Het is bekend dat de werkfrequenties voor draadloze en zelfs bekabelde circuits snel omhoog gaan in het spectrum, en dat de bijbehorende afmetingen steeds kleiner worden. De realiteit is dat hoewel het nog niet zo lang geleden was dat werken op slechts een gigahertz (GHz) of twee werd beschouwd als een prestatie op de proefbank, maar niet als een mogelijkheid voor massaproductie, we nu consumentenproducten voor de massamarkt hebben die zijn ontworpen voor de multi- GHz-bereik en gaat snel omhoog met 5G. De fysieke implicaties zijn ook bekend als frequenties toenemen en golflengte krimpen, net als de bijbehorende afmetingen en toegestane toleranties van componenten, boardrails, onderlinge verbindingen…nou ja, zo ongeveer alles.
Bij deze kleine afmetingen is het maken en gebruiken van zelfs basiscomponenten zoals connectoren een grote uitdaging, gekenmerkt door coaxkabels met diameters in de orde van een millimeter of twee. Connectors en golfgeleiders hadden altijd nauwe maattoleranties en de behoefte aan enige robuustheid. Het probleem wordt nu echter verergerd omdat voorheen ‘mindere’ of te negeren problemen, zoals oppervlakteafwerking en gladheid, de prestaties van connectoren, printplaatlaminaten en meer aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Het vervaardigen van oppervlakken en connectoren met deze afmetingen is in veel opzichten een niet-silicium, volledig metalen versie van MEMS (micro-elektromechanische systemen).
Tegelijkertijd zijn we ons er allemaal van bewust hoe stereolithografie (SLA), ook wel 3D-printen of additive manufacturing (AM) genoemd, de strategieën en daadwerkelijke fabricage van mechanische componenten dramatisch heeft veranderd. Deze techniek, die voornamelijk wordt uitgevoerd met behulp van verschillende harsen of metaalpoeders, maakt experimentele eenmalige productie, proefruns en zelfs productieruns van middelgrote volumes mogelijk van onderdelen die moeilijk of zelfs onmogelijk te maken zouden zijn via traditionele processen en technieken.
Onderzoekers en commerciële leveranciers onderzoeken nu hoe ze 3D-printen kunnen gebruiken om RF-uitdagingen in het gigahertzbereik op te lossen. Het wordt gebruikt om kleine connectoren en andere componenten te vervaardigen waar conventionele precisiebewerking of etsen tegen barrières aanloopt. Dit is vooral het geval bij kleine tot gemiddelde volumes waar de inspanningen en kosten voor het opzetten, het gereedschap en de kosten relatief hoog zijn, maar het volume kan de dure matrijzen, mallen, armaturen en al het andere dat nodig is om deze kleine apparaten te maken niet rechtvaardigen. met de vereiste maatprecisie en afwerking.
Begin met een actief 3D-geprint GHz-apparaat
Maar waarom stoppen met passieve apparaten? Een zeer interessant voorbeeld van een actief apparaat met integrale golfgeleiders – de essentiële verbinding die RF-energie van en naar een actieve component overbrengt – is van een team van de Universiteit van Birmingham (VK). Ze ontwierpen en vervaardigden een 62.5 GHz tot 125 GHz Schottky-diode-frequentieverdubbelaar (ja, dat is 125 GHz, niet 12.5 GHz) met een split-block golfgeleiderstructuur met behulp van een uiterst nauwkeurig SLA-printproces (zie Referentie 1 voor hun gepubliceerde artikel).
Deze millimetergolf-IC (MMIC)-achtige golfgeleiderholte en flenzen zijn geprint met behulp van een systeem van Boston Micro Fabrication (BMF), dat gebruik maakt van projectie-microstereolithografie (PμSL) technologie (Figuur 1 en Figuur 2); Je kunt meer zien over hoe dit systeem werkt in de korte BMF-video (Referentie 2).
Figuur 1. Configuratie van de 125-GHz frequentieverdubbelaar met (a) de lay-out van één gesplitst blok; (b) close-upfoto van de Schottky-diode MMIC (Afbeelding: Universiteit van Birmingham).
Figuur 2. Afbeelding van de gefabriceerde polymeergolfgeleiders, gemaakt door het SLA-proces (links) en een optische microscoopafbeelding van het gebied waar de MMIC zit (rechts) (Afbeelding: Universiteit van Birmingham).
De gedrukte polymeergolfgeleideronderdelen waren bedekt met koper en een dunne beschermende laag goud. Ze karakteriseerden de oppervlakteruwheid van de geprinte golfgeleideronderdelen en maten de kritische afmetingen, en de gegevens lieten een goede printkwaliteit zien, evenals een maatnauwkeurigheid die voldoet aan de strenge tolerantie-eisen voor zo'n sub-terahertz actief apparaat (Figuur 3).
Figuur 3. Afbeeldingen van de gefabriceerde frequentieverdubbelaar, met (a) de gefabriceerde MMIC geplaatst in het 3D-geprinte golfgeleider-splitblok en (b) de geassembleerde verdubbelaar (Afbeelding: Universiteit van Birmingham).
Hun verdubbelaar, waarvan zij beweren dat het de eerste is die ooit met behulp van SLA is geproduceerd, bestaat uit een 20 μm dikke GaAs Schottky-diode monolithische microgolf-geïntegreerde schakeling (MMIC), vervaardigd in de golfgeleider. Het heeft een maximaal uitgangsvermogen van 33 mW op 126 GHz met een ingangsvermogen van 100 mW, terwijl de piekconversie-efficiëntie (een belangrijk cijfer van verdienste) ongeveer 32% bedraagt met ingangsvermogens van 80 tot 110 mW.
Schottky-diode “opfrisser”
Als u niet bekend bent met het gebruik van een Schottky-diode als frequentievermenigvuldiger, gebruikt de aanpak de gebruikelijke techniek van het gebruik van een niet-lineair element – hier een diode – om harmonischen te creëren wanneer deze wordt aangedreven door een fundamentele frequentiegolfvorm (Figuur 4).
Figuur 4. (boven) Het blokschema van de frequentieverdubbelaar met behulp van een niet-lineair element; (onder) het kernschema van die frequentieverdubbelaar (Afbeelding: QSL.net).
Voor werk in het GHz-bereik kan het eenvoudige schema uiteraard slechts een indicatie zijn van wat het is werkelijk Het duurt in de praktijk om een verdubbelaar te bouwen, aangezien die eenvoudige, samengevoegde elementen in het schematische diagram een heel andere manifestatie hebben in de gigahertz-werkelijkheid dan wat wordt aangegeven door die eenvoudige symbolen in de lijntekening.
Het gebruik van precisie-SLA en de materialen die het ondersteunt opent een nieuw pad voor het creëren van unieke passieve en actieve componenten met hoge GHz voor aangepaste toepassingen met een laag volume en misschien zelfs met een hoger volume. De aanpak kan het mogelijk maken deze componenten te vervaardigen met behulp van ontwerpen en opstellingen die met conventionele technieken moeilijk, zo niet onmogelijk zouden zijn. Het kan ook een nieuwe betekenis geven aan het concept en de implementatie van een geïntegreerde gigahertz-klasse component.
Volgende stop: Terahertz-golven
Hoewel apparaten met een bereik van tientallen tot honderden gigahertz erg moeilijk te fabriceren en met elkaar te verbinden zijn, bevinden die voor terahertz (THz) golven zich in een ander moeilijkheidsgebied. Eén THz is formeel gelijk aan 1000 GHz, en algemeen wordt aangenomen dat de terahertz-band frequenties tussen 100 GHz en 10 THz omvat, wat overeenkomt met golflengten tussen 3 millimeter en 30 micrometer.
Hoewel de terahertz-frequenties elektromagnetische energie vertegenwoordigen en worden bepaald door de bekende vergelijkingen van Maxwell, presenteert deze band een unieke reeks component- en ontwerpdilemma's. Het bedenken van componenten – vooral actieve – voor deze band om versterking en andere noodzakelijke functies te schakelen, is bijna een oefening in magie in combinatie met kunst.
Waarom? Om het in relatief eenvoudige termen te zeggen: terahertzfrequenties zijn te hoog voor actieve elektronische apparaten vanwege buitensporig verlies en beperkte draaggolfsnelheid, maar ze zijn te laag voor fotonische apparaten vanwege het gebrek aan materialen die een voldoende kleine bandafstand leveren (Referentie 3).
Om deze en andere redenen zijn ‘3D-printen’ en ‘terahertz-golven’ geen termen die je in dezelfde zin zou verwachten, maar ze kunnen wel met elkaar samenwerken. Onderzoekers van de Philipps-Universität Marburg (Duitsland) en Centro de Investigaciones en Óptica, A.C. (León, Mexico) werkten samen om een 3D-geprint diffractierooster te creëren dat kan worden gebruikt om terahertz-golven te reflecteren en te sturen. Ze ‘printten’ een reflecterend diffractierooster, beginnend met een eendimensionale reeks van 17 plastic strips, elk 50 mm lang en 0.8 mm breed, bedekten dit met aluminiumfolie en verbonden ze vervolgens met V-vormige veren (Figuur 5).
Figuur 5. Het 3D-geprinte rooster is een accordeonachtig paneel met een dunne aluminiumlaag om de invallende elektromagnetische straling te reflecteren (Afbeelding: Philipps-Universität Marburg).
Het verstelbare rooster werd vervolgens in een bankschroef gemonteerd, ook 3D-geprint, en gebruikt om druk uit te oefenen om de dimensionale afstand van de strips aan te passen (Figuur 6). De array-periode was 2.3 mm wanneer deze ontspannen was, maar kon continu worden teruggebracht tot 1.1 mm door zijdelingse druk uit te oefenen via de bankschroef.
Figuur 6. Het rooster is gemonteerd in een 3D-geprinte bankschroef, die de vouwen nauwkeurig kan samendrukken om de afstand en periodiciteit van de rijen aan te passen en daarmee de spectrale kenmerken van het rooster (Afbeelding: Laser Focus World).
Tests over een bereik van 0.1 tot 1 THz toonden aan dat het apparaat bruikbaar is voor het sturen van een terahertz-straal over hoeken van 25° of groter. Om de prestaties van het rooster te meten, creëerden ze een dataset met behulp van terahertz-golfvormen met detectorarmhoeken tussen 30° en 55° in stappen van 0.5° (Figuur 7).
Figuur 7. (a) Foto van het vrijstaande rooster zoals afgedrukt; (b) Er wordt een foto van het rooster in zijn persbevestiging gegeven, een close-upbeeld van drie perioden van het rooster met een referentieschaal op de rechtermaat (1 mm per lijn); (c) Schema van de geometrie van het optische THz-pad, de ontvanger en de bijbehorende lens zijn gemonteerd op een gemotoriseerde goniometer om de detectiehoek te variëren (Afbeelding: Philipps-Universität Marburg/Centro de Investigaciones en Óptica, A.C.).
Figuur 8. (a) De spectra verkregen voor hoeken tussen 30° (lichtere kleur) en 55° (donkere kleur) in stappen van 0.5° voor de roostercompressie met een periode van 2.92 mm. De spectrale piek verschuift duidelijk als functie van de detectiehoek, zoals aangegeven door de pijl; aan de rechterkant zijn extra pieken te zien, die overeenkomen met de tweede diffractieorde; (b) en (c) tonen analoge reeksen spectra voor compressies met een periode van respectievelijk 2.52 mm en 2.11 mm; merk op dat de verzameling spectrale pieken voor de eerste-orde diffractie op hogere frequenties verschijnt naarmate de periode korter wordt; (d) De piekfrequentie van alle spectra weergegeven in panelen (a)= □, (b)= ◯ en (c)= △ worden hier uitgezet. De ononderbroken lijnen vertegenwoordigen de relatie tussen de frequentie en de hoek van de eerste-orde diffractie (Afbeelding: Philipps-Universität Marburg (Duitsland)/Centro de Investigaciones en Óptica, A.C. (Mexico)).
De compressie op het rooster werd vergroot (waardoor de periodieke afstand tussen het rooster werd verkleind) waarbij de metingen werden herhaald met drie verschillende compressies (Figuur 8); de resultaten werden verkregen door Fourier-transformatie van de golfvormen.
Het onderzoeksproject stopte niet met het testen van deze basisopstelling, omdat ze ook besloten om de mogelijkheid van “actieve” straalsturing met een andere opstelling te testen. Ze hebben een groter rooster geoptimaliseerd voor 3 GHz-werking in 120D geprint en in een houder geplaatst. Vervolgens hebben ze het ensemble gerepareerd en aan een audioluidspreker gekoppeld. Door dit te doen, konden de trillingen van de luidspreker een compressie-/decompressiebeweging op het rooster opleggen.
De luidspreker werd aangedreven door een sinusgolf van 60.5 Hz (gekozen vanwege mechanische resonantieproblemen, niet vanwege de AC-lijnfrequentie), en ze konden zien hoe de invallende THz-straal met continue golf (CW) naar voren en naar achteren werd gestuurd terwijl ze gesynchroniseerd met de beweging van de luidspreker. Volledige details over beide delen van het project staan in (Referentie 4).
Gerelateerde EE World-inhoud
Waarom 3D-verpakkingen de volgende doorbraak op het gebied van verwerking zouden kunnen zijn
Hoe worden sensoren gebruikt bij 3D-bioprinting?
3D-printen voor 5G-systemen
3D-printen en bacteriën mengen zich voor zonne-energie
Wat zijn de toepassingen van 3D- en 4D-geprinte elektronica?
Externe referenties
IEEE-transacties op Terahertz via Universiteit van Birmingham (VK), “125 GHz frequentieverdubbelaar met behulp van een golfgeleiderholte geproduceerd door stereolithografie”
Boston Micro Fabrication, “Leer hoe PµSL werkt”
Magnetron dagboek., “THz-generatie en analyse met elektronisch en fotonische technologieën”
OSA Optiek Express, "Terahertz-straalsturing met behulp van actief diffractierooster vervaardigd door 3D-printen".