Optiikka ratkaisee terahertsisignaalin haasteen ja mahdollistaa uuden radiotekniikan valmistuksen

Terahertsien taajuuksilla tehokas signaalin vieminen ulos puolijohteesta muuttuu vaikeaksi haasteeksi. Ellei ratkaisua löydy, teknologiset konseptit eivät menesty laboratorion ulkopuolella. Suorituskyky kärsii, eikä kalibroinnilla voi korjata tilannetta.

Ratkaisusta riippumatta keskeistä on taata valmistettavuus. Siitä riippuu, jäävätkö ideat demoiksi vai kehittyvätkö ne todellisiksi tuotteiksi. Valmistettavuuteen on syytä suhtautua tärkeimpänä vaatimuksena.

Haasteen ratkaiseminen mahdollistaa järjestelmien tehokkaan massatuotannon sekä pienempien, kevyempien ja suorituskykyisempien antenni- ja linkkiratkaisujen kehittämisen. Hyötyjä saadaan esimerkiksi drooniviestinnässä: pidemmän kantaman radiolinkkien avulla droonien operointi onnistuu kauempana etulinjasta ja samalla kuorma keventyy.

Radiotaajuusinsinööreille on pitkään ollut selvää, että antenni on suuri ja radion puolijohdepiiri pieni. Signaalin välittäminen niiden kesken on ollut lähinnä insinöörityön yksityiskohta. Kun taajuudet nousevat, tämä oletusarvo kuitenkin pettää.

Millimetriaaltojen ja terahertsien taajuuksilla antennit kutistuvat aallonpituuden lyhentyessä, mutta puolijohdepiiri pysyy samankokoisena. Tulos on intuition vastainen: antenni voikin olla fyysisesti pienempi kuin piiri, johon se on yhdistetty. Tällöin itse puolijohdemateriaali alkaa määrittää sähkömagneettisen energian käyttäytymistä. Radiosignaalin saaminen ulos tehokkaasti ja ennustettavasti muuttuu todelliseksi haasteeksi. Gigahertsialueella tämä ei vielä ole mainittava ongelma, mutta aallonpituuden tullessa kyllin lyhyeksi ongelmaa ei enää voi kiertää.

 

Ensisilmäyksellä tuntuisi, että kyse on antenniongelmasta. Sellaisena sitä myös aletaan käsitellä: paranna radiosignaalin säteilijää, optimoi sovitus, mukauta geometriaa.

Käytännössä käy niin, että millimetriaalloilla ja varsinkin terahertsitaajuuksilla energia vuotaa puolijohteeseen. Aallot etenevät odottamattomia reittejä pitkin, ja aiemmin vähäpätöiset häviömekanismit alkavat hallita. Ulkoisesti antenni voi vaikuttaa moitteettomalta, mutta sisäisesti merkittävä osa energiasta ei koskaan päädy ilmatilaan.

Klassiset radiotaajuussuunnittelun oletukset eivät enää päde. Yllättäen aaltojen eteneminen, heijastukset ja materiaalikerrosten ominaisuudet alkavat muistuttaa optiikkaa eli valon käyttäytymistä. Yhtäkkiä hyödyllistä onkin tarkastella säteitä, rajapintoja ja pinnoitteita.

Optiikassa tavanomaista tekniikkaa ovat heijastuksia estävät pinnoitteet. Aallonpituuden neljäsosan paksuinen, huolellisesti mitoitettu kerros voi vähentää heijastuksia ja ohjata energiaa oikeaan määränpäähän.

Samaa periaatetta voi soveltaa millimetriaaltojen ja terahertsitaajuuksien järjestelmissä.

Haaste ei rajoitu vain antennin suunnitteluun, vaan koskee myös energian välittymisen hallintaa puolijohteesta ilmaan. Siirtymä tapahtuu läpi erilaisten materiaalien, rajapintojen ja paksuuksien, jotka kaikki ovat verrannollisia itse aallonpituuteen. Puolijohdemateriaali ja passiiviset komponentit sekä kaikki niiden päällä olevat rakenteet muodostavat yhteen kytkeytyvän aaltojärjestelmän, jossa kaikki osat vaikuttavat toisiinsa.

Siksi ratkaisu löytyy mukautetuista materiaalikerroksista. Eivät lisäosina, vaan keinona hallita energian etenemistä.

Radiotaajuuksien ja näkyvän valon optiikan mittasuhteet ovat liian pieniä tavanomaisen koneistamisen kannalta. Ne ovat myös liian suuria ja hintavia soveltuakseen klassiseen mikrometritason valmistukseen. Monet laboratoriossa hyvin toimivat ratkaisut eivät ole massatuotannon kannalta taloudellisesti kannattavia.

Tämän vuoksi puolijohdeteollisuuden käyttämät erikoisteipit ovat houkutteleva vaihtoehto, joita käytetään jo rutiininomaisesti puolijohdeteollisuudessa. Esimerkiksi leikkuuteipit pitävät piikiekkoja paikoillaan, kun piikiekko sahataan siruiksi, joissa halutut mikropiirit ovat. Näiden teippien sähkömagneettisia ominaisuuksia voidaan muokata materiaalin ja paksuuden avulla, toimimaan heijastuksenestokalvona halutulle aallonpituudelle.

Mikä tärkeintä, erikoisteipit ovat massatuotannon piirissä, jossa täytyy huomioida suuret tuotantomäärät ja pinta-alat sekä toistettavuus ja kustannukset.

Näin nähtynä teippi ei ole kikkailua. Se on käytännöllinen tapa toteuttaa neljännesaallon paksuinen heijastuksenestokalvo, kun käytetyllä taajuusalueella perinteiset radiotaajuuksien rakenteet ja optisen valmistuksen menetelmät joutuvat lujille.

Toinen vaihtoehto on muokata itse puolijohdetta niin, että se asteittain muuttaa säteilykentän havaitsemaa impedanssia. Tällöin puolijohde ei toimi pelkästään piirin alustana, vaan se on osa sähkömagneettista rakennetta, joka ohjaa energian pois piiristä.

Nämä lähestymistavat eivät oikeastaan ole vaihtoehtoja, vaan ne toimivat parhaiten yhdessä ja täydentävät toisiaan. Puolijohteen muovaamisella voi hallita energian etenemistä rakenteen sisällä, kun taas materiaalit sen päällä ohjaavat energian siirtymistä vapaaseen radioilmatilaan.

Ratkaisun arvo korostuu laitteistotasolla, jossa pienetkin tehohäviöt kasaantuvat nopeasti. Virrankulutus kasvaa, lämpömarginaalit kaventuvat ja suorituskyky heikkenee. Kolmiulotteiset, aallonpituuksien mittakaavan piirirakenteet tarjoavat tehokkaan hallinnan, mutta ne ovat herkkiä prosessivaihteluille suurilla puolijohdelevyillä. Tasomaiset materiaalikerrokset siirtävät osan ongelmista puolijohdeteollisuuden prosesseista teipinvalmistukseen, jossa paksuutta, homogeenisuutta ja koostumusta voidaan hallita hyvin ja erikoisteipin käyttö on erittäin skaalautuva ja toistettavilla menetelmä.

Erikoisteippi täydentää geometristä muovaamista tarjoamalla toistettavan kiekkotason prosessiratkaisun piin ja ilman rajakohtaan.

Millimetriaaltojen ja terahertsien taajuuksilla antenneista tulee piirejä pienempiä. Tämä luo myös ilmeisen edun: piirille integroitavat antennit. Ne voivat kutistaa radiojärjestelmien kokoa, joskin niiden toteuttaminen on vaikeaa. Signaalin vieminen ulos radiopiiristä ei ole enää tekninen yksityiskohta, vaan valmistettavien ja skaalautuvien järjestelmien edellytys.

Valmistettavuus suosii ratkaisuja, jotka hyödyntävät olemassa olevia prosesseja, materiaaleja ja käsittelymenetelmiä. Standardinmukaisten erikoisteippien käyttö millimetriaalto- ja terahertsipiirien valmistuksessa on erittäin käytännöllistä. Valmistettavuus ei ole rajoite. Siitä riippuu, mitkä ideat muuttuvat todellisiksi järjestelmiksi.

Ilmarajapintaa ei enää määritä yksittäinen komponentti. Sen määrittelee, kuinka hyvin koko laitteistokokonaisuus toimii yhdessä, jotta energia vapautuu puolijohteesta.

Me VTT:llä teemme jo tätä tutkimusta laboratorioissamme. Tarjoamme lisensoitavia ratkaisuja langattomien signaalien hallintaan haastavilla taajuuksilla. Lisäksi tarjoamme asiantuntemustamme yrityksille, jotka tarvitsevat luotettavia, turvallisia ja suorituskykyisiä viestintäjärjestelmiä. Ota yhteyttä, niin kuulet, kuinka voimme auttaa.