Credit: CC0公共领域研究人员创造了一种设备，使他们能够以极高的精度电子控制和聚焦一束太赫兹电磁能量。这为高分辨率、实时成像设备打开了大门，这些设备的尺寸是其他雷达系统的百分之一，比其他光学系统更鲁棒。太赫兹波位于微波和红外光之间的电磁波谱上，存在于一个经典电子设备和光学设备都无法有效操纵其能量的“无人区”。但是这些高频rad io波有许多独特的属性，比如能够穿过某些固体材料，而不会受到X射线的健康影响。它们还可以实现更高速度的通信，或者可以看穿雾天或灰尘环境的视觉系统。
麻省理工学院的太赫兹集成电子小组，由副教授韩若楠领导，旨在弥合这种所谓的太赫兹差距。这些研究人员现在已经展示了最精确、电子可控的太赫兹天线阵列，它包含最多的天线。被称为“反射阵列”的天线阵列就像一面可控的镜子，其反射方向由计算机控制。
reflectarray将近10，000个天线封装在一个信用卡大小的设备上，可以将一束太赫兹能量精确地聚焦在一个微小的区域上，并在没有移动部件的情况下快速控制它。使用半导体芯片和创新的制造技术构建，反射阵列也是可扩展的。
研究人员通过生成场景的3D深度图像来演示该设备。这些图像类似于激光雷达(光探测和测距)设备生成的图像，但因为反射阵列使用太赫兹波而不是光，所以它可以在雨、雾或雪中有效地工作。这个小型反射阵列还能够生成雷达图像，其角分辨率是科德角雷达图像的两倍，科德角是一个从太空中都能看到的巨大建筑。虽然Cape Code雷达能够覆盖更大的区域，但新的reflectarray首次为商用智能机器的设备带来了军用级别的分辨率。
“天线阵列非常有趣，因为只需改变馈送到每个天线的时间延迟，就可以改变能量聚焦的方向，而且它完全是电子的，”论文的第一作者内森·门罗说，他13岁，MNG 17岁，最近在麻省理工学院电气工程和计算机科学系(EECS)完成了博士学位。“因此，它可以替代机场里那些用马达驱动的大型雷达天线。我们可以做同样的事情，但我们不需要任何移动部件，因为我们只是改变了计算机中的一些比特。”
合著者包括EECS研究生陈希碧；英特尔公司的圣乔治·多吉亚米斯、罗伯特·斯廷格尔和普雷斯顿·迈尔斯；以及论文高级作者韩。这项研究将在国际固态电路会议上发表。
创造性的制造技术
对于典型的天线阵列，每个天线都在内部产生自己的无线电波功率，这不仅浪费了大量的能量，而且造成了复杂性和信号分配的挑战，这在以前阻碍了这种阵列扩展到所需的尺寸。相反，研究人员建立了一个反射阵列，使用一个主要的能源向天线发射太赫兹波，然后天线向研究人员控制的方向反射能量(类似于屋顶卫星天线)。在接收到能量后，每个天线在反射能量之前会执行一段时间延迟，从而将波束聚焦在一个特定的方向。
门罗说，控制时间延迟的移相器通常会消耗大量无线电波的能量，有时高达90%。他们设计了一种新的移相器，只由两个晶体管组成，因此功耗只有一半。此外，典型的移相器需要诸如电源或电池之类的外部电源来工作，这产生了功耗和发热的巨大问题。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——计算和传送足够的比特来同时控制10，000个天线会大大降低反射阵列的性能。研究人员通过将天线阵列直接集成到计算机芯片上来避免这个问题。因为移相器很小，只有两个晶体管，它们能够在芯片上保留大约99%的空间。它们将这些额外的空间用于存储，因此每个天线可以存储不同相位的库。
“你只需要告诉它一次，然后它就会记住，而不是实时告诉这个天线阵列10，000个天线中的哪一个需要将波束导向某个方向。然后你只需拨号，它就会把页面从库中取出来。门罗说:“我们后来发现，这使我们能够考虑使用这种内存来实现算法，这可以进一步提高天线阵列的性能。”
为了实现他们想要的性能，研究人员需要大约10，000根天线(更多的天线可以让他们更精确地控制能量)，但不可能建造一个足够大的计算机芯片来容纳所有这些天线。因此，他们采取了一种可扩展的方法，构建了一个带有49个天线的单个小型芯片，旨在与自身的副本进行对话。门罗解释说，然后他们将芯片平铺成一个14 x 14的阵列，并用可以传递信号并为芯片阵列供电的微细金线将它们缝合在一起。
该团队与英特尔合作制造芯片，并协助组装阵列。
“在这项研究之前，人们真的没有结合太赫兹技术和半导体芯片技术来做这种波束形成，”韩说。“我们看到了这个机会，并利用一些独特的电路技术，在芯片上设计了一些非常紧凑但也很有效的电路，因此我们可以有效地控制这些位置的波浪行为。通过发展集成电路技术，现在我们可以实现一些元件内存储和数字行为，这在过去肯定是不存在的。我们强烈认为，使用半导体，你真的可以实现一些令人惊叹的东西。”
一系列应用
他们通过测量所谓的辐射模式来演示反射阵列，辐射模式描述了天线辐射能量的角度方向。他们能够非常精确地聚焦能量，所以光束只有一度宽，并且能够以一度的步长控制光束。
当用作成像仪时，1度宽的光束在场景中的每个点上以之字形移动，并创建3D深度图像。不同于其他需要几个小时甚至几天才能成像的太赫兹阵列，他们的阵列是实时工作的。
门罗说，因为这种反射阵列工作迅速，而且非常紧凑，所以它可以用作自动驾驶汽车的成像仪，特别是因为太赫兹波可以看穿恶劣的天气。该设备也非常适合自主无人机，因为它重量轻，没有移动部件。此外，该技术可以应用于安全设置，使非侵入式人体扫描仪可以在几秒钟而不是几分钟内工作，他说。
门罗目前正与麻省理工学院技术许可市场合作，通过一家初创公司将该技术推向市场。
在实验室中，韩和他的合作者希望通过使用半导体领域的新进展来降低成本和提高芯片组件的性能，从而继续推动这项技术的发展。
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