Il est bien connu que les fréquences de fonctionnement des circuits sans fil et même câblés augmentent rapidement dans le spectre et que les dimensions correspondantes diminuent. La réalité est que même s'il n'y a pas si longtemps, fonctionner à seulement un gigahertz (GHz) ou deux était considéré comme un exploit sur banc d'essai mais pas comme une possibilité de production de masse, nous disposons désormais de produits de consommation de masse conçus pour le multi- Gamme GHz et progression rapide avec la 5G. Les implications physiques sont également bien connues à mesure que les fréquences augmentent et que les longueurs d'onde diminuent, tout comme les dimensions associées et les tolérances admissibles des composants, des pistes de carte, des interconnexions… enfin, à peu près tout.
À ces dimensions minuscules, fabriquer et utiliser même des composants de base tels que des connecteurs constitue un défi majeur, caractérisé par des câbles coaxiaux ayant des diamètres de l'ordre d'un millimètre ou deux. Les connecteurs et les guides d'ondes ont toujours eu des tolérances dimensionnelles strictes et ont nécessité une certaine robustesse. Le problème, cependant, est désormais aggravé car des problèmes auparavant « moindres » ou ignorables, tels que la finition et la douceur de la surface, peuvent affecter de manière significative les performances des connecteurs, des stratifiés de circuits imprimés, etc. La fabrication de surfaces et de connecteurs à ces dimensions est, à bien des égards, une version sans silicium et entièrement métallique des MEMS (systèmes microélectromécaniques).
Dans le même temps, nous sommes tous conscients de la façon dont la stéréolithographie (SLA), également appelée impression 3D ou fabrication additive (AM), a radicalement changé les stratégies et la fabrication réelle associées aux composants mécaniques. Cette technique, principalement réalisée à l'aide de diverses résines ou de poudres métalliques, permet une fabrication expérimentale unique, des séries pilotes et même des séries de production en volume moyen de pièces qui seraient difficiles, voire impossibles, à créer via des processus et techniques traditionnels.
Les chercheurs et les fournisseurs commerciaux étudient actuellement comment utiliser l’impression 3D pour résoudre les défis RF de l’ordre du gigahertz. Il est utilisé pour fabriquer de minuscules connecteurs et d’autres composants là où l’usinage de précision ou la gravure conventionnelle se heurtent à des barrières. C'est particulièrement le cas dans les volumes faibles à modérés où les efforts et les coûts de configuration et d'outillage sont relativement élevés, mais le volume ne peut justifier des matrices, des moules, des montages coûteux et tout ce qu'il faut pour fabriquer ces appareils minuscules. avec la précision dimensionnelle et la finition nécessaires.
Commencez avec un appareil GHz actif imprimé en 3D
Mais pourquoi s’arrêter aux appareils passifs ? Un exemple très intéressant de dispositif actif avec guides d’ondes intégrés – l’interconnexion essentielle qui fait la transition de l’énergie RF vers et depuis un composant actif – provient d’une équipe de l’Université de Birmingham (Royaume-Uni). Ils ont conçu et fabriqué un doubleur de fréquence à diode Schottky de 62.5 GHz à 125 GHz (oui, c'est 125 GHz, pas 12.5 GHz) avec une structure de guide d'ondes à blocs divisés utilisant un processus d'impression SLA de haute précision (voir Référence 1 pour leur article publié).
Cette cavité et ces brides de guide d'ondes de type IC à ondes millimétriques (MMIC) ont été imprimées à l'aide d'un système de Boston Micro Fabrication (BMF), qui utilise la microstéréolithographie par projection (PμSL) sans souci (Figure 1 ainsi que Figure 2); vous pouvez en savoir plus sur le fonctionnement de ce système dans la courte vidéo BMF (Référence 2).
Figure 1. Configuration du doubleur de fréquence 125 GHz montrant (a) la disposition d'un bloc divisé ; (b) photo en gros plan du MMIC à diode Schottky (Image : Université de Birmingham).
Figure 2. Photo des guides d'ondes polymères tels que fabriqués par le processus SLA (à gauche) et image au microscope optique de la zone où se trouve le MMIC (à droite) (Image : Université de Birmingham).
Les parties imprimées du guide d’ondes en polymère étaient plaquées de cuivre et d’une fine couche protectrice d’or. Ils ont caractérisé la rugosité de surface des pièces imprimées du guide d'ondes et mesuré les dimensions critiques. Les données ont montré une bonne qualité d'impression ainsi qu'une précision dimensionnelle qui répond aux exigences de tolérance strictes pour un tel dispositif actif sub-térahertz (Figure 3).
Figure 3. Images du doubleur de fréquence fabriqué, montrant (a) le MMIC fabriqué placé dans le bloc divisé du guide d'ondes imprimé en 3D et (b) le doubleur assemblé (Image : Université de Birmingham).
Leur doubleur, qui, selon eux, est le premier jamais produit à l'aide de SLA, consiste en un circuit intégré micro-onde monolithique (MMIC) à diode Schottky GaAs de 20 µm d'épaisseur fabriqué dans le guide d'ondes. Il a une puissance de sortie maximale de 33 mW à 126 GHz avec une puissance d'entrée de 100 mW, tandis que l'efficacité de conversion maximale (un facteur de mérite important) est d'environ 32 % avec des puissances d'entrée de 80 à 110 mW.
Diode Schottky « rafraîchissement »
Si vous n'êtes pas familier avec l'utilisation d'une diode Schottky comme multiplicateur de fréquence, l'approche utilise la technique courante consistant à utiliser un élément non linéaire - ici, une diode - pour créer des harmoniques lorsqu'il est piloté par une forme d'onde de fréquence fondamentale (Figure 4).
Figure 4. (en haut) Le schéma fonctionnel du doubleur de fréquence utilisant un élément non linéaire ; (en bas) le schéma de base de ce doubleur de fréquence (Image : QSL.net).
Bien sûr, pour les travaux dans la gamme GHz, le schéma simple ne peut qu'indiquer ce qu'il vraiment Il faut pour construire un doubleur dans la pratique, car ces éléments simples regroupés dans le diagramme schématique ont une manifestation très différente dans la réalité du gigahertz de celle indiquée par ces simples symboles dans le dessin au trait.
L'utilisation du SLA de précision et des matériaux qu'il prend en charge ouvre une nouvelle voie pour la création de composants passifs et actifs uniques à haut GHz pour des applications personnalisées, à faible volume et peut-être même à volume plus élevé. L'approche peut permettre de fabriquer ces composants à l'aide de conceptions et d'agencements qu'il serait difficile, voire impossible, de réaliser à l'aide de techniques conventionnelles. Cela pourrait également apporter une nouvelle signification au concept et à la mise en œuvre d’un composant intégré de classe gigahertz.
Prochaine étape : les ondes Térahertz
Alors que les appareils destinés à une gamme allant de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de gigahertz sont très difficiles à fabriquer et à interconnecter, ceux destinés aux ondes térahertz (THz) se trouvent dans un autre domaine de difficulté. Un THz est formellement égal à 1000 GHz, et la bande térahertz est généralement considérée comme incluant des fréquences comprises entre 100 GHz et 10 THz, correspondant à des longueurs d'onde comprises entre 3 millimètres et 30 micromètres.
Même si les fréquences térahertz représentent l’énergie électromagnétique et sont régies par les équations bien connues de Maxwell, cette bande présente un ensemble unique de dilemmes en matière de composants et de conception. Concevoir des composants - en particulier des composants actifs - pour que cette bande fournisse du gain et d'autres fonctions de commutation nécessaires, s'apparente presque à un exercice de magie couplé à l'art.
Pourquoi ? Pour le dire en termes relativement simples, les fréquences térahertz sont trop élevées pour les dispositifs électroniques actifs en raison de pertes excessives et d'une vitesse de porteur limitée, mais elles sont trop faibles pour les dispositifs photoniques en raison du manque de matériaux offrant une bande interdite suffisamment petite (Référence 3).
Pour ces raisons et d’autres, « impression 3D » et « ondes térahertz » ne sont pas des expressions que l’on s’attendrait à voir dans la même phrase, mais elles peuvent fonctionner ensemble. Des chercheurs de la Philipps-Universität Marburg (Allemagne) et du Centro de Investigaciones en Óptica, A.C. (León, Mexique) ont travaillé ensemble pour créer un réseau de diffraction imprimé en 3D pouvant être utilisé pour réfléchir et diriger les ondes térahertz. Ils ont « imprimé » un réseau de diffraction réfléchissant en commençant par un réseau unidimensionnel de 17 bandes de plastique, chacune mesurant 50 mm de long et 0.8 mm de large, l'ont recouvert d'une feuille d'aluminium, puis les ont reliées par des ressorts en forme de V (Figure 5).
Figure 5. Le réseau imprimé en 3D est un panneau en forme d'accordéon avec une fine couche d'aluminium pour réfléchir le rayonnement électromagnétique incident (Image : Philipps-Universität Marburg).
La grille réglable a ensuite été montée dans un étau, également imprimé en 3D, et utilisée pour appliquer une pression afin d'ajuster l'espacement dimensionnel des bandes (Figure 6). La période du réseau était de 2.3 mm lorsqu'elle était relâchée, mais pouvait être continuellement réduite à 1.1 mm en appliquant une pression latérale via l'action de l'étau.
Figure 6. Le réseau est monté dans un étau imprimé en 3D, qui peut compresser avec précision les plis pour ajuster l'espacement et la périodicité des rangées et, ainsi, les caractéristiques spectrales du réseau (Image : Laser Focus World).
Des tests sur la plage de 0.1 à 1 THz ont montré l’utilité de l’appareil pour diriger un faisceau térahertz selon des angles de 25° ou plus. Pour mesurer les performances du réseau, ils ont créé un ensemble de données utilisant des formes d'onde térahertz avec des angles de bras de détection compris entre 30° et 55° par pas de 0.5° (Figure 7).
Figure 7. (a) Photographie de la grille autoportante telle qu'imprimée ; (b) Photographie de la grille dans son support de pressage, une image en gros plan de trois périodes de la grille avec une échelle de référence sur la taille de droite (1 mm par ligne) est fournie ; (c) Schéma de la géométrie du chemin optique THz, le récepteur et sa lentille correspondante sont montés sur un goniomètre motorisé pour faire varier l'angle de détection (Image : Philipps-Universität Marburg/Centro de Investigaciones en Óptica, AC).
Figure 8. (a) Les spectres obtenus pour des angles compris entre 30° (couleur plus claire) et 55° (couleur plus foncée) par pas de 0.5° pour la compression du réseau avec une période de 2.92 mm. Le pic spectral se décale clairement en fonction de l'angle de détection comme indiqué par la flèche ; à droite, on distingue des pics supplémentaires qui correspondent au deuxième ordre de diffraction ; (b) et (c) montrent des ensembles analogues de spectres pour des compressions avec une période de 2.52 mm et 2.11 mm respectivement ; notez que l'ensemble des pics spectraux pour la diffraction du premier ordre apparaît à des fréquences plus élevées à mesure que la période diminue ; (d) La fréquence maximale de tous les spectres présentés dans les panneaux (a) = □, (b) = ◯ et (c) = △ sont tracées ici. Les lignes continues représentent la relation entre la fréquence et l'angle de diffraction du premier ordre (Image : Philipps-Universität Marburg (Allemagne)/Centro de Investigaciones en Óptica, A.C. (Mexique)).
La compression sur la grille a été augmentée (diminution de l'espacement périodique de la grille) avec les mesures répétées avec trois compressions différentes (Figure 8); les résultats ont été obtenus par transformation de Fourier des formes d'onde.
Le projet de recherche ne s’est pas arrêté aux tests de cet agencement de base, car ils ont également décidé de tester la possibilité d’une orientation « active » du faisceau en utilisant un agencement différent. Ils ont imprimé en 3D un réseau plus grand optimisé pour un fonctionnement à 120 GHz et l'ont placé dans un support, puis ils ont fixé et couplé l'ensemble à un haut-parleur audio. Ce faisant, les oscillations du haut-parleur ont pu imposer un mouvement de compression/décompression au réseau.
Le haut-parleur était piloté par une onde sinusoïdale de 60.5 Hz (choisie en raison de problèmes de résonance mécanique, et non de la fréquence de la ligne CA), et ils ont pu voir le faisceau THz à onde continue (CW) incident être dirigé vers l'avant et vers l'arrière tout en étant dirigé vers l'avant et vers l'arrière. synchronisé avec le mouvement du haut-parleur. Tous les détails sur les deux parties du projet sont disponibles dans (Référence 4).
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Références externes
Transactions IEEE sur Térahertz via l'Université de Birmingham (Royaume-Uni), « Doubleur de fréquence 125 GHz utilisant une cavité de guide d'ondes produite par stéréolithographie »
Boston Micro Fabrication, « Découvrez comment fonctionne PµSL »
Journal micro-ondes., «Génération et analyse THz avec Electronique et technologies photoniques »
OSA Optique Express, « Orientation du faisceau térahertz à l'aide d'un réseau de diffraction actif fabriqué par impression 3D ».