radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-3-48-57radioelectronics-759Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASТонкие пленки диоксида ванадия для применения в СВЧ-ключах с электрическим управлениемThin Vanadium Dioxide Films for Use in Microwave Keys with Electric ControlНеустроевИ. Д.NeustroevIlya D.

Неустроев Илья Дмитриевич – магистрант 2-го года.

Автор одной научной публикации. Сфера научных  интересов – технология материалов электронной  техники, свойства нелинейных материалов.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург,

197022

Ilya D. Neustroev, student of the 2nd year of master of  Saint Petersburg Electrotechnical University.

The author of 1 scientific publication. Area of expertise:  technology of electronic materials, properties of non- linear materials.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

neustroev.ilay@gmail.comЛегковаТ. К.LegkovaTatyana K.

Легкова Татьяна Константиновна – аспирантка 2-го  года кафедры физической электроники и технологии.

Автор двух научных публикаций. Сфера научных  интересов – СВЧ-электроника, антенны, свойства  нелинейных материалов.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Tatyana K. Legkova, Postgraduate Student of  Department of Physical Electronics and Technology.

The author of 2 scientific publications. Area of expertise:  microwave electronics; antennas, properties of nonlinear  materials.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

legkova_tk@mail.ruЦымбалюкА. А.TsymbalyukAndrey A.

Цымбалюк Андрей Александрович – аспирант 2-го  года кафедры физической электроники и технологии.

Автор двух научных публикаций. Сфера научных  интересов – технология материалов электронной  техники, свойства нелинейных материалов.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Andrey A. Tsymbalyuk, Postgraduate Student of  Department of Physical Electronics and Technology.

The author of 2 scientific publications. Area of expertise:  technology of electronic materials, properties of non- linear materials.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

tsymbalyuk.andrej@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1017-5587КомлевА. Е.KomlevAndrey E.

Комлев Андрей Евгеньевич – кандидат технических  наук (2011), доцент кафедры физической  электроники и технологии.

Автор более 60 научных работ. Сфера научных  интересов – технология материалов электронной  техники, плазма.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Andrey E. Komlev, Cand. Sci. (Eng.) (2011), Associate  professor of the Department of Physical Electronics and Technology.

The author of more than 60 scientific publications. Area of expertise: technology of electronic equipment materials, plasma.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

aekomlev@etu.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2023060720232634857Copyright © Неустроев И.Д., Легкова Т.К., Цымбалюк А.А., Комлев А.Е., 20232023Неустроев И.Д., Легкова Т.К., Цымбалюк А.А., Комлев А.Е.Neustroev I.D., Legkova T.K., Tsymbalyuk A.A., Komlev A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/759

Введение. Ввиду постоянно растущих требований к пропускной способности беспроводных систем связи все более востребованным становится применение перестраиваемых или коммутирующих устройств, выполненных на основе СВЧ-ключей. В настоящее время актуальным направлением является разработка СВЧ-ключей на основе нелинейных материалов, например диоксида ванадия. Ключи на основе данного материала имеют планарную конструкцию, которая вследствие своей простоты может быть широко востребована при создании СВЧ-устройств по гибридной технологии.Цель работы. Исследование свойств тонких пленок диоксида ванадия и разработка конструкции СВЧ-ключа с электрическим переключением на их основе.Материалы и методы. Экспериментальные образцы тонких пленок диоксида ванадия получены методом магнетронного распыления. Результаты экспериментального исследования параметров фазового перехода образцов материала были использованы при компьютерном моделировании планарной двухэлектродной структуры СВЧ-ключа методом конечных элементов.Результаты. Изготовлены экспериментальные образцы пленок диоксида ванадия и исследованы зависимости их удельного сопротивления от температуры. Показано, что у полученных пленок изменение сопротивления достигает трех порядков. Разработана конструкция ключа на основе пленок диоксида ванадия. Проведено моделирование формирования токопроводящего канала в пленках диоксида ванадия при подаче управляющего напряжения. Получены оценки порогового напряжения элемента в зависимости от его конструктивных параметров.Заключение. Использование экспериментальных данных как основы для компьютерного моделирования позволило определить пороговые значения токов, зависящих от топологии и конструкции СВЧ-ключа. Результаты моделирования структуры СВЧ-ключа показали, что сформированный токопроводящий канал имеет четко выраженные границы как по распределению плотности тока, так и по распределению температуры на поверхности пленки.

Introduction. In view of the ever-tightening bandwidth requirements for wireless communication systems, the use of tunable or switching devices based on microwave keys is becoming increasingly popular. Currently, the development of microwave keys based on nonlinear materials, such as vanadium dioxide, is a relevant research direction. The keys based on this material are distinguished by a planar and simple design, thus being suitable for creating microwave devices using hybrid technology.Aim. To study the properties of thin vanadium dioxide films and to develop a microwave switch with electrical switching on their basis.Materials and methods. Experimental samples of thin vanadium dioxide films were obtained by magnetron sputtering. The phase transition parameters of the samples obtained experimentally were used in computer simulation of a planar two-electrode structure of a microwave key by the finite element method.Results. Experimental samples of vanadium dioxide films were manufactured, and the dependences of their resistivity on temperature were studied. The resistance of the obtained vanadium dioxide films was found to change threefold. A microwave key design based on vanadium dioxide films was developed. The formation of a currentconducting channel in vanadium dioxide films was simulated when a control voltage was applied. The threshold voltage of the element was estimated depending on its design parameters.Conclusion. The use of experimental data as a basis for computer simulation made it possible to determine the threshold values of currents depending on the topology and design of the proposed microwave key. The results of simulating the key structure showed the formed conductive channel to have clearly defined boundaries in terms of distribution of both current density and temperature across the film surface.

диоксид ванадияфазовый переходкомпьютерное моделированиеуправляемые СВЧ-элементыvanadium dioxidephase transitioncomputer simulationcontrolled microwave elementsРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда в рамках гранта № 22-29-01607.This work is supported by the Russian Science Foundation under grant № 22-29-01607.ReferencesAl-Falahy N., Alani O. Y. Technologies for 5G Networks: Challenges and Opportunities // IT Professional. 2017. Vol. 19, № 1. P. 12–20. doi: 10.1109/MITP.2017.9Al-Falahy N., Alani O. Y. Technologies for 5G Networks: Challenges and Opportunities. IT Professional. 2017, vol. 19, no. 1, pp. 12–20. doi: 10.1109/MITP.2017.9Solutions for urban traffic issues by ITS technologies / H. Makino, K. Tamada, K. Sakai, Sh. Kamijo // IATSS Research. 2018. Vol. 42, № 2. P. 49–60. doi: 10.1016/j.iatssr.2018.05.003Makino H., Tamada K., Sakai K., Kamijo Sh. Solutions for Urban Traffic Issues by ITS Technologies. IATSS Research. 2018, vol. 42, no. 2, p. 49–60. doi: 10.1016/j.iatssr.2018.05.003Hansen C. J. WiGiG: Multi-gigabit wireless communications in the 60 GHz band // IEEE Wireless Communications. 2011. Vol. 18, № 6. P. 6–7. doi: 10.1109/MWC.2011.6108325Hansen C. J. WiGiG: Multi-gigabit Wireless Communications in the 60 GHz Band. IEEE Wireless Communications. 2011, vol. 18, no. 6, pp. 6–7. doi: 10.1109/MWC.2011.6108325A perspective on terahertz next-generation wireless communications / J. F. O'Hara, S. Ekin, W. Choi, I. Song // Technologies. 2019. Vol. 7, № 2. P. 43. doi: 10.3390/technologies7020043O'Hara J. F., Ekin S., Choi W., Song I. A Perspective on Terahertz Next-Generation Wireless Communications. Technologies. 2019, vol. 7, no. 2, p. 43. doi: 10.3390/technologies7020043Saad W., Bennis M., Chen M. A Vision of 6G Wireless Systems: Applications, Trends, Technologies and Open Research Problems // IEEE Network. 2019. Vol. 34, № 3. P. 134–142.Saad W., Bennis M., Chen M. A Vision of 6G Wireless Systems: Applications, Trends, Technologies and Open Research Problems. IEEE Network. 2019, vol. 34, no. 3, pp. 134–142.Larson L. RF and microwave hardware challenges for future radio spectrum access // Proc. of the IEEE. 2014. Vol. 102, № 3. P. 321–333. doi: 10.1109/JPROC.2014.2298231Larson L. RF and Microwave Hardware Challenges for Future Radio Spectrum Access. Proc. of the IEEE. 2014, vol. 102, no. 3, pp. 321–333. doi: 10.1109/JPROC.2014.2298231Kumar P., Pai M. M. M., Ali T. Ultrawideband antenna in wireless communication: A review and current state of the art // Telecommunications and Radio Engineering. 2020. Vol. 79, № 11. P. 929–942. doi: 10.1615/TelecomRadEng.v79.i11.20Kumar P., Pai M. M. M., Ali T. Ultrawideband Antenna in Wireless Communication: A Review and Current State of the Art. Telecommunications and Radio Engineering. 2020, vol. 79, no. 11, pp. 929–942. doi: 10.1615/TelecomRadEng.v79.i11.20Скакунов Р. С., Сорокин К. Н., Кудрявцева Ю. А. Обзор стандартов беспроводной связи и перспектив их развития // Технологии. Инновации. Связь. 2022. С. 267–271.Skakunov R. S., Sorokin K. N., Kudryavtseva Yu. A. Overview of Wireless Communication Standards and Prospects for Their Development. Technologies. Innovation. Connection. 2022, pp. 267–271. (In Russ.)Монолитный СВЧ МЭМ переключатель до 25 ГГц / И. В. Кунилич, В. А. Кагадей, Д. Бобошко, Н. Д. Малютин // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. 2020. Вып. 1, ч. 1. С. 19–20.Kunilich I. V., Kagadei V. A., Boboshko D., Malyutin N. D. Monolithic Microwave MEM Switch up to 25 GHz. Microwave Engineering and Telecommunication Technologies. 2020, iss. 1, pt. 1, pp. 19–20. (In Russ.)Reconfigurable Antennas: Switching Techniques – A survey / N. O. Parchin, H. J. Basherlou, Y. A. A. Al-Yasir, A. M. Abdulkhaleq, R. A. Abd-Alhameed // Electronics. 2020. Vol. 9, № 2. P. 336. doi: 10.3390/electronics9020336Parchin N. O., Basherlou H. J., Al-Yasir Y. A. A., Abdulkhaleq A. M., Abd-Alhameed R. A. Reconfigurable Antennas: Switching Techniques – A survey. Electronics. 2020, vol. 9, no. 2, p. 336. doi: 10.3390/electronics9020336Recent progress in the design of 4G/5G reconfigurable filters / Y. I. Al-Yasir, N. O. Parchin, R. Abd-Alhameed, A. M. Abdulkhaleq // Electronics. 2019. Vol. 8, № 1. P. 17. doi: 10.3390/electronics8010114Al-Yasir Y. I., Parchin N. O., Abd-Alhameed R., Abdulkhaleq A. M. Recent Progress in the Design of 4G/5G Reconfigurable Filters. Electronics. 2019, vol. 8, no. 1, p. 17. doi: 10.3390/electronics8010114Meng F., Ma K., Yeo K. S. Microwave and Millimeter-Wave Switches // Low-Power Wireless Communication Circuits and Systems. New York: Jenny Stanford Publishing, 2018. P. 205–222.Meng F., Ma K., Yeo K. S. Microwave and Millimeter-Wave Switches. Low-Power Wireless Communication Circuits and Systems. New York, Jenny Stanford Publishing, 2018, pp. 205–222.Гримм Дж., Дмитриев С. КМОП-ключи от nec Electronics бросают вызов ключам на основе GaAs // Компоненты и технологии. 2006. № 54. С. 22–23.Grimm J, Dmitriev S. CMOS Dongles from NEC Electronics Challenge GaAs-Based Dongles. Komponenty i Tekhnologii [Components and Technologies]. 2006, no. 54, pp. 22–23. (In Russ.)RF MEMS switches, switching networks and phase shifters for microwave to millimeter wave applications / S. Dey, Sh. K. Koul, A. Poddar, U. L. Rohde // ISSS J. of Micro and Smart Systems. 2020. Vol. 9, № 11. P. 33–47. doi: 10.1007/s41683-020-00051-4Dey S., Koul Sh. K., Poddar A., Rohde U. L. RF MEMS switches, Switching Networks and Phase Shifters for Microwave to Millimeter Wave Applications. ISSS J. of Micro and Smart Systems. 2020, vol. 9, no. 11, pp. 33–47. doi: 10.1007/s41683-020-00051-4Tian W., Li P., Yuan L. X. Research and analysis of MEMS switches in different frequency bands // Micromachines. 2018. Vol. 9, № 4. P. 185. doi: 10.3390/mi9040185Tian W., Li P., Yuan L. X. Research and Analysis of MEMS Switches in Different Frequency Bands. Micromachines. 2018, vol. 9, no. 4, p. 185. doi: 10.3390/mi9040185Уваров И. В., Куприянов А. Н. Исследование характеристик МЭМС-переключателя электростатического типа с механизмом активного размыкания // Микроэлектроника. 2018. Т. 47, № 5. С. 30–37.Uvarov I. V., Kupriyanov A. N. Investigation of the Characteristics of an Electrostatic-Type Mems Switch with an Active Opening Mechanism. Microelectronics. 2018, vol. 47, no. 5, pp. 30–37. (In Russ.)Ramsey J., Henderson K., Ghalichechian N. Thermally Actuated Vanadium Dioxide Millimeter Wave Reflectarray // 16th European Conf. on Antennas and Propagation, Madrid, Spain, 1 March – 1 April 2022. IEEE, 2022. P. 1–3. doi: 10.23919/EuCAP53622.2022.9768925Ramsey J., Henderson K., Ghalichechian N. Thermally Actuated Vanadium Dioxide Millimeter Wave Reflectarray. 16th European Conf. on Antennas and Propagation, Madrid, Spain, 1 March – 1 April 2022. IEEE, 2022, pp. 1–3. doi: 10.23919/EuCAP53622.2022.9768925Vanadium dioxide for reconfigurable antennas and microwave devices: Enabling RF reconfigurability through smart materials / D. E. Anagnostou, D. Torres, T. S. Teeslink, N. Sepulveda // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2020. Vol. 62, № 3. P. 58–73. doi: 10.1109/MAP.2020.2964521Anagnostou D. E., Torres D., Teeslink T. S., Sepulveda N. Vanadium Dioxide for Reconfigurable Antennas and Microwave Devices: Enabling RF Reconfigurability through Smart Materials. IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2020, vol. 62, no. 3, pp. 58–73. doi: 10.1109/MAP.2020.2964521High quality vanadium dioxide films prepared by an inorganic sol-gel method / D. Yin, N. Xu, J. Zhang, X. Zheng // Materials Research Bulletin. 1996. Vol. 31, № 3. P. 335–340.Yin D., Xu N., Zhang J., Zheng X. High Quality Vanadium Dioxide Films Prepared by an Inorganic Sol-Gel Method. Materials Research Bulletin. 1996, vol. 31, no. 3, pp. 335–340.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.