זה ידוע שתדרי ההפעלה של מעגלים אלחוטיים ואפילו קוויים נעים במהירות במעלה הספקטרום, והממדים המתאימים הולכים ומצטמצמים. המציאות היא שלמרות שלא עבר זמן רב שהפעלה במהירות של ג'יגה-הרץ (GHz) או שניים בלבד נחשבה להישג של ספסל מבחן אך לא לאפשרות של ייצור המוני, יש לנו כעת מוצרי צריכה לשוק המוני המיועדים לריבוי טווח גיגה-הרץ ומתקדם במהירות עם 5G. ההשלכות הפיזיות ידועות גם כאשר התדרים גדלים ואורך הגל מתכווצים, כך גם הממדים הקשורים והסובלנות המותרת של רכיבים, מסלולי לוח, חיבורים... ובכן, כמעט הכל.
בממדים זעירים אלה, ייצור ושימוש אפילו ברכיבים בסיסיים כגון מחברים הוא אתגר גדול, המאופיינת בכבלים קואקסיאליים בעלי קטרים בסדר גודל של מילימטר או שניים. למחברים ולמוליכי גל תמיד היו סובלנות מימדית הדוקה והצורך בקשיחות מסוימות. הבעיה, לעומת זאת, מחמירה כעת מכיוון שבעבר בעיות "פחות" או שניתן להתעלם מהן כמו גימור פני השטח והחלקות עלולות להשפיע באופן משמעותי על הביצועים של מחברים, למינציה של מעגלים ועוד. משטחי ייצור ומחברים בממדים אלה הם, במובנים רבים, גרסה שאינה סיליקון, ממתכת לחלוטין של MEMS (מערכות מיקרו-אלקטרו-מכאניות).
יחד עם זאת, כולנו מודעים לאופן שבו סטריאוליטוגרפיה (SLA), הנקראת גם הדפסת תלת מימד או ייצור תוסף (AM), שינתה באופן דרמטי את האסטרטגיות ואת הייצור בפועל הקשורים לרכיבים מכניים. טכניקה זו, הנעשית בעיקר באמצעות שרפים שונים או אבקת מתכות, מאפשרת ייצור חד פעמי ניסיוני, ריצות פיילוט, ואפילו ריצות ייצור בנפח בינוני של חלקים שיהיה קשה ואף בלתי אפשרי ליצור באמצעות תהליכים וטכניקות מסורתיות.
חוקרים וספקים מסחריים חוקרים כעת כיצד להשתמש בהדפסת תלת מימד כדי לפתור אתגרי RF בטווח גיגה-הרץ. הוא משמש לייצור מחברים זעירים ורכיבים אחרים שבהם עיבוד או תחריט מדויק קונבנציונלי נתקל במחסומים. זה במיוחד המקרה בנפחים נמוכים עד בינוניים שבהם המאמץ והעלות של ההתקנה והכלים גבוהים יחסית, אך הנפח אינו יכול להצדיק קוביות יקרות, תבניות, מתקנים וכל מה שנדרש כדי ליצור מכשירים זעירים אלה עם דיוק המימדים והגימור הדרושים.
התחל עם התקן פעיל של ג'יגה-הרץ מודפס בתלת-ממד
אבל למה להפסיק עם מכשירים פסיביים? דוגמה מעניינת מאוד למכשיר פעיל עם מוליכי גל אינטגרליים - החיבור החיוני שמעביר אנרגיית RF לרכיב פעיל וממנו - היא מצוות מאוניברסיטת ברמינגהם (בריטניה). הם תכננו וייצרו מכפיל תדרים של 62.5 גיגה-הרץ עד 125 גיגה-הרץ של דיודות Schottky (כן, זה 125 גיגה-הרץ, לא 12.5 גיגה-הרץ) עם מבנה מוליך גל בלוק מפוצל תוך שימוש בתהליך הדפסה SLA בעל דיוק גבוה (ראה עיון 1 למאמר שפורסם).
חלל מוליך גל דמוי גל של מילימטר IC (MMIC) והאוגנים הודפסו באמצעות מערכת מבית Boston Micro Fabrication (BMF), המשתמשת במיקרו סטריאוליטוגרפיה הקרנה (PμSL) טֶכנוֹלוֹגִיָה (איור 1 ו איור 2); אתה יכול לראות עוד על איך המערכת הזו עובדת בסרטון BMF הקצר (עיון 2).
איור 1. תצורה של כפיל תדר 125-GHz המציג (א) פריסה של בלוק מפוצל אחד; (ב) תמונת תקריב של דיודת Schottky MMIC (תמונה: אוניברסיטת ברמינגהם).
איור 2. תמונה של מובילי הגל הפולימריים המיוצרים על ידי תהליך SLA (משמאל) ותמונת מיקרוסקופ אופטי של האזור בו יושב ה-MMIC (מימין) (תמונה: אוניברסיטת ברמינגהם).
חלקי מוליך הגל הפולימריים המודפסים צופו בנחושת ושכבת הגנה דקה של זהב. הם אפיינו את חספוס פני השטח של חלקי מוליך הגל המודפסים ומדדו את הממדים הקריטיים, והנתונים הראו איכות הדפסה טובה כמו גם דיוק ממדי העומד בדרישות הסובלנות ההדוקות למכשיר פעיל תת-טרה-הרץ כזה (איור 3).
איור 3. תמונות של מכפיל התדרים המפוברק, המציגות (א) את ה-MMIC המיוצר המוצב בבלוק המפוצל של מוליך הגל המודפס בתלת-ממד ו-(ב) את הכפיל המורכב (תמונה: אוניברסיטת ברמינגהם).
הכפיל שלהם, שלטענתם הוא הראשון שיוצר אי פעם באמצעות SLA, מורכב ממעגל משולב מיקרוגל מונוליטי (MMIC) שעובי של 20 מיקרומטר GaAs Schottky-diode המיוצר במוליך הגל. יש לו הספק מוצא מרבי של 33 mW ב-126 גיגה-הרץ עם הספק כניסה של 100 mW, בעוד שיעילות ההמרה (נתון חשוב) היא כ-32% עם הספקים מבוא של 80 עד 110 mW.
"רענון" דיודת שוטקי
אם אינך מכיר את השימוש בדיודה שוטקי כמכפיל תדר, הגישה משתמשת בטכניקה הנפוצה של שימוש באלמנט לא ליניארי - כאן, דיודה - כדי ליצור הרמוניות כשהן מונעות על ידי צורת גל תדר בסיסית (איור 4).
איור 4. (למעלה) דיאגרמת הבלוק של מכפיל התדרים באמצעות אלמנט לא ליניארי; (למטה) סכימת הליבה של מכפיל התדרים הזה (תמונה: QSL.net).
כמובן, עבור עבודה בטווח גיגה-הרץ, הסכמטי הפשוט יכול רק לרמוז על מה זה בֶּאֱמֶת צריך לבנות כפולה בפועל, שכן לאותם אלמנטים פשוטים בגוש בתרשים הסכמטי יש ביטוי שונה מאוד במציאות הג'יגה-הרץ ממה שמצוין על ידי אותם סמלים פשוטים בציור הקו.
שימוש ב-SLA מדויק ובחומרים שבהם הוא תומך פותח נתיב חדש ליצירת רכיבים פאסיביים ואקטיביים ייחודיים ב-GHz גבוה עבור יישומים מותאמים אישית, בנפח נמוך ואולי אפילו בנפח גבוה יותר. הגישה עשויה לאפשר לייצר רכיבים אלה באמצעות עיצובים וסידורים אשר יהיה קשה אם לא בלתי אפשרי לבצע באמצעות טכניקות קונבנציונליות. זה עשוי גם להביא משמעות חדשה למושג וליישום של רכיב משולב בדרגת גיגה-הרץ.
התחנה הבאה: גלי טרהרץ
בעוד שמכשירים לטווח של רב-עשרות עד מאות גיגה-הרץ קשים מאוד לייצור ולחיבור ביניהם, אלו לגלי טרה-הרץ (THz) נמצאים בתחום אחר של קושי. THz אחד שווה רשמית ל-1000 GHz, ופס ה-terahertz נחשב בדרך כלל לכלול תדרים בין 100 GHz ל-10 THz, המתאימים לאורכי גל בין 3 מילימטרים ל-30 מיקרומטרים.
למרות שתדרי הטרה-הרץ מייצגים אנרגיה אלקטרומגנטית ונשלטים על ידי המשוואות הידועות של מקסוול, הלהקה הזו מציגה סט ייחודי של דילמות רכיבים ועיצוב. תכנון רכיבים - במיוחד פעילים - עבור הלהקה הזו כדי לספק רווח ומעבר פונקציות נחוצות אחרות, זה כמעט כמו תרגיל בקסם יחד עם אמנות.
למה ככה? במילים פשוטות יחסית, תדרי הטרה-הרץ גבוהים מדי עבור מכשירים אלקטרוניים פעילים בגלל אובדן מוגזם ומהירות נושא מוגבלת, אבל הם נמוכים מדי עבור התקנים פוטוניים בגלל היעדר חומרים המספקים פער פס קטן מספיק (עיון 3).
מסיבות אלו ואחרות, "הדפסת תלת מימד" ו"גלי טרה-הרץ" אינם ביטויים שהייתם מצפים לראות באותו משפט, אך ניתן לגרום להם לעבוד יחד. חוקרים מ-Philips-Universität Marburg (גרמניה) ו-Centro de Investigaciones en Óptica, AC (לאון, מקסיקו) עבדו יחד כדי ליצור סורג עקיפה מודפס בתלת-ממד שניתן להשתמש בו כדי לשקף ולנווט גלי טרה-הרץ. הם "הדפיסו" סורג עקיפה רפלקטיבי החל ממערך חד-ממדי של 3 רצועות פלסטיק, כל אחת באורך 3 מ"מ ורוחבה 17 מ"מ, כיסו אותה בנייר אלומיניום, ואז חיברו אותן בקפיצים בצורת V (איור 5).
איור 5. הסורג המודפס בתלת מימד הוא פאנל דמוי אקורדיון עם שכבת אלומיניום דקה לשיקוף הקרינה האלקטרומגנטית הפוגעת (תמונה: Philipps-Universität Marburg).
הסורג המתכוונן הורכב לאחר מכן במלחצים, גם הוא מודפס בתלת מימד, ושימש להפעלת לחץ כדי להתאים את המרווח הממדים של הרצועות (איור 6). תקופת המערך הייתה 2.3 מ"מ כשהוא רגוע, אך ניתן היה להפחית אותה ברציפות ל-1.1 מ"מ על ידי הפעלת לחץ רוחבי באמצעות פעולת הלחצים.
איור 6. הרשת מותקנת בלחצים מודפסים בתלת-ממד, שיכולה לדחוס במדויק את הקפלים כדי להתאים את המרווח והמחזוריות של השורות, ובכך, את המאפיינים הספקטרליים של הרשת (תמונה: Laser Focus World).
בדיקות בטווח של 0.1 עד 1 THz הראו את התועלת של המכשיר להיגוי אלומת טרה-הרץ דרך זוויות של 25° או יותר. כדי למדוד את ביצועי הסורג, הם יצרו מערך נתונים באמצעות צורות גל של terahertz עם זוויות גלאי-זרוע בין 30° ל-55° בצעדים של 0.5° (איור 7).
איור 7. (א) תצלום של הסורג העומד בפני עצמו כפי שהודפס; (ב) צילום של הסורג במתקן הלחיצה שלו, מצורף תמונת תקריב של שלוש תקופות של הסורג עם סולם ייחוס בגודל הימני (1 מ"מ לכל קו); (ג) סכמטי של גיאומטריה של הנתיב האופטי THz, המקלט והעדשה המתאימה לו מותקנים על גוניומטר ממונע כדי לשנות את זווית הזיהוי (תמונה: Philipps-Universität Marburg/Centro de Investigaciones en Óptica, AC).
איור 8. (א) הספקטרום המתקבל עבור זוויות בין 30° (צבע בהיר יותר) ל-55° (צבע כהה יותר) בצעדים של 0.5° עבור דחיסה של הרשת בפרק זמן של 2.92 מ"מ. השיא הספקטרלי משתנה בבירור כפונקציה של זווית הזיהוי כפי שמצוין על ידי החץ; בצד ימין, ניתן לראות פסגות נוספות, המתאימות לסדר הדיפרקציה השני; (ב) ו-(ג) מציגים סטים אנלוגיים של ספקטרום עבור דחיסות עם תקופה של 2.52 מ"מ ו-2.11 מ"מ בהתאמה; שימו לב שאוסף הפסגות הספקטרליות עבור עקיפה מסדר ראשון מופיעים בתדרים גבוהים יותר ככל שהתקופה פוחתת; (ד) תדירות השיא של כל הספקטרים המוצגים בפאנלים (a)= □, (b)= ◯ ו-(c)= △ משורטטים כאן. הקווים הרציפים מייצגים את היחס בין התדירות והזווית של עקיפה מסדר ראשון (תמונה: Philipps-Universität Marburg (גרמניה)/Centro de Investigaciones en Óptica, AC(Mexico)).
הדחיסה על הסורג הוגדלה (הקטנת המרווח התקופתי של הסורג) כאשר המדידות חזרו על עצמן עם שלוש דחיסות שונות (איור 8); התוצאות התקבלו על ידי טרנספורמציה פורייה של צורות הגל.
פרויקט המחקר לא הסתפק בבדיקה של הסידור הבסיסי הזה, שכן הם גם החליטו לבדוק את האפשרות של היגוי אלומה "פעילים" באמצעות סידור אחר. הם הדפיסו סורג גדול יותר המותאם לפעולת 3 גיגה-הרץ והציבו אותו בתלת-ממד, ואז הם תיקנו וחיברו את ההרכב לרמקול שמע. על ידי כך, התנודות מהרמקול הצליחו להטיל תנועת דחיסה/דקומפרסיה על הסורג.
הרמקול הונע על ידי גל סינוס של 60.5 הרץ (שנבחר עקב בעיות תהודה מכנית, לא תדר קו AC), והם הצליחו לראות את אלומת ה-THz הפוגעת בגל מתמשך (CW) מנווטת קדימה ואחורה תוך כדי מסונכרן לתנועת הרמקול. פרטים מלאים על שני חלקי הפרויקט נמצאים ב (עיון 4).
תוכן EE World קשור
מדוע אריזת תלת מימד יכולה להיות פריצת הדרך הבאה לעיבוד
כיצד משתמשים בחיישנים בהדפסה ביולוגית תלת מימדית?
הדפסת תלת מימד למערכות 3G
הדפסת תלת מימד ושילוב חיידקים לקציר סולארי
מהם היישומים של אלקטרוניקה מודפסת תלת מימד וארבע מימדית?
הפניות חיצוניות
עסקאות IEEE על Terahertz דרך אוניברסיטת ברמינגהם (בריטניה), "מכפיל תדרים של 125 גיגה-הרץ באמצעות חלל מוליך גל המיוצר בסטריאוליתוגרפיה"
Boston Micro Fabrication, "למד כיצד PµSL עובד"
יומן מיקרוגל., "יצירת THz וניתוח עם אֶלֶקטרוֹנִי וטכנולוגיות פוטוניות"
OSA Optics Express, "היגוי קרן Terahertz באמצעות סורג עקיפה אקטיבי המיוצר על ידי הדפסת תלת מימד".