltungsdesigner Bild: Becker&Müller Grund ist, wie beschrieben, dass die Cutoff-Frequenz bei ca. 60 GHz liegt. Anschließend bleiben die Verluste über den Hohlleiter relativ stabil, wobei die Verluste bei der konventionellen Leitung weiter abfällt. Bestandteile und ihre Leistungs-Charakteristik: Innerhalb des Projektes wurden verschiedenen Teilkomponenten untersucht. Diese sind im Detail direkt in der Vorgehensweise innerhalb des Projektes abzulesen. Dabei lag der Fokus darauf, diese Teilsysteme innerhalb des Projektes so aufzubereiten, dass aus ihnen später bausteinartig beliebige Systeme aufgebaut werden können. Die Leitung sowie die Antennen, Filter und Power-Divider-Strukturen (Signal/ Leistungs-Verzweigung) wurden im Detail designt und elektrisch charakterisiert. Es zeigt sich, dass die Strukturen deutlich leistungsstärker als vergleichbare Strukturen in planarer Technologie sind. Diese Strukturen wurden anschließend in eine Datenbank überführt, welche PDK genannt wird. PDK steht für Physikalische Designer Kits. Nachdem die PDKs abgeleitet wurden, konnte auf deren Basis ein Demonstrator-System zusammengestellt werden. Bei diesem handelt sich um einen 79-GHz-Short-Range Radar. Aus den vorhandenen PDKs wurden anschließend Strukturen ausgewählt, welche für den Demonstrator im Layout zusammengesetzt wurden. Typischerweise wird für eine Schaltung ein Schaltplan entworfen. In dem Schaltplan wurden direkt die PDK-Modelle mit integriert, damit die Strukturen direkt beim Layout mit platziert werden können. Anhand von Design-Regeln wird dann geprüft, dass Leitungen oder Abstände so groß wie nötig, aber so klein wie möglich sind. Basierend auf diesen Informationen werden zuerst die kritischen HF-Leitungen sowie die Stromversorgung angeordnet und anschließend die restlichen Bauteile platziert. Diskussionspunkte Die Arbeiten haben gezeigt, dass es unter Einsatz etablierter Leiterplattentechnik möglich ist, Hohlleiterstrukturen in Leiterplatten einzubringen. Dies kann so im Produktionsprozess eingebunden werden, dass eine weitere Bestückung der Leiterplatte wie gewohnt möglich ist. Die Messungen haben bestätigt, dass für Anwendungen mit Frequenzen über 60 GHz die Hohlwellenleiterstrukturen signifikant verlustärmer. Zur einfachen Adaption der Technik auf neue Anwendungen wurden aus dem prinzipiellen Aufbau eines Hochfrequenzsystems Bausteine definiert, die es ermöglichen, solche Systeme – ohne Simulationen der Hochfrequenzeigenschaften – zusammenzustellen und die notwendigen Produktionsdaten zu liefern. Diese PDKs konnten erfolgreich in den Entwicklungsprozess eingebunden werden. CEO Janik Becker zeigt sich zufrieden mit den Erkenntnissen: „Die Kooperation mit unseren Partnern von der TU Berlin war eine runde Sache – technologisch wie auch persönlich. Nach dem erfolgreichen Abschluss des Projektes ist es für uns nun möglich, beim Designen von Hochfrequenzsystemen mittels Verwendung der PDKs unterstützend zur Seite zu stehen.“ Angesichts der Ableitung interner Designrules auf die jeweiligen Blöcke sowie deren Validierung sind dabei sowohl Funktion als auch Umsetzbarkeit der Hohlleiterstrukturen gegeben. www.becker-mueller.de 34 <strong>EPP</strong> » 10 | 2023
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