תפקיד ההתאמות של מערכות היי-פלנסיות מודרניות

מעגלים גבוהים של קידוד מתחת לרסן מגוון עצום של טכנולוגיות, מ 5G ו-Wi-Fi 6E רשתות אל מכ"ם הרכב והתקשורת הלווין.בלב המערכות הללו אין התאמה, משמעת של התאמה של חוסר העכבות של מקור עם זה של העומס שלה כדי למקסם את העברת החשמל ולצמצם את ההשתקפות של אותות.

חומרים קונבנציונליים, בעודם מתאימים יישומים מורשת רבים, יותר ויותר ליפול קצר על גלי מילימטר ותדירות תת-טרחרץ שלהם.הפסדים טונות טהורים, ומגבלות ייצור מוגבל הביצועים של רשתות התאמה קריטיות. במהלך העשור האחרון, חומרים מדעיים סיפקו חבילה של חומרים חדשים - מאצ'יטיס, גרפן, מסובבים ממובנים, ו ⁇ אולטרה סגולות אולטרה סגולות - אשר כדי להתגבר על מחסומים אלה, עיצוב, אפקטים מתקדמים על גבי מחסומים.

מדוע התאמות בתדירות גבוהה

(הופנה מהדף שיבוש הוא יסוד לתמסורת אותות יעילה.בכל רשת של שני תחומים, העברת כוח מקסימלית מתרחשת כאשר המקור הוא הסגידה המורכבת של דחיית העומס.כאשר האימפולסים הללו שונים, חלק מהסימן של האירוע משקף בחזרה אל המקור, יצירת גלים עומדים וצמצום הכוח הנמסר.

בתדרים מעל 1 GHz, אורך הגל מתכווץ לסנטימטרים או מ"מ, מה שהופך את התגובה parasitic ו קו שידור וריאציות בולט יותר. כמה מיקרונים של שגיאה גירוד או חלק של pF של קיבולת לוטטוס יכול לזרוק רשת שלמה תואם (כמו סוללות) גבוה יותר, אובדן כוח עקב ספיגת דיאלקטריות ומוליכים פני השטח גדל עם תדירות מסורתית, מהנדסים עם חומרים עם סובלנות נמוכה, כמו טמפרטורות גבוהות יותר דחוסות (אופטימיות) כמו טמפרטורות גבוהות יותר קרמיקה) ו קרמיקה (אונדפס) כמו טמפרטורות גבוהות יותר קרמיקה) ו קרמיקה (אונדפסדגן) כמו טמפרטורות גבוהות יותר קרמיקה) כמו קרמיקה (אונדנטנסיכות גבוהה יותר קרמיקה) יותר.

חומרים מסורתיים וקונסטרינטים שלהם

כדי להעריך את ההשפעה של חומרים חדשים, יש צורך להבין את המגבלות של אפשרויות מבוססות.חומרים נפוצים המשמשים רכיבים התאמות עכבות כוללים:

  • (FLT:0Ceramics (למשל, אלומיניום, beryllia): irFLT:1 להציע מוליכות תרמית גבוהה קבוע dielectric קבוע (9-10 עבור אלומיניום), אבל הם רזים, יקר למכונה, ולהציג אובדן טנגנטינים סביב 0.0002-0.001 ב 10 GHz.
  • (ב) PTFE, רוג'רס לונדונים: ⁇ FLT:1 לספק צמיגים של אובדן נמוך (0.001-0.002) ותכונות חשמל יציבות, אבל הם סובלים מהתנהגות מכנית, מוגבלת תרמית, אתגרים בפלישה.
  • (בקיצור:0) מטלטל (עפר, זהב, כסף): אנדרל ( 1:1 מוליכים מצוינים), אבל בתדרים גבוהים אפקט העור דוחף את הזרם אל פני השטח, הגדלת ההפסדים המנוגדים.
  • (FLT:0)Ferrites and מגנטי חומרים:FreaLT:1 בשימוש במשנה פס רחב ונוכלים, אבל הם התיישבו ברמות כוח גבוהות ולהציג אובדן מגנטי גבוה מעל כמה מאות מגה-הרץ.

מגבלות אלה מתבטאות כפס רוחב פס צר, אובדן שילוב משמעותי, וקשה לדרג לתדרים גבוהים יותר או רמות כוח גבוהות יותר.הדחף לעבר 5G/6G, מכ"ם רכב ב 77 GHz, ומערכות פס אולטרה-רחבה להאיץ מחקר לתוך חלופות.

חומרים חדשניים עבור Impedance Matching

פריצות דרך האחרונות הניבו מספר סוגים של חומרים שמטפלים בחסרונות של אפשרויות מסורתיות.כל אחד מציע יתרונות אלקטרומגנטיים או מבניים ייחודיים המותאמים להתאמה גבוהה של קידוד.

מטא-חומרים: תגובה אלקטרומגנטית

מטאחומרים הם תרכובות מלאכותיות שנועדו להציג תכונות אלקטרומגנטיות לא נמצאו בטבע. על ידי סידור תאים יחידת תת-גלכיים - ממריצים מפוצלים, רצועות מתכת או מבנים משלימים - מהנדסים יכולים להשיג הרשאות שליליות (שלילי), חדירות שלילית (μ שלילי), או שניהם פותחים את הדלת למכשירים עם תכונות גלאגציה יוצאי דופן.

עבור התאמת חומרים, metamaterials מאפשר קומפקטי, רחב פס אימפולסיביים , טרנספורמצינים גלי רבע מסורתי דורשים אורך פיזי פרופורציה באורך גל רבע, אשר יכול להיות לא מעשי בתדרים מיקרוגל נמוך יותר. metaחומר מבוסס, כגון אלה באמצעות רכיבי ימין / שמאליים מורכבים (CRH) קווי שידור, יכול להשיג שינויים על פני הרבה יותר קטן.

דוגמה בולטת אחת היא השימוש של עדשות מטבוליות בהשראת מטא-חומרי כדי להתנגש או להתמקד גלים אלקטרומגנטיים במערכות להאכיל אנטנה, ביעילות להתאים את האימפולס של המקור לחלל חופשי. עדשות כאלה כבר הבינו עם 3D- מודפס דיאלקטרי ציפויים ומבנים מתכתיים.למרות אתגרים במרקם ומגבלות רוחב פס בפעולת התא, המטריאליסטים נשארים אחד האזורים הפעילים ביותר בתאים.

קישור חיצוני:0 (FLT:0) Nature Communications - מהפך חומרי ליישומים פס רחב

גרפן ושני חומרים דימונים

Graphene, שכבת פחמן אטומית יחידה מסודרים בלחיצות hexagonal, יש תכונות חשמליות תרמיות יוצאי דופן.נשאות נושאת שלה עולה על 200,000 ס"מ / Vs בטמפרטורת החדר, ואת מוליכות שלה ניתן לכוונו באמצעות שדה חשמלי (אלקטרונית gating) או doping כימי. עבור יישומים גבוהים, גרפן מציעה שני יתרונות קריטיים: עמידות נמוכה מאוד (ירידה - 100 / ⁇ ) ויכולת בזמן אמת) ו-מפולטבדרומה.

התאמת רכיבים המבוססים על גרפן, כגון אינתמטורים טוטליים, משמרות שלב, ומכוונן אימפולסיבית, השתמש במתח השער כדי לשנות את התנגדות גיליון או קיבול של שכבות גרפן. לדוגמה, אדרקטור מבוסס גרפן יכול לספק יחס קיבול של 2:1 או יותר עם גורם איכות העולה על 50 אינץ ' כאשר משולב לתוך רשת דינמית, כגון קידוד יכול לשפר את היעילות דינמית.

Graphene גם מראה הבטחה קווי שידור.הקטנת oxide (rGO) סרטים ניתן לעצב לתוך קווי מיקרו סטריפ עם הפסדים דומים נחושת בתדרים עד 30 GHz, תוך מתן גמישות מכנית.זה מאפשר תנופה תואמים מתאים עבור אלקטרוניקה גמישה ומכשירים לבישים.עם זאת, התנגדות גיליון intrinsic של גרפן עדיין גבוה יותר מאשר זה של מתכות מרובות, כך חוקרים כל כך לחקור גרף-גרפיים והפסדים יותר גרף.

מעבר לגרף, חומרים דו-ממדיים אחרים כמו disulfide molybdenum (MoS2) ו זרחן שחור נחקרים עבור תכונות dielectric הטונה שלהם. MoS2 מציג יחס גבוה על /off מתאים מתגי RF, אשר ניתן להשתמש ברשתות התאמה מחדש.

קישור חיצוני:0 חומרים מתקדמים - Graphene מבוסס טואלט

חומרים מקודמים וננוקומביטים

חומרי הניווט בגודל תת-מיקרומטר יכולים לשנות באופן דרמטי את התגובה האלקטרומגנטית שלהם.על ידי יצירת תכונות דומות או קטנות יותר מאשר עומק העור (אשר ב 10 GHz הוא בערך 0.66 מיקרומטר עבור נחושת), אובדן מנצח יכול להיות מופחת באמצעות "אפקט עורנומי" ועל ידי צמצום מגרעות פני השטח.ננו בנוי מתכות, כגון ננו נחושת או ננו-מדומים, הראו עמידות RF נמוכה יותר מאשר פיזור פני השטח שלהם.

(ב) ב dielectrics, הטמעת חלקיקים (למשל, צינורות פחמן, barium titanate, או silica) לתוך מטבול פולימר מייצרת nanocomposites עם היתרים מותאמים והפסד. עבור התאמה בלתי מאולתר, המטרה היא להשיג גישה יציבה, נמוכה של ε (FalLT:0rLT1 בין 2 ל -10) עם ירידה של 2 טרה-Fide (R) עם מחסנית) עם מחסנים סטנדרטית 2.

ferrites nanostructured להראות גם הבטחה.על ידי שליטה בגודל דגנים מתחת 100 nm, הפסדים מגנטיים ב Ni-Zn ferrites ניתן להוריד על ידי סדר גודל 1-10 GHz, המאפשר עיצוב של אימפולס קומפקטי תואם baluns ו מפיץ עבור פעולה גבוהה ⁇ .

קישור חיצוני:0 (CDCS Applied Materials & Interfaces - Nanocomposite dielectrics for high- ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אולטרה-Low-Los Dielectrics ו- Ceramics מתקדם

עבור יישומים רבים התאמת אימפולסים, הדיאלקטרי האידיאלי יש אישור מתון, טמפרטורה-stable עם אובדן מינימלי בתדר של עניין. ההתקדמות האחרונה קרמיקה יצרו חומרים כמו Ba(Zr, Zn,Ta)O3 (BZZT) מערכת, אשר משיגה גורמים איכותיים (Q × f) מעל 200 GHz, עם קבועים סביב 30 אלקטרו-חשמליות כאלה מאפשר שלבים מיניאטורה כמו ממריצים מתואמים.

גבישים נוזליים (LCP) הופיעו כאלקטרואלקטריים גמישים, נמוכים למגוון מעגלים של רב שכבתיים. LCP מציג אובדן של כ 0.002 על פני 1-110 GHz, עם היתריות של 3.1.הטבע הכמעט-הרמטי שלה הופך אותו מתאים לסביבות קשות, והוא יכול להיות מחוסן עם סולמות נחושת כדי ליצור קווי שידור ביצועים גבוהים, בנוסף לקליטת חום יותר, 000.

כיוון מבטיח נוסף הוא השימוש בסיליקון בעל אחריות גבוהה (HR-Si) כמצע למכשירים פסיביים משולבים. HR-Si עם התנגדות מעל 10 k ⁇ ס"מ מפחית הפסדים תת-התעלולים לרמות מקובלות עד 100 GHz, המאפשרים על שבב-ידי עכבות התאמה רכיבים עבור SiGe ו- CMOSlithic מעגלים משולבים (MMs).

יישומים של חומרים חדשים ב Impedance Match Components

חומרים חדשניים אלה משולבים במגוון של רכיבים מתאימים להתאמה, כל אחד מהם מקשה על יתרונות ספציפיים לביצועים משופרים.

מערכות אנטנה ומזינים

אנטנה מתאמת - הן בין קו ההזנת לבין אלמנט האנטנה ובין החלל החופשי - היא קריטית ליעילות הקרינה.רשתות התאמה מבוססות חומר-חומריות שימשו להרחבת רוחב הפס של אנטנה טלאי מכמה עד 50%, תוך שמירה על משטחים נמוכים של VSWR. Graphene-based טואלט מאפשר אנטנות להסתגל לשינויים בתנאים סביבתיים או לתדירות, שימושית במיוחד בתוכנות רדיו מוגדרות.

חלקיקים ממונונים באנטנה substrates להפחית את אובדן הגל פני השטח, שיפור הרווח ויעילות.לדוגמה, אנטנה משולבת substrate גל משולב גל משולב (SIW) באמצעות ננוקום עם ננו-חלקיקים ברומביים ננו-חלקיקים השיגו ירידה של 35% בגודל תוך שמירה על רוחב פס סביר ותבנית קרינה.

Power Amplifier Networks

במגברי כוח, שיבוש בין הפלט הטרנסיסטאור לבין העומס (בדרך כלל 50 ⁇ ) חייב להתאים תנודות מתח גדולות רוחב פס רחב. Graphene varactors המשולבים לתוך רשת התאמת התפוקה יכול באופן דינמי להתאים את העומס כדי לשמור על יעילות שיא על פני רמות כוח שונות.מחקר הראה שיפור 10% ביעילות מבוססת כוח (E) כאשר משתמשים גרף מבוסס 5 GHz רשתות ג'מתאים.

קרמיקה נמוכה כמו BZZT משמשת בפלט תואם רשתות עבור Q הגבוה שלהם, להבטיח אובדן הכנס מינימלי ומאפשר יעילות גבוהה במגברי כוח התחנה הבסיסית. nanostructured מתכות להפחית הפסד הומימי בקווי המיקרוסטריפ המקשרים את הטרנזיסטור לטעון.

פילטרים ו Baluns

מסננים ומרפסות מסתמכים על חלקים מתואמים של מוטציות כדי להשיג את תגובת התדר הרצויה.מטנונים מעוררי השראה יכול להשיג דחייה עמוקה ושינויים חדים. Composite ימין / שמאלי מבנים מאפשרים התאמה כפולה ללא רכיבים נוספים.

קווי שידור מבוססי Graphene שימשו בעיצובים של balun עבור מכשירים לבישים, שבו גמישות ומשקל נמוך הם סדרי עדיפויות. nanocomposite substrates לאפשר את המינירטוט של מרפסות עבור טכנולוגיה על פני השטח.

אתגרים עתידיים ואתגרי ייצור

בעוד שהפגנות מעבדה מבטיחות, כמה מהמכשולים נשארים לפני חומרים אלה רואים אימוץ נרחב.ייצור סקאלה הוא ההדק הדוחק ביותר - חומרנים דורשים ייצור תאים אחידים מדויקים, חוזרים על פני אזורים גדולים, אשר קשה עם photolithography סטנדרטי. Graphene סינתזזה על ידי הדבקה כימית (CVD) משתפרת באיכות ובמדים, אבל העברת סרטים גרפיניים ללא פגמים עדיין דורש פיזור אחיד.

חומרים היברידיים, שילוב, למשל, תאי יחידה מטבולית על תת-שכבות מאוישים גרפין, עשויים להציע את הטוב ביותר של עולמות מרובים.מכונה למידה-מרוצה עיצוב מאיץ את אופטימיזציה של רשתות שיבושים באמצעות חומרים אלה, המאפשר למהנדסים לחקור במהירות מיליוני גיאומטים פוטנציאליים וקומפוזיציה חומרית.

אימוץ התעשייה יהיה גם תלוי בעלויות. קרמיקה מתקדמת ו- LCP יקרים יותר מ- סטנדרטיים 4 או PTFE, אבל הביצועים הגבוהים שלהם יכולים להצדיק את ההוצאות באפליקציות בעלות ערך גבוה כמו אוויר, הגנה ואלקטרוניקה צרכנית פרימיום.

לבסוף, בדיקות אמינות תחת רכיבה על אופניים תרמיים, לחות, ולחצים של כוח RF יש צורך להבטיח כי חומרים אלה לעמוד בסטנדרטים המחמירים של מערכות מסחריות וצבאיות.תוצאות מוקדמות עבור גרפן וננוקום הם מעודדים, אבל נתונים לטווח ארוך עדיין נאספים.

מסקנה

הביקוש לתדרים גבוהים יותר, רוחב פס רחב יותר, והפסדים נמוכים יותר באלקטרוניקה המודרנית הוא מניע מהפכה חומרים ברכיבים מתאימים.מטחומרים, גרפן, ננו-מדורים, וקרמיקה אולטרה-נמוכה כל אחד מציע מסלולים ייחודיים כדי להתגבר על המגבלות של חומרים מסורתיים.מאנטנה רחבה מתאימה למני חשמל דינמיים, חידושים אלה מאפשרים ביצועים שלא ניתן היה לייצר בעבר תהליכים מתקדמים, אלא ממטרים חדשים של חומרים מנטליים, אלא ממטרדבנים מתקדמים יותר, אך אינם מתאימים יותר, אלא מנטליים, אלא ממערכות מתקדמות יותר, אלא ממטרה, אלא ממטרה, אשר יהפכו לתפקודים של מערכות מתקדמות יותר, אך אינם מתאימים יותר, אך אינם מתאימים יותר, אלא מנטליות, אלא מנטליות, אלא גם לתפקודים של מערכות מתקדמות יותר, אלא מנטליות, אשר יהפכו ליותר מנטליות, אשר יאפשרודות של ייצור מתקדמות של מערכות מתקדמות של מערכות מתקדמות של מערכות מתקדמות יותר, אלא מאנטנה של ייצור מתקדמות יותר, אשר יהפכו לאפקטים של חומרים מנטליות, אלא מנטליות, אלא מנטליות, אשר יאפשרואנטנה של חומרים מאנטנה של מערכות מתקדמות יותר, אשר יאפשרואנטנה, אלא מנטלי

עבור מהנדסים ומעצבים, שמירה על התפתחות זו חיונית.הבחירה של החומר עכשיו משפיעה ישירות לא רק על ביצועי חשמל אלא גם גמישות מכנית, ניהול תרמי ותפוקה הייצור. על ידי בחירת החומר החדשני הנכון, ניתן לעצב מכשולים מתאימים רכיבים קטנים, יעילים יותר, יותר, יותר, הסתגלות יותר מאשר אי פעם.