Los investigadores han creado un dispositivo que les permite dirigir y enfocar electrónicamente un haz de energía electromagnética de terahercios con extrema precisión. Esto abre la puerta a dispositivos de imágenes en tiempo real de alta resolución que son centésimas del tamaño de otros sistemas de radar y más robustos que otros sistemas ópticos.

Las ondas de terahercios, ubicadas en el espectro electromagnético entre las microondas y la luz infrarroja, existen en una “tierra de nadie” donde ni la electrónica clásica ni los dispositivos ópticos pueden manipular efectivamente su energía. Pero estas ondas de radio de alta frecuencia tienen muchas propiedades únicas, como la capacidad de atravesar ciertos materiales sólidos sin los efectos de los rayos X sobre la salud. También pueden permitir comunicaciones de mayor velocidad o sistemas de visión que pueden ver a través de entornos con niebla o polvo.

El Grupo de Electrónica Integrada de Terahercios del MIT, dirigido por el Profesor Asociado Ruonan Han, busca cerrar esta llamada brecha de terahercios. Estos investigadores ahora han demostrado el conjunto de antenas de terahercios más preciso, dirigible electrónicamente, que contiene la mayor cantidad de antenas. El conjunto de antenas, llamado "reflectarray", funciona como un espejo controlable con su dirección de reflexión guiada por una computadora.

El reflectarray, que incluye casi 10.000 antenas en un dispositivo del tamaño de una tarjeta de crédito, puede enfocar con precisión un haz de energía de terahercios en un área diminuta y controlarlo rápidamente sin partes móviles. Construido con chips semiconductores y técnicas de fabricación innovadoras, el reflectarray también es escalable.

Los investigadores demostraron el dispositivo generando imágenes de profundidad en 3D de escenas. Las imágenes son similares a las generadas por un dispositivo LiDAR (detección y rango de luz), pero debido a que el reflectarray usa ondas de terahercios en lugar de luz, puede operar de manera efectiva en lluvia, niebla o nieve. Este pequeño reflectarray también fue capaz de generar imágenes de radar con el doble de resolución angular que las producidas por un radar en Cape Cod, que es un edificio tan grande que es visible desde el espacio. Si bien el radar de Cape Code puede cubrir un área mucho más grande, el nuevo reflectarray es el primero en llevar una resolución de grado militar a un dispositivo para máquinas inteligentes comerciales.

"Los conjuntos de antenas son muy interesantes porque, con solo cambiar los retrasos de tiempo que se alimentan a cada antena, puede cambiar la dirección en la que se enfoca la energía, y es completamente electrónico", dice Nathan Monroe ´13, MNG ´17, primero autor del artículo que recientemente completó su doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT. “Entonces, se presenta como una alternativa a esos grandes radares que se ven en el aeropuerto que se mueven con motores. Podemos hacer lo mismo, pero no necesitamos piezas móviles porque solo estamos cambiando algunos bits en una computadora”.

Los coautores incluyen al estudiante graduado de EECS Xibi Chen; Georgios Dogiamis, Robert Stingel y Preston Myers de Intel Corporation; y Han, autor principal del artículo. La investigación se presenta en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido.

Técnicas de fabricación inventivas.

Con conjuntos de antenas típicos, cada antena genera su propia energía de ondas de radio internamente, lo que no solo desperdicia mucha energía, sino que también genera complejidad y desafíos en la distribución de la señal que anteriormente impedían que dichos conjuntos se escalaran a la cantidad de antenas requeridas. En su lugar, los investigadores construyeron un reflectarray que utiliza una fuente principal de energía para disparar ondas de terahercios a las antenas, que luego reflejan la energía en una dirección que controlan los investigadores (similar a una antena parabólica en la azotea). Después de recibir la energía, cada antena realiza un tiempo de retardo antes de reflejarla, lo que enfoca el haz en una dirección específica.

Los cambiadores de fase que controlan ese retraso de tiempo normalmente consumen una gran cantidad de energía de las ondas de radio, a veces hasta el 90 por ciento, dice Monroe. Diseñaron un nuevo cambiador de fase que está hecho de solo dos transistores, por lo que consume aproximadamente la mitad de energía. Además, los cambiadores de fase típicos requieren una fuente de alimentación externa, como una fuente de alimentación o una batería para su funcionamiento, lo que crea problemas con el consumo de energía y el calentamiento. El nuevo diseño de cambio de fase no consume energía en absoluto.

Dirigir el haz de energía es otro problema: calcular y comunicar suficientes bits para controlar 10.000 antenas a la vez reduciría drásticamente el rendimiento del reflectarray. Los investigadores evitaron este problema integrando el conjunto de antenas directamente en los chips de computadora. Debido a que los cambiadores de fase son tan pequeños, solo dos transistores, pudieron reservar alrededor del 99 por ciento del espacio en el chip. Usan este espacio adicional para la memoria, por lo que cada antena puede almacenar una biblioteca de diferentes fases.

“En lugar de decirle a este conjunto de antenas en tiempo real cuál de las 10,000 antenas necesita dirigir un haz en una dirección determinada, solo necesita decirle una vez y luego lo recuerda. Luego simplemente marca eso y esencialmente saca la página de su biblioteca. Descubrimos más tarde que esto nos permite pensar en usar esta memoria para implementar algoritmos, lo que podría mejorar aún más el rendimiento del conjunto de antenas”, dice Monroe.

Para lograr el rendimiento deseado, los investigadores necesitaron alrededor de 10.000 antenas (más antenas les permite dirigir la energía con mayor precisión), pero construir un chip de computadora lo suficientemente grande como para contener todas esas antenas es un gran desafío en sí mismo. Así que adoptaron un enfoque escalable, construyendo un solo chip pequeño con 49 antenas que está diseñado para comunicarse con copias de sí mismo. Luego colocaron los chips en mosaicos en una matriz de 14 x 14 y los unieron con cables de oro microscópicos que pueden comunicar señales y alimentar la matriz de chips, explica Monroe.

El equipo trabajó con Intel para fabricar los chips y ayudar con el ensamblaje de la matriz.

“Las capacidades de ensamblaje avanzadas de alta confiabilidad de Intel combinadas con los transistores de alta frecuencia de última generación del proceso de silicio Intel 16 permitieron a nuestro equipo innovar y ofrecer una plataforma de imágenes compacta, eficiente y escalable en frecuencias inferiores a los terahercios. Tales resultados convincentes fortalecen aún más la colaboración de investigación Intel-MIT”, dice Dogiamis.

“Antes de esta investigación, la gente realmente no combinaba tecnologías de terahercios y tecnologías de chips semiconductores para realizar esta formación de haz ultranítida y controlada electrónicamente”, dice Han. “Vimos esta oportunidad y, también con algunas técnicas de circuito únicas, creamos algunos circuitos muy compactos pero también eficientes en el chip para que podamos controlar de manera efectiva el comportamiento de la ola en estos lugares. Al aprovechar la tecnología de circuitos integrados, ahora podemos habilitar algunos comportamientos digitales y de memoria en el elemento, que definitivamente es algo que no existía en el pasado. Creemos firmemente que al usar semiconductores, realmente se puede habilitar algo asombroso”.

Una variedad de aplicaciones

Demostraron el reflectarray tomando medidas llamadas patrones de radiación, que describen la dirección angular en la que una antena irradia su energía. Pudieron enfocar la energía con mucha precisión, por lo que el rayo tenía solo un grado de ancho y pudieron dirigir ese rayo en pasos de un grado.

Cuando se utiliza como generador de imágenes, el haz de un grado de ancho se mueve en un patrón de zigzag sobre cada punto de una escena y crea una imagen de profundidad 3D. A diferencia de otras matrices de terahercios, que pueden tardar horas o incluso días en crear una imagen, la suya funciona en tiempo real.

Debido a que este reflectarray funciona rápidamente y es compacto, podría ser útil como generador de imágenes para un automóvil autónomo, especialmente porque las ondas de terahercios pueden ver a través del mal tiempo, dice Monroe. El dispositivo también podría ser adecuado para drones autónomos porque es liviano y no tiene partes móviles. Además, la tecnología podría aplicarse en entornos de seguridad, lo que permitiría un escáner corporal no intrusivo que podría funcionar en segundos en lugar de minutos, dice.

Monroe está trabajando actualmente con el Mercado de licencias de tecnología del MIT para llevar la tecnología al mercado a través de una startup.

En el laboratorio, Han y sus colaboradores esperan continuar impulsando esta tecnología mediante el uso de nuevos avances en el campo de los semiconductores para reducir el costo y mejorar el rendimiento del ensamblaje del chip.

La investigación está financiada por Intel Corporation y el Centro de Circuitos y Sistemas Integrados del MIT.