Telah diketahui umum bahawa frekuensi operasi untuk litar wayarles dan juga berwayar sedang bergerak dengan pantas ke atas spektrum, dan dimensi yang sepadan semakin mengecil. Realitinya ialah walaupun tidak lama dahulu bahawa operasi pada hanya satu gigahertz (GHz) atau dua dianggap sebagai pencapaian bangku ujian tetapi bukan kemungkinan pengeluaran besar-besaran, kami kini mempunyai produk pengguna pasaran besar-besaran yang direka untuk pelbagai- Julat GHz dan naik dengan pantas dengan 5G. Implikasi fizikal juga terkenal sebagai frekuensi meningkat dan panjang gelombang mengecut, begitu juga dengan dimensi yang berkaitan dan toleransi yang dibenarkan bagi komponen, landasan papan, sambung sambungan...baik, hampir semua perkara.
Pada dimensi yang kecil ini, membuat dan menggunakan malah komponen asas seperti penyambung merupakan satu cabaran besar, dicirikan oleh kabel sepaksi yang mempunyai diameter pada susunan satu atau dua milimeter. Penyambung dan pandu gelombang sentiasa mempunyai toleransi dimensi yang ketat dan keperluan untuk beberapa kekasaran. Masalahnya, bagaimanapun, kini bertambah teruk kerana sebelum ini isu "kurang" atau tidak dapat diendahkan seperti kemasan permukaan dan kelancaran boleh menjejaskan prestasi penyambung, lamina papan litar dan banyak lagi. Fabrikasi permukaan dan penyambung pada dimensi ini, dalam banyak cara, bukan silikon, versi semua logam MEMS (sistem mikroelektromekanikal).
Pada masa yang sama, kita semua sedar tentang cara stereolitografi (SLA), yang juga dipanggil percetakan 3D atau pembuatan tambahan (AM), telah mengubah strategi dan fabrikasi sebenar yang dikaitkan dengan komponen mekanikal secara mendadak. Teknik ini, terutamanya dilakukan dengan menggunakan pelbagai resin atau logam serbuk, membolehkan pengilangan sekali sahaja, larian perintis, dan juga larian pengeluaran volum sederhana bagi bahagian yang sukar dan bahkan mustahil untuk dibuat melalui proses dan teknik tradisional.
Penyelidik dan vendor komersil kini sedang menyiasat cara menggunakan pencetakan 3D untuk menyelesaikan cabaran RF julat gigahertz. Ia digunakan untuk mengarang penyambung kecil dan komponen lain di mana pemesinan ketepatan konvensional atau etsa mengalami halangan. Ini terutamanya berlaku dalam volum rendah hingga sederhana di mana usaha dan kos penyediaan dan perkakas adalah agak tinggi, namun volum itu tidak boleh membenarkan cetakan, acuan, lekapan yang mahal dan apa sahaja yang diperlukan untuk membuat peranti kecil ini dengan ketepatan dimensi dan kemasan yang diperlukan.
Mulakan dengan peranti GHz cetak 3D yang aktif
Tetapi mengapa berhenti dengan peranti pasif? Satu contoh yang sangat menarik bagi peranti aktif dengan pandu gelombang penting — interkoneksi penting yang mengalihkan tenaga RF ke dan dari komponen aktif — adalah daripada pasukan di Universiti Birmingham (UK). Mereka mereka bentuk dan mencipta pengganda frekuensi Schottky-diod 62.5 GHz hingga 125-GHz (ya, itu 125 GHz, bukan 12.5 GHz) dengan struktur pandu gelombang blok pecah menggunakan proses pencetakan SLA berketepatan tinggi (lihat Rujukan 1 untuk kertas terbitan mereka).
Rongga pandu gelombang dan bebibir seperti IC (MMIC) gelombang milimeter ini dicetak menggunakan sistem daripada Boston Micro Fabrication (BMF), yang menggunakan stereolitografi mikro unjuran (PμSL) teknologi (Rajah 1 and Rajah 2); anda boleh melihat lebih lanjut tentang cara sistem ini berfungsi dalam video pendek BMF (Rujukan 2).
Rajah 1. Konfigurasi pengganda frekuensi 125-GHz menunjukkan (a) susun atur satu blok belah; (b) gambar dekat Schottky-diode MMIC (Imej: Universiti Birmingham).
Rajah 2. Gambar pandu gelombang polimer as-fabrikasi yang dibuat oleh proses SLA (kiri) dan imej mikroskop optik bagi kawasan tempat MMIC duduk (kanan) (Imej: Universiti Birmingham).
Bahagian pandu gelombang polimer yang dicetak disalut dengan tembaga dan lapisan pelindung nipis emas. Mereka mencirikan kekasaran permukaan bahagian pandu gelombang yang dicetak dan mengukur dimensi kritikal, dan data menunjukkan kualiti cetakan yang baik serta ketepatan dimensi yang memenuhi keperluan toleransi yang ketat untuk peranti aktif sub-terahertz tersebut (Rajah 3).
Rajah 3. Gambar pengganda frekuensi yang direka, menunjukkan (a) MMIC yang dibuat diletakkan dalam blok pemisah pandu gelombang cetakan 3D dan (b) pengganda yang dipasang (Imej: Universiti Birmingham).
Pengganda mereka, yang mereka dakwa adalah yang pertama dihasilkan menggunakan SLA, terdiri daripada litar bersepadu gelombang mikro monolitik (MMIC) GaAs Schottky-diod tebal 20 μm yang direka dalam pandu gelombang. Ia mempunyai kuasa keluaran maksimum 33 mW pada 126 GHz dengan kuasa input 100 mW, manakala kecekapan penukaran puncak (angka penting merit) adalah kira-kira 32% dengan kuasa input dari 80 hingga 110 mW.
"penyegar" diod Schottky
Jika anda tidak biasa menggunakan diod Schottky sebagai pengganda frekuensi, pendekatan ini menggunakan teknik biasa menggunakan elemen bukan linear — di sini, diod — untuk mencipta harmonik apabila didorong oleh bentuk gelombang frekuensi asas (Rajah 4).
Rajah 4. (atas) Gambar rajah blok pengganda frekuensi menggunakan unsur bukan linear; (bawah) skema teras pengganda frekuensi itu (Imej: QSL.net).
Sudah tentu, untuk kerja julat GHz, skema mudah hanya boleh memberi petunjuk tentang perkara itu benar-benar diperlukan untuk membina pengganda dalam amalan, kerana unsur-unsur terkumpul mudah dalam rajah skematik mempunyai manifestasi yang sangat berbeza dalam realiti gigahertz daripada apa yang ditunjukkan oleh simbol mudah tersebut dalam lukisan garisan.
Menggunakan SLA ketepatan dan bahan yang disokongnya membuka laluan baharu untuk mencipta komponen pasif dan aktif GHz tinggi yang unik untuk aplikasi tersuai, volum rendah, dan mungkin juga volum lebih tinggi. Pendekatan ini mungkin membolehkan untuk mengarang komponen ini menggunakan reka bentuk dan susunan yang sukar jika tidak mustahil dilakukan menggunakan teknik konvensional. Ia juga mungkin membawa makna baharu kepada konsep dan pelaksanaan komponen kelas gigahertz bersepadu.
Perhentian seterusnya: Gelombang Terahertz
Walaupun peranti untuk julat berbilang puluh hingga ratusan julat gigahertz sangat sukar untuk direka dan disambungkan, peranti untuk gelombang terahertz (THz) berada dalam alam kesukaran yang lain. Satu THz secara rasminya bersamaan dengan 1000 GHz, dan jalur terahertz biasanya dianggap termasuk frekuensi antara 100 GHz dan 10 THz, sepadan dengan panjang gelombang antara 3 milimeter dan 30 mikrometer.
Walaupun frekuensi terahertz mewakili tenaga elektromagnet dan dikawal oleh persamaan Maxwell yang terkenal, jalur ini membentangkan set unik komponen dan dilema reka bentuk. Merangka komponen — terutamanya yang aktif — untuk band ini memberikan keuntungan dan penukaran fungsi lain yang diperlukan, hampir seperti latihan dalam sihir ditambah dengan seni.
Kenapa begitu? Untuk meletakkannya dalam istilah yang agak mudah, frekuensi terahertz terlalu tinggi untuk peranti elektronik aktif kerana kehilangan yang berlebihan dan halaju pembawa terhad, tetapi ia terlalu rendah untuk peranti fotonik kerana kekurangan bahan yang menyampaikan celah jalur yang cukup kecil (Rujukan 3).
Atas sebab ini dan lain-lain, "pencetakan 3D" dan "gelombang terahertz" bukanlah frasa yang anda harapkan untuk melihat dalam ayat yang sama, tetapi ia boleh dibuat untuk berfungsi bersama. Penyelidik di Philipps-Universität Marburg (Jerman) dan Centro de Investigaciones en Óptica, AC (León, Mexico) bekerjasama untuk mencipta grating difraksi bercetak 3D yang boleh digunakan untuk memantulkan dan mengemudi gelombang terahertz. Mereka "mencetak" parut pembelauan reflektif bermula dengan tatasusunan satu dimensi 17 jalur plastik, setiap satu 50 mm panjang dan 0.8 mm lebar, menutupnya dengan kerajang aluminium, dan kemudian menyambungkannya dengan mata air berbentuk V (Rajah 5).
Rajah 5. Kisi bercetak 3D ialah panel seperti akordion dengan lapisan aluminium nipis untuk memantulkan sinaran elektromagnet yang melanda (Imej: Philipps-Universität Marburg).
Kisi boleh laras kemudiannya dipasang dalam ragum, juga dicetak 3D, dan digunakan untuk menggunakan tekanan untuk melaraskan jarak dimensi jalur (Rajah 6). Tempoh tatasusunan ialah 2.3 mm apabila dilonggarkan tetapi boleh dikurangkan secara berterusan kepada 1.1 mm dengan menggunakan tekanan sisi melalui tindakan ragum.
Rajah 6. Parut dipasang dalam ragum bercetak 3D, yang boleh memampatkan lipatan dengan tepat untuk melaraskan jarak dan keberkalaan baris dan, dengan itu, ciri spektrum parut (Imej: Dunia Fokus Laser).
Ujian dalam julat 0.1 hingga 1 THz menunjukkan kegunaan peranti untuk mengemudi rasuk terahertz melalui sudut 25° atau lebih tinggi. Untuk mengukur prestasi parut, mereka mencipta set data menggunakan bentuk gelombang terahertz dengan sudut lengan pengesan antara 30° dan 55° dalam 0.5° langkah (Rajah 7).
Rajah 7. (a) Gambar jeriji berdiri bebas seperti yang dicetak; (b) Gambar jeriji dalam lekap penekannya, imej jarak dekat tiga tempoh jeriji dengan skala rujukan pada saiz sebelah kanan (1 mm setiap baris) disediakan; (c) Skema geometri laluan optik THz, penerima dan kanta sepadannya dipasang pada goniometer bermotor untuk mengubah sudut pengesanan (Imej: Philipps-Universität Marburg/Centro de Investigaciones en Óptica, AC).
Rajah 8. (a) Spektrum yang diperolehi untuk sudut antara 30° (warna lebih terang) dan 55° (warna lebih gelap) dalam langkah 0.5° untuk mampatan parut dengan tempoh 2.92 mm. Puncak spektrum jelas beralih sebagai fungsi sudut pengesanan seperti yang ditunjukkan oleh anak panah; di sebelah kanan, puncak tambahan boleh dilihat, yang sepadan dengan susunan difraksi kedua; (b) dan (c) menunjukkan set spektrum analog untuk pemampatan dengan tempoh masing-masing 2.52 mm dan 2.11 mm; perhatikan bahawa pengumpulan puncak spektrum untuk pembelauan tertib pertama muncul pada frekuensi yang lebih tinggi apabila tempoh berkurangan; (d) Kekerapan puncak semua spektrum yang ditunjukkan dalam panel (a)= □, (b)= ◯ dan (c)= △ diplotkan di sini. Garis selanjar mewakili hubungan antara kekerapan dan sudut pembelauan tertib pertama (Imej: Philipps-Universität Marburg (Jerman)/Centro de Investigaciones en Óptica, AC(Mexico)).
Mampatan pada parut telah ditingkatkan (mengurangkan jarak berkala parut) dengan pengukuran diulang dengan tiga mampatan berbeza (Rajah 8); keputusan diperoleh melalui transformasi Fourier bagi bentuk gelombang.
Projek penyelidikan tidak berhenti dengan menguji susunan asas ini, kerana mereka juga memutuskan untuk menguji kemungkinan stereng rasuk "aktif" menggunakan susunan yang berbeza. Mereka mencetak parut 3D yang lebih besar yang dioptimumkan untuk operasi 120-GHz dan meletakkannya dalam pelekap, dan kemudian mereka membetulkan dan menggabungkan ensembel itu kepada pembesar suara audio. Dengan berbuat demikian, ayunan daripada pembesar suara dapat mengenakan gerakan mampatan/penyahmampatan pada parut.
Pembesar suara didorong oleh gelombang sinus 60.5-Hz (dipilih disebabkan oleh isu resonans mekanikal, bukan frekuensi talian AC), dan mereka dapat melihat pancaran gelombang berterusan (CW) THz yang didorong ke hadapan dan ke belakang semasa berada. disegerakkan dengan gerakan pembesar suara. Butiran penuh tentang kedua-dua bahagian projek terdapat dalam (Rujukan 4).
Kandungan Dunia EE Berkaitan
Mengapa pembungkusan 3D boleh menjadi kejayaan seterusnya untuk pemprosesan
Bagaimanakah penderia digunakan dalam pencetakan bio 3D?
Percetakan 3D untuk sistem 5G
Percetakan 3D dan campuran bakteria untuk penuaian solar
Apakah aplikasi elektronik bercetak 3D dan 4D?
Rujukan Luaran
Transaksi IEEE pada Terahertz melalui Universiti Birmingham (UK), "Pengganda Frekuensi 125 GHz menggunakan Rongga Pandu Gelombang Dihasilkan oleh Stereolithography"
Fabrikasi Mikro Boston, "Ketahui Cara PµSL Berfungsi"
Jurnal Gelombang Mikro., “Penjanaan dan Analisis THz dengan Elektronik dan Teknologi Fotonik”
Ekspres Optik OSA, "Kemudi pancaran Terahertz menggunakan parut pembelauan aktif yang direka oleh cetakan 3D".