Telah diketahui secara umum bahwa frekuensi operasi untuk sirkuit nirkabel dan bahkan kabel dengan cepat naik spektrumnya, dan dimensinya pun menyusut. Kenyataannya adalah meskipun belum lama berselang operasi hanya pada satu atau dua gigahertz (GHz) dianggap sebagai pencapaian uji coba namun bukan kemungkinan produksi massal, kini kita memiliki produk konsumen pasar massal yang dirancang untuk multi- Rentang GHz dan meningkat pesat dengan 5G. Implikasi fisiknya juga dikenal dengan bertambahnya frekuensi dan penyusutan panjang gelombang, begitu pula dimensi terkait dan toleransi komponen, jalur papan, interkoneksi… yah, hampir semuanya.
Dengan dimensi yang sangat kecil ini, membuat dan menggunakan komponen dasar seperti konektor merupakan sebuah tantangan besar, yang ditandai dengan kabel koaksial yang memiliki diameter sekitar satu atau dua milimeter. Konektor dan pandu gelombang selalu memiliki toleransi dimensi yang ketat dan memerlukan ketangguhan tertentu. Namun masalahnya kini menjadi lebih buruk karena masalah yang sebelumnya “lebih kecil” atau dapat diabaikan seperti penyelesaian permukaan dan kehalusan dapat secara signifikan mempengaruhi kinerja konektor, laminasi papan sirkuit, dan banyak lagi. Pembuatan permukaan dan konektor pada dimensi ini, dalam banyak hal, merupakan versi MEMS (sistem mikroelektromekanis) non-silikon dan seluruhnya terbuat dari logam.
Pada saat yang sama, kita semua menyadari bagaimana stereolitografi (SLA), juga disebut pencetakan 3D atau manufaktur aditif (AM), telah secara dramatis mengubah strategi dan fabrikasi aktual yang terkait dengan komponen mekanis. Teknik ini, terutama dilakukan dengan menggunakan berbagai resin atau bubuk logam, memungkinkan dilakukannya manufaktur satu kali secara eksperimental, uji coba, dan bahkan produksi volume menengah untuk suku cadang yang sulit dan bahkan tidak mungkin dibuat melalui proses dan teknik tradisional.
Para peneliti dan vendor komersial kini sedang menyelidiki cara menggunakan pencetakan 3D untuk memecahkan tantangan RF dalam rentang gigahertz. Ini digunakan untuk membuat konektor kecil dan komponen lain di mana pemesinan atau pengetsaan presisi konvensional menemui hambatan. Hal ini terutama terjadi pada volume rendah hingga sedang dimana upaya dan biaya pengaturan dan perkakas relatif tinggi, namun volume tersebut tidak dapat mengimbangi mahalnya cetakan, cetakan, perlengkapan, dan apa pun yang diperlukan untuk membuat perangkat kecil ini. dengan presisi dimensi dan hasil akhir yang dibutuhkan.
Mulailah dengan perangkat GHz pencetakan 3D yang aktif
Tapi mengapa berhenti dengan perangkat pasif? Salah satu contoh yang sangat menarik dari perangkat aktif dengan pandu gelombang integral – interkoneksi penting yang mentransisikan energi RF ke dan dari komponen aktif – berasal dari tim di Universitas Birmingham (Inggris). Mereka merancang dan membuat pengganda frekuensi dioda Schottky 62.5 GHz hingga 125 GHz (ya, itu 125 GHz, bukan 12.5 GHz) dengan struktur pandu gelombang blok terpisah menggunakan proses pencetakan SLA presisi tinggi (lihat Referensi 1 untuk makalah mereka yang diterbitkan).
Rongga dan flensa pandu gelombang mirip IC gelombang milimeter (MMIC) ini dicetak menggunakan sistem dari Boston Micro Fabrication (BMF), yang menggunakan proyeksi mikro stereolitografi (PμSL) teknologi (Gambar 1 dan Gambar 2); Anda dapat melihat lebih lanjut tentang cara kerja sistem ini di video pendek BMF (Referensi 2).
Gambar 1. Konfigurasi pengganda frekuensi 125-GHz yang menunjukkan (a) tata letak satu blok terpisah; (b) gambar close-up MMIC dioda Schottky (Gambar: Universitas Birmingham).
Gambar 2. Gambar pandu gelombang polimer buatan yang dibuat dengan proses SLA (kiri) dan gambar mikroskop optik dari area tempat MMIC berada (kanan) (Gambar: Universitas Birmingham).
Bagian pandu gelombang polimer yang dicetak dilapisi dengan tembaga dan lapisan pelindung tipis dari emas. Mereka mengkarakterisasi kekasaran permukaan bagian pandu gelombang yang dicetak dan mengukur dimensi kritis, dan data menunjukkan kualitas pencetakan yang baik serta akurasi dimensi yang memenuhi persyaratan toleransi ketat untuk perangkat aktif sub-terahertz (Gambar 3).
Gambar 3. Gambar pengganda frekuensi buatan, menunjukkan (a) MMIC buatan yang ditempatkan di blok pemisah pandu gelombang cetak 3D dan (b) pengganda rakitan (Gambar: Universitas Birmingham).
Pengganda mereka, yang mereka klaim sebagai yang pertama diproduksi menggunakan SLA, terdiri dari sirkuit terintegrasi gelombang mikro monolitik (MMIC) GaAs Schottky-diode setebal 20 μm yang dibuat dalam pandu gelombang. Ia memiliki daya keluaran maksimum 33 mW pada 126 GHz dengan daya masukan 100 mW, sedangkan efisiensi konversi puncak (angka penting) adalah sekitar 32% dengan daya masukan dari 80 hingga 110 mW.
Dioda Schottky “penyegaran”
Jika Anda belum terbiasa menggunakan dioda Schottky sebagai pengganda frekuensi, pendekatan ini menggunakan teknik umum yang menggunakan elemen non-linier — di sini, dioda — untuk menciptakan harmonisa ketika digerakkan oleh bentuk gelombang frekuensi fundamental (Gambar 4).
Gambar 4. (atas) Diagram blok pengganda frekuensi menggunakan elemen non-linier; (bawah) skema inti pengganda frekuensi tersebut (Gambar: QSL.net).
Tentu saja, untuk pekerjaan pada rentang GHz, skema sederhana hanya dapat memberikan petunjuk tentang apa itu benar-benar dibutuhkan untuk membangun pengganda dalam praktiknya, karena elemen-elemen sederhana yang disamakan dalam diagram skematik memiliki manifestasi yang sangat berbeda dalam realitas gigahertz dibandingkan dengan apa yang ditunjukkan oleh simbol-simbol sederhana dalam gambar garis.
Menggunakan SLA presisi dan material yang didukungnya membuka jalur baru untuk menciptakan komponen pasif dan aktif ber-GHz tinggi yang unik untuk aplikasi khusus, bervolume rendah, dan bahkan mungkin bervolume lebih tinggi. Pendekatan ini memungkinkan pembuatan komponen-komponen ini menggunakan desain dan pengaturan yang akan sulit atau bahkan tidak mungkin dilakukan dengan menggunakan teknik konvensional. Hal ini juga dapat membawa makna baru pada konsep dan implementasi komponen kelas gigahertz yang terintegrasi.
Pemberhentian berikutnya: Gelombang Terahertz
Meskipun perangkat untuk rentang rentang multi-puluh hingga ratusan gigahertz sangat sulit untuk dibuat dan dihubungkan, perangkat untuk gelombang terahertz (THz) berada dalam kesulitan lain. Satu THz secara formal sama dengan 1000 GHz, dan pita terahertz umumnya dianggap mencakup frekuensi antara 100 GHz dan 10 THz, sesuai dengan panjang gelombang antara 3 milimeter dan 30 mikrometer.
Meskipun frekuensi terahertz mewakili energi elektromagnetik dan diatur oleh persamaan Maxwell yang terkenal, pita ini menghadirkan serangkaian dilema komponen dan desain yang unik. Merancang komponen - terutama yang aktif - agar band ini dapat memberikan penguatan dan peralihan fungsi lain yang diperlukan, hampir seperti latihan sihir yang dipadukan dengan seni.
Kenapa begitu? Sederhananya, frekuensi terahertz terlalu tinggi untuk perangkat elektronik aktif karena kehilangan yang berlebihan dan kecepatan pembawa yang terbatas, namun frekuensi terahertz terlalu rendah untuk perangkat fotonik karena kurangnya bahan yang mampu menghantarkan celah pita yang cukup kecil (Referensi 3).
Karena alasan ini dan alasan lainnya, “pencetakan 3D” dan “gelombang terahertz” bukanlah frasa yang Anda harapkan muncul dalam kalimat yang sama, namun keduanya dapat dibuat untuk bekerja sama. Para peneliti di Philipps-Universität Marburg (Jerman) dan Centro de Investigaciones en Óptica, AC (León, Meksiko) bekerja sama untuk membuat kisi difraksi cetak 3D yang dapat digunakan untuk memantulkan dan mengarahkan gelombang terahertz. Mereka “mencetak” kisi difraksi reflektif yang dimulai dengan susunan satu dimensi yang terdiri dari 17 strip plastik, masing-masing panjang 50 mm dan lebar 0.8 mm, menutupinya dengan aluminium foil, dan kemudian menghubungkannya dengan pegas berbentuk V (Gambar 5).
Gambar 5. Kisi cetakan 3D adalah panel mirip akordeon dengan lapisan aluminium tipis untuk memantulkan radiasi elektromagnetik yang datang (Gambar: Philipps-Universität Marburg).
Kisi yang dapat disesuaikan kemudian dipasang pada catok, juga dicetak 3D, dan digunakan untuk memberikan tekanan guna menyesuaikan jarak dimensi strip (Gambar 6). Periode susunannya adalah 2.3 mm ketika dilonggarkan tetapi dapat terus dikurangi menjadi 1.1 mm dengan menerapkan tekanan lateral melalui aksi catok.
Gambar 6. Kisi dipasang pada alat cetak 3D, yang dapat memampatkan lipatan secara tepat untuk menyesuaikan jarak dan periodisitas baris, serta karakteristik spektral kisi (Gambar: Laser Focus World).
Pengujian pada rentang 0.1 hingga 1 THz menunjukkan kegunaan perangkat untuk mengarahkan sinar terahertz melalui sudut 25° atau lebih besar. Untuk mengukur kinerja kisi, mereka membuat kumpulan data menggunakan bentuk gelombang terahertz dengan sudut lengan detektor antara 30° dan 55° dalam langkah 0.5° (Gambar 7).
Gambar 7. (a) Foto kisi-kisi yang berdiri bebas seperti yang dicetak; (b) Foto kisi-kisi dalam dudukan penekannya, disediakan gambar close-up tiga periode kisi-kisi dengan skala acuan pada ukuran tangan kanan (1 mm per garis); (c) Skema geometri jalur optik THz, penerima dan lensa terkait dipasang pada goniometer bermotor untuk memvariasikan sudut deteksi (Gambar: Philipps-Universität Marburg/Centro de Investigaciones en Óptica, AC).
Gambar 8. (a) Spektrum yang diperoleh untuk sudut antara 30° (warna lebih terang) dan 55° (warna lebih gelap) dengan kelipatan 0.5° untuk kompresi kisi dengan periode 2.92 mm. Puncak spektral dengan jelas bergeser sebagai fungsi dari sudut deteksi seperti yang ditunjukkan oleh panah; di sisi kanan, dapat dilihat puncak tambahan yang sesuai dengan orde difraksi kedua; (b) dan (c) menunjukkan kumpulan spektrum analog untuk kompresi dengan periode masing-masing 2.52 mm dan 2.11 mm; perhatikan bahwa kumpulan puncak spektral untuk difraksi orde pertama muncul pada frekuensi yang lebih tinggi seiring dengan berkurangnya periode; (d) Frekuensi puncak semua spektrum yang ditunjukkan pada panel (a)= □, (b)= ◯ dan (c)= △ diplot di sini. Garis kontinu mewakili hubungan antara frekuensi dan sudut difraksi orde pertama (Gambar: Philipps-Universität Marburg (Jerman)/Centro de Investigaciones en Óptica, AC(Meksiko)).
Kompresi pada kisi ditingkatkan (mengurangi jarak periodik kisi) dengan pengukuran diulangi dengan tiga kompresi berbeda (Gambar 8); hasilnya diperoleh dengan transformasi Fourier dari bentuk gelombang.
Proyek penelitian tidak berhenti pada pengujian pengaturan dasar ini, karena mereka juga memutuskan untuk menguji kemungkinan beam steering “aktif” menggunakan pengaturan yang berbeda. Mereka mencetak kisi yang lebih besar secara 3D yang dioptimalkan untuk pengoperasian 120 GHz dan menempatkannya di dudukan, lalu mereka memperbaiki dan memasangkan ansambel tersebut ke speaker audio. Dengan demikian, osilasi dari speaker mampu menimbulkan gerakan kompresi/dekompresi pada kisi.
Speaker digerakkan oleh gelombang sinus 60.5 Hz (dipilih karena masalah resonansi mekanis, bukan frekuensi saluran AC), dan mereka dapat melihat pancaran sinar THz gelombang kontinu (CW) yang diarahkan ke depan dan ke belakang saat sedang disinkronkan dengan gerakan speaker. Rincian lengkap tentang kedua bagian proyek ada di (Referensi 4).
Konten Dunia EE Terkait
Mengapa pengemasan 3D bisa menjadi terobosan pemrosesan berikutnya
Bagaimana sensor digunakan dalam bioprinting 3D?
Pencetakan 3D untuk sistem 5G
Pencetakan 3D dan campuran bakteri untuk pemanenan tenaga surya
Apa saja aplikasi elektronik cetak 3D dan 4D?
Referensi Eksternal
Transaksi IEEE di Terahertz melalui University of Birmingham (UK), “Pengganda Frekuensi 125 GHz menggunakan Rongga Pandu Gelombang yang Diproduksi oleh Stereolitografi”
Fabrikasi Mikro Boston, “Pelajari Cara Kerja PµSL”
Jurnal Gelombang Mikro., “Pembuatan dan Analisis THz dengan Elektronik dan Teknologi Fotonik”
OSA Optik Ekspres, “Kemudi sinar Terahertz menggunakan kisi difraksi aktif yang dibuat dengan pencetakan 3D”.