無線回路、さらには有線回路の動作周波数が急速にスペクトルを上昇させており、対応する寸法が縮小していることはよく知られています。現実には、わずか 5 ギガヘルツ (GHz) か XNUMX ギガヘルツ (GHz) で動作することは、テストベンチでの成果であっても大量生産の可能性はないと考えられていたのは、それほど昔のことではありませんが、現在では、複数の用途向けに設計された消費者向け製品が大量市場に投入されています。 GHz 範囲と XNUMXG の高速化。周波数が増加し、波長が縮小すると、物理的な影響もよく知られています。それに伴い、コンポーネント、基板トラック、相互接続など、ほぼすべての寸法や許容誤差も影響を受けます。
このような小さな寸法では、直径が 1 ～ 2 ミリメートル程度の同軸ケーブルに代表されるように、コネクタなどの基本的なコンポーネントを作成して使用することさえ大きな課題となります。コネクタと導波路には常に厳しい寸法公差があり、ある程度の堅牢性が必要でした。しかし、表面仕上げや平滑性など、以前は「軽度」または無視できた問題が、コネクタや回路基板のラミネートなどの性能に大きな影響を与える可能性があるため、問題は現在悪化しています。このような寸法で表面とコネクタを製造することは、多くの点で、MEMS (微小電気機械システム) の非シリコン、全金属版と言えます。
同時に、3D プリンティングまたは積層造形 (AM) とも呼ばれる光造形 (SLA) が、機械コンポーネントに関連する戦略と実際の製造をいかに劇的に変化させたかを私たちは皆知っています。この技術は、主にさまざまな樹脂や粉末金属を使用して行われ、従来のプロセスや技術では作成が困難または不可能であった部品の実験的な一回限りの製造、試験運用、さらには中量生産さえも可能にします。
研究者と商用ベンダーは現在、3D プリンティングを使用してギガヘルツ範囲の RF の課題を解決する方法を研究しています。これは、従来の精密機械加工やエッチングでは障壁に当たる小型コネクタやその他のコンポーネントの製造に使用されています。これは、セットアップや工具の労力とコストが比較的高いにもかかわらず、その量では高価な金型、金型、治具、その他これらの微細なデバイスの製造に必要なものを正当化できない、低から中程度の生産量の場合に特に当てはまります。必要な寸法精度と仕上げを備えています。
アクティブな 3D プリントされた GHz デバイスから始めます
しかし、なぜ受動的なデバイスをやめるのでしょうか?一体型導波管（RF エネルギーを能動部品との間でやり取りする重要な相互接続）を備えた能動デバイスの非常に興味深い例の 62.5 つは、バーミンガム大学 (英国) のチームによるものです。彼らは、高精度 SLA 印刷プロセスを使用して、分割ブロック導波路構造を備えた 125 GHz から 125 GHz へのショットキー ダイオード周波数 12.5 倍器 (はい、XNUMX GHz ではなく XNUMX GHz です) を設計および製造しました。 参考1 出版された論文の場合）。
このミリ波 IC (MMIC) のような導波路のキャビティとフランジは、投影マイクロ ステレオリソグラフィー (PμSL) を使用するボストン マイクロ ファブリケーション (BMF) のシステムを使用して印刷されました。 テクノロジー (図1 & 図2);このシステムがどのように機能するかについては、短い BMF ビデオ (参考2).
図 1. 125 GHz 周波数ダブラーの構成 (a) XNUMX つの分割ブロックのレイアウト。 (b) ショットキー ダイオード MMIC の拡大写真 (画像: バーミンガム大学)。
図 2. SLA プロセスで製造された製造直後のポリマー導波路の写真 (左) と、MMIC が設置されている領域の光学顕微鏡画像 (右) (画像: バーミンガム大学)。
印刷されたポリマー導波路部分は銅と金の薄い保護層でメッキされました。彼らは、印刷された導波路部品の表面粗さを特徴付け、限界寸法を測定しました。そのデータは、良好な印刷品質と、このようなサブテラヘルツアクティブデバイスの厳しい公差要件を満たす寸法精度を示しました。図3).
図 3. 製造された周波数ダブラーの写真。(a) 3D プリントされた導波管分割ブロックに配置された製造された MMIC と、(b) 組み立てられたダブラーを示しています (画像: バーミンガム大学)。
彼らのダブラーは、SLAを使用して史上初めて製造されたものであると主張しており、導波路内に製造された厚さ20μmのGaAsショットキーダイオードモノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）で構成されています。最大出力電力は 33 GHz で 126 mW の入力電力で 100 mW ですが、ピーク変換効率 (重要な性能指数) は 32 ～ 80 mW の入力電力で約 110% です。
ショットキーダイオード「リフレッシャー」
周波数逓倍器としてショットキー ダイオードを使用することに慣れていない方のために説明すると、このアプローチでは、非線形素子 (ここではダイオード) を使用して、基本周波数波形で駆動されたときに高調波を生成するという一般的な手法が使用されます (図4).
図 4. (上) 非線形素子を使用した周波数 XNUMX 倍器のブロック図。 (下) 周波数ダブラーのコア回路図 (画像: QSL.net)。
もちろん、GHz 範囲の作業の場合、単純な回路図はそれが何を意味するかのヒントにすぎません。 本当に 回路図内の単純な集中要素は、線画内の単純な記号で示されるものとはギガヘルツの現実では大きく異なるため、実際にダブラーを構築する必要があります。
高精度 SLA とそれがサポートする材料を使用すると、カスタム、少量、さらにはさらに大量のアプリケーション向けに独自の高 GHz パッシブおよびアクティブ コンポーネントを作成するための新しい道が開かれます。このアプローチにより、従来の技術では不可能ではないにしても困難であった設計や配置を使用してこれらのコンポーネントを製造できる可能性があります。また、ギガヘルツクラスの統合コンポーネントの概念と実装に新しい意味をもたらす可能性があります。
次の目的地はテラヘルツ波です
数十ギガヘルツから数百ギガヘルツの範囲のデバイスの製造と相互接続は非常に困難ですが、テラヘルツ (THz) 波のデバイスは別の困難の領域にあります。 1000 THz は正式には 100 GHz に相当し、テラヘルツ帯域には一般に 10 GHz ～ 3 THz の周波数が含まれると考えられており、これは 30 ミリメートル～XNUMX マイクロメートルの波長に相当します。
テラヘルツ周波数は電磁エネルギーを表し、マクスウェルのよく知られた方程式によって支配されますが、この帯域にはコンポーネントと設計の独特なジレンマが存在します。このバンドにゲインやその他の必要な機能の切り替えを提供するためのコンポーネント、特にアクティブなコンポーネントを考案することは、芸術と結びついた魔法の練習のようなものです。
なぜそうなのか？比較的簡単に言うと、テラヘルツ周波数は過剰な損失とキャリア速度の制限のため、アクティブ電子デバイスには高すぎますが、十分に小さなバンドギャップを実現する材料が不足しているため、フォトニックデバイスには低すぎます(参考3).
こうした理由やその他の理由から、「3D プリンティング」と「テラヘルツ波」は同じ文の中に現れるとは考えられないフレーズですが、組み合わせて使用することは可能です。マールブルク大学フィリップス大学 (ドイツ) と AC オプティカ科学研究センター (メキシコ、レオン) の研究者らは協力して、テラヘルツ波の反射と方向転換に使用できる 3D プリント回折格子を作成しました。彼らは、長さ 17 mm、幅 50 mm の 0.8 枚のプラスチック ストリップの一次元配列から始まる反射回折格子を「印刷」し、これをアルミ箔で覆い、V 字型のバネで接続しました (図5).
図 5. 3D プリントされた回折格子は、衝突する電磁放射を反射するための薄いアルミニウム層を備えたアコーディオン状のパネルです (画像: マールブルク大学フィリップス大学)。
次に、調整可能な格子を万力に取り付け、同じく 3D プリントして、圧力を加えてストリップの寸法間隔を調整するために使用しました (図6）。リラックス状態では配列周期は 2.3 mm でしたが、万力の作用により側圧を加えることで連続的に 1.1 mm まで縮小できました。
図 6. 格子は 3D プリントされた万力に取り付けられており、折り目を正確に圧縮して列の間隔と周期性、ひいては格子のスペクトル特性を調整できます (画像: Laser Focus World)。
0.1 ～ 1 THz の範囲にわたるテストにより、このデバイスが 25° 以上の角度でテラヘルツ ビームを方向付けるのに有用であることが示されました。回折格子の性能を測定するために、彼らは、検出器アームの角度が 30° ～ 55° (0.5° 刻み) のテラヘルツ波形を使用してデータセットを作成しました (図7).
図 7. (a) 印刷された自立型回折格子の写真。 (b) プレス マウント内の回折格子の写真。右側のサイズの基準スケール (1 行あたり XNUMX mm) を備えた回折格子の XNUMX 周期の拡大画像が提供されます。 (c) THz 光路の形状の概略図。受信機とそれに対応するレンズは、検出角度を変えるために電動ゴニオメーターに取り付けられています (画像: Philipps-Universität Marburg/Centro de Investigaciones en Óptica, AC)。
図 8. (a) 周期 30 mm の回折格子圧縮において、55° (明るい色) と 0.5° (暗い色) の間の角度で 2.92° 刻みで得られたスペクトル。スペクトル ピークは、矢印で示すように、検出角度の関数として明らかにシフトします。右側には、2.52 次の回折次数に対応する追加のピークが見られます。 (b) と (c) は、それぞれ 2.11 mm と XNUMX mm の周期で圧迫したときの類似のスペクトルのセットを示しています。周期が減少するにつれて、一次回折のスペクトル ピークの集合がより高い周波数に現れることに注目してください。 (d) ここでは、(a)=□、(b)=○、(c)=△のパネルに示されているすべてのスペクトルのピーク周波数をプロットします。実線は、周波数と XNUMX 次回折の角度の関係を表します (画像: Philipps-Universität Marburg (ドイツ)/Centro de Investigaciones en Óptica, AC(メキシコ))。
回折格子上の圧縮は、3 つの異なる圧縮で繰り返された測定により増加しました (回折格子の周期的間隔が減少しました)。図8); 結果は波形のフーリエ変換によって得られました。
研究プロジェクトはこの基本構成のテストにとどまらず、別の構成を使用した「アクティブ」ビームステアリングの可能性をテストすることも決定しました。彼らは、3 GHz の動作に最適化されたより大きなグレーティングを 120D プリントしてマウントに配置し、アンサンブルを固定してオーディオ スピーカーに結合しました。そうすることで、スピーカーからの振動が回折格子に圧縮/減圧運動を加えることができました。
スピーカーは 60.5 Hz の正弦波 (AC ラインの周波数ではなく、機械的な共振の問題により選択されました) によって駆動され、衝突する連続波 (CW) THz ビームが、スピーカーを動かしながら前後に操縦されるのを見ることができました。スピーカーの動きと同期します。プロジェクトの両方の部分の詳細については、(参考4).
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外部参照
テラヘルツに関するIEEEトランザクション バーミンガム大学 (英国) 経由、「ステレオリソグラフィーによって生成された導波管キャビティを使用した 125 GHz 周波数ダブラー」
ボストン・マイクロ・ファブリケーション、「PµSL の仕組みを学ぶ」
マイクロ波ジャーナル.、「THz の生成と分析」 エレクトロニック とフォトニックテクノロジー」
OSA オプティクス エクスプレス、「3Dプリンティングで作製したアクティブ回折格子を用いたテラヘルツビームステアリング」。