Revista >> Aprilie 2009 [Nr. 114] >> Cercetare

INCDFM: Soluţii noi pentru domeniul frecvenţelor înalte

Dr. Andrei Ioachim

01 Mai 2009

Una dintre orientările generale ale cercetării actuale, însoţită de canalizarea unor importante eforturi financiare, are loc pe direcţia obţinerii unor materiale complexe din punct de vedere structural şi cu proprietăţi mecanice, electrice, magnetice, optice de mare specificitate pentru aplicaţii multiple, cu impact în toate domeniile vieţii sociale.

Evoluţia rapidă a domeniilor informaticii şi comunicaţiilor din ultimii ani a impus în majoritatea ţărilor dezvoltate tehnologic studiul şi dezvoltarea unor materiale ce permit atât un grad ridicat de miniaturizare a componentelor şi echipamentelor, cât şi menţinerea parametrilor caracteristici pe un interval larg de temperatură şi frecvenţă. Cercetări direcţionate esenţial spre realizarea de materiale noi, multifuncţionale, care permit concomitent optimizarea pe mai multe direcţii a componentelor de înaltă frecvenţă (caracteristici electrice, miniaturizare, stabilitate termică) au fost susţinute intens, public şi privat, mai ales în Japonia, SUA, Franţa, Anglia. S-a urmărit obţinerea unor materiale cu constantă dielectrică ridicată (= 2090), pierderi dielectrice foarte scăzute în domeniul înaltei frecvenţe şi stabilitate termică mare pentru aplicaţii în realizarea de componente pentru echipamente din domeniul aero-spaţial, militar şi de comunicaţii civile, cercetările constituind un obiectiv prioritar pentru toate ţările dezvoltate. Rezultatul acestor cercetări a fost obţinerea unor materiale noi cu proprietăţi deosebite, care au permis dezvoltarea explozivă a domeniului comunicaţiilor mobile, “wireless”, Global Positioning System, RF Identification Systems, Home Satellite Network.

Fig. 1.
Rezonatori dielectrici şi substraturi din material de tip Zr1-x Snx TiO4 (ZST)

INCDFM este iniţiatorul cercetărilor pentru studiul şi realizarea unor astfel de materiale în ţară, precum şi de aplicaţii, prin eforturi proprii şi prin proiecte în cadrul PNCDI în colaborare cu Universitatea Politehnica Bucureşti, Universitatea Bucureşti, Academia Tehnică Militară şi S.C. Armtech S.A. - Curtea de Argeş. Au fost dezvoltate, în institut, mai multe materiale pentru aplicaţii în domeniul microundelor şi undelor milimetrice de tip: titanat de Zr cu substituţii de Sn (ZST), titanat de Ba cu Nd (BNT), tantalat de Ba şi Zn (BZT), tantalat de Ba şi Mg (BMT). Prin studiul şi investigarea proprietăţilor electrice corelate cu proprietăţi structurale au fost obţinute materiale ceramice –multifuncţionale- cu următoarele proprietăţi interesante pentru aplicaţii:

- pierderi dielectrice reduse (tg<10-4) pentru un domeniu larg de frecvenţă (100 kHz 100 GHz), fiind utilizabile pentru componente electronice în tot acest domeniu
- constantă dielectrică ridicată (= 2090) care permite miniaturizarea componentelor electronice realizate cu aceste materiale (lungimea de undă în material depinde de constanta dielectrică a materialului)
- stabilitate ridicată cu temperatura a caracteristicilor componentelor în care sunt utilizate aceste materiale întrucât variaţia constantei dielectrice cu temperatura este redusă (de ordinul ppm/0C) şi controlabilă prin substituţii adecvate de ioni în reţeaua cristalină a materialului (de exemplu în cazul ZST a ionilor de Sn).

INCDFM a urmărit, de asemenea, în cadrul PNCDI, dezvoltarea de aplicaţii ale acestor materiale în realizarea de componente performante de tip: rezonatori dielectrici pentru un domeniu larg de frecvenţă (1 100 GHz), filtre, antene dielectrice, oscilatori cu rezonatori dielectrici. Dezvoltarea de aplicaţii ale acestor materiale în domeniul electronicii de înaltă frecvenţă a fost şi continuă să fie una dintre preocupările de bază atât pe plan mondial – aplicaţii ale acestor materiale sunt în stadiu incipient – cât şi în institut.

Pe această linie, a fost dezvoltată o aplicaţie avansată a acestor materiale: realizarea de substraturi pentru circuite integrate hibrid de microunde. Substraturi din material de tip ZST (= 36) au fost realizate prin tehnologie ceramică clasică şi metalizate, componentele fiind obţinute prin tehnici fotolitografice. Noua tehnologie a fost aplicată în obţinerea unor componente de circuit tip rezonatori şi filtre cu performanţe deosebite pe un interval larg de temperaturi de funcţionare şi grad ridicat de miniaturizare (Fig.2 şi 3).

Fig. 2. Rezonator şi filtru pentru bandă ISM
(2,42,4835) GHz în tehnologie microstrip pe substrat din material ZST

Fig. 3. Filtru cu 4 poli şi cuplaj încrucişat în tehnologie microstrip pe substrat din material ZST