Novel circulador miniaturizado abre caminho para dobrar a capacidade wireless

Pesquisadores desenvolvem um substituto microeletrônica para componentes magnéticos de maior escala e abrir um caminho para comunicações mais eficientes e sistemas de radar mais capazes

Desde o advento do circuito integrado em 1958, o mesmo ano, a Advanced Research Projects Agency foi criada, os engenheiros foram tocando cada vez mais a integração de microeletrônica em cada vez menos chip de imóveis. Agora tornou-se rotina para embalar milhares de milhões de transistores em chips do tamanho de unhas.

DARPA (o D para a Defesa foi adicionado pela primeira vez em 1972) tem desempenhado um papel fundamental neste milagre contínuo de miniaturização, dando origem a capacidades militares e civis novas e às vezes revolucionárias em domínios tão diversos como a comunicação, a recolha de informações e processamento de informação óptica. Agora, uma equipe DARPA financiado tem miniaturizado drasticamente componentes eletrônicos altamente especializadas chamadas circuladores e, pela primeira vez integrado-los em circuitos à base de silício padrão.

O feito pode levar a uma duplicação de radiofrequência (RF) capacidade para comunicações intencionados sem fio ainda mais rápido na web busca e de downloads, por exemplo, bem como o desenvolvimento de menor, menos caro e mais facilmente atualizados arranjos de antenas para radar, inteligência de sinais e outras aplicações.

O trabalho, financiado no âmbito do DARPA Arrays no Prazos Comerciais programa (ACT) , foi conduzido por engenheiros da Universidade de Columbia Harish Krishnaswamy e Negar Reiskarimian e descritos no 15 de abril de 2016 edição da revista Nature Communications .

A característica definidora de circuladores é que os sinais de RF, sob a forma de ondas eletrônicas no circuito, viajar apenas para a frente com a propagação reverso da onda proibido pela física do circuito. Isso é o que você precisa para minimizar a interferência on-chip e para manter sinais separados. 

A maioria dos materiais não podem desempenhar esse papel porque o tráfego RF pode fluir nos dois sentidos através deles; estes materiais apresentam o que os engenheiros referem-se ao comportamento como recíproco. componentes não recíprocas, como o novo circulador, por outro lado, atuar como rodovias de sentido único para sinais de RF. Tradicionalmente, circuladores têm contado com, ímãs externos à base de ferrite para forçar sinais de RF em um one-way curso através de circuitos a jusante.

Esses ímãs de ferrite e materiais tornaram os circuladores volumosos, caros e incompatíveis com a tecnologia laborioso microcircuito, conhecido pelos íntimos como CMOS, que está para semicondutor de óxido metálico complementar. Por isso, tem sido difícil para miniaturizar circuladores para CMOS circuitos integrados.

Os pesquisadores Columbia ficou em torno deste obstáculo para a miniaturização por surgir com um projeto pioneiro que elimina a necessidade de ferrite e ímãs volumosos. 

Seu projeto atinge o fluxo de RF de uma via com uma série de capacitores coordenados com um relógio minúsculo e precisa, emulando eletronicamente o "twist"-ditando direção magnética que, circuladores de ferrite convencionais é imposta aos sinais de RF por um campo magnético externo. 

Isso design inovador possibilita uma montagem microeletrônica sem precedentes: um receptor conectado a uma "rampa de acesso" (ou porto) da nova estrutura de circulação; um transmissor ligado a outra porta da mesma bomba de circulação; e uma antena partilhado por estes dois dispositivos minúsculos, em si ligada ao circulador através de uma terceira porta situada entre as outras duas. 

Desde a propagação RF é uma forma (não recíproco) no circulador, os sinais transmitidos e recebidos sem problemas percorrer seus respectivos caminhos, sem se misturar um com o outro.

Que a segregação limpa de sinais recebidos e transmitidos abre uma nova e poderosa capacidade. Na maioria dos sistemas RF de duas vias, transmissão e recepção em uma determinada frequência tem que ser escalonada no tempo, com um processo de comutação, retardando a velocidade de comunicação. A maneira de contornar esse gargalo tenha sido para transmitir e receber em duas frequências diferentes, o que requer o dobro de um espectro muito-recurso limitado. 

Em contrapartida, o novo circulador mindinho do tamanho de um prego abre a porta para comunicações e de sistemas de radar a operarem em modo de duplex completo que é, transmitir e receber na mesma frequência ao mesmo tempo com uma única antena partilhada.

"Este novo componente circulador poderia permitir que os sistemas full-duplex que lhe permitem falar e ouvir tudo de uma vez", disse William Chappell, diretor de Tecnologia Microsystems Gabinete do DARPA. Em aplicações de radar, esta capacidade poderia pôr fim a breve mas potencialmente mortal momentos cegos desde que o sistema não teria que alternar entre os modos de transmissão e recepção separadas. E por reduzir para metade as necessidades de frequências, Krishnaswamy disse, "a comunicação full-duplex tem potencial para dobrar a capacidade de uma rede" para voz, dados e outras formas de informação. 

No radar poderoso e outros sistemas RF que exigem grandes conjuntos de transmissores e receptores, ele continuou, "um circulador compacta, eficiente e de alta performance" torna mais fácil para engenheiros de RF para tornar seus sistemas mais pequenos. Finalmente, observou Chappell, recurso CMOS de compatibilidade do novo circulador é fundamental, porque ele deve facilitar a integração de métodos de chip de produção existentes, o que poderia tornar toda a diferença entre uma conquista laboratório que fica no laboratório e que transforma uma série de tecnologias de RF.

Fonte: http://www.darpa.mil