Projekti / Programi
Napetostno nastavljivi feroelektrični plastni kondenzatorji za prilagodljive mikrovalovne antene
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.01 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Materiali za elektronske komponente |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T001 |
Tehnološke vede |
Elektronika in elektriška tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
feroelektrični varaktor, frekvenčno nastavljiva antena, priprava plasti iz raztopin
Raziskovalci (12)
Organizacije (3)
Povzetek
Hiter razvoj komunikacijskih tehnologij zahteva povečanje hitrosti prenosa podatkov in hkrati cenovno ugodne, miniaturne in učinkovite naprave. Antene so pomemben del komunikacijskih tehnologij. Širokopasovne in večspektralne antene potrebujejo veliko prostora za hiter prenos podatkov, kar je izjemno neugodno, saj se ohišja naprav manjšajo, čedalje manj je tudi prostora za njihovo vgradnjo. Ta usmeritev je še posebej očitna v majhnih komunikacijskih napravah, ki jih držimo v rokah, in pri različnih uporabah v vesoljski tehniki, kot na primer pri mikro-satelitih (skupna prostornina (1000 cm3), ki jih uporabljajo v številnih misijah.
Možna rešitev je uporaba frekvenčno nastavljivih anten, ki zajemajo široko območje frekvenc in obenem zavzemajo malo prostora. V literaturi je le malo poročil o razvoju frekvenčno nastavljivih dipolnih anten, predstavljene rešitve imajo slabe funkcijske lastnosti, pri čemer sta osnovni težavi slaba frekvenčna nastavljivost ali le omejeno nezvezno spreminjanje resonančne frekvence.
V našem predlogu projekta smo se usmerili na frekvenčno nastavljivo planarno anteno, ki bo omogočala nastavljivo kapacitivnost in nizke dielektrične izgube. Naš cilj je razviti novo, visoko integrirano in izjemno učinkovito zasnovo antene, ki temelji na tehnologiji feroelektričnih napetostno nastavljivih kondenzatorjev (varaktorjev). V primerjavi s konkurenčno polprevodniško tehnologijo imajo feroelektriki izjemno kratek odzivni čas, nizek tok puščanja, in torej nižje izgube moči, poleg tega predstavljajo stroškovno učinkovito rešitev. Njihove funkcijske lastnosti so odporne na kozmična sevanja, kar je koristno za uporabo v vesoljski tehniki.
Predlagani projekt je razdeljen v štiri delovne sklope. V prvem bomo opredelili strukturo in dimenzije antene. Izbrali bomo podlago, aktivni feroelektrični material in material elektrod, določili frekvenčno območje delovanja in numerično modelirali delovanje antene.
Aktivni deli varaktorjev bodo tanke plasti na osnovi (Ba, Sr) TiO3 (BST), pripravljene s sintezo iz raztopin. Da bi optimizirali njihove funkcijske lastnosti, predvsem napetostno nastavljivo dielektričnost in dielektrične izgube, se bomo v drugem delovnem sklopu osredotočili na razumevanje in obvladovanje kemijskih reakcij v raztopinah. Raztopine bom nanašali na podlage polikristaliničnega aluminijevega oksida z metodo vrtenja in nadaljnjim segrevanjem. Raziskovali bomo mikrostrukturo, fazno sestavo, mehanske lastnosti in dielektrične lastnosti plasti v širokem frekvenčnem območju in na osnovi rezultatov razložili zvezo med pogoji priprave ter mikrostrukturo in med funkcijskimi lastnostmi plasti. Raziskali bomo tok puščanja tankoplastnih varaktorjev.
V tretjem delovnem sklopu se bomo osredotočili na oblikovanje in nanašanje interdigitalnih elektrod plastnih kondenzatorjev. Točno strukturo in dimenzije elektrod bomo določili s pomočjo modeliranja. Strukture bomo izdelali s fotolitografijo in naprševanjem elektrod. Varaktorske strukture bomo karakterizirali z meritvami napetostne nastavljivosti kapacitivnosti. Posebno pozornost bomo namenili načrtovanju struktur varaktorjev, s katero bi dosegli manjše izgube v GHz območju.
V zadnjem, četrtem delovnem sklopu se bomo osredotočili na izdelavo antene in na meritve njenih funkcijskih lastnosti, predvsem impedance, povratnega slabljenja, sevalnega diagrama in izkoristka tako v zaprtih prostorih kot na prostem. Kot rezultat bomo izdelali prototip antene.
Predlagani projekt je tudi odlična priložnost za združitev znanj projektnih partnerjev, ki zajema znanosti o materialih do načrtovanja in izdelave mikrovalovnih naprav.
Pomen za razvoj znanosti
Razvoj brezžičnih in mobilnih komunikacijskih tehnologij zahteva povečanje hitrosti prenosa podatkov in hkrati cenovno ugodne, miniaturne in učinkovite naprave. Frekvenčno nastavljive planarne antene, ki sevajo v širokem frekvenčnem območju in hkrati zavzemajo malo prostora, so zato izjemno zanimive. Cilj projekta je bil razviti novo, visoko integrirano in učinkovito zasnovo dipolarne antene, ki temelji na tehnologiji napetostno nastavljivih feroelektričnih kondenzatorjev (varaktorjev). Antena prečnih izmer ~20 mm x 20 mm in debeline okrog 250 µm, ki deluje v frekvenčnem pasu X (8-12 GHz) ima vhod mikrovalovnega valovanja na spodnji strani podlage, ki je iz aluminijevega oksida. Na zgornji strani so interdigitalni kondenzatorji (IDC), elektroda je baker z debelino 2 µm. Da bi dosegli primerni spremembi frekvence in polarizacije, smo v strukturo antene vključili še filter in fazni sukalnik, ki prav tako temeljita na feroelektričnih tankih plasteh. Za tako strukturo antene smo z numeričnim modeliranjem določili spremembo frekvence med 7,4 in 8,4 GHz ter primerno spremembo polarizacije. Aktivne plasti feroelektrika barijevega stroncijevega titanata ((BaxSr1-x)TiO3, BST) smo pripravili z nanašanjem organskih prekurzorjev na podlage aluminjevega oksida in kristalizirali s hitrim segrevanjem. Na osnovi mikrostrukturne analize smo ugotovili, da je optimalna temperatura segrevanja 900 °C. Pri debelinah nad 250-300 nm je prišlo do pojava integranularnih razpok, ki smo jih pripisali napetostim, ki so posledica različnih termičnih raztezkov plasti in podlage. Dielektrične lastnosti plasti smo merili v kHz in GHz območju. Opazili smo, da je prej omenjeni pojav razpok povezan s padcem dielektričnosti, zato smo ga natančneje raziskali. Odvisnost dielektričnosti od debeline je posledica kompleksnega vpliva velikosti zrn, napetosti ter njene relaksacije. Nadalje smo ugotovili, da je mikrostruktura plasti ključnega pomena za odpornost tankih plasti BST na kozmično sevanje. Na osnovi modeliranja smo načrtali in izdelali polarizacijsko nastavljiv antenski sistem za frekvenčni pas X. Sistem je sestavljen iz antene reže, filtra in faznega sukalnika na podlagah aluminjievega oskida s plastjo BST (x = 0,3) debeline okrog 250 nm.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskave brezžičnih in mobilnih komunikacijskih tehnologij so pomembne za tako za Slovenijo kot tudi za naše vključevanje v projekte Evropske vesoljske agencije. Člani projektne skupine smo oziroma smo bili aktivni v slovenskem Centru odličnosti Vesolje, v okviru katerega smo tudi začeli sodelovati pri raziskavah napetostno nastavljivih feroelektričnih tankih plasti za uporabo v frekvenčno in polarizacijsko nastavljivih mikrovalovnih komponentah. Projektno skupino smo sestavljali raziskovalci s področij materialov za elektronske komponente in telekomunikacij. V okviru projekta smo si zastavili cilj razviti visoko integrirano in učinkovito zasnovo antene, ki temelji na napetostno nastavljivih feroelektričnih kondenzatorjih. Na osnovi numeričnega modeliranja delovanja antene smo določili strukturo in dimenzije antene. Plasti feroelektrika (BaxSr1-x)TiO3 (BST) smo pripravili s sintezo iz raztopine. Primerno vrednost kapacitivnosti, njene napetostne nastavljivosti in izgub plastnih kondnezatorjev smo dosegli z načrtovanjem sestave, pogojev žganja, mikrostrukture in debeline plasti BST. Za izdelavo interdigitalnih kondenzatorjev z razdaljo med prsti okrog 5 mikrometrov smo uporabili UV fotolitografijo, bakrene elektrode smo nanesli z naprševanjem. Izdelali smo prototip antene za frekvenčni pas X in izmerili njene funkcijske lastnosti. S tematiko projekta sta leta 2016 doktorirala raziskovalca projektne skupine iz Instituta 'Jožef Stefan' in Fakultete za elektrotehniko UL in s svojimi raziskavami pomembno prispevala k uspešnemu zaključku projekta. Pomembni rezultat za Slovenijo je, da se dognanja na projektu uporabljajo tudi v pedagoškem procesu na Fakulteti za elektrotehniko UL v okviru predmeta Elektrodinamika, [COBISS.SI-ID 11306836]. Rezultate projekta smo predstavili na strokovnem seminarju Radijske komunikacije (Fakulteta za elektrotehniko UL, 2013, 2014). To je osrednji slovenski dogodek, kjer se zbere preko 100 strokovnjakov s področja radijskih komunikacij in poteka prenos znanja iz raziskovalnih institucij na strokovno javnost.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
