Creato un dispositivo Reflecarray delle dimensioni di una carta di credito che concentra l'energia terahertz per generare immagini ad alta risoluzione
I ricercatori hanno creato un dispositivo che consente loro di guidare e focalizzare elettronicamente un raggio di energia elettromagnetica terahertz con estrema precisione. Questo apre la porta a dispositivi di imaging in tempo reale ad alta risoluzione che sono centesimi di dimensioni rispetto ad altri sistemi radar e più robusti di altri sistemi ottici.
Le onde terahertz, localizzate sullo spettro elettromagnetico tra le microonde e la luce infrarossa, esistono in una “terra di nessuno” dove né l'elettronica classica né i dispositivi ottici possono manipolare efficacemente la loro energia. Ma queste onde radio ad alta frequenza hanno molte proprietà uniche, come la capacità di passare attraverso determinati materiali solidi senza gli effetti sulla salute dei raggi X. Possono anche abilitare comunicazioni a velocità più elevata o sistemi di visione in grado di vedere attraverso ambienti nebbiosi o polverosi.
Il Terahertz Integrated Electronics Group del MIT, guidato dal Professore Associato Ruonan Han, (1) cerca di colmare questo cosiddetto divario terahertz. Questi ricercatori hanno ora dimostrato l'array di antenne terahertz più preciso, orientabile elettronicamente, che contiene il maggior numero di antenne. L'array di antenne, chiamato “reflexarray”, funziona come uno specchio controllabile con la sua direzione di riflessione guidata da un computer.
Il riflettore, che racchiude quasi 10.000 antenne su un dispositivo delle dimensioni di una carta di credito, può focalizzare con precisione un raggio di energia terahertz su un'area minuscola e controllarlo rapidamente senza parti in movimento. Costruito utilizzando chip semiconduttori e tecniche di fabbricazione innovative, il riflettore è anche scalabile.
I ricercatori hanno dimostrato il dispositivo generando immagini di profondità 3D delle scene. Le immagini sono simili a quelle generate da un dispositivo LiDAR (rilevamento e portata della luce), ma poiché il riflettore utilizza onde terahertz invece della luce, può funzionare efficacemente in caso di pioggia, nebbia o neve. Questo piccolo riflettore è stato anche in grado di generare immagini radar con una risoluzione angolare doppia rispetto a quelle prodotte da un radar a Cape Cod, un edificio così grande da essere visibile dallo spazio. Mentre il radar Cape Code è in grado di coprire un'area molto più ampia, il nuovo riflettore è il primo a portare una risoluzione di livello militare a un dispositivo per macchine intelligenti commerciali.
«Gli array di antenne sono molto interessanti perché, semplicemente modificando i ritardi di tempo che vengono alimentati a ciascuna antenna, puoi cambiare la direzione in cui viene focalizzata l'energia ed è completamente elettronico», afferma il dottor Nathan Monroe (2) '13, MNG '17, per primo autore dell'articolo che ha recentemente completato il suo dottorato di ricerca presso il MIT’s Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS). «Quindi, rappresenta un'alternativa a quelle grandi antenne radar che vedi in aeroporto che si muovono con i motori. Possiamo fare la stessa cosa, ma non abbiamo bisogno di parti mobili perché stiamo solo cambiando alcuni bit in un computer».
I coautori includono lo studente laureato EECS Xibi Chen; Georgios Dogiamis, Robert Stingel e Preston Myers di Intel Corporation; e Han, autore senior dell'articolo. La ricerca è stata presentata all'International Solid-State Circuit Conference.
Tecniche di fabbricazione inventiva
Con i tipici array di antenne, ogni antenna genera internamente la propria potenza di onde radio, che non solo spreca molta energia, ma crea anche complessità e problemi di distribuzione del segnale che in precedenza impedivano a tali array di scalare al numero di antenne richieste. Invece, i ricercatori hanno costruito un riflettore che utilizza una fonte principale di energia per sparare onde terahertz alle antenne, che poi riflettono l'energia in una direzione che i ricercatori controllano (simile a una parabola satellitare sul tetto). Dopo aver ricevuto l'energia, ciascuna antenna esegue un ritardo prima di rifletterla, che focalizza il raggio in una direzione specifica.
Gli sfasatori che controllano quel ritardo in genere consumano molta dell'energia delle onde radio, a volte fino al 90 percento, dice Monroe. Hanno progettato un nuovo sfasatore composto da soli due transistor, quindi consuma circa la metà della potenza. Inoltre, i tipici sfasatori richiedono una fonte di alimentazione esterna come un alimentatore o una batteria per il loro funzionamento, il che crea problemi con il consumo di energia e il riscaldamento. Il nuovo design del cambio di fase non consuma affatto energia.
Dirigere il raggio di energia è un altro problema: calcolare e comunicare abbastanza bit per controllare 10.000 antenne contemporaneamente rallenterebbe drasticamente le prestazioni del riflettore. I ricercatori hanno evitato questo problema integrando l'array di antenne direttamente sui chip del computer. Poiché gli sfasatori sono così piccoli, solo due transistor, sono stati in grado di riservare circa il 99 percento dello spazio sul chip. Usano questo spazio extra per la memoria, quindi ogni antenna può memorizzare una libreria di fasi diverse.
Il dottor Nathan Monroe spiega: «Invece di dire a questo array di antenne in tempo reale quale delle 10.000 antenne ha bisogno di dirigere un raggio in una certa direzione, devi solo dirlo una volta e poi si ricorda. Quindi lo componi e essenzialmente estrae la pagina dalla sua libreria. Abbiamo scoperto in seguito che questo ci consente di pensare all'utilizzo di questa memoria anche per implementare algoritmi, che potrebbero migliorare ulteriormente le prestazioni dell'array di antenne. Per ottenere le prestazioni desiderate, i ricercatori avevano bisogno di circa 10.000 antenne (più antenne consentono loro di guidare l'energia in modo più preciso), ma la costruzione di un chip per computer abbastanza grande da contenere tutte quelle antenne è di per sé una grande sfida. Quindi hanno adottato un approccio scalabile, costruendo un unico, piccolo chip con 49 antenne progettato per comunicare con copie di se stesso. Quindi hanno affiancato i chip in una matrice 14 x 14 e li hanno cuciti insieme con fili d'oro microscopici in grado di comunicare segnali e alimentare la matrice di chip».
Il team ha collaborato con Intel per fabbricare i chip e assistere con l'assemblaggio dell'array.
«Le capacità di assemblaggio avanzate ad alta affidabilità di Intel, combinate con i transistor ad alta frequenza all'avanguardia del processo al silicio Intel 16, hanno consentito al nostro team di innovare e fornire una piattaforma di imaging compatta, efficiente e scalabile a frequenze inferiori ai terahertz. Tali risultati convincenti rafforzano ulteriormente la collaborazione di ricerca Intel-MIT», afferma il dottor Georgios C. Dogiamis.
«Prima di questa ricerca, le persone non combinavano davvero le tecnologie terahertz e le tecnologie dei chip semiconduttori per realizzare questa formazione del raggio ultra nitida e controllata elettronicamente», afferma Ruonan Han. «Abbiamo visto questa opportunità e, anche con alcune tecniche di circuito uniche, abbiamo creato dei circuiti molto compatti ma anche efficienti sul chip in modo da poter controllare efficacemente il comportamento dell'onda in queste posizioni. Sfruttando la tecnologia dei circuiti integrati, ora possiamo abilitare alcuni comportamenti digitali e di memoria negli elementi, che è sicuramente qualcosa che non esisteva in passato. Riteniamo fortemente che utilizzando i semiconduttori si possa davvero abilitare qualcosa di straordinario».
Una serie di applicazioni
Hanno dimostrato il riflettore effettuando misurazioni chiamate schemi di radiazione, che descrivono la direzione angolare in cui un'antenna irradia la sua energia. Sono stati in grado di focalizzare l'energia in modo molto preciso, quindi il raggio era largo solo un grado e sono stati in grado di dirigere quel raggio a incrementi di un grado.
Quando viene utilizzato come imager, il raggio largo un grado si sposta a zigzag su ogni punto di una scena e crea un'immagine di profondità 3D. A differenza di altri array terahertz, che possono richiedere ore o addirittura giorni per creare un'immagine, il loro funziona in tempo reale.
«Poiché questo riflettore funziona rapidamente ed è compatto, potrebbe essere utile come imager per un'auto a guida autonoma, soprattutto perché le onde terahertz possono vedere attraverso il maltempo, afferma Monroe. Il dispositivo potrebbe anche essere adatto per droni autonomi perché è leggero e non ha parti mobili. Inoltre, la tecnologia potrebbe essere applicata nelle impostazioni di sicurezza, consentendo un body scanner non intrusivo che potrebbe funzionare in pochi secondi anziché in minuti, afferma il dottor Monroe che sta attualmente lavorando con il MIT Technology Licensing Market per portare la tecnologia sul mercato attraverso una startup.
In laboratorio, Han e i suoi collaboratori sperano di continuare a portare avanti questa tecnologia utilizzando i nuovi progressi nel campo dei semiconduttori per ridurre i costi e migliorare le prestazioni dell'assieme di chip.
La ricerca è finanziata da Intel Corporation e dal MIT Center of Integrated Circuits and Systems.
Riferimenti:
(1) Ruonan Han
(2) Nathan Monroe
Descrizione foto:
Foto sinistra: Ex fascio Terahertz a semiconduttore, con quasi diecimila elementi incorporati - Credit: per gentile concessione dei ricercatori.
Foto destra: Questa simulazione illustra il controllo preciso dell'energia Terahertz prodotta dall'array di antenne, abilitato da chip CMOS piastrellati e nuovi progressi nella progettazione di circuiti e sistemi Terahertz. - Credit: per gentile concessione dei ricercatori.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Credit Card-Sized “Reflectarray” Device Focuses Terahertz Energy To Generate High-Resolution Images