Российские ученые создали уникальные микропереключатели для защищенных сетей 5G и оборонных систем
В ЮФУ разработали переключатели для радиосистем и сетей 5G, которые превосходят по характеристикам зарубежные аналоги. Результаты проекта позволят создать современную элементную базу для проектирования и развертывания мобильной сети радиосвязи, применимой в аэрокосмической, оборонной, телекоммуникационной и автоматизированной испытательной отраслях. На российском рынке подобных аналогов нет.
Радиочастотные микроэлектромеханические (МЭМС) переключатели — это компактные устройства, которые имеют низкое энергопотребление и могут быть изготовлены с использованием микроэлектромеханических систем (МЭМС), как правило различных вариаций поверхностной технологии. Они действуют по принципу традиционных выключателей света в комнате, в которых при механическом воздействии на определенные области корпуса происходит размыкание или замыкание контактов, а тем самым и электрической цепи для передачи электрического сигнала через выключатель. Однако в случае радиочастотных микроэлектромеханических переключателей его механические компоненты находятся на микрометровом уровне. Сигнал, передаваемый через них, находится преимущественно в области сверхвысоких частот (СВЧ) – от трех до 30 ГГц.
Диапазон радиочастот зависит от области применения переключателя, например, в радиотехнических устройствах и в оборудовании, используемом в аэрокосмической, оборонной, телекоммуникационной и автоматизированной испытательной отраслях.
Идея использования МЭМС-переключателей появилась еще в 2001 году, когда профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего Ванг Бинг Нгуен (Bing Binh Nguyen) представил исследования по использованию МЭМС-технологий в области радиочастот для мобильных телефонов. Нгуен указал, что использование МЭМС технологий позволит улучшить производительность, минимизировать размер и стоимость радиочастотной фильтрации, интегрировать несколько функций в одном чипе и снизить энергопотребление.
Кроме того, он сделал вывод, что данные технологии могут быть использованы для создания многочастотных переключателей, микроэлектромеханических резонаторов и расщепителей на кремниевой подложке. Эти функции смогли обеспечить повышенную производительность мобильных телефонов, а также уменьшить их размер и стоимость. С тех пор МЭМС-технологии были приняты в индустрии мобильных технологий и сегодня используются во многих устройствах, включая мобильные телефоны, смартфоны, планшеты и другие устройства.
По словам специалиста, сегодня спрос на радиочастотные МЭМС-переключатели увеличивается в связи с растущими инвестициями в инфраструктуру телекоммуникационных сетей. Одной из основополагающих причин тому является развитие и переход на стандартны мобильной радиосвязи пятого поколения (5G). Одними из фундаментальных и важных компонентов в радиотрансивере (приемопередатчике) 5G являются пассивные компоненты, выполненные с использованием МЭМС-технологий, включая радиочастотные переключатели. Их энергопотребление, радиочастотные характеристики, время переключения, максимально допустимая мощность передаваемого радиосигнала и надежность напрямую влияют на производительность радиосистем и подсистем.
В современных радиоустройствах радиочастотные МЭМС устройства должны иметь высокую изоляцию, низкие потери и перекрестные помехи, время переключения не должно превышать 1 мс, а управляющее напряжение – не более нескольких вольт. Технологии МЭМС позволяют не только придерживаться этой специфики, но и комбинировать различные функциональные возможности, что открывает интересные перспективы с точки зрения снижения аппаратной сложности.
Сотрудники Дизайн-центра микроэлектронной компонентной базы для систем искусственного интеллекта и Передовой инженерной школы ЮФУ «Инженерия киберплатформ» Алексей Ткаченко, Игорь Лысенко и Андрей Ковалев исследовали ряд проблем, возникающих при проектировании радиочастотных МЭМС переключателей и разработали экспериментальные образцы переключателей с емкостным принципом коммутации.
«В МЭМС переключателях с емкостным принципом коммутации подвижный электрод контактирует с СВЧ линией применяемого копланарного СВЧ волновода посредством тонкого диэлектрического слоя. МЭМС переключатели с подобным принципом коммутации недостаточно хорошо работают на низких частотах, однако в диапазонах ВЧ и СВЧ они превосходят резистивные МЭМС переключатели. По этой причине емкостные МЭМС переключатели более предпочтительны для многих приложений, в том числе радиосистем и сетей 5G. Основной характеристикой МЭМС переключателя с емкостным принципом коммутации является отношение емкостей в замкнутом и разомкнутом состояниях (CON/COFF), и чем выше этот параметр, тем эффективнее работает переключатель. Поэтому МЭМС разработчики стараются увеличить CON и уменьшить COFF.
Особенностью данной разработки является использование в конструкции емкостных МЭМС переключателей дополнительного металлического электрода с плавающим потенциалом и тонкого диэлектрического слоя с высокой диэлектрического проницаемостью (TiO2). Данный подход к проектированию емкостных МЭМС переключателей позволяет увеличить отношение емкостей более, чем на порядок в замкнутом и разомкнутом состояниях по сравнению с классическими подходами к проектированию конструкций емкостных МЭМС переключателей», – рассказал руководитель Дизайн-центра микроэлетроники ЮФУ Андрей Ковалев.
Разработанные экспериментальные образцы МЭМС переключателей конструкционно отличаются различными типами подвижных электродов: с продольным и поперечным расположением подвижного электрода по отношению к СВЧ линии применяемого копланарного волновода, со сквозными отверстиями различной геометрии в подвижном электроде (квадратные, круглые) и без них вовсе. Они могут быть использованы в радиочастотных системах мобильных сетей 5G, применительно к частотному диапазону 5G NR FR1 (до 6 ГГц) с центральной резонансной частотой 3,4 ГГц и 3,6 ГГц.
«Сквозные отверстия в подвижном электроде были изготовлены с целью уменьшения внутренних напряжений в данном металлическом слоя, для лучшего удаления жертвенного слоя фоторезиста, снижения коэффициента демпфирования подвижного электрода с целью повышения скорости переключению – снижения времени операций замыкание/размыкание», – объяснил Андрей Ковалев.
Разработка ЮФУ значительно отличается от стандартной технологии изготовления твердотельных радиочастотных переключателей на основе PIN-диодов и FET-транзисторов на подложках GaAs. Так, ученые используют выжигание фоторезиста в кислородной плазме, чтобы удалить жертвенный (удалеямый) слой фоторезиста из-под подвижного электрода РЧ МЭМС-переключателя. В отличие от зарубежных аналогов в новом методе изготовления РЧ МЭМС устройств присутствует лишь один этап нанесения жертвенного слоя, что исключает необходимость использования селективных травителей, комбинации жидкостного и сухого травления, а также позволяет избежать залипания подвижных элементов в переключателях, что ранее наблюдалось при других технологических процессах изготовления подобных устройств.
«Изготовленные нами однополюсные однонаправленные радиочастотные МЭМС переключатели предназначены для работы в радиосистемах и подсистемах мобильных сетей 5G на частотный диапазон 5G NR FR1. Они характеризуются высоким быстродействием (<10 мкс), низким управляющим напряжением (3-5 В) и значительно лучшими радиочастотными характеристиками по сравнению с существующими зарубежными аналогами, такими как Analog Devices Inc. и Menlo Micro Inc. Стоит отметить, что аналогов на российском рынке нет», – прокомментировал специалист.
Результаты исследования позволяют создать современную электронную компонентную базу на основе радиочастотных МЭМС технологий с целью применения в системах и подсистемах радиолокационных и связных систем в радиотехническом оборудовании аэрокосмического, оборонного, телекоммуникационного и автоматизированного испытательного назначения.
Одним из перспективных направлений применения результатов исследования является проектирование радиолокационных и связных систем, которые управляются с помощью фазированных антенных решеток с высокой диаграммой направленности (АФАР), включающих фазовращатели с электронным управлением. Они создаются на основе радиочастотных МЕМС-переключателей. Учитывая то, что АФАР радиолокационных и связных систем может содержать сотни, тысячи и даже миллионы элементов, каждый из которых содержит фазовращатель, то основные технические параметры антенной системы сильно зависят от характеристик фазовращателей.
«Радиолокационные и связные системы с АФАР сегодня – синоним развития военной техники и радиоэлектроники. При этом развитие технологий АФАР для систем противоракетной обороны имеет серьезное военное преимущество благодаря высокому коэффициенту усиления и быстрым сканирующим лучом. Благодаря сочетанию мощных передатчиков и огромных радиолокационных решеток с электрическим сканированием, РЛС такого типа обладают чрезвычайно высокой мощностью передачи и различными возможностями сканирования пространства», – отметил специалист.
Результаты научного проекта, проведенного в рамках госзадания по теме «Разработка и исследование методов и средств мониторинга, диагностики и прогнозирования состояния инженерных объектов на основе искусственного интеллекта», опубликованы в журнале Micromachines.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые обнаружили, что дубы выработали эффективную стратегию, позволяющую им защищаться от пожирающих молодую листву гусениц — если предыдущий весной деревья сильно пострадали от их нашествия, то на следующий год почки распустятся на три дня позже. Трехдневной задержки достаточно, чтобы резко снизить выживаемость гусениц.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Шведские биологи отследили миграцию обыкновенного соловья с помощью миниатюрных датчиков-рюкзаков. Как оказалось, при пересечении Сахары и Аравийской пустыни птицы летят только по ночам и не ищут пищу. Соловьи преодолевают пустыню без дозаправки, полагаясь лишь на накопленный заранее жир.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно