Разработчики создали устройство, которое позволяет им с помощью электроники направлять и фокусировать луч терагерцовой электромагнитной энергии с предельной точностью. Это открывает двери для устройств формирования изображений с высоким разрешением, работающих в режиме реального времени, которые в сотни раз меньше других радарных систем и более надежны, чем другие оптические системы.

Терагерцовые волны, расположенные в электромагнитном спектре между микроволнами и инфракрасным излучением, существуют в «нейтральной зоне», где ни классическая электроника, ни оптические устройства не могут эффективно манипулировать их энергией. Но эти высокочастотные радиоволны обладают многими уникальными свойствами, такими как способность проходить через определенные твердые материалы без воздействия рентгеновских лучей на здоровье. Они также могут обеспечить более высокоскоростную связь или системы обзора, которые могут видеть в туманной или пыльной среде.

Группа терагерцовой интегрированной электроники в Массачусетском технологическом институте, возглавляемая доцентом Руонаном Ханом, стремится преодолеть этот так называемый терагерцовый разрыв. Эти исследователи продемонстрировали наиболее точную терагерцовую антенную решетку с электронным управлением, которая содержит наибольшее количество антенн. Антенная решетка, называемая «отражающей решеткой», работает как управляемое зеркало, направление отражения которого определяется компьютером.

Рефлекторная матрица, которая включает почти 10 000 антенн в устройство размером с кредитную карту, может точно сфокусировать луч терагерцовой энергии на крошечной области и быстро управлять ею без движущихся частей. Рефлекторная матрица, созданная с использованием полупроводниковых микросхем и инновационных технологий производства, также является масштабируемой.

Исследователи продемонстрировали устройство, создав трехмерные изображения глубины сцены. Изображения аналогичны изображениям, генерируемым устройством LiDAR (обнаружение света и определение дальности), но поскольку отражающая решетка использует терагерцовые волны вместо света, она может эффективно работать в дождь, туман или снег. Эта небольшая отражающая решетка также могла генерировать радиолокационные изображения с угловым разрешением, в два раза превышающим разрешение, создаваемое радаром на Кейп-Код, который представляет собой настолько большое здание, что его видно из космоса. В то время как радар Cape Code способен покрывать гораздо большую площадь, новая отражающая матрица является первой, которая обеспечивает разрешение военного уровня для устройства для коммерческих интеллектуальных машин.

«Антенные решетки очень интересны, потому что, просто изменяя временные задержки, которые подаются на каждую антенну, вы можете изменить направление фокусировки энергии, и это полностью электронное устройство», — говорит Натан Монро ’13, MNG ’17, сначала автор статьи, недавно защитивший докторскую диссертацию. на факультете электротехники и информатики Массачусетского технологического института (EECS). «Таким образом, это альтернатива тем большим радарным тарелкам в аэропорту, которые перемещаются с помощью двигателей. Мы можем делать то же самое, но нам не нужны никакие движущиеся части, потому что мы просто меняем некоторые биты в компьютере».

Среди соавторов аспирантка EECS Сиби Чен; Георгиос Догиамис, Роберт Стингел и Престон Майерс из Intel Corporation; и Хан, старший автор статьи. Исследование будет представлено на Международной конференции по твердотельным схемам.

Изобретательские технологии 

В типичных антенных решетках каждая антенна генерирует собственную мощность радиоволн внутри себя, что не только тратит много энергии впустую, но также создает сложности и проблемы с распределением сигнала, которые ранее препятствовали масштабированию таких решеток до требуемых размеров. Вместо этого исследователи построили отражающую решетку, которая использует один основной источник энергии для запуска терагерцовых волн в антенны, которые затем отражают энергию в направлении, контролируемом исследователями (аналогично спутниковой антенне на крыше). После получения энергии каждая антенна выполняет временную задержку перед ее отражением, что фокусирует луч в определенном направлении.

По словам Монро, фазовращатели, управляющие этой временной задержкой, обычно потребляют много энергии радиоволн, иногда до 90 процентов. Они разработали новый фазовращатель, состоящий всего из двух транзисторов, поэтому он потребляет примерно вдвое меньше энергии. Кроме того, типовые фазовращатели требуют для своей работы внешний источник питания, такой как блок питания или аккумулятор, что создает огромные проблемы с энергопотреблением и нагревом. Новая конструкция фазовращателя вообще не потребляет энергии.

Направление луча энергии — еще одна проблема: вычисление и передача достаточного количества битов для одновременного управления 10 000 антенн резко снизит производительность отражающей решетки. Исследователи избежали этой проблемы, интегрировав антенную решетку непосредственно в компьютерные чипы. Поскольку фазовращатели такие маленькие, всего два транзистора, они смогли зарезервировать около 99 процентов места на кристалле. Они используют это дополнительное пространство для памяти, поэтому каждая антенна может хранить библиотеку различных фаз.

«Вместо того, чтобы сообщать этой антенной решетке в режиме реального времени, какая из 10 000 антенн должна направлять луч в определенном направлении, вам просто нужно сказать ей один раз, и тогда она запомнит. из своей библиотеки. Позже мы узнали, что это позволяет нам думать об использовании этой памяти и для реализации алгоритмов, которые могли бы еще больше повысить производительность антенной решетки», — говорит Монро.

Чтобы достичь желаемой производительности, исследователям потребовалось около 10 000 антенн (большее количество антенн позволяет более точно управлять энергией), но было бы невозможно построить компьютерный чип, достаточно большой, чтобы вместить все эти антенны. Поэтому они использовали масштабируемый подход, создав один маленький чип с 49 антеннами, предназначенный для общения с копиями самого себя. Затем они объединили чипы в массив 14 x 14 и сшили их вместе микроскопическими золотыми проводами, которые могут передавать сигналы и питать массив чипов, объясняет Монро.

Команда сотрудничала с Intel для изготовления микросхем и помощи в сборке массива.

«До этого исследования люди действительно не сочетали терагерцовые технологии и технологии полупроводниковых микросхем для формирования такого луча», — говорит Хан. «Мы увидели эту возможность и, также используя некоторые уникальные схемные методы, придумали несколько очень компактных, но эффективных схем на чипе, чтобы мы могли эффективно контролировать поведение волны в этих местах. Используя технологию интегральных схем, теперь мы может обеспечить некоторую встроенную память и цифровое поведение, чего определенно не существовало в прошлом. Мы твердо уверены, что с помощью полупроводников вы действительно можете сделать что-то удивительное».

Множество приложений

Они продемонстрировали отражающую решетку, проведя измерения, называемые диаграммами направленности, которые описывают угловое направление, в котором антенна излучает свою энергию. Они смогли очень точно сфокусировать энергию , так что ширина луча составляла всего один градус, и могли управлять этим лучом с шагом в один градус.

При использовании в качестве формирователя изображения луч шириной в один градус перемещается по зигзагообразной схеме над каждой точкой сцены и создает трехмерное изображение глубины. В отличие от других терагерцовых массивов, на создание изображения которых могут уйти часы или даже дни, они работают в режиме реального времени.

По словам Монро, поскольку эта отражательная матрица работает быстро и очень компактна, она может быть полезна в качестве устройства формирования изображений для беспилотного автомобиля, особенно с учетом того, что терагерцовые волны могут видеть даже в плохую погоду. Устройство также может хорошо подходить для автономных дронов, поскольку оно легкое и не имеет движущихся частей. Кроме того, технология может быть применена в настройках безопасности, позволяя ненавязчивому сканеру тела работать за секунды, а не за минуты, говорит он.

В настоящее время Монро работает с рынком лицензирования технологий Массачусетского технологического института, чтобы вывести технологию на рынок через стартап.

В лаборатории Хан и его сотрудники надеются продолжать развивать эту технологию, используя новые достижения в области полупроводников, чтобы снизить стоимость и улучшить производительность сборки микросхем.