무선 및 유선 회로의 작동 주파수가 스펙트럼 위로 빠르게 이동하고 있으며 해당 크기가 줄어들고 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 현실은 얼마 전까지만 해도 5~XNUMXGHz에서 작동하는 것이 테스트 벤치 성과로 간주되었지만 대량 생산 가능성은 없었지만 이제는 다중 시장용으로 설계된 대중 시장 소비자 제품이 있습니다. GHz 범위를 확장하고 XNUMXG로 빠르게 발전합니다. 주파수 증가 및 파장 감소로 인한 물리적 영향도 잘 알려져 있으므로 구성 요소, 보드 트랙, 상호 연결 등의 관련 치수와 허용 공차도 마찬가지입니다. 거의 모든 것입니다.
이러한 작은 크기에서는 커넥터와 같은 기본 구성 요소조차 만들고 사용하는 것이 주요 과제입니다. 대표적으로 1~2밀리미터 정도의 직경을 갖는 동축 케이블이 있습니다. 커넥터와 도파관은 항상 치수 허용 오차가 엄격하고 어느 정도 견고함이 필요했습니다. 그러나 이전에는 표면 마감 및 매끄러움과 같은 "사소한" 또는 무시할 수 있었던 문제가 커넥터, 회로 기판 라미네이트 등의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 문제는 이제 더욱 악화되었습니다. 이러한 크기로 표면과 커넥터를 제작하는 것은 여러 면에서 비실리콘, 전체 금속 버전의 MEMS(미세 전자 기계 시스템)입니다.
동시에 우리는 3D 프린팅 또는 적층 제조(AM)라고도 불리는 광조형술(SLA)이 기계 부품과 관련된 전략과 실제 제조를 어떻게 극적으로 변화시켰는지 알고 있습니다. 주로 다양한 수지 또는 금속 분말을 사용하여 수행되는 이 기술을 사용하면 기존 공정 및 기술을 통해 생성하기 어렵고 심지어 불가능했던 부품의 실험적인 일회성 제조, 파일럿 실행 및 심지어 중간 규모 생산 실행도 가능합니다.
연구원과 상업 공급업체는 이제 기가헤르츠 범위 RF 문제를 해결하기 위해 3D 프린팅을 사용하는 방법을 조사하고 있습니다. 이는 기존의 정밀 가공 또는 에칭이 장벽에 부딪히는 작은 커넥터 및 기타 구성 요소를 제조하는 데 사용됩니다. 이는 특히 설정 및 툴링 노력과 비용이 상대적으로 높지만 볼륨이 값비싼 다이, 몰드, 고정 장치 및 이러한 미세한 장치를 만드는 데 필요한 모든 것을 정당화할 수 없는 중소 규모의 경우에 해당됩니다. 필요한 치수 정밀도와 마감 처리.
활성 3D 프린팅 GHz 장치로 시작
그런데 왜 수동 장치를 사용하지 않는 걸까요? 통합 도파관(RF 에너지를 능동 구성요소로 전환하는 필수 상호 연결)을 갖춘 능동 장치의 매우 흥미로운 예 중 하나는 영국 버밍엄 대학교(University of Birmingham) 팀의 연구입니다. 그들은 고정밀 SLA 인쇄 프로세스를 사용하여 분할 블록 도파관 구조를 갖춘 62.5GHz ~ 125GHz 쇼트키 다이오드 주파수 더블러(예, 125GHz가 아닌 12.5GHz)를 설계하고 제작했습니다(참조: 참고 1 출판된 논문의 경우).
이 밀리미터파 IC(MMIC)와 같은 도파관 캐비티와 플랜지는 투영 마이크로 광조형(PμSL)을 사용하는 BMF(Boston Micro Fabrication)의 시스템을 사용하여 인쇄되었습니다. technology (그림 1 와 그림 2); 이 시스템이 어떻게 작동하는지에 대한 자세한 내용은 짧은 BMF 비디오(참고 2).
그림 1. (a) 하나의 분할 블록의 레이아웃을 보여주는 125GHz 주파수 더블러의 구성; (b) 쇼트키 다이오드 MMIC의 클로즈업 사진(이미지: 버밍엄 대학교).
그림 2. SLA 공정으로 제작된 폴리머 도파관 사진(왼쪽)과 MMIC가 위치한 영역의 광학 현미경 이미지(오른쪽)(이미지: 버밍엄 대학).
인쇄된 폴리머 도파관 부품은 구리와 얇은 금 보호층으로 도금되었습니다. 그들은 인쇄된 도파관 부품의 표면 거칠기를 특성화하고 임계 치수를 측정했으며, 데이터는 테라헤르츠 이하 능동 장치에 대한 엄격한 공차 요구 사항을 충족하는 치수 정확도와 우수한 인쇄 품질을 보여주었습니다.그림 3).
그림 3. (a) 3D 프린팅 도파관 분할 블록에 배치된 제작된 MMIC 및 (b) 조립된 더블러를 보여주는 제작된 주파수 더블러의 사진(이미지: University of Birmingham).
SLA를 사용하여 처음으로 생산된 더블러는 도파관에 제작된 20μm 두께의 GaAs 쇼트키 다이오드 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC)로 구성됩니다. 입력 전력 33mW에서 126GHz에서 최대 출력 전력이 100mW이고, 입력 전력 32~80mW에서 최대 변환 효율(중요한 성능 지수)은 약 110%입니다.
쇼트키 다이오드 "리프레셔"
쇼트키 다이오드를 주파수 체배기로 사용하는 데 익숙하지 않은 경우 이 접근 방식에서는 비선형 요소(여기서는 다이오드)를 사용하여 기본 주파수 파형에 의해 구동될 때 고조파를 생성하는 일반적인 기술을 사용합니다(그림 4).
그림 4. (위) 비선형 요소를 사용한 주파수 배율기의 블록 다이어그램. (아래) 해당 주파수 배율기의 핵심 회로도(이미지: QSL.net).
물론 GHz 범위 작업의 경우 간단한 회로도는 그것이 무엇인지에 대한 힌트만 제공할 수 있습니다. 정말 실제로는 이중 장치를 구축하는 데 필요합니다. 회로도의 단순한 덩어리 요소는 선 그림의 단순한 기호로 표시된 것과 기가헤르츠 현실에서 매우 다른 표현을 가지기 때문입니다.
정밀 SLA와 이것이 지원하는 재료를 사용하면 맞춤형, 저용량, 심지어는 대용량 응용 분야를 위한 고유한 고GHz 수동 및 능동 구성 요소를 만드는 새로운 경로가 열립니다. 이 접근 방식은 기존 기술을 사용하여 수행하는 것이 불가능하지는 않더라도 어려울 수 있는 설계 및 배열을 사용하여 이러한 구성 요소를 제작할 수 있도록 허용할 수 있습니다. 또한 통합된 기가헤르츠급 구성요소의 개념과 구현에 새로운 의미를 부여할 수도 있습니다.
다음 정거장: 테라헤르츠파
수십에서 수백 기가헤르츠 범위의 장치는 제작 및 상호 연결이 매우 어려운 반면, 테라헤르츠(THz)파용 장치는 또 다른 어려움 영역에 있습니다. 1000THz는 공식적으로 100GHz와 동일하며, 테라헤르츠 대역은 일반적으로 10밀리미터에서 3마이크로미터 사이의 파장에 해당하는 30GHz에서 XNUMXTHz 사이의 주파수를 포함하는 것으로 간주됩니다.
테라헤르츠 주파수는 전자기 에너지를 나타내고 Maxwell의 잘 알려진 방정식의 적용을 받지만 이 대역은 독특한 구성 요소 및 설계 딜레마를 나타냅니다. 이 밴드가 게인 및 기타 필요한 기능 전환을 제공하기 위해 구성 요소(특히 활성 구성 요소)를 고안하는 것은 거의 예술과 결합된 마술 연습과 같습니다.
왜 그렇습니까? 상대적으로 간단히 말하면, 테라헤르츠 주파수는 과도한 손실과 제한된 캐리어 속도로 인해 능동형 전자 장치에는 너무 높지만, 충분히 작은 밴드갭을 전달하는 재료가 부족하기 때문에 광자 장치에는 너무 낮습니다.참고 3).
이런저런 이유로 "3D 프린팅"과 "테라헤르츠파"는 같은 문장에서 볼 수 있을 것으로 기대하는 문구는 아니지만 함께 사용할 수 있습니다. Philipps-Universität Marburg(독일)와 Centro de Investigaciones en Óptica, A.C.(멕시코 레온)의 연구원들은 테라헤르츠파를 반사하고 조종하는 데 사용할 수 있는 3D 프린팅 회절 격자를 만들기 위해 협력했습니다. 그들은 각각 길이 17mm, 너비 50mm인 0.8개의 플라스틱 스트립의 XNUMX차원 배열로 시작하여 이를 알루미늄 호일로 덮은 다음 V자형 스프링으로 연결한 반사 회절 격자를 "인쇄"했습니다.그림 5).
그림 5. 3D 프린팅 격자는 충돌하는 전자기 복사를 반사하기 위해 얇은 알루미늄 층이 있는 아코디언 모양의 패널입니다(이미지: Philipps-Universität Marburg).
그런 다음 조정 가능한 격자를 역시 3D 프린팅된 바이스에 장착하고 스트립의 치수 간격을 조정하기 위해 압력을 가하는 데 사용했습니다(그림 6). 어레이 주기는 이완되었을 때 2.3mm였지만 바이스 작용을 통해 측면 압력을 가함으로써 지속적으로 1.1mm로 감소될 수 있었습니다.
그림 6. 격자는 3D 프린팅 바이스에 장착되어 있으며 접힌 부분을 정밀하게 압축하여 행의 간격과 주기를 조정하고 이에 따라 격자의 스펙트럼 특성을 조정할 수 있습니다(이미지: Laser Focus World).
0.1~1 THz 범위에 대한 테스트에서는 25° 이상의 각도를 통해 테라헤르츠 빔을 조종하는 장치의 유용성이 나타났습니다. 격자의 성능을 측정하기 위해 그들은 30° 간격으로 55°에서 0.5° 사이의 검출기 암 각도를 갖는 테라헤르츠 파형을 사용하여 데이터 세트를 생성했습니다(그림 7).
그림 7. (a) 인쇄된 독립형 격자 사진; (b) 프레싱 마운트에 있는 격자 사진, 오른쪽 크기(라인당 1 mm)에 기준 눈금이 있는 격자의 XNUMX개 주기에 대한 클로즈업 이미지가 제공됩니다. (c) THz 광학 경로의 기하학적 도식, 수신기 및 해당 렌즈는 감지 각도를 변경하기 위해 전동 각도계에 장착됩니다(이미지: Philipps-Universität Marburg/Centro de Investigaciones en Óptica, A.C.).
그림 8. (a) 주기가 30 mm인 격자 압축에 대해 55° 간격으로 0.5°(밝은 색상)와 2.92°(어두운 색상) 사이의 각도에 대해 얻은 스펙트럼. 스펙트럼 피크는 화살표로 표시된 대로 감지 각도의 함수로 명확하게 이동합니다. 오른쪽에는 두 번째 회절 차수에 해당하는 추가 피크가 보입니다. (b)와 (c)는 각각 2.52 mm 및 2.11 mm 주기의 압축에 대한 유사한 스펙트럼 세트를 보여줍니다. XNUMX차 회절에 대한 스펙트럼 피크 모음은 주기가 감소함에 따라 더 높은 주파수에서 나타납니다. (d) 패널 (a)= □, (b)= ◯ 및 (c)= △에 표시된 모든 스펙트럼의 피크 주파수가 여기에 표시됩니다. 연속선은 XNUMX차 회절 각도와 주파수 사이의 관계를 나타냅니다(이미지: Philipps-Universität Marburg(독일)/Centro de Investigaciones en Óptica, A.C.(멕시코)).
세 가지 다른 압축으로 반복된 측정을 통해 격자의 압축이 증가했습니다(격자의 주기적인 간격 감소).그림 8); 결과는 파형의 푸리에 변환에 의해 얻어졌습니다.
연구 프로젝트는 이러한 기본 배열의 테스트에 그치지 않고 다른 배열을 사용하여 "능동" 빔 조종의 가능성도 테스트하기로 결정했습니다. 그들은 3GHz 작동에 최적화된 더 큰 격자를 120D 프린팅하여 마운트에 배치한 다음 앙상블을 고정하고 오디오 스피커에 결합했습니다. 그렇게 함으로써 스피커의 진동이 격자에 압축/압축 해제 동작을 가할 수 있었습니다.
스피커는 60.5Hz 사인파(AC 라인 주파수가 아닌 기계적 공명 문제로 인해 선택됨)에 의해 구동되었으며 충돌하는 연속파(CW) THz 빔이 앞뒤로 조정되는 것을 볼 수 있었습니다. 스피커 모션에 동기화됩니다. 프로젝트의 두 부분에 대한 자세한 내용은 (참고 4).
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외부 참조
Terahertz에서의 IEEE 거래 University of Birmingham(영국)을 통해 “광조형 기술로 생산된 도파관 공동을 사용하는 125GHz 주파수 더블러”
Boston Micro Fabrication, "PμSL 작동 방식 알아보기"
전자레인지 저널., “THz 생성 및 분석 전자 및 광자 기술”
OSA 광학 익스프레스, “3D 프린팅으로 제작한 능동 회절 격자를 이용한 테라헤르츠 빔 조향”.