Общеизвестно, что рабочие частоты беспроводных и даже проводных схем быстро перемещаются вверх по спектру, а соответствующие размеры сокращаются. Реальность такова, что, хотя еще совсем недавно работа на частоте всего лишь гигагерца (ГГц) или двух считалась достижением испытательного стенда, но не возможностью массового производства, теперь у нас есть потребительские продукты для массового рынка, предназначенные для широкого круга потребителей. Диапазон ГГц и быстрое развитие с появлением 5G. Физические последствия также хорошо известны, как увеличение частоты и уменьшение длины волны, а также соответствующие размеры и допустимые допуски компонентов, дорожек платы, межсоединений… ну, почти всего.
При таких крошечных размерах изготовление и использование даже таких базовых компонентов, как разъемы, является серьезной проблемой, типичным примером которой являются коаксиальные кабели диаметром порядка миллиметра или двух. Соединители и волноводы всегда имели жесткие допуски на размеры и требовали некоторой прочности. Однако теперь проблема усугубляется, поскольку ранее «меньшие» или игнорируемые проблемы, такие как качество поверхности и гладкость, могут существенно повлиять на производительность разъемов, ламинатов печатных плат и многого другого. Поверхности изготовления и разъемы таких размеров во многом представляют собой некремниевую цельнометаллическую версию МЭМС (микроэлектромеханических систем).
В то же время мы все знаем, как стереолитография (SLA), также называемая 3D-печатью или аддитивным производством (AM), радикально изменила стратегии и фактическое производство, связанное с механическими компонентами. Этот метод, в основном выполняемый с использованием различных смол или порошкообразных металлов, позволяет проводить экспериментальное разовое производство, пилотные запуски и даже среднесерийные производства деталей, которые было бы сложно и даже невозможно создать с помощью традиционных процессов и технологий.
Исследователи и коммерческие поставщики сейчас изучают, как использовать 3D-печать для решения радиочастотных задач гигагерцового диапазона. Его используют для изготовления крошечных разъемов и других компонентов, где традиционная точная механическая обработка или травление сталкиваются с препятствиями. Это особенно актуально для небольших и средних объемов производства, где затраты на установку и оснащение относительно высоки, но объем не может оправдать дорогостоящие штампы, формы, приспособления и все остальное, что требуется для изготовления этих крошечных устройств. с необходимой точностью размеров и отделкой.
Начните с активного гигагерцового устройства, напечатанного на 3D-принтере.
Но зачем останавливаться на пассивных устройствах? Один очень интересный пример активного устройства со встроенными волноводами — важным межсоединением, которое передает радиочастотную энергию к активному компоненту и от него — принадлежит команде из Университета Бирмингема (Великобритания). Они спроектировали и изготовили удвоитель частоты на диоде Шоттки с диапазоном частот от 62.5 до 125 ГГц (да, это 125 ГГц, а не 12.5 ГГц) с разделенной блочной структурой волновода, используя высокоточный процесс печати SLA (см. Ссылка 1 за опубликованную статью).
Этот волноводный резонатор и фланцы, похожие на микросхему миллиметрового диапазона (MMIC), были напечатаны с использованием системы Boston Micro Fabrication (BMF), которая использует проекционную микростереолитографию (PμSL). technology (Рисунок 1 и Рисунок 2); подробнее о том, как работает эта система, можно посмотреть в коротком видео BMF (Ссылка 2).
Рисунок 1. Конфигурация удвоителя частоты 125 ГГц: а) схема расположения одного разделенного блока; (б) крупный план MMIC с диодом Шоттки (Изображение: Университет Бирмингема).
Рисунок 2. Изображение готовых полимерных волноводов, изготовленных с помощью процесса SLA (слева), и изображение оптического микроскопа области, где находится MMIC (справа) (Изображение: Университет Бирмингема).
Части печатного полимерного волновода были покрыты медью и тонким защитным слоем золота. Они охарактеризовали шероховатость поверхности напечатанных частей волновода и измерили критические размеры, и данные показали хорошее качество печати, а также точность размеров, которая соответствует жестким требованиям допусков для такого субтерагерцового активного устройства (Рисунок 3).
Рисунок 3. Фотографии изготовленного удвоителя частоты: (а) изготовленная MMIC, помещенная в разделенный блок волновода, напечатанный на 3D-принтере, и (b) собранный удвоитель (Изображение: Университет Бирмингема).
Их удвоитель, который, как они утверждают, является первым когда-либо произведенным с использованием SLA, состоит из монолитной микроволновой интегральной схемы (ММИЦ) с GaAs-диодом Шоттки толщиной 20 мкм, изготовленной в волноводе. Он имеет максимальную выходную мощность 33 мВт на частоте 126 ГГц при входной мощности 100 мВт, а пиковый КПД преобразования (важный показатель качества) составляет около 32% при входной мощности от 80 до 110 мВт.
Диод Шоттки «переподготовка»
Если вы не знакомы с использованием диода Шоттки в качестве умножителя частоты, в этом подходе используется распространенный метод использования нелинейного элемента — в данном случае диода — для создания гармоник при воздействии сигнала основной частоты (Рисунок 4).
Рис. 4. (вверху) Структурная схема удвоителя частоты с использованием нелинейного элемента; (внизу) основная схема этого удвоителя частоты (Изображение: QSL.net).
Конечно, для работы в ГГц-диапазоне простая схема может лишь намекнуть на то, что это такое. на самом деле На практике требуется построить удвоитель, поскольку эти простые сосредоточенные элементы на принципиальной диаграмме имеют совершенно иное проявление в гигагерцовой реальности, чем то, что обозначено этими простыми символами на линейном рисунке.
Использование прецизионного соглашения об уровне обслуживания и материалов, которые оно поддерживает, открывает новый путь для создания уникальных пассивных и активных компонентов с высокой частотой ГГц для индивидуальных, мелкосерийных и, возможно, даже более объемных приложений. Этот подход может позволить изготавливать эти компоненты с использованием конструкций и устройств, которые было бы трудно, если не невозможно, сделать с использованием традиционных технологий. Это также может придать новый смысл концепции и реализации интегрированного компонента гигагерцового класса.
Следующая остановка: Терагерцовые волны.
В то время как устройства для диапазона от нескольких десятков до сотен гигагерц очень сложно изготовить и соединить между собой, устройства для терагерцовых (ТГц) волн находятся в другой сфере трудностей. Один ТГц формально равен 1000 ГГц, а терагерцовый диапазон обычно включает частоты от 100 ГГц до 10 ТГц, что соответствует длинам волн от 3 миллиметров до 30 микрометров.
Несмотря на то, что терагерцовые частоты представляют собой электромагнитную энергию и определяются хорошо известными уравнениями Максвелла, этот диапазон представляет собой уникальный набор дилемм, связанных с компонентами и конструкцией. Разработка компонентов — особенно активных — для этой полосы, обеспечивающих усиление и переключение других необходимых функций, почти как упражнение в волшебстве в сочетании с искусством.
Почему так? Проще говоря, терагерцовые частоты слишком высоки для активных электронных устройств из-за чрезмерных потерь и ограниченной скорости несущей, но слишком низки для фотонных устройств из-за отсутствия материалов, обеспечивающих достаточно малую запрещенную зону (Ссылка 3).
По этим и другим причинам «3D-печать» и «терагерцовые волны» — это не фразы, которые вы ожидаете увидеть в одном предложении, но их можно заставить работать вместе. Исследователи из Университета Филиппа в Марбурге (Германия) и Центра оптических исследований (Леон, Мексика) вместе работали над созданием дифракционной решетки, напечатанной на 3D-принтере, которую можно использовать для отражения и управления терагерцовыми волнами. Они «напечатали» отражательную дифракционную решетку, начав с одномерного массива из 17 пластиковых полосок длиной 50 мм и шириной 0.8 мм каждая, покрыли их алюминиевой фольгой, а затем соединили их V-образными пружинами (Рисунок 5).
Рисунок 5. Решетка, напечатанная на 3D-принтере, представляет собой панель, похожую на гармошку, с тонким алюминиевым слоем для отражения падающего электромагнитного излучения (Изображение: Philipps-Universität Marburg).
Затем регулируемую решетку устанавливали в тиски, также распечатанные на 3D-принтере, и использовали для приложения давления для регулировки пространственного расстояния между полосами (Рисунок 6). Период массива составлял 2.3 мм в расслабленном состоянии, но его можно было постепенно уменьшать до 1.1 мм, применяя боковое давление с помощью тисков.
Рисунок 6. Решетка установлена в тиски, напечатанные на 3D-принтере, которые могут точно сжимать складки, чтобы регулировать расстояние и периодичность рядов и, следовательно, спектральные характеристики решетки (Изображение: Laser Focus World).
Испытания в диапазоне от 0.1 до 1 ТГц показали полезность устройства для управления терагерцовым лучом под углами 25° и более. Чтобы измерить характеристики решетки, они создали набор данных, используя терагерцевые сигналы с углами плеча детектора от 30° до 55° с шагом 0.5° (Рисунок 7).
Рис. 7. (а) Фотография отдельно стоящей решетки в напечатанном виде; (b) Фотография решетки в прижимном креплении, представлено изображение трех периодов решетки крупным планом с эталонной шкалой в правом размере (1 мм на линию); (c) Схема геометрии ТГц оптического пути, приемник и соответствующая ему линза установлены на моторизованном гониометре для изменения угла обнаружения (Изображение: Philipps-Universität Marburg/Centro de Investigaciones en Óptica, AC).
Рис. 8. (а) Спектры, полученные для углов от 30° (более светлый цвет) до 55° (более темный цвет) с шагом 0.5° при сжатии решетки с периодом 2.92 мм. Спектральный пик явно смещается в зависимости от угла обнаружения, как указано стрелкой; справа видны дополнительные пики, соответствующие второму порядку дифракции; (б) и (в) показаны аналогичные наборы спектров для сжатий с периодом 2.52 мм и 2.11 мм соответственно; обратите внимание, что совокупность спектральных пиков дифракции первого порядка появляется на более высоких частотах по мере уменьшения периода; (d) Здесь показаны пиковые частоты всех спектров, показанных на панелях (a)= □, (b)= ◯ и (c)= △. Сплошные линии представляют соотношение между частотой и углом дифракции первого порядка (Изображение: Philipps-Universität Marburg (Германия)/Centro de Investigaciones en Óptica, AC (Мексика)).
Сжатие решетки было увеличено (уменьшение периодического шага решетки) при повторении измерений с тремя различными сжатиями (Рисунок 8); результаты были получены путем преобразования Фурье сигналов.
Исследовательский проект не остановился на тестировании этой базовой схемы, поскольку было также решено проверить возможность «активного» управления лучом с использованием другой схемы. Они напечатали на 3D-принтере большую решетку, оптимизированную для работы на частоте 120 ГГц, и поместили ее в крепление, а затем закрепили и подключили ансамбль к аудиодинамику. Таким образом, колебания динамика могли вызвать движение сжатия/разжатия решетки.
Динамик управлялся синусоидальной волной частотой 60.5 Гц (выбранной из-за проблем с механическим резонансом, а не из-за частоты сети переменного тока), и они могли видеть, как падающий ТГц-луч непрерывной волны (CW) направлялся вперед и назад, одновременно синхронизировано с движением динамика. Полная информация об обеих частях проекта находится в (Ссылка 4).
Сопутствующий контент EE World
Почему 3D-упаковка может стать следующим прорывом в области обработки данных
Как датчики используются в 3D-биопечати?
3D-печать для систем 5G
3D-печать и смесь бактерий для сбора солнечной энергии
Каковы применения 3D- и 4D-печатной электроники?
Внешние ссылки
Транзакции IEEE на Терагерце через Университет Бирмингема (Великобритания), «Удвоитель частоты 125 ГГц с использованием волноводного резонатора, полученного методом стереолитографии»
Boston Micro Fabrication, «Узнайте, как работает PµSL»
Микроволновой журнал., «Генерация и анализ ТГц с Электронный и фотонные технологии»
ОСА Оптика Экспресс, «Управление терагерцовым лучом с помощью активной дифракционной решетки, изготовленной методом 3D-печати».