射频水表仪

最近，中科院上海硅酸盐研究所无机材料分析测试中心卓尚军、钱荣等人的课题组与英国质谱仪器公司（MSI）合作，将堆叠磁铁系统和辉光放电质谱仪（Autoconcept GD90-RF）的射频源耦合，在非导体样品中观察到了超过50%的信号强度增益。作者借助ANSYS，对这种显著信号增强现象的机理进行了分析，发现：振荡磁场的引入，扩展了电子的运动路径，增大了电子和中性粒子间的碰撞几率，从而提高了非导体样品的电离效率。同时，该现象在多种非导体样品中得以再现，表明该方法是一种简便、有效且具备一定普适性的方法。相关工作发表在国际权威学术期刊《Analytical Chemistry》上。 横向堆叠磁铁、横向块体磁铁、轴向块体磁铁耦合和无磁铁耦合情况下，Y2O3、BSO (Bi12SiO20)、BTN (Ba5.52La0.32Ti2Nb8O30)样品中的Y、Bi、Ba的射频放电信号对比。 用典型元素的信号强度表示的放电稳定性：采用经堆叠磁铁耦合的射频源，对(a)Y2O3、(b)BSO (Bi12SiO20)、(c)BTN (Ba5.52La0.32Ti2Nb8O30)样品进行溅射得到的测量结果。文章链接如下：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b04884 文章摘要如下：A method for signal enhancement utilizing stacked magnets was introduced into high-resolution radio frequency glow discharge-mass spectrometry (rf-GD-MS) for significantly improved analysis of inorganic materials. Compared to the block magnet, the stacked magnets method was able to achieve 50–59% signal enhancement for typical elements in Y2O3, BSO, and BTN samples. The results indicated that signal was enhanced as the increase of discharge pressure from 1.3 to 8.0 mPa, the increase of rf-power from 10 to 50 W with a frequency of 13.56 MHz, the decrease of sample thickness, and the increase of number of stacked magnets. The possible mechanism for the signal enhancement was further probed using the software “Mechanical APDL (ANSYS) 14.0”. It was found that the distinct oscillated magnetic field distribution from the stacked magnets was responsible for signal enhancement, which could extend the movement trajectories of electrons and increase the collisions between the electrons and neutral particles to increase the ionization efficiency. Two NIST samples were used for the validation of the method, and the results suggested that relative errors were within 13% and detection limit for six transverse stacked magnets could reach as low as 0.0082 μg g–1. Additionally,the stability of the method was also studied. RSD within 15% of the elements in three nonconducting samples could be obtained during the sputtering process. Together, the results showed that the signal enhancement method with stacked magnets could offer great promises in providing a sensitive, stable, and facile solution foranalyzing the nonconducting materials.

【科学背景】记忆电阻器（memristor）是一种能够在电气应力作用下实现两个或多个非易失性电阻状态的设备，近年来被提出用于解决射频开关的挑战。这种效应最早在1960年代的硒铋合金中被报道，随后在包括金属氧化物和二维层状材料在内的许多其他材料中得到观察。通过改变材料的原子或电子结构，memristor能够实现不同的电阻状态，如高电阻态（HRS）和低电阻态（LRS）。尽管最初主要用于存储应用，memristor目前被提议用于数据加密、能效数据计算（如实现向量矩阵乘法引擎和人工神经网络的电子神经元）、以及射频数据传输开关等领域。针对射频应用，memristor的主要优势在于其非易失性，无需额外能量来维持其导电状态，与传统的p-i-n二极管开关相比，后者需要大量直流电流来维持其状态。最新的memristor技术基于相变材料，如GeTe或GeSbTe，通过控制加热器来实现晶态和非晶态之间的转变，从而切换设备的HRS和LRS。这些设备在50 GHz的频率下已有工业展示，并且在学术演示中能够达到高达109个循环的耐久性，但其集成到大型电路中需要精细的热设计，并可能引入不需要的寄生电容。针对RF mmWave应用的多层hBN memristor的开发，沙特阿卜杜拉国王科技大学Mario Lanza教授团队通过使用不同的电极材料展示了多个设备的射频性能和一致性行为。通过一种增强导电性的方法，作者成功地实现了RLRS低于10 Ω（最低可达4.5 Ω），并展示了2,000个循环的耐久性。作者的设备在高达260 GHz的频率下表现出低于2 dB的损耗和超过30 dB的隔离度，从等效电路模型中提取的截止频率为7 THz。此外，作者还报告了在120 GHz时串-并联配置中超过35 dB的隔离度的射频mmWave开关电路。【科学亮点】（1）首次开发了适用于射频毫米波（mmWave）应用的多层氮化硼（hBN）记忆电阻器。这些电阻器展示了在高达260 GHz频率下的射频性能，并通过不同电极材料验证了其稳定的行为。（2）通过采用一种新型的导电性增强方法，成功实现了低于10 Ω的低阻态电阻（RLRS），最低可达4.5 Ω。这种方法使得设备能够经受2,000个循环的使用测试，表现出良好的耐久性。（3）射频性能方面，这些设备展示了在频率高达260 GHz时低于2 dB的插入损耗和超过30 dB的隔离度。通过等效电路模型分析，提取的截止频率高达7 THz，显示出在超高频领域的潜力。（4）作者还报道了在120 GHz时串-并联配置中超过35 dB的隔离度的射频mmWave开关电路，突显了这些记忆电阻器在复杂电路中的实际应用潜力。【科学图文】图1： Au-hBN-Au器件的物理和直流特性。图2：通过脉冲写入-验证协议增强射频RF应用的低阻态low-resistance state，LRS性能。图3：Au–多层hBN–Au开关的毫米波性能。【科学结论】本文开发了多层氮化硼记忆电阻器作为射频毫米波应用中的关键组件。传统射频开关技术在高频率（如120 GHz）下存在插入损耗和隔离度方面的限制，而本研究通过精确控制低阻态电阻，利用脉冲偏置协议实现了9.3 ± 3.7 Ω的优异性能。这种方法不仅提高了射频开关的操作频率，还显著降低了信号传输过程中的能量损失。此外，作者展示了在21个设备中一致的双极性切换特性，证明了多层氮化硼在记忆电阻器中的可靠性和稳定性。这些成果不仅推动了射频毫米波技术的前沿，还为未来高速数据传输、增强现实和物联网等应用领域提供了新的解决方案。通过这些研究，作者不仅拓展了记忆电阻器在射频领域的应用潜力，还为探索更高频率、更低能耗的射频开关提供了有力支持。原文详情：Pazos, S., Shen, Y., Zhang, H. et al. Memristive circuits based on multilayer hexagonal boron nitride for millimetre-wave radiofrequency applications. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01192-2

第八届浙江省国际“互联网+”大学生创新创业大赛决赛中获得“金钥匙奖”颁奖。 将一台手掌大小的长方形仪表盒子线头接上一段射频电路，仪表显示屏上随即出现电波图形… … 8月上旬，在杭州电子科技大学通信工程学院科协创新实验室内，一款由该院学生团队联合研发的便携式矢量网络分析仪进行应用演示。 “如果电波图形和被测试电路板上已绘制好的电波图形吻合，说明该射频电路发射性能优良，反之则说明该电路传输信号有问题。”该设备核心研发人员、杭电通信学院大三学生江逸宁介绍说，团队凭此在7月底落幕的第八届浙江省国际“互联网+”大学生创新创业大赛决赛中获得“金钥匙奖”，从而拿到这一赛事全国总决赛的入场券。 记者了解到，这一分析仪可用于检查信号发射状况，分析出基站天线、电缆接触状况等影响网络的变量，并进行修复，从而恢复基站正常功能。 射频电路的网络测试，具有广泛应用场景。比如当前在高校开展广泛的电子信息类学科竞赛，普遍要用到无线信号传递。通常智能车的通信模块、航模比赛的遥控装置等就要用到射频电路发射信号。 “在电子竞赛中深感现有市场上网络测试仪器使用起来不便或太贵，所以我们想自己研发性价比高、使用方便的网络测试仪，目标是使其成为射频微波领域的‘万用表’。”该项目主要负责人、杭电通信学院大三学生王来龙说。 “实验室用到的电子网络测试仪、基站维护领域的驻波仪等设备，通常价格不菲以及被国外垄断。”该团队指导老师、杭电通信学院教授张福洪说，他们鼓励学生研发推出具备类似功能甚至可实现部分替代的仪器。 据介绍，这一分析仪由学生团队通过自主设计核心电路优化仪器电路结构、使用国产全自主芯片以及提升机器学习方法研制而成，基于团队成员的快速锁相环、数模转换器等专利，使频率测量的效率大为提高，同时降低了生产成本。 “同学们从实践出发，学以致用，促进电子测试仪器的国有化，推动测量仪器进一步发展，是一次大胆而创新的尝试。”中国电子学会嵌入式系统专家委员会委员严义教授对此表示。