Da Millimeterwellen-Systeme immer stärker auf eine höhere Integrationsdichte und kompaktere Bauformen ausgerichtet sind, spielen Keramikmaterialien eine zunehmend wichtige Rolle bei der Miniaturisierung. Keramiken mit hoher Dielektrizitätskonstante und geringen Verlusten, wie beispielsweise Aluminiumoxid, ermöglichen den Betrieb von Wellenleiterstrukturen mit deutlich kleineren Querschnittsabmessungen als bei luftgefüllten Hohlwellenleitern, was sie besonders attraktiv für kompakte Hochfrequenzkomponenten macht.
Die in dieser Arbeit vorgestellten keramischen Bauteile wurden von Horizon Microtechnologies mithilfe eines präzisen additiven Fertigungsverfahrens für Keramik hergestellt, das auf der mikropräzisen 3D-Drucktechnologie von Boston Micro Fabrication (BMF) basiert. Die Plattform von BMF ermöglicht die Herstellung von keramischen Rohlingen mit hochpräzisen inneren und äußeren Geometrien und unterstützt die für den Millimeterwellenbetrieb erforderliche feine Strukturauflösung und Maßhaltigkeit. Diese Präzision ist bei der Arbeit mit keramikverstärkten Strukturen unerlässlich, da selbst kleine Abweichungen die Impedanz, die Modenausbreitung und die gesamte elektromagnetische Leistung beeinträchtigen können.
Mithilfe der additiven Fertigung im Mikromaßstab ist Horizon in der Lage, komplexe keramische Geometrien – darunter Wellenleiterbahnen, Verbindungsstellen und integrierte Filterelemente – als monolithische Bauteile herzustellen, deren Realisierung mit herkömmlichen keramischen Bearbeitungs- oder Montageverfahren äußerst schwierig oder unpraktisch wäre. Nach dem Druck werden die Keramikteile auf volle Dichte gesintert, wobei die Maßgenauigkeit der ursprünglichen, mit BMF gedruckten Geometrie erhalten bleibt und gleichzeitig die für den Hochfrequenzbetrieb erforderlichen mechanischen und dielektrischen Eigenschaften gewährleistet werden.
Anschließend versieht Horizon die gesinterten Keramikstrukturen ganz oder teilweise mit einer hochleitfähigen Außenbeschichtung, wodurch voll funktionsfähige, mit Dielektrikum gefüllte Wellenleiterkomponenten mit glatten, elektrisch durchgehenden Oberflächen entstehen. Dieser Ansatz ermöglicht die Integration mehrerer Funktionen – wie Wellenleiter, Antennen und Filter – in einer einzigen kompakten Komponente, wodurch Ausrichtungsfehler vermieden und die Komplexität der Montage verringert werden.
Ein Beispiel für diese Leistungsfähigkeit ist das integrierte, mit Keramik gefüllte Modul, das bei 50 GHz arbeitet und einen Wellenleiter-Einspeiser, eine Verbindungsstelle, eine Stabantenne und einen Filter in einem einzigen, teilweise metallisierten Aluminiumoxidgehäuse vereint. Durch die Kombination des mikropräzisen Keramikdrucks von BMF mit dem Metallisierungsexpertise von Horizon erreicht diese Komponente im Vergleich zu einem gleichwertigen, mit Luft gefüllten Hohlwellenleitersystem eine etwa dreifache Verkleinerung in jeder Dimension, wobei die hervorragende elektromagnetische Leistung erhalten bleibt.
Diese Kombination aus der keramischen Präzisionsadditivfertigung von BMF und der Kompetenz von Horizon in den Bereichen Beschichtung und Anwendungstechnik ermöglicht eine neue Klasse hochkompakter, einsatzbereiter Millimeterwellenkomponenten. Das Ergebnis ist nicht nur eine Miniaturisierung auf Komponentenebene, sondern auch eine größere Flexibilität in der Systemarchitektur, eine höhere Packungsdichte und verkürzte Entwicklungszyklen für Millimeterwellentechnologien der nächsten Generation.
