Тонкие пленки диоксида ванадия для применения в СВЧ-ключах с электрическим управлением

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.

1. Al-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.2017.9

2. Solutions 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.2018.05.003

3. Hansen 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.2011.6108325

4. A 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/technologies7020043

5. Saad 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.

6. 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.2014.2298231

7. Kumar 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.i11.20

8. Скакунов Р. С., Сорокин К. Н., Кудрявцева Ю. А. Обзор стандартов беспроводной связи и перспектив их развития // Технологии. Инновации. Связь. 2022. С. 267–271.

9. 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.

10. 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/electronics9020336

11. Recent 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/electronics8010114

12. 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. P. 205–222.

13. Гримм Дж., Дмитриев С. КМОП-ключи от nec Electronics бросают вызов ключам на основе GaAs // Компоненты и технологии. 2006. № 54. С. 22–23.

14. 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/s41683-020-00051-4

15. Tian 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/mi9040185

16. Уваров И. В., Куприянов А. Н. Исследование характеристик МЭМС-переключателя электростатического типа с механизмом активного размыкания // Микроэлектроника. 2018. Т. 47, № 5. С. 30–37.

17. 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/EuCAP53622.2022.9768925

18. Vanadium 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.2020.2964521

19. High 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.