3D-друк забезпечує інноваційні підходи до компонентів ГГц та ТГц.
Перейдіть на сайт
Світ технологій 5G
3D-друк забезпечує інноваційні підходи до компонентів ГГц та ТГц
Високоточна стереолітографія пропонує інноваційний спосіб створення активних та пасивних компонентів для 100-ГГц і навіть терагерцового діапазону.
Загальновідомо, що робочі частоти бездротових і навіть провідних схем швидко переміщуються вгору спектром, а відповідні розміри скорочуються. Реальність така, що, хоча ще зовсім недавно робота на частоті лише гігагерця (ГГц) або двох вважалася досягненням випробувального стенду, але не можливістю масового виробництва, тепер у нас є споживчі продукти для масового ринку, призначені для широкого кола споживачів. Діапазон ГГц та швидкий розвиток з появою 5G. Фізичні наслідки також добре відомі, як збільшення частоти та зменшення довжини хвилі, а також відповідні розміри та допустимі допуски компонентів, доріжок плати, міжз'єднань… ну, майже все.
При таких крихітних розмірах виготовлення та використання навіть таких базових компонентів, як рознімання, є серйозною проблемою, типовим прикладом якої є коаксіальні кабелі діаметром близько міліметра або двох. З'єднувачі та хвилеводи завжди мали жорсткі допуски на розміри та вимагали деякої міцності. Однак тепер проблема погіршується, оскільки раніше «менші» або ігноровані проблеми, такі як якість поверхні та гладкість, можуть суттєво вплинути на продуктивність роз'ємів, ламінатів друкованих плат та багато іншого. Поверхні виготовлення та роз'єми таких розмірів багато в чому є некремнієвою суцільнометалевою версією МЕМС (мікроелектромеханічних систем).
У той же час ми всі знаємо, як стереолітографія (SLA), також звана 3D-друком або адитивним виробництвом (AM), кардинально змінила стратегії та фактичне виробництво, пов'язане з механічними компонентами. Цей метод, що в основному здійснюється з використанням різних смол або порошкоподібних металів, дозволяє проводити експериментальне разове виробництво, пілотні запуски і навіть середньосерійне виробництво деталей, які було б складно і навіть неможливо створити за допомогою традиційних процесів та технологій.
<р>Дослідники та комерційні постачальники зараз вивчають, як використовувати 3D-друк для вирішення радіочастотних завдань гігагерцового діапазону. Його використовують для виготовлення крихітних рознімань та інших компонентів, де традиційна точна механічна обробка або травлення стикаються з перешкодами. Це особливо актуально для невеликих та середніх обсягів виробництва, де витрати на встановлення та оснащення відносно високі, але обсяг не може виправдати дорогі штампи, форми, пристрої та все інше, що потрібно для виготовлення цих крихітних пристроїв. з необхідною точністю розмірів та обробкою.Почніть з активного 3D-друкарського пристрою ГГц
Але навіщо зупинятись на пасивних пристроях? Один дуже цікавий приклад активного пристрою із вбудованими хвилеводами — важливим міжз'єднанням, яке передає радіочастотну енергію до активного компонента і від нього належить команді з Університету Бірмінгема (Великобританія). Вони розробили та виготовили подвоювач частоти на діоді Шоттки з діапазоном частот від 62,5 до 125 ГГц (так, це 125 ГГц, а не 12,5 ГГц) з розділеною блоковою структурою хвилеводу, використовуючи високоточний процес друку SLA (див. Посилання 1< /strong> за опубліковану статтю).
Цей резонатор і фланці хвилеводу, подібні до мікросхеми міліметрового діапазону (MMIC), були надруковані з використанням системи Boston Micro Fabrication (BMF), яка використовує проекційну мікростереолітографію (PμSL ). ) технологія (Малюнок 1 та Малюнок 2); ви можете дізнатися більше про те, як працює ця система, у короткому відеоролику BMF (Посилання 2).
Мал. 1. Конфігурація подвоювача частоти 125 ГГц, показано (а) схема розташування одного спліт-блок; (б) крупний план MMIC з діодом Шоттки (Зображення: Університет Бірмінгема). caption-attachment-19408″ class=”size-full wp-image-19408″ width= “505” height=”272″ alt=”” />
Мал. 2. Зображення готових полімерних хвилеводів, виготовлених SLA процес (ліворуч) та зображення оптичного мікроскопа області, де знаходиться MMIC (праворуч) (Зображення: Університет Бірмінгема).
Частини друкарського полімерного хвилеводу були вкриті міддю та тонким захисним шаром золота. Вони охарактеризували шорсткість поверхні надрукованих частин хвилеводу та виміряли критичні розміри, і дані показали гарну якість друку, а також точність розмірів, яка відповідає жорстким вимогам допусків для такого субтерагерцового активного пристрою (Малюнок 3< /strong>).
Їхній подвоювач, який, як вони стверджують, є першим коли-небудь виробленим з використанням SLA, складається з монолітної мікрохвильової інтегральної схеми (ММІЦ) з GaAs-діодом Шоттки товщиною 20 мкм, виготовленої у хвилеводі. Він має максимальну вихідну потужність 33 мВт на частоті 126 ГГц при вхідній потужності 100 мВт, а піковий ККД перетворення (важливий показник якості) становить близько 32% при вхідній потужності від 80 до 110 мВт. Діод Шоттки “перепідготовка”
Якщо ви не знайомі з використанням діода Шоттки як помножувач частоти, в цьому підході використовується поширений метод використання нелінійного елемента — в даному випадку діода — для створення гармонік під дією сигналу основної частоти (Малюнок 4).
Мал. 4. (вгорі) Блок-схема подвоювача частоти з використанням нелінійного елемента; (внизу) основна схема цього подвоювача частоти (Зображення: QSL.net).
Звичайно, для роботи в ГГц-діапазоні проста схема може лише натякати на те, що насправді потрібно для побудови подвійника на практиці, оскільки ці прості елементи із зосередженими параметрами на принциповій схемі мають зовсім інший прояв у гігагерцовій реальності, ніж те, що зазначено. простими символами на малюнку.
Використання прецизійної угоди про рівень обслуговування та матеріалів, які вона підтримує, відкриває новий шлях для створення унікальних пасивних та активних компонентів з високою частотою ГГц для індивідуальних, дрібносерійних та, можливо, навіть більших об'ємних додатків. Цей підхід може дозволити виготовляти ці компоненти з використанням конструкцій та пристроїв, які було б важко, якщо не неможливо зробити з використанням традиційних технологій. Це також може надати нового сенсу концепції та реалізації інтегрованого компонента гігагерцового класу. дуже складно виготовити та з'єднати між собою, пристрої для терагерцових (ТГц) хвиль знаходяться в іншій сфері труднощів. Один ТГц формально дорівнює 1000 ГГц, а терагерцового діапазону зазвичай включає частоти від 100 ГГц до 10 ТГц, що відповідає довжинам хвиль від 3 міліметрів до 30 мікрометрів.
Незважаючи на те, що терагерцеві частоти є електромагнітною енергією і визначаються добре відомими рівняннями Максвелла, цей діапазон являє собою унікальний набір дилем, пов'язаних з компонентами і конструкцією. Розробка компонентів — особливо активних — для цієї смуги, що забезпечують посилення та перемикання інших необхідних функцій, майже схожа на вправу в чаклунстві у поєднанні з мистецтвом.
Чому так? Простіше кажучи, терагерцовые частоти занадто високі для активних електронних пристроїв через надмірні втрати та обмежену швидкість несучої, але занадто низькі для фотонних пристроїв через відсутність матеріалів, що забезпечують досить малу заборонену зону (Посилання 3).
З цих та інших причин «3D-друк» та «терагерцеві хвилі» — це не фрази, які ви очікуєте побачити в одному реченні, але їх можна змусити працювати разом. Дослідники з Університету Філіпа в Марбурзі (Німеччина) та Центру оптичних досліджень (Леон, Мексика) разом працювали над створенням дифракційних ґрат, надрукованих на 3D-принтері, які можна використовувати для відображення та управління терагерцевими хвилями. Вони «надрукували» відбивну дифракційну решітку, почавши з одномірного масиву з 17 пластикових смужок довжиною 50 мм і шириною 0,8 мм кожна, покривши їх алюмінієвою фольгою, а потім з'єднавши їх V-подібними пружинами (Малюнок 5). ).
Мал. 5. Грати, надруковані на 3D-принтері, є гармошкою. панель з тонким шаром алюмінію для відображення падаючого електромагнітного випромінювання (Зображення: Philipps-Universität Marburg).
Потім регульовані грати встановили в лещата, також надруковані на 3D-принтері, і використовували тиск для регулювання просторової відстані між смугами (Малюнок 6). Період масиву становив 2,3 мм у розслабленому стані, але його можна було поступово зменшувати до 1,1 мм, застосовуючи бічний тиск за допомогою лещат.
Мал. 6. Ґрати закріплені в лещатах, надрукованих на 3D-принтері, які дозволяють точно стискати складки, щоб регулювати відстань та періодичність рядів. і, отже, спектральні характеристики грат (Зображення: Laser Focus World).
Випробування в діапазоні від 0,1 до 1 ТГц показали корисність пристрою для керування терагерцового променем під кутами 25° і більше. Щоб виміряти характеристики решітки, вони створили набір даних, використовуючи терагерцеві сигнали з кутами плеча детектора від 30° до 55° з кроком 0,5° (Малюнок 7).
Мал. 7. (а) Фотографія решітки, що окремо стоїть, у надрукованому вигляді; (b) Фотографія грат у притискному кріпленні, представлене зображення трьох періодів решітки крупним планом з еталонною шкалою у правому розмірі (1 мм на лінію); (c) Схема геометрії ТГц оптичного шляху, приймач та відповідна йому лінза встановлені на моторизованому гоніометрі для зміни кута виявлення (Зображення: Philipps-Universität Marburg/Centro de Investigaciones en Óptica, AC).
Мал. 8. (а) Спектри, отримані для кутів від 30° (світліший колір) до 55° (темніший колір) з кроком 0,5° при стисненні решітки з періодом 2,92 мм. Спектральний пік явно зміщується залежно від кута виявлення, як зазначено стрілкою; праворуч видно додаткові піки, що відповідають другому порядку дифракції; (б) і (в) показані аналогічні набори спектрів для стисків з періодом 2,52? мм і 2,11? мм відповідно; Зверніть увагу, що сукупність спектральних піків дифракції першого порядку з'являється на більш високих частотах у міру зменшення періоду; (d) Тут показані пікові частоти всіх спектрів, показаних на панелях (a) = □, (b) = ◯ та (c) = Δ. Суцільні лінії становлять співвідношення між частотою та кутом дифракції першого порядку (Зображення: Philipps-Universität Marburg (Німеччина)/Centro de Investigaciones en Óptica, AC (Мексика)).
Стиснення на решітці збільшували (зменшуючи періодичну відстань решітки) при повторенні вимірювань при трьох різних стисненнях (Малюнок 8); результати були отримані шляхом перетворення сигналів Фур'є.
Дослідницький проект не зупинився на тестуванні цієї базової схеми, оскільки було вирішено перевірити можливість «активного» управління променем з використанням іншої схеми. Вони надрукували на 3D-принтері велику решітку, оптимізовану для роботи на частоті 120 ГГц, і помістили її у кріплення, а потім закріпили та підключили ансамбль до аудіодинаміки. Таким чином, коливання динаміка могли спричинити рух стиснення/розтискання решітки.
Динамік керувався синусоїдальною хвилею частотою 60,5 Гц (вибраною через проблеми з механічним резонансом, а не через частоту мережі змінного струму), і вони могли бачити, як падаючий ТГц-промінь безперервної хвилі (CW) прямував вперед і назад, одночасно синхронізовано із рухом динаміка. Повну інформацію про обидві частини проекту можна знайти в (Посилання 4).
Супутній контент EE World
Чому 3D-упаковка може бути наступною прорив у галузі обробки даних
Як датчики використовуються в 3D-біодруку?
3D-друк для систем 5G
3D-друк та суміш бактерій для збору сонячної енергії
Які застосування 3D- та 4D-друкованої електроніки?
Зовнішні посилання
< /strong> Транзакції IEEE на терагерці, Бірмінгемський університет (Великобританія), «Подвоювач частоти 125 ГГц з використанням хвилеводного резонатора, отриманого методом стереолітографії»
Boston Micro Fabrication, «Дізнайтеся, як працює Pµ
Microwave Journal., «Генерація та аналіз ТГц за допомогою електронних і фотонних технологій».
OSA Optics Express, «Управління терагерцовим променем з використанням активних дифракційних грат, виготовлених за допомогою 3D -друку».
