Οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis, δημιούργησαν έναν αισθητήρα προτύπου που μπορεί να εγκαινιάσει μια νέα εποχή για τα ραντάρ μικροκυμάτων. Πράγματι, αποκαλούν τον σχεδιασμό του “αδύνατο ενδεχόμενο” που κατασκευάστηκε πραγματικότητα.
Τα ραντάρ μικροκυμάτων χρησιμοποιούν γρήγορα κινούμενα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, στοχεύοντας αντικείμενα για να προσδιορίσουν την κίνησή τους, τη θέση τους και την ταχύτητά τους με βάση την αντανάκλαση αυτών των κυμάτων. Αυτό που ξεχωρίζει τα κυματομονάδα είναι η ακρίβειά τους στις λεπτομερείς κινήσεις και η ικανότητά τους να συλλέγουν δεδομένα από πολύ μικρά αντικείμενα.
Ο νέος αισθητήρας χρησιμοποιεί έναν καινοτόμο σχεδιασμό ραντάρ μικροκυμάτων για την ανίχνευση δονήσεων χίλιες φορές μικρότερων και αλλαγών στη θέση ενός στόχου εκατό φορές μικρότερες από ένα νήμα ανθρώπινης τρίχας, καθιστώντας τον καλύτερο ή συγκρίσιμο με τους πιο ακριβείς αισθητήρες του κόσμου. Παρά ταύτα, αντίθετα με τους ομοίους του, είναι το μέγεθος ενός σπόρου σησαμιού, φθηνό στην παραγωγή και διαθέτει μακρά διάρκεια μπαταρίας.
Ο Καθηγητής Omeed Momeni και το εργαστήριό του στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ηγήθηκαν της προσπάθειας. Αυτό αποτελεί μέρος ενός διαρκούς έργου που χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Έρευνας για τη Φύτευση και τη Γεωργία (FFAR), με σκοπό την ανάπτυξη ενός χαμηλού κόστους αισθητήρα που να μπορεί να καταγράφει την κατάσταση του νερού σε μεμονωμένα φυτά. Αυτό το νέο ραντάρ αποτελεί το απαραίτητο βήμα που αποδεικνύει την εφικτότητα του σχεδίου. Το έργο δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό IEEE Journal of Solid-State Circuits.
Πρόκληση των υψηλών συχνοτήτων χιλιοστομέτρων
Το υπερύθρο κύμα είναι η ηλεκτρομαγνητική συχνότητα μεταξύ των μικροκυμάτων και του υπερύθρου, κυμαίνεται από 30 έως 300 γιγαχέρτζ. Επιτρέπει γρήγορα δίκτυα επικοινωνίας, όπως το 5G, και είναι επιθυμητό για τις ικανότητές του για ανίχνευση σε μικρές αποστάσεις. Ωστόσο, μπορεί να είναι δύσκολο να χειριστεί λόγω της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας και της περιορισμένης απόδοσης των ημιαγωγών σε αυτές τις συχνότητες
Το κύριο πρόβλημα που αντιμετώπισε η ομάδα κατά τη διάρκεια του πρώτου έτους εργασίας στον αισθητήρα ήταν η εστίαση στην επιθυμητή πηγή. Υπήρχε τόσο πολύ θόρυβος ώστε, όταν οι ερευνητές προσπαθούσαν να ανιχνεύσουν το ευαίσθητο σήμα ενός λεπτού φύλλου, τα αισθητήριά τους κατακλύζονταν.
“Φάνηκε πραγματικά αδύνατο γιατί τα επίπεδα θορύβου που εξετάζαμε χρειαζόταν να είναι τόσο χαμηλά, ώστε σχεδόν καμία πηγή σήματος δεν θα μπορούσε πραγματικά να το χειριστεί”, δήλωσε ο Momeni.
Σε ένα σημείο, δεν ήταν σίγουροι αν θα μπορούσαν να ξεπεράσουν την πρόκληση, με την ομάδα του να σημειώνει ότι θα χρειαζόταν να κατασκευαστεί ένα ραντάρ chip που θα ήταν 10 φορές πιο ισχυρό και ακριβές από τον τρέχοντα προηγμένο σχεδιασμό – κάτι που φάνηκε εξαρτημένο από τεχνολογικές εξελίξεις που θα μπορούσαν να είναι χρόνια μπροστά στο μέλλον.
Συντονισμός σε διαφορετική συχνότητα Κάποιες φορές, ό,τι χρειάζεσαι είναι μια ιδέα που προσεγγίζει το πρόβλημα από διαφορετική γωνία. Εισέρχεται ο Hao Wang, διδακτορικός φοιτητής στην ηλεκτρολογία στο Εργαστήριο Υψηλής Ταχύτητας Ενσωματωμένων Συστημάτων του Μομένι, ο οποίος εργάστηκε στο έργο του αισθητήρα πριν από το αποφοίτησε το 2021.
Ο Wang είχε ένα στιγμιαίο έμπνευσης για να παρακάμψει τους τεχνολογικούς περιορισμούς κατά τη διάρκεια μιας συνάντησης με τον Momeni: Γιατί να μην ακυρώσουμε το θόρυβο με τον ίδιο του τον εαυτό; Αυτό θα λύνε τεθέν πρόβλημα που αντιμετώπιζαν τα αισθητήριά τους, και ο Wang ήταν έτοιμος με έναν σχεδιασμό ενός chip για τη διατριβή του που θα έκανε ακριβώς αυτό.
“Αυτό δεν ήταν κάτι που προήλθε από το κενό, ένα καινούριο έννοια”, είπε ο Wang. “Βασίστηκε σε αυτό που έχουμε συσσωρεύσει [στο εργαστήριο του Μομένι] από έρευνα κατά τα έτη – και μετά καινοτομείς περισσότερο.”
Το εργαστήριο εργάστηκε γρήγορα για να συναρμολογήσει ένα πρωτότυπο για να δοκιμάσει την ιδέα του Wang. Λειτούργησε από την πρώτη προσπάθεια.
Το πρωτότυπο επιτυγχάνει αυτό γιατί τους επέτρεψε να χειρίζονται τον όγκο του θορύβου που λαμβάνει το αισθητήριο τους σαν ένα απλό αριθμητικό πρόβλημα. Αφαιρούν τον περιττό θόρυβο ενώ διατηρούν την ευαισθησία της μέτρησής τους και την ακεραιότητα των δεδομένων τους.
Με αυτήν την τεχνική, ο αισθητήρας χιλιοστομέτρων μπορούσε να ανιχνεύσει όλες τις πληροφορίες που χρειαζόταν χωρίς να “θαπτεί” από το θόρυβο. Αυτή η καινοτομία ενέδυσε τον αισθητήρα με υψηλά ποσοστά ακρίβειας.
Ο τσιπ του Wang είναι επίσης εύκολο να παραχθεί και διαθέτει ένα μοναδικό σχεδιασμό που βελτιώνει σημαντικά την ενεργειακή απόδοση του αισθητήρα χιλιοστομέτρων. Αυτές οι επιπλέον εξελίξεις μπορεί να λύσουν δύο από τα πιο σημαντικά προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι αισθητήρες χιλιοστομέτρων: η υψηλή κατανάλωση ενέργειας και η περιορισμένη απόδοση των ημιαγωγικών τρανζίστορ σε ό,τι αφορά το θόρυβο, το κέρδος και την ισχύ εξόδου.
Καθώς η ομάδα συνεχίζει να τελειοποιεί και να εξελίσσει τον σχεδιασμό της, είναι ενθουσιασμένη για το γεγονός ότι οι ερευνητές θα δοκιμάσουν τη νέα τεχνολογία. Εκτός από το FFAR project τους, πιστεύουν ότι υπάρχει υπόσχεση για την ανίχνευση της δομικής ακεραιότητας των κτιρίων και τη βελτίωση της εικονικής πραγματικότητας, αλλά πιστεύουν ότι έχει πολύ μεγαλύτερο δυναμικό απ’ ό,τι κατανοούν αυτή τη στιγμή.
