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.
Фотографии процесса применения емкостных конструкций при экспериментальном исследовании TiO2 тонкие пленки / ©Micromachines
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.
