تكنولوجيا

يقوم جهاز “Reflectarray” بحجم بطاقة الائتمان بتركيز طاقة التيراهيرتز لتوليد صور عالية الدقة

شعاع تيراهيرتز أشباه الموصلات السابق

تُظهر هذه الصورة مُشكِّل الشعاع ذو الحالة الصلبة الذي يحتوي على ما يقرب من عشرة آلاف عنصر مدمج فيه. الائتمان: بإذن من الباحثين

قد يؤدي التقدم إلى تمكين أجهزة التصوير في الوقت الفعلي الأصغر والأرخص والأكثر قوة من الأنظمة الأخرى.

ابتكر الباحثون جهازًا يسمح لهم بتوجيه شعاع من الطاقة الكهرومغناطيسية التيراهيرتز وتركيزها إلكترونيًا بدقة بالغة. يفتح هذا الباب أمام أجهزة التصوير عالية الدقة في الوقت الفعلي والتي يبلغ حجمها مئات من أنظمة الرادار الأخرى وأكثر قوة من الأنظمة البصرية الأخرى.

توجد موجات تيراهيرتز ، الواقعة على الطيف الكهرومغناطيسي بين الموجات الدقيقة وضوء الأشعة تحت الحمراء ، في “منطقة خالية من البشر” حيث لا يمكن للإلكترونيات التقليدية ولا الأجهزة البصرية معالجة طاقتها بشكل فعال. لكن لهذه الموجات الراديوية عالية التردد العديد من الخصائص الفريدة ، مثل القدرة على المرور عبر مواد صلبة معينة دون التأثيرات الصحية للأشعة السينية. يمكنهم أيضًا تمكين الاتصالات عالية السرعة أو أنظمة الرؤية التي يمكنها الرؤية من خلال البيئات الضبابية أو المتربة.

مجموعة تيراهيرتز للإلكترونيات المتكاملة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بقيادة الأستاذ المساعد Ruonan Han ، يسعى إلى سد هذه الفجوة التي تسمى تيراهيرتز. أظهر هؤلاء الباحثون الآن مجموعة هوائيات تيراهيرتز الأكثر دقة وقابلية للتوجيه إلكترونيًا ، والتي تحتوي على أكبر عدد من الهوائيات. صفيف الهوائي ، المسمى “المصفوفة العاكسة” ، يعمل كمرآة يمكن التحكم بها مع اتجاه انعكاسها الموجه بواسطة الكمبيوتر.

التحكم الدقيق في طاقة التيراهيرتز التي تنتجها مجموعة الهوائي

تصف هذه المحاكاة التحكم الدقيق في طاقة التيراهيرتز التي تنتجها صفيف الهوائي ، والتي أصبحت ممكنة بفضل شرائح CMOS المبلطة والتطورات الجديدة في تصميم دارة تيراهيرتز والنظام. الائتمان: بإذن من الباحثين

يمكن لمصفوفة العاكس ، التي تحزم ما يقرب من 10000 هوائي في جهاز بحجم بطاقة الائتمان ، أن تركز بدقة شعاعًا من طاقة التيراهيرتز على منطقة صغيرة وتتحكم بها بسرعة بدون أجزاء متحركة. صُممت مجموعة العاكسات باستخدام رقائق أشباه الموصلات وتقنيات التصنيع المبتكرة ، وهي أيضًا قابلة للتطوير.

أظهر الباحثون الجهاز من خلال توليد صور ثلاثية الأبعاد لمشاهد. تتشابه الصور مع تلك التي تم إنشاؤها بواسطة جهاز LiDAR (اكتشاف الضوء وتحديد المدى) ، ولكن نظرًا لأن المصفوفة العاكسة تستخدم موجات تيراهيرتز بدلاً من الضوء ، فيمكنها العمل بفعالية في المطر أو الضباب أو الثلج. كانت هذه المجموعة العاكسة الصغيرة قادرة أيضًا على توليد صور رادارية بضعف الدقة الزاوية لتلك التي ينتجها الرادار في كيب كود ، وهو مبنى كبير جدًا بحيث يمكن رؤيته من الفضاء. في حين أن رادار Cape Code قادر على تغطية مساحة أكبر بكثير ، فإن مجموعة العاكسة الجديدة هي الأولى التي توفر دقة من الدرجة العسكرية لجهاز للأجهزة الذكية التجارية.

يقول ناثان مونرو ’13، MNG ’17 ، المؤلف الأول للورقة الذي أكمل مؤخرًا الدكتوراه في قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر (EECS) في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. “لذا فهي تأتي كبديل لتلك الأطباق الرادارية الكبيرة التي تراها في المطار والتي تتحرك بالمحركات. يمكننا أن نفعل نفس الشيء ، لكننا لسنا بحاجة إلى أجزاء متحركة لأننا فقط نغير بضع أجزاء في الكمبيوتر.

ومن بين المؤلفين المشاركين شيبي تشن ، طالب الدراسات العليا في EECS ؛ جورجيوس دوجياميس وروبرت ستينجل وبريستون مايرز من شركة إنتل ؛ وهان ، المؤلف الرئيسي للمقال. يتم تقديم البحث في المؤتمر الدولي لدائرة الحالة الصلبة.

تقنيات التصنيع المبتكرة

مع صفائف الهوائي النموذجية ، يولد كل هوائي طاقة موجاته الراديوية داخليًا ، والتي لا تهدر الكثير من الطاقة فحسب ، بل تخلق أيضًا مشكلات معقدة في توزيع الإشارات كانت تمنع سابقًا هذه المصفوفات من التكيف مع عدد الهوائيات المطلوبة. بدلاً من ذلك ، بنى الباحثون مصفوفة عاكسة تستخدم مصدر طاقة أساسيًا لإرسال موجات تيراهيرتز إلى الهوائيات ، والتي تعكس بعد ذلك الطاقة في الاتجاه الذي يتحكم فيه الباحثون (على غرار طبق القمر الصناعي الموجود على السطح). بعد تلقي الطاقة ، يقوم كل هوائي بعمل تأخير قبل عكسها ، مما يركز الحزمة في اتجاه معين.

يوضح مونرو أن مبدلات الطور التي تتحكم في هذا التأخير تستهلك عادةً جزءًا كبيرًا من طاقة الموجة الراديوية ، وأحيانًا تصل إلى 90 بالمائة. لقد صمموا مبدل طور جديد يتكون من ترانزستورين فقط ، لذلك فهو يستهلك حوالي نصف الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب مبدلات الطور النموذجية مصدر طاقة خارجيًا مثل مصدر طاقة أو بطارية للتشغيل ، مما يؤدي إلى حدوث مشكلات في استهلاك الطاقة والتدفئة. لا يستهلك التصميم الجديد لمحول الطور أي طاقة.

يعد توجيه حزمة الطاقة مشكلة أخرى – إن حساب وتوصيل عدد كافٍ من البتات للتحكم في 10000 هوائي في وقت واحد من شأنه أن يبطئ بشكل كبير من أداء مجموعة العاكس. تجنب الباحثون هذه المشكلة من خلال دمج مجموعة الهوائي مباشرة على رقائق الكمبيوتر. نظرًا لأن مغيرات الطور صغيرة جدًا ، فهي عبارة عن ترانزستورين فقط ، فقد تمكنت من حجز حوالي 99 ٪ من المساحة الموجودة على الشريحة. يستخدمون هذه المساحة الإضافية للذاكرة ، بحيث يمكن لكل هوائي تخزين مكتبة من مراحل مختلفة.

“بدلاً من إخبار مجموعة الهوائيات هذه في الوقت الفعلي عن أي من 10000 هوائي يجب أن يوجه شعاعًا في اتجاه معين ، فأنت تخبره بذلك مرة واحدة ثم يتذكره. ثم تطلب ذلك ، وبشكل أساسي ، تجلب الصفحة من مكتبتها. اكتشفنا لاحقًا أن هذا يسمح لنا بالتفكير في استخدام تلك الذاكرة لتنفيذ الخوارزميات أيضًا ، والتي يمكن أن تحسن أداء مجموعة الهوائيات ، “يقول مونرو.

لتحقيق الأداء المطلوب ، يحتاج الباحثون إلى حوالي 10000 هوائي (المزيد من الهوائيات تسمح لهم بتوجيه الطاقة بشكل أكثر دقة) ، ولكن بناء شريحة كمبيوتر كبيرة بما يكفي لاستيعاب كل هذه الهوائيات يعد تحديًا كبيرًا في حد ذاته. لذلك اتخذوا نهجًا تطوريًا ، حيث قاموا ببناء شريحة واحدة صغيرة بها 49 هوائيًا مصممًا للتحدث نسخًا عن نفسه. ثم قاموا بتقسيم الرقائق إلى مصفوفة 14 × 14 وخياطتها مع أسلاك ذهبية مجهرية يمكنها توصيل الإشارات والطاقة إلى مجموعة الرقائق ، كما يوضح مونرو.

عمل الفريق مع Intel لتصنيع الرقائق والمساعدة في اللوحة بأكملها.

“لقد مكنت قدرات التجميع عالية الموثوقية المتقدمة من إنتل جنبًا إلى جنب مع أحدث ترانزستورات المعالجة السليكونية Intel 16 عالية التردد فريقنا من ابتكار وتقديم منصة تصوير مدمجة وفعالة وقابلة للتطوير للترددات التي تقل عن التيراهيرتز. هذه النتائج الجذابة تعزز التعاون البحثي بين إنتل ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا “، كما يقول دوجياميس.

يقول هان: “قبل هذا البحث ، لم يكن الأشخاص حقًا يجمعون بين تقنيات تيراهيرتز وتقنيات رقائق أشباه الموصلات لتحقيق هذا التكوين الشعاعي الفائق الحدة والذي يتم التحكم فيه إلكترونيًا”. “لقد رأينا هذه الفرصة ، وكذلك من خلال تقنيات الدوائر الفريدة ، توصلنا إلى دوائر مدمجة للغاية ولكنها فعالة أيضًا على الرقاقة حتى نتمكن من التحكم بشكل فعال في سلوك الموجة في هذه المواقع. من خلال الاستفادة من تقنية IC ، يمكننا الآن تمكين بعض السلوكيات الرقمية والذاكرة المدمجة التي لم تكن موجودة بالتأكيد في الماضي. نعتقد أنه باستخدام أشباه الموصلات ، يمكنك حقًا تمكين شيء مذهل.

مجموعة من التطبيقات

لقد أظهروا الصفيف الانعكاسي من خلال أخذ قياسات تسمى مخططات الإشعاع ، والتي تصف الاتجاه الزاوي الذي يشع فيه الهوائي طاقته. لقد كانوا قادرين على تركيز الطاقة بدقة شديدة ، بحيث كان عرض الحزمة درجة واحدة فقط ، وكانوا قادرين على توجيه هذا الشعاع بخطوات درجة واحدة.

عند استخدامه كمصور ، ينتقل الشعاع العريض بدرجة واحدة في نمط متعرج فوق كل نقطة في المشهد ويخلق صورة بعمق ثلاثي الأبعاد. على عكس شبكات تيراهيرتز الأخرى ، والتي يمكن أن تستغرق ساعات أو حتى أيامًا لإنشاء صورة ، تعمل شبكاتهم في الوقت الفعلي.

نظرًا لأن هذه المصفوفة العاكسة تعمل بسرعة وهي مضغوطة ، فقد تكون مفيدة كمصور لسيارة ذاتية القيادة ، خاصة وأن موجات التيراهيرتز يمكن أن ترى من خلال سوء الأحوال الجوية ، كما يقول مونرو. يمكن أيضًا أن يكون الجهاز مناسبًا تمامًا للطائرات بدون طيار ذاتية القيادة لأنه خفيف الوزن ولا يحتوي على أجزاء متحركة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تطبيق هذه التقنية في إعدادات الأمان ، مما يتيح استخدام ماسح ضوئي غير تدخلي للجسم يمكن أن يعمل في ثوانٍ بدلاً من دقائق ، كما يقول.

تعمل Monroe حاليًا مع سوق MIT Technology Licensing Market لتسويق التكنولوجيا من خلال شركة ناشئة.

في المختبر ، يأمل هان ومعاونوه في مواصلة تطوير هذه التكنولوجيا باستخدام التطورات الجديدة في أشباه الموصلات لتقليل التكلفة وتحسين أداء تجميع الرقائق.

يتم تمويل البحث من قبل شركة إنتل ومركز MIT للدوائر والأنظمة المتكاملة.


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button