3D打印挑战毫米波器件的制造约束

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无线甚至有线电路的工作频率正在迅速升高,这并不是什么新闻。现实情况是,就在不久前,在1-2GHz频率上工作还被认为是一项测试台上的成就,但现在已经有了面向30-300GHz(毫米波)的大众市场消费产品,并且随着5G的推广,工作频率还正快速地往更高发展。其物理含义是众所周知的;随着频率的增加和波长的缩短,元器件、电路板线宽以及所有相关尺寸和允许公差也随之减小。

对于这些微小的尺寸,即便是连接器等基本部件的制造和使用也是一项重大挑战。例如,同轴电缆的直径约为1-2毫米。连接器和波导管也总是有严格的尺寸公差,并且需要一定的坚固性。然而,之前较低频率上的一些“小”问题(如表面光洁度和平滑度),如今却会显著影响连接器、电路板层压板以及更多方面的电性能。加工这么小尺寸的表面和连接器,从另一个层面来说,本身就是非硅全金属的MEMS制造。

研究人员和制造商目前正在研究,如何利用另一种如今已成为主流的、更精密前沿技术来解决这个问题。该技术就是立体光刻,简称SLA,也称为3D打印或附加制造(AM),目前正在用于依赖传统精密加工或蚀刻会遇到障碍的微小连接器和其他组件的制造。该技术尤其适用于启动和设备准备工作量大、以及成本相对较高的小批量到中批量的情况。然而即使批量也无法证明昂贵的电路腔体结构、模具、夹具,以及制造这些微小器件所需的任何其他设备都具有所需的精度和光洁度。

但为什么要停止使用无源器件呢?一个非常有趣的实例是一款由英国伯明翰大学的一个团队设计的、具有集成波导的有源器件,器件中组件之间的互连是最主要的挑战。该团队设计并制造了一款频率为62.5GHz到125GHz的肖特基二极管倍频器。是的,是125GHz,而不是12.5GHz。利用的是高精度SLA打印工艺,组件中采用的是分离波导结构。参见他们发表的论文:《使用立体光刻技术制作的125GHz波导腔倍频器》。

波导腔及其波导法兰是使用BMF Boston Micro Fabring公司的系统印刷而成的。该系统使用投影微立体光刻(PμSL)技术,如图1和图2所示。

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图1:125GHz倍频器的构造显示了(a)一个分割块的布局和(b)肖特基二极管MMIC的特写图片。资料来源:伯明翰大学

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图2:使用SLA工艺制作的预制聚合物波导的照片(左)和MMIC所在区域的光学显微镜图像(右)。资料来源:伯明翰大学

印刷聚合物波导部件镀有铜和一层薄薄的金保护层。他们对印刷波导部件的表面粗糙度进行了表征,并测量了关键尺寸。数据显示,印刷质量良好,精度满足此类太赫兹有源器件的严格公差要求(见图3)。

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图3:制作的倍频器图片,(a)放置在3D打印波导分离块中的制作好的MMIC和(b)组装好的倍频器。资料来源:伯明翰大学

该倍频器据称是有史以来第一个使用SLA生产的倍频器,由制作在波导中厚度为20μm的GaAs肖特基二极管单片微波集成电路(MMIC)组成。其在126GHz上的最大输出功率为33mW,输入功率为100mW。作为一个重要的性能指标-峰值转换效率,在输入功率为80mW至110mW时,约为32%。

如果读者不熟悉使用肖特基二极管设计倍频器,该设计中使用的则是一种常见技术,即使用非线性元件,在这里就是一只二极管,由基频信号驱动产生谐波,如图4所示。

 

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图4:上图为使用非线性元件的倍频器方框图,而下图为该倍频器的核心电路示意图。资料来源:QSL.net。

当然,对于毫米波频段来说,简单的示意图只能表示在实际构建倍频器时真正需要的是什么,因为这些精致的、离散的、集总元件在毫米波频段电路中的表现形式,与线条型原理图中那些简单符号所示的表现形式是非常不同的。

使用精密SLA及其支持材料,为定制、小批量甚至更高批量制造真正的毫米波频段的无源和有源组件开辟了一条新途径。

近期将会看到采用精密SLA来设计和制造这些使用传统精密技术难以或根本不可能实现的组件,你是否想尝试创造一些东西,如果可行的话,这些东西会让你的射频设计变得更容易?

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