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MIT发明新设备 可控制聚焦太赫兹能量以生成高分辨率图像

盖世汽车网    2022-02-22 18:20

盖世汽车讯 据外媒报道,研究人员创造出一种设备,能以极高精度电子控制和聚焦一束太赫兹电磁能,从而实现高分辨率、实时成像设备。这些设备的尺寸仅为其他雷达系统的百分之一,但比其他光学系统更稳固。

位于微波和红外光间的电磁波谱的太赫兹波,存在于“无人区”,即经典电子设备和光学设备都无法有效地操纵它们的能量。但是这些高频无线电波具有许多独特特性,例如能够穿过某些固体材料而不受X射线的健康影响。此外,这些太赫兹波还可以实现更高速的通信,或者可在有雾或尘土飞扬的环境看清的视觉系统。

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(图片来源:麻省理工学院)

 

麻省理工学院太赫兹集成电子小组致力于弥合这种太赫兹差距。该小组由Ruonan Han副教授领导,目前已展示了最精确、电子可控的太赫兹天线阵列,含有最多的天线。该天线阵列,又称“反射阵列(reflectarray)”,像可控镜子一样工作,其反射方向由计算机引导。

该反射阵列可将近10,000根天线组装到信用卡大小的设备上,因此能将太赫兹能量束精确地聚焦在一个微小区域上,并在没有移动部件时快速控制它。通过使用半导体芯片和创新制造技术,该反射阵列也可进行可扩展。

研究人员通过生成场景的3D深度图像来演示该设备。这些图像类似于由LiDAR(光检测和测距)设备生成的图像,但由于反射阵列使用的是太赫兹波而非光,因此该设备可在雨、雾或雪中有效运行。该小型反射阵列还能够雷达图像,其生成角分辨率是科德角(Cape Cod)雷达所生成图像的两倍。虽然Cape Code雷达能够覆盖更大的区域,但该全新反射阵列是第一个为商用智能机器设备带来军用级分辨率的设备。

麻省理工学院的电气工程和计算机科学系(EECS)论文作者Nathan Monroe表示:“天线阵列非常有趣,我们只需改变馈送到每个天线的时间延迟就可改变能量集中的方向。因此,天线阵列可以替代机场中使用电机移动的大型雷达天线。同样,我们不需要任何移动部件,仅需在电脑中改变位置即可。”

创造性的制造技术

对于典型的天线阵列,每个天线都会在内部产生自己的无线电波功率,但这不仅会浪费大量能量,还会带来复杂性和信号分布挑战,因此使得此类阵列在之前一直无法扩展到所需的尺寸。取而代之的是,研究人员构建了一个反射阵列,通过使用一个主要能源向天线发射太赫兹波,然后将能量反射到研究人员控制的方向(类似于屋顶卫星天线)。在接收到能量后,每个天线在反射之前都会执行时间延迟,从而将波束聚焦到特定方向。

Monro称控制该时间延迟的移相器通常会消耗大量无线电波能量,有时甚至达90%。研究人员设计了一种新的移相器,仅由两个晶体管制成,因此仅需消耗原来功率的一半。此外,典型的移相器需要外部电源(例如电源或电池)才能运行,带来功耗和发热问题。但新的移相器设计完全不消耗功率。

控制能量束是另一个问题:计算和通信大量比特以同时控制10,000个天线会大大降低反射阵列的性能。通过将天线阵列直接集成到计算机芯片,研究人员可避免产生该问题。因为移相器非常小,只有两个晶体管,因此能够节省芯片约99%的空间。研究人员可将该额外空间用于记忆,因此每个天线都可以存储不同相位的库。

Monroe表示:“无需实时告诉天线阵列这10,000个天线中哪一个需要将波束引导到某方向,而是仅需告诉一次,该天线阵列就会记住。然后操作员仅需拨动阵列,阵列就会提取库中的页面。后来,我们发现可以使用该内存实现算法,从而进一步提高天线阵列的性能。”

为了所需性能,研究人员需要大约10,000根天线(天线越多,可更精确地控制能量),但不可能制造出如此之大的计算机芯片来容纳所有这些天线。因此,研究人员采用了一种可扩展的方法,构建了一个带有49根天线的单个小型芯片,可与自身的副本通信。Monroe解释称他们将芯片平铺成14 x 14阵列,并用可传递信号及为芯片阵列供电的微型金线将它们缝合在一起。研究团队与英特尔合作制造芯片并协助组装阵列。

Han表示:“在这项研究之前,人们并没有将太赫兹技术和半导体芯片技术结合起已进行波束形成。而我们将两种技术结合,并采用了一些独特的电路技术,在芯片上集成非常紧凑但高效的电路,因此可以有效地控制这些位置的波浪行为。通过利用集成电路技术,现在我们可以启用一些元素内存储器和数字行为。”

应用

研究人员通过辐射模式的测量展示了反射阵列。该辐射模式描述了天线辐射能量的角度方向。因此研究人员可以非常精确地聚焦能量,使光束宽度仅为1度,并且能够以1度的步长控制光束。

当用作成像器时,1度宽的光束会在场景中的每个点上以锯齿形模式移动并创建3D深度图像。与其他需数小时甚至数天才能创建图像的太赫兹阵列不同,该阵列可实时工作。

Monroe称由于这种反射阵列工作迅速且非常紧凑,因此可用作自动驾驶汽车的成像仪,特别是凭借太赫兹波可以在恶劣天气下驾驶。该设备也非常适合自主无人机,因为它重量轻且没有移动部件。此外,该技术可以应用于安全设置,使非侵入式身体扫描仪可以在几秒钟启动工作。

在实验室中,Han及其合作者希望通过利用半导体领域新技术来降低成本并提高芯片组装的性能,从而继续推动这项技术不断发展。

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责任编辑: 4161HSS

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