Ai cũng biết rằng tần số hoạt động của các mạch không dây và thậm chí cả mạch có dây đang nhanh chóng tăng lên trong quang phổ và các kích thước tương ứng đang bị thu hẹp lại. Thực tế là cách đây không lâu việc hoạt động ở tốc độ chỉ một hoặc hai gigahertz (GHz) được coi là thành tựu của thử nghiệm nhưng không phải là khả năng sản xuất hàng loạt, giờ đây chúng ta có các sản phẩm tiêu dùng đại chúng được thiết kế cho nhiều Phạm vi GHz và tăng nhanh với 5G. Ý nghĩa vật lý cũng được biết rõ là tần số tăng và bước sóng co lại, các kích thước liên quan và dung sai cho phép của các thành phần, rãnh bo mạch, kết nối cũng vậy… à, gần như mọi thứ.
Ở những kích thước nhỏ bé này, việc chế tạo và sử dụng ngay cả những thành phần cơ bản như đầu nối cũng là một thách thức lớn, điển hình là cáp đồng trục có đường kính cỡ một hoặc hai milimét. Đầu nối và ống dẫn sóng luôn có dung sai kích thước chặt chẽ và cần độ chắc chắn nhất định. Tuy nhiên, vấn đề hiện trở nên trầm trọng hơn vì các vấn đề “nhỏ hơn” hoặc không thể bỏ qua trước đây như độ hoàn thiện bề mặt và độ mịn có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của đầu nối, lớp mỏng của bảng mạch, v.v. Theo nhiều cách, việc chế tạo các bề mặt và đầu nối ở các kích thước này là một phiên bản hoàn toàn bằng kim loại, không chứa silicon của MEMS (hệ thống vi cơ điện tử).
Đồng thời, tất cả chúng ta đều biết kỹ thuật in li-tô lập thể (SLA), còn được gọi là in 3D hoặc sản xuất bồi đắp (AM), đã thay đổi đáng kể các chiến lược và chế tạo thực tế liên quan đến các bộ phận cơ khí như thế nào. Kỹ thuật này, chủ yếu được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều loại nhựa hoặc kim loại dạng bột, cho phép sản xuất thử nghiệm một lần, chạy thử và thậm chí sản xuất khối lượng trung bình các bộ phận khó và thậm chí không thể tạo ra bằng các quy trình và kỹ thuật truyền thống.
Các nhà nghiên cứu và nhà cung cấp thương mại hiện đang nghiên cứu cách sử dụng in 3D để giải quyết các thách thức RF ở phạm vi gigahertz. Nó đang được sử dụng để chế tạo các đầu nối nhỏ và các bộ phận khác mà việc gia công hoặc khắc axit chính xác thông thường đang gặp phải các rào cản. Điều này đặc biệt xảy ra với khối lượng từ thấp đến trung bình trong đó nỗ lực thiết lập và chế tạo dụng cụ cũng như chi phí tương đối cao, tuy nhiên khối lượng không thể biện minh cho những khuôn, khuôn, đồ đạc đắt tiền và bất kỳ thứ gì khác cần thiết để tạo ra những thiết bị nhỏ này. với độ chính xác về kích thước và độ hoàn thiện cần thiết.
Bắt đầu với thiết bị GHz in 3D đang hoạt động
Nhưng tại sao lại dừng lại với các thiết bị thụ động? Một ví dụ rất thú vị về một thiết bị hoạt động có các ống dẫn sóng tích hợp – kết nối thiết yếu chuyển năng lượng RF đến và từ một thành phần hoạt động – là của một nhóm tại Đại học Birmingham (Anh). Họ đã thiết kế và chế tạo bộ nhân tần số Schottky-diode từ 62.5 GHz đến 125 GHz (vâng, đó là 125 GHz, không phải 12.5 GHz) với cấu trúc ống dẫn sóng khối phân chia sử dụng quy trình in SLA có độ chính xác cao (xem Tài liệu tham khảo 1 cho bài báo đã xuất bản của họ).
Khoang và mặt bích của ống dẫn sóng giống IC sóng milimet (MMIC) này được in bằng hệ thống của Boston Micro Fabrication (BMF), sử dụng kỹ thuật quang khắc vi lập thể chiếu (PμSL) công nghệ (Hình 1 và Hình 2); bạn có thể xem thêm về cách hoạt động của hệ thống này trong video BMF ngắn (Tài liệu tham khảo 2).
Hình 1. Cấu hình của bộ nhân đôi tần số 125 GHz hiển thị (a) bố cục của một khối phân chia; (b) ảnh cận cảnh của MMIC Schottky-diode (Ảnh: Đại học Birmingham).
Hình 2. Hình ảnh các ống dẫn sóng polymer được chế tạo bằng quy trình SLA (trái) và hình ảnh kính hiển vi quang học của khu vực đặt MMIC (phải) (Ảnh: Đại học Birmingham).
Các bộ phận ống dẫn sóng polymer được in được mạ đồng và một lớp vàng bảo vệ mỏng. Họ đã mô tả độ nhám bề mặt của các bộ phận ống dẫn sóng được in và đo các kích thước quan trọng, đồng thời dữ liệu cho thấy chất lượng in tốt cũng như độ chính xác về kích thước đáp ứng các yêu cầu về dung sai chặt chẽ đối với thiết bị hoạt động dưới terahertz như vậy (Hình 3).
Hình 3. Hình ảnh của bộ nhân đôi tần số đã chế tạo, cho thấy (a) MMIC đã chế tạo được đặt trong khối phân chia ống dẫn sóng in 3D và (b) bộ nhân đôi đã lắp ráp (Ảnh: Đại học Birmingham).
Bộ nhân đôi của họ, mà họ tuyên bố là thiết bị đầu tiên được sản xuất bằng cách sử dụng SLA, bao gồm một mạch tích hợp vi sóng nguyên khối GaAs Schottky-diode (MMIC) dày 20 μm được chế tạo trong ống dẫn sóng. Nó có công suất đầu ra tối đa là 33 mW ở 126 GHz với công suất đầu vào là 100 mW, trong khi hiệu suất chuyển đổi cao nhất (một con số quan trọng) là khoảng 32% với công suất đầu vào từ 80 đến 110 mW.
Đi-ốt Schottky “làm mới”
Nếu bạn không quen với việc sử dụng diode Schottky làm bộ nhân tần số, thì phương pháp này sử dụng kỹ thuật phổ biến là sử dụng phần tử phi tuyến tính - ở đây là diode - để tạo ra sóng hài khi được điều khiển bởi dạng sóng tần số cơ bản (Hình 4).
Hình 4. (trên cùng) Sơ đồ khối của bộ nhân tần sử dụng phần tử phi tuyến tính; (phía dưới) sơ đồ cốt lõi của bộ nhân tần số đó (Ảnh: QSL.net).
Tất nhiên, đối với công việc ở dải tần GHz, sơ đồ đơn giản chỉ có thể gợi ý về những gì nó có thật không cần xây dựng một bộ nhân đôi trong thực tế, vì những phần tử gộp đơn giản đó trong sơ đồ có biểu hiện rất khác trong thực tế gigahertz so với những gì được biểu thị bằng các ký hiệu đơn giản đó trong bản vẽ đường.
Việc sử dụng SLA chính xác và các vật liệu mà nó hỗ trợ sẽ mở ra một con đường mới để tạo ra các thành phần chủ động và thụ động có tốc độ cao GHz độc đáo cho các ứng dụng tùy chỉnh, khối lượng thấp và thậm chí có thể có khối lượng cao hơn. Cách tiếp cận này có thể cho phép chế tạo các bộ phận này bằng cách sử dụng các thiết kế và sắp xếp mà sẽ rất khó nếu không muốn nói là không thể thực hiện được bằng các kỹ thuật thông thường. Nó cũng có thể mang lại ý nghĩa mới cho khái niệm và việc triển khai thành phần tích hợp loại gigahertz.
Điểm dừng tiếp theo: Sóng Terahertz
Trong khi các thiết bị có phạm vi từ nhiều chục đến hàng trăm gigahertz rất khó chế tạo và kết nối thì các thiết bị dành cho sóng terahertz (THz) lại gặp một khó khăn khác. Một THz chính thức bằng 1000 GHz và dải tần terahertz thường được coi là bao gồm các tần số trong khoảng từ 100 GHz đến 10 THz, tương ứng với các bước sóng trong khoảng từ 3 mm đến 30 micromet.
Mặc dù tần số terahertz đại diện cho năng lượng điện từ và bị chi phối bởi các phương trình nổi tiếng của Maxwell, dải tần này thể hiện một tập hợp các vấn đề nan giải về thành phần và thiết kế. Việc tạo ra các thành phần - đặc biệt là các thành phần hoạt động - để ban nhạc này cung cấp mức tăng âm và chuyển đổi các chức năng cần thiết khác, gần giống như một bài tập về phép thuật kết hợp với nghệ thuật.
Tại sao như vậy? Nói một cách tương đối đơn giản, tần số terahertz quá cao đối với các thiết bị điện tử đang hoạt động do tổn thất quá mức và tốc độ sóng mang hạn chế, nhưng chúng lại quá thấp đối với các thiết bị quang tử do thiếu vật liệu cung cấp dải tần đủ nhỏ (Tài liệu tham khảo 3).
Vì những lý do này và những lý do khác, “in 3D” và “sóng terahertz” không phải là những cụm từ mà bạn mong đợi sẽ thấy trong cùng một câu, nhưng chúng có thể được tạo ra để hoạt động cùng nhau. Các nhà nghiên cứu tại Philipps-Universität Marburg (Đức) và Centro de Investigaciones en Óptica, AC (León, Mexico) đã làm việc cùng nhau để tạo ra một cách tử nhiễu xạ in 3D có thể dùng để phản xạ và điều khiển sóng terahertz. Họ “in” một cách tử nhiễu xạ phản xạ bắt đầu bằng một mảng một chiều gồm 17 dải nhựa, mỗi dải dài 50 mm và rộng 0.8 mm, phủ chúng bằng lá nhôm, sau đó nối chúng bằng lò xo hình chữ V (Hình 5).
Hình 5. Cách tử in 3D là một tấm giống đàn accordion với một lớp nhôm mỏng để phản xạ bức xạ điện từ tới (Ảnh: Philipps-Universität Marburg).
Sau đó, cách tử có thể điều chỉnh được gắn vào một vise, cũng được in 3D và được sử dụng để tạo áp lực điều chỉnh khoảng cách chiều của các dải (Hình 6). Khoảng thời gian mảng là 2.3 mm khi được nới lỏng nhưng có thể giảm liên tục xuống 1.1 mm bằng cách tạo áp lực ngang thông qua tác động của vise.
Hình 6. Cách tử được gắn trong một vise in 3D, có thể nén chính xác các nếp gấp để điều chỉnh khoảng cách và tính tuần hoàn của các hàng, từ đó điều chỉnh các đặc tính quang phổ của cách tử (Hình ảnh: Laser Focus World).
Các thử nghiệm trong phạm vi từ 0.1 đến 1 THz cho thấy tính hữu ích của thiết bị trong việc điều khiển chùm tia terahertz qua các góc từ 25° trở lên. Để đo hiệu suất của cách tử, họ đã tạo ra một tập dữ liệu sử dụng dạng sóng terahertz với góc cánh tay dò từ 30° đến 55° với các bước 0.5° (Hình 7).
Hình 7. (a) Ảnh chụp tấm lưới đứng tự do như đã in; (b) Cung cấp ảnh chụp cách tử trong giá đỡ ép của nó, hình ảnh cận cảnh của ba giai đoạn của cách tử với thang đo tham chiếu ở kích thước bên phải (1 mm trên mỗi dòng); (c) Sơ đồ hình học của đường quang THz, máy thu và thấu kính tương ứng của nó được gắn trên một máy đo góc có động cơ để thay đổi góc phát hiện (Ảnh: Philipps-Universität Marburg/Centro de Investigaciones en Óptica, AC).
Hình 8. (a) Quang phổ thu được đối với các góc từ 30° (màu nhạt hơn) đến 55° (màu đậm hơn) theo các bước 0.5° đối với quá trình nén cách tử với chu kỳ 2.92 mm. Đỉnh phổ dịch chuyển rõ ràng theo hàm của góc phát hiện như được chỉ định bởi mũi tên; ở phía bên phải, có thể nhìn thấy các đỉnh bổ sung, tương ứng với bậc nhiễu xạ thứ hai; (b) và (c) hiển thị các tập phổ tương tự cho quá trình nén với chu kỳ lần lượt là 2.52 mm và 2.11 mm; lưu ý rằng tập hợp các đỉnh phổ của nhiễu xạ bậc một xuất hiện ở tần số cao hơn khi chu kỳ giảm; (d) Tần số cực đại của tất cả các phổ hiển thị trong bảng (a)= □, (b)= ◯ và (c)= △ được vẽ ở đây. Các đường liên tục biểu thị mối quan hệ giữa tần số và góc nhiễu xạ bậc nhất (Ảnh: Philipps-Universität Marburg (Đức)/Centro de Investigaciones en Óptica, AC(Mexico)).
Độ nén trên cách tử được tăng lên (giảm khoảng cách định kỳ của cách tử) với các phép đo được lặp lại với ba lần nén khác nhau (Hình 8); kết quả thu được bằng phép biến đổi Fourier của dạng sóng.
Dự án nghiên cứu không dừng lại ở việc thử nghiệm cách bố trí cơ bản này mà họ còn quyết định thử nghiệm khả năng điều khiển chùm tia “chủ động” bằng cách sử dụng một cách bố trí khác. Họ in 3D một cách tử lớn hơn được tối ưu hóa cho hoạt động 120 GHz và đặt nó vào một giá đỡ, sau đó họ cố định và ghép nối bộ đồng phục với một loa âm thanh. Bằng cách đó, các dao động từ loa có thể tạo ra chuyển động nén/giải nén lên cách tử.
Loa được điều khiển bởi sóng hình sin 60.5 Hz (được chọn do vấn đề cộng hưởng cơ học, không phải tần số dòng AC) và họ có thể nhìn thấy chùm tia THz sóng liên tục (CW) đang chiếu tới được điều khiển tiến và lùi trong khi đang được điều khiển. đồng bộ với chuyển động của loa. Thông tin chi tiết đầy đủ về cả hai phần của dự án có trong (Tài liệu tham khảo 4).
Nội dung thế giới EE liên quan
Tại sao bao bì 3D có thể là bước đột phá tiếp theo trong xử lý
Các cảm biến được sử dụng trong in sinh học 3D như thế nào?
In 3D cho hệ thống 5G
In 3D và hỗn hợp vi khuẩn để thu hoạch năng lượng mặt trời
Ứng dụng của thiết bị điện tử in 3D và 4D là gì?
Tài liệu tham khảo bên ngoài
Giao dịch IEEE trên Terahertz thông qua Đại học Birmingham (Anh), “Bộ nhân đôi tần số 125 GHz sử dụng khoang ống dẫn sóng được sản xuất bằng kỹ thuật in li-tô lập thể”
Boston Micro Fabrication, “Tìm hiểu cách thức hoạt động của PµSL”
Tạp chí lò vi sóng., “Tạo và phân tích THz với điện tử và Công nghệ Quang tử”
OSA Quang Học Nhanh, “Điều khiển chùm tia Terahertz sử dụng cách tử nhiễu xạ chủ động được chế tạo bằng in 3D”.