Bilim insanları Kaliforniya Üniversitesi, Davis Milimetrik dalga radarları için yeni bir çağ başlatabilecek bir kavram kanıtı sensörü yarattılar. Aslında tasarımına “imkansız bir görevin” mümkün kılınması diyorlar.
Milimetre dalga radarları, hızlı hareket eden elektromanyetik dalgaları kullanarak nesneleri hedefleyerek bu dalgaların yansımasına dayalı olarak hareketlerini, konumlarını ve hızlarını belirler. Milimetre dalgalarını diğerlerinden ayıran şey, dakika hareketlerine karşı keskin hassasiyetleri ve son derece küçük nesnelerden veri toplama konusundaki ustalıklarıdır.
Yeni sensör, insan saçı telinden bin kat daha küçük titreşimleri ve hedefin konumundaki değişiklikleri yüz kat daha küçük bir şekilde tespit etmek için yenilikçi bir milimetrik dalga radar tasarımı kullanıyor; bu da onu dünyanın en doğru sensörlerinden daha iyi veya eşit hale getiriyor. Ancak benzerlerinden farklı olarak susam tanesi büyüklüğünde, üretimi ucuz ve uzun pil ömrüne sahip.
Profesör Omeed Momeni ve Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’ndeki laboratuvarı bu çabaya öncülük etti. Bu, Gıda ve Tarım Araştırma Vakfı (FFAR) tarafından finanse edilen ve bireysel bitkilerin su durumunu takip edebilen düşük maliyetli bir sensör geliştirmeye yönelik devam eden bir projenin parçası. Bu yeni radar bunun mümkün olduğunu kanıtlayan gerekli bir basamaktır. Çalışma yakın zamanda dergide yayımlandı. (IEEE Katı Hal Devreleri Dergisi.)
Milimetrik dalgaların meydan okuması
Milimetre dalgası, mikrodalgalar ve kızılötesi arasındaki, 30 ila 300 gigahertz arasında değişen elektromanyetik frekanstır. 5G gibi hızlı iletişim ağlarına olanak tanır ve kısa mesafeli algılama yetenekleri nedeniyle tercih edilir. Ancak yüksek güç tüketimi ve sınırlı performans nedeniyle çalışmak zor olabilir.
Ekibin sensör üzerinde çalıştığı ilk yıl boyunca karşılaştığı temel sorun, istenen kaynağa ulaşmaktı. O kadar çok gürültü vardı ki, araştırmacılar küçük bir yaprak incelmesinin hassas sinyalini almaya çalıştıklarında sensörleri bastırıldı.
Momeni, “Bu gerçekten imkansız görünüyordu çünkü baktığımız gürültü seviyelerinin neredeyse hiçbir sinyal kaynağının bunu kaldıramayacağı kadar düşük olması gerekiyordu” dedi.
Bir noktada, bu zorluğun üstesinden gelip gelemeyeceklerinden emin değillerdi; ekibi, mevcut en son teknolojiye sahip tasarımdan 10 kat daha güçlü ve doğru bir radar çipi oluşturmaları gerektiğini belirtti. yıllar sonra olabilecek teknolojik gelişmelere bağımlı görünüyordu.
Farklı bir frekansa ayarlama
Bazen ihtiyacınız olan tek şey, konuya başka bir açıdan yaklaşan bir fikirdir. Momeni’nin Yüksek Hızlı Entegre Sistemler Laboratuvarı’nda elektrik mühendisliği doktora öğrencisi olan ve 2021’de mezun olmadan önce sensör projesinde çalışan Hao Wang’a girin.
Wang, bir gün Momeni ile buluştuğunda teknolojik kısıtlamaları aşmak için bir an ilham aldı: Neden gürültüyü kendisi ile iptal etmiyorsunuz? Bu, sensörlerin karşılaştığı sorunu teorik olarak çözecekti ve Wang, tam da bunu yapmak için tezi için bir çip tasarımını tamamlıyordu.
Wang, “Bu bir anda ortaya çıkan yepyeni bir konsept değildi” dedi. “Bu söylediklerimize dayanıyordu [in Momeni’s lab] Yıllar boyunca yapılan araştırmalardan birikmiş şeyler var ve sonra daha fazla yenilik yapıyorsunuz.”
Laboratuvar, Wang’ın fikrini test edecek bir prototip oluşturmak için hızlı bir şekilde çalıştı. İlk denemelerinde işe yaradı.
Prototip başarılı oldu çünkü sensörlerinin aldığı gürültünün hacmini basit bir aritmetik problemi gibi ele almalarına olanak sağladı. Ölçümlerinin hassasiyetini ve verilerinin bütünlüğünü korurken gereksiz gürültüyü çıkardılar.
Bu teknikle, milimetre dalga sensörü ihtiyaç duyduğu tüm bilgiyi gürültünün “boğulmasına” neden olmadan tespit edebildi. Bu yenilik sensörün yüksek kesinlik oranlar.
Wang’ın çipinin üretimi de basit ve milimetre dalga sensörünün enerji verimliliğini büyük ölçüde artıran benzersiz bir tasarıma sahip. Bu ek gelişmeler, milimetre dalga sensörlerinin karşılaştığı en önemli sorunlardan ikisini çözebilir: yüksek enerji tüketimi ve yarı iletken transistörlerin gürültü, kazanç ve çıkış gücü açısından sınırlı performansı.
Ekip, tasarımlarını geliştirmeye ve yinelemeye devam ettikçe, araştırmacıların tasarımla deneme yapmaları konusunda heyecan duyuyorlar. FFAR projelerinin dışında, binaların yapısal bütünlüğünü tespit etme ve sanal gerçekliği iyileştirme konusunda ümit verici olduğunu düşünüyorlar ancak düşündüklerinden çok daha fazla potansiyele sahip olduğuna inanıyorlar.
Referans: Hao Wang, Hamidreza Afzal ve Omeed Momeni tarafından yazılan “Dördülsüz Kenar Tahrikli Faz Demodülatörüne Sahip Son Derece Doğru ve Hassas Bir mmWave Deplasman Algılamalı Doppler Radarı”, 25 Nisan 2023, IEEE Katı Hal Devreleri Dergisi.
Araştırma Gıda ve Tarım Araştırma Vakfı tarafından finanse edildi.