Публикации

American Technical Ceramics

Пассивные ВЧ и СВЧ компоненты, производимые компанией American Technical Ceramics (2003)

     Сейчас на электронном рынке представлено большое количество различных пассивных ВЧ- и СВЧ-компонентов (конденсаторов, резисторов, индуктивностей и т.д.). Но далеко не все производители могут предложить элементную базу, которая обладает высокой надежностью, стабильностью параметров и широким диапазоном рабочих температур. Одним из таких производителей является американская компания American Technical Ceramics (ATC), продукцию которой мы рассмотрим в данной статье.

КРАТКО О КОМПАНИИ ATC
     Компания American Technical Ceramics была образована в Нью-Йорке (США) в 1966 г. и вначале называлась Phase Industries Inc. Свое нынешнее название компания получила лишь в июне 1984 г.
     ATC разрабатывает и производит керамические и фарфоровые многослойные конденсаторы, однослойные керамические конденсаторы, индуктивности, резисторы и мощные нагрузки, а также заказные изделия на базе многослойной керамики для использования в ВЧ/СВЧ, медицинской аппаратуре, в системах ВОЛС, а также в широком спектре изделий специального назначения и аэрокосмической отрасли.
     Компания имеет собственный исследовательский центр в Джексонвилле, Флорида (Jacksonville, Florida), деятельность которого направлена на создание новых компонентов и улучшение параметров уже существующих. Основное производство ATC сосредоточено в Хантигтон Стэйшн, Нью-Йорк (Huntington Station, New York), однако часть производства находится там же, где и исследовательский центр, - в Джексонвилле. Эта часть производства подверглась серьезной модернизации и в настоящее время позволяет производить высококачественные керамические структуры различных размеров, форм и внутренней конфигурации со строго заданными параметрами. Производство сертифицировано по стандарту ISO-9001, а вся продукция сертифицирована по жестким стандартам MIL-PRF55342, MIL-STD202 и ANSI/J-STD-002. Сбыт продукции осуществляется через широкую сеть представительств в США, Европе, Канаде и странах Азиатско-Тихоокеанского региона.
     Как было отмечено выше, продукцию ATC составляют много- и однослойные керамические и фарфоровые конденсаторы, различные резистивные продукты, чип-индуктивности, а также заказные специализированные тонкопленочные схемы. Рассмотрим каждый тип продукции более подробно.

КОНДЕНСАТОРЫ ATC
Многослойные керамические конденсаторы ATC     К основным особенностям многослойных конденсаторов ATC можно отнести:
     • использование фарфоровых и керамических диэлектриков с температурным коэффициентом ±90, 30 ppm/°C;
     • рабочий температурный диапазон от –55 до +175°C;
     • самую высокую добротность в промышленности (Q больше чем 10000, tg угла диэлектрических потерь менее 0,0001);
     • низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR/ESL), минимальные потери на выводах, высокую частоту саморезонанса;
     • высокую мощность при работе в СВЧ-диапазоне. Низкие значения ESR и напряжение пробоя диэлектрика допускают режим работы до 15кВт в импульсе (900Вт средняя мощность) на 500МГц (3000В, 17A, СВЧ) в 50-омных системах или 500Вт непрерывно на 1ГГц в системах 50 Ом;
     • разнообразные типы покрытий выводов, различные конфигурации исполнения: чип, выводные, сборки.
     Многослойные конденсаторы компании АТС производятся четырех основных типоразмеров:
     • "A" (0.05х0.05 дюйма);
     • "B" (0.11х0.11 дюйма);
     • "C" (0.23х0.23 дюйма);
     • "E" (0.38х0.38 дюйма)
Тонкоплёночная продукция ATCс использованием трёх видов диэлектриков:
     • фарфоровыми с низкими потерями (серия 100);
     • с нулевым температурным коэффициентом (серия 700);
     • с высокой диэлектрической проницаемостью (серия 200).
     Серия 100 конденсаторов является основной в линейке продуктов компании и выпускается на протяжении 35 лет на основе запатентованного ATC фарфорового диэлектрика. Она широко используется в различных ВЧ- и СВЧ-устройствах. Серия 700 чуть менее эффективна в энергетическом плане, но благодаря низкому температурному коэффициенту конденсаторы этой серии обладают высочайшей стабильностью параметров. Конденсаторы серии 200 используются в основном в компактных устройствах, где требуется высокая ёмкость в ограниченном объёме.
     Все выпускаемые компанией АТС конденсаторы можно разделить на две группы: для коммерческого применения и высоконадежные. Однако данное деление условно. Оно основывается на количестве стадий тестирования, которым подвергаются конденсаторы, и ширине допуска измеряемых параметров.
Однослойные ВЧ/СВЧ конденсаторы ATC     Применение коммерческих продуктов ATC весьма разнообразно: это системы сотовой связи, персональные коммуникационные системы (PCS), медицинское оборудование, оборудование для полупроводниковой промышленности и многое другое. Что касается высоконадежных компонентов, то они, как правило, применяются в спутниковых системах связи (включая коммерческие коммуникационные спутники), в различной военной авиационной и космической технике, высокоточном оружии и т.д.
     Каждый из высоконадежных компонентов проходит серию тестов, включающих климатические испытания, а также инструментальные измерения, проверяющие соответствие заявленным параметрам. Причем условия и тип испытаний определяются не только требованиями стандартов, но и пожеланиями заказчиков.
     Исторически сложилось так, что рынок высококачественных многослойных ВЧ/СВЧ-конденсаторов ориентирован в основном на применение в дорогостоящем мелкои среднесерийном оборудовании, требующем значительных капиталовложений. И поскольку стоимость отказа подобного оборудования весьма велика, заказчики готовы платить большие суммы за данную продукцию. Однако в последнее время активное развитие различных телекоммуникационных систем обусловило спрос на высококачественные компоненты среднего ценового диапазона, предназначенные для массового производства. Следуя данной тенденции рынка, АТС выпустила новую линейку продукции, ориентированную в основном на массовое производство. Речь идет о линейке конденсаторов 600S. Приборы этой линейки меньше (посадочный размер всего 0,06×0,03 дюйма) и дешевле (две трети цены) стандартного многослойного конденсатора ATC. Помимо этого конденсаторы данной серии используют специально разработанный диэлектрик, что позволяет им достигать большей эффективности по сравнению с аналогами в различных телекоммуникационных приложениях.
Моточные чип индуктивности ATC серии WL     Помимо этого, American Technical Ceramics предлагает разработчикам специализированные конденсаторы, работающие на частотах больших, чем стандартные многослойные ВЧ/СВЧ-конденсаторы - это серия однослойных керамических конденсаторов Microcap. Устройства этой серии выпускаются как в коммерческом (Industrial), так и в высоконадёжном (Hi-Rel) исполнении и активно используются в различных широкополосных системах связи, спутниковых системах, а также в системах миллиметрового диапазона. Другой популярной продукцией ATC, ориентированной на тот же рынок, является серия 500S широкополосных СВЧ-конденсаторов (Broadband Microwave Capacitor — BMC), оптимизированная для крупносерийного производства, использующего технологию поверхностного монтажа.

РЕЗИСТОРЫ ATC
Резисторы ATC     Расширяя спектр своей продукции, в июне 2000 года АТС анонсировала линейку мощных резистивных ВЧ/СВЧ компонентов. Данные компоненты выполнены по тонкопленочной технологии с применением подложки из нетоксичного нитрида алюминия (материала с высокой теплопроводностью), на которую нанесены проводящие и резистивные слои. Как показывает практика, тонкопленочные резисторы гораздо надежней и способны выдержать большую мощность, чем их толстопленочные аналоги. Ассортимент резистивной продукции American Technical Ceramics достаточно разнообразен: это резисторы, терминаторы, аттенюаторы, а также сходные продукты, которые, как правило, используются в тех же областях, что и выпускаемые данным производителем конденсаторы. В настоящее время резистивные продукты ATC активно применяются в широком спектре различных устройств: сумматорах, делителях мощности, преобразователях частоты и т.д.

НОВАЯ ПРОДУКЦИЯ ATC
     Кроме выпуска стандартизованной продукции компания АТС (одна из немногих на рынке) изготавливает специализированные тонкопленочные схемы, выполненные по спецификации заказчика. С помощью тонкопленочной структуры, размещенной на требуемой подложке, можно легко формировать проводящие, резистивные, емкостные и прочие элементы схемы. Заказчику достаточно затем лишь установить оставшиеся дискретные элементы. Подобные решения используются там, где необходимо обеспечить высокую надежность устройства при минимальных размерах. Например, в СВЧ-аппаратуре, оптических репитерах и т. д. Компания ATC ориентирована не только на массовое, но и на мелкосерийное производство, что делает доступным данные технологии большинству предприятий в России.
     В 2002 г. ATC представила несколько новых продуктов, основанных на перспективной технологии LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic). Эта технология позволяет размещать элементы схемы не на плоскости, как раньше, а в объеме. Используя различные типы керамических материалов, можно интегрировать в схему не только стандартные пассивные компоненты, но и такие устройства, как ответвители, сумматоры, делители сигнала, фильтры, а также трансформаторы импедансов. Подобная компоновка элементов позволяет достичь значительной функциональности в сравнительно небольшом объеме. К сожалению, в рамках этой статьи невозможно рассмотреть технологии LTCC в достаточном объёме.

МАТРИЦА ПРОДУКЦИИ, ВЫПУСКАЕМОЙ ATC
     Образцы продукции ATC представлены на рис. 1–5. Для того чтобы лучше представить весь спектр продукции этой компании, обратимся к таблице 1, в которую сведены все основные продукты АТС, приведено краткое описание каждого продукта и его возможные применения.
     Компания ATC также выпускает 40 различных наборов разработчика, содержащих полный ряд образцов конденсаторов, индуктивностей, резисторов и нагрузок.

Перечень продукции, выпускаемой ATC, и области её применения

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ ATC
     Высокое качество компонентов ATC во многом определяется хорошим техническим уровнем разработки и тщательно налаженным процессом производства продукции. Прежде чем новый продукт появится на рынке, он подвергается самому тщательному тестированию для выявления существующих недостатков. Кроме того, продукция ATC проходила проверку у сторонних организаций и получила самые хорошие оценки. В качестве примера можно привести исследование, проведенное инженерами Motorola, заключавшееся в сравнении температурных параметров конденсаторов, использующихся в выходных цепях усилителя мощности диапазона 2ГГц.
     В качестве испытательной платформы был взят усилитель мощности на LDMOS-транзисторе MRF21125, предназначенный для работы в составе аппаратуры UMTS. По условиям испытаний использовалась одна и та же плата усилителя, на которую сначала установили конденсаторы АТС, а затем приборы другого производителя. В обоих случаях тестовая плата была покрыта черной краской для обеспечения однородности коэффициента черноты. Параметры испытаний были следующие:
     • Выходная мощность усилителя - 22 Вт;
     • Рабочая частота - 2,14 ГГц;
     • Модуляция - WCDMA;
     • Напряжение питания - 27В;
     • Активный прибор - Motorola MRF21125;
     • Потребляемый ток - 1,3А.

Сравнение температурных параметров конденсаторов, использующихся в выходных цепях усилителя мощности диапазона 2ГГц
     Сравниваемые конденсаторы - АТС серия 600S (корпус EIA 0603) и высокодобротные конденсаторы другого производителя в корпусе EIA 0805. Обозначение по схеме: С62, С63, С64 и С57 (см. рис. 6 и 7).
     Было проведено термосканирование платы усилителя. Результат термосканирования при использовании конденсаторов ATC приведен на рис. 8, а результат термосканирования при использовании приборов другого производителя - на рис. 9.

Результаты термосканирования конденсаторов
     В рамках эксперимента были произведены замеры температуры конденсаторов двух сравниваемых типов. Результаты замеров приведены в таблице 2.
Сравнение температур для испытываемых типов конденсаторов     Как видно из таблицы 2, конденсаторы небольшой емкости (С62, С63, С64) разных производителей имеют приблизительно одинаковую температуру, близкую к температуре транзистора, что, впрочем, и неудивительно: все они находятся в непосредственной близости от него, а транзистор в данной схеме является основным тепловыделяющим элементом. Гораздо показательнее сравнение температур конденсатора C57, расположенного на некотором расстоянии от транзистора. Из таблицы видно, что температура прибора от ATC приблизительно на 6 градусов ниже, чем у конкурента. Поскольку С57 в данной схеме является развязывающим конденсатором, испытывающим на себе полную выходную мощность усилителя, он будет рассеивать мощность в прямой зависимости от эквивалентного последовательного сопротивления (P=I2*ESR). Следовательно, более низкая температура конденсатора говорит о меньшем значении ESR: на частоте 2ГГц конденсатор АТС 600S180 (18пФ) обладал ESR 0.08 Ом, тогда как значение ESR конкурента составило 0.18Ом.
     Таким образом, на практике было подтверждено высокое качество продукции ATC и преимущества ее применения.