蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，研究人員創(chuàng)造出一種設備，能以極高精度電子控制和聚焦一束太赫茲電磁能，從而實現(xiàn)高分辨率、實時成像設備。這些設備的尺寸僅為其他雷達系統(tǒng)的百分之一，但比其他光學系統(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“無人區(qū)”，即經(jīng)典電子設備和光學設備都無法有效地操縱它們的能量。但是這些高頻無線電波具有許多獨特特性，例如能夠穿過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現(xiàn)更高速的通信，或者可在有霧或塵土飛揚的環(huán)境看清的視覺系統(tǒng)。

（圖片來源：麻省理工學院）

麻省理工學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副教授領導，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，其反射方向由計算機引導。

該反射陣列可將近10,000根天線組裝到信用卡大小的設備上，因此能將太赫茲能量束精確地聚焦在一個微小區(qū)域上，并在沒有移動部件時快速控制它。通過使用半導體芯片和創(chuàng)新制造技術，該反射陣列也可進行可擴展。

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

麻省理工學院的電氣工程和計算機科學系（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天線的時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場中使用電機移動的大型雷達天線。同樣，我們不需要任何移動部件，僅需在電腦中改變位置即可?！?/p>

創(chuàng)造性的制造技術

對于典型的天線陣列，每個天線都會在內(nèi)部產(chǎn)生自己的無線電波功率，但這不僅會浪費大量能量，還會帶來復雜性和信號分布挑戰(zhàn)，因此使得此類陣列在之前一直無法擴展到所需的尺寸。取而代之的是，研究人員構建了一個反射陣列，通過使用一個主要能源向天線發(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，每個天線在反射之前都會執(zhí)行時間延遲，從而將波束聚焦到特定方向。

Monro稱控制該時間延遲的移相器通常會消耗大量無線電波能量，有時甚至達90%。研究人員設計了一種新的移相器，僅由兩個晶體管制成，因此僅需消耗原來功率的一半。此外，典型的移相器需要外部電源（例如電源或電池）才能運行，帶來功耗和發(fā)熱問題。但新的移相器設計完全不消耗功率。

控制能量束是另一個問題：計算和通信大量比特以同時控制10,000個天線會大大降低反射陣列的性能。通過將天線陣列直接集成到計算機芯片，研究人員可避免產(chǎn)生該問題。因為移相器非常小，只有兩個晶體管，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，因此每個天線都可以存儲不同相位的庫。

Monroe表示：“無需實時告訴天線陣列這10,000個天線中哪一個需要將波束引導到某方向，而是僅需告訴一次，該天線陣列就會記住。然后操作員僅需撥動陣列，陣列就會提取庫中的頁面。后來，我們發(fā)現(xiàn)可以使用該內(nèi)存實現(xiàn)算法，從而進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算機芯片來容納所有這些天線。因此，研究人員采用了一種可擴展的方法，構建了一個帶有49根天線的單個小型芯片，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，并用可傳遞信號及為芯片陣列供電的微型金線將它們縫合在一起。研究團隊與英特爾合作制造芯片并協(xié)助組裝陣列。

Han表示：“在這項研究之前，人們并沒有將太赫茲技術和半導體芯片技術結合起已進行波束形成。而我們將兩種技術結合，并采用了一些獨特的電路技術，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。通過利用集成電路技術，現(xiàn)在我們可以啟用一些元素內(nèi)存儲器和數(shù)字行為?！?/p>

應用

研究人員通過輻射模式的測量展示了反射陣列。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度的步長控制光束。

當用作成像器時，1度寬的光束會在場景中的每個點上以鋸齒形模式移動并創(chuàng)建3D深度圖像。與其他需數(shù)小時甚至數(shù)天才能創(chuàng)建圖像的太赫茲陣列不同，該陣列可實時工作。

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。該設備也非常適合自主無人機，因為它重量輕且沒有移動部件。此外，該技術可以應用于安全設置，使非侵入式身體掃描儀可以在幾秒鐘啟動工作。

在實驗室中，Han及其合作者希望通過利用半導體領域新技術來降低成本并提高芯片組裝的性能，從而繼續(xù)推動這項技術不斷發(fā)展。

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