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 Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Физики экспериментально подтвердили эффективность ионно-плазменного метода удаления радиоактивных загрязнений с поверхностей металлоконструкций ядерных реакторов. Новая технология позволяет очищать внутриконтурное оборудование от отложений сложного химического состава без образования опасных жидких радиоактивных отходов. Благодаря этому она даст возможность повторно использовать реакторные сплавы и снизит затраты на их переработку.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
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