蓋世汽車訊 據(jù)外媒報(bào)道，研究人員創(chuàng)造出一種設(shè)備，能以極高精度電子控制和聚焦一束太赫茲電磁能，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率、實(shí)時(shí)成像設(shè)備。這些設(shè)備的尺寸僅為其他雷達(dá)系統(tǒng)的百分之一，但比其他光學(xué)系統(tǒng)更穩(wěn)固。

位于微波和紅外光間的電磁波譜的太赫茲波，存在于“無(wú)人區(qū)”，即經(jīng)典電子設(shè)備和光學(xué)設(shè)備都無(wú)法有效地操縱它們的能量。但是這些高頻無(wú)線電波具有許多獨(dú)特特性，例如能夠穿過(guò)某些固體材料而不受X射線的健康影響。此外，這些太赫茲波還可以實(shí)現(xiàn)更高速的通信，或者可在有霧或塵土飛揚(yáng)的環(huán)境看清的視覺(jué)系統(tǒng)。

（圖片來(lái)源：麻省理工學(xué)院）

麻省理工學(xué)院太赫茲集成電子小組致力于彌合這種太赫茲差距。該小組由Ruonan Han副教授領(lǐng)導(dǎo)，目前已展示了最精確、電子可控的太赫茲天線陣列，含有最多的天線。該天線陣列，又稱“反射陣列（reflectarray）”，像可控鏡子一樣工作，其反射方向由計(jì)算機(jī)引導(dǎo)。

該反射陣列可將近10,000根天線組裝到信用卡大小的設(shè)備上，因此能將太赫茲能量束精確地聚焦在一個(gè)微小區(qū)域上，并在沒(méi)有移動(dòng)部件時(shí)快速控制它。通過(guò)使用半導(dǎo)體芯片和創(chuàng)新制造技術(shù)，該反射陣列也可進(jìn)行可擴(kuò)展。

研究人員通過(guò)生成場(chǎng)景的3D深度圖像來(lái)演示該設(shè)備。這些圖像類似于由LiDAR（光檢測(cè)和測(cè)距）設(shè)備生成的圖像，但由于反射陣列使用的是太赫茲波而非光，因此該設(shè)備可在雨、霧或雪中有效運(yùn)行。該小型反射陣列還能夠雷達(dá)圖像，其生成角分辨率是科德角（Cape Cod）雷達(dá)所生成圖像的兩倍。雖然Cape Code雷達(dá)能夠覆蓋更大的區(qū)域，但該全新反射陣列是第一個(gè)為商用智能機(jī)器設(shè)備帶來(lái)軍用級(jí)分辨率的設(shè)備。

麻省理工學(xué)院的電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系（EECS）論文作者Nathan Monroe表示：“天線陣列非常有趣，我們只需改變饋送到每個(gè)天線的時(shí)間延遲就可改變能量集中的方向。因此，天線陣列可以替代機(jī)場(chǎng)中使用電機(jī)移動(dòng)的大型雷達(dá)天線。同樣，我們不需要任何移動(dòng)部件，僅需在電腦中改變位置即可?！?/p>

創(chuàng)造性的制造技術(shù)

對(duì)于典型的天線陣列，每個(gè)天線都會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生自己的無(wú)線電波功率，但這不僅會(huì)浪費(fèi)大量能量，還會(huì)帶來(lái)復(fù)雜性和信號(hào)分布挑戰(zhàn)，因此使得此類陣列在之前一直無(wú)法擴(kuò)展到所需的尺寸。取而代之的是，研究人員構(gòu)建了一個(gè)反射陣列，通過(guò)使用一個(gè)主要能源向天線發(fā)射太赫茲波，然后將能量反射到研究人員控制的方向（類似于屋頂衛(wèi)星天線）。在接收到能量后，每個(gè)天線在反射之前都會(huì)執(zhí)行時(shí)間延遲，從而將波束聚焦到特定方向。

Monro稱控制該時(shí)間延遲的移相器通常會(huì)消耗大量無(wú)線電波能量，有時(shí)甚至達(dá)90%。研究人員設(shè)計(jì)了一種新的移相器，僅由兩個(gè)晶體管制成，因此僅需消耗原來(lái)功率的一半。此外，典型的移相器需要外部電源（例如電源或電池）才能運(yùn)行，帶來(lái)功耗和發(fā)熱問(wèn)題。但新的移相器設(shè)計(jì)完全不消耗功率。

控制能量束是另一個(gè)問(wèn)題：計(jì)算和通信大量比特以同時(shí)控制10,000個(gè)天線會(huì)大大降低反射陣列的性能。通過(guò)將天線陣列直接集成到計(jì)算機(jī)芯片，研究人員可避免產(chǎn)生該問(wèn)題。因?yàn)橐葡嗥鞣浅Ｐ。挥袃蓚€(gè)晶體管，因此能夠節(jié)省芯片約99%的空間。研究人員可將該額外空間用于記憶，因此每個(gè)天線都可以存儲(chǔ)不同相位的庫(kù)。

Monroe表示：“無(wú)需實(shí)時(shí)告訴天線陣列這10,000個(gè)天線中哪一個(gè)需要將波束引導(dǎo)到某方向，而是僅需告訴一次，該天線陣列就會(huì)記住。然后操作員僅需撥動(dòng)陣列，陣列就會(huì)提取庫(kù)中的頁(yè)面。后來(lái)，我們發(fā)現(xiàn)可以使用該內(nèi)存實(shí)現(xiàn)算法，從而進(jìn)一步提高天線陣列的性能。”

為了所需性能，研究人員需要大約10,000根天線（天線越多，可更精確地控制能量），但不可能制造出如此之大的計(jì)算機(jī)芯片來(lái)容納所有這些天線。因此，研究人員采用了一種可擴(kuò)展的方法，構(gòu)建了一個(gè)帶有49根天線的單個(gè)小型芯片，可與自身的副本通信。Monroe解釋稱他們將芯片平鋪成14 x 14陣列，并用可傳遞信號(hào)及為芯片陣列供電的微型金線將它們縫合在一起。研究團(tuán)隊(duì)與英特爾合作制造芯片并協(xié)助組裝陣列。

Han表示：“在這項(xiàng)研究之前，人們并沒(méi)有將太赫茲技術(shù)和半導(dǎo)體芯片技術(shù)結(jié)合起已進(jìn)行波束形成。而我們將兩種技術(shù)結(jié)合，并采用了一些獨(dú)特的電路技術(shù)，在芯片上集成非常緊湊但高效的電路，因此可以有效地控制這些位置的波浪行為。通過(guò)利用集成電路技術(shù)，現(xiàn)在我們可以啟用一些元素內(nèi)存儲(chǔ)器和數(shù)字行為?！?/p>

應(yīng)用

研究人員通過(guò)輻射模式的測(cè)量展示了反射陣列。該輻射模式描述了天線輻射能量的角度方向。因此研究人員可以非常精確地聚焦能量，使光束寬度僅為1度，并且能夠以1度的步長(zhǎng)控制光束。

當(dāng)用作成像器時(shí)，1度寬的光束會(huì)在場(chǎng)景中的每個(gè)點(diǎn)上以鋸齒形模式移動(dòng)并創(chuàng)建3D深度圖像。與其他需數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天才能創(chuàng)建圖像的太赫茲陣列不同，該陣列可實(shí)時(shí)工作。

Monroe稱由于這種反射陣列工作迅速且非常緊湊，因此可用作自動(dòng)駕駛汽車的成像儀，特別是憑借太赫茲波可以在惡劣天氣下駕駛。該設(shè)備也非常適合自主無(wú)人機(jī)，因?yàn)樗亓枯p且沒(méi)有移動(dòng)部件。此外，該技術(shù)可以應(yīng)用于安全設(shè)置，使非侵入式身體掃描儀可以在幾秒鐘啟動(dòng)工作。

在實(shí)驗(yàn)室中，Han及其合作者希望通過(guò)利用半導(dǎo)體領(lǐng)域新技術(shù)來(lái)降低成本并提高芯片組裝的性能，從而繼續(xù)推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā)展。

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