چاپ مدولاتور موج میلی متری و ساخت آنتن آرایه فازی برای ارتباطات برگشتی

قبل از آشنا شدن با مدولاتور موج میلی متری و آنتن آرایه فازی باید بدانیم که اهمیت این دو چیست. تعداد گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و سایر دستگاه‌های متصل به اینترنت پیوسته روبه افزایش است و این شبکه دستگاه‌های متصل، که به آن اینترنت اشیا (IoT) نیز می‌گویند، مستلزم انتقال داده‌های کلان در اینترنت می‌باشد.

ترافیک پرحجم تبادل اطلاعات بین دستگاه‌های اینترنت اشیا در سراسر جهان، دانشمندان علوم کامپیوتر را بر آن داشته‌ است تا سیستم‌های ارتباطی قوی و مقیاس‌پذیری طراحی کنند که کاربران بتوانند با کمک آن‌ها به سرعت و بدون مصرف انرژی زیاد، داده‌ها را بین دستگاه‌ها منتقل کنند. از رویکردهای امیدوارکننده در راستای برقراری ارتباط بی‌سیم می‌توان به تکنیک «امواج رادیویی انعکاسی» (backscatter radio) اشاره کرد.

اصولاً در تکنیک امواج رادیویی انعکاسی، برقراری ارتباط بی‌سیم از طریق فرآیندی موسوم به «بازتاب» (reflection) صورت می‌گیرد و نه پرتونگاری (radiation). در فرآیند بازتاب، انتقال داده ها بدون نیاز به باتری یا اتصال به شبکه برق امکان‌پذیر است. در واقع، یک آنتن سیگنال‌های فرکانس رادیویی را دریافت می‌کند.

رادیوهای برگشتی مزایای مختلفی دارند؛ از جمله آن‌ها می‌توان هزینه پایین تولید، حداقل پیچیدگی و قابلیت استفاده بدون باتری را نام برد. با این حال، برای دستیابی به نرخ داده‌ی بالا و کاهش مصرف انرژی، کماکان لازم است تکنیک‌های پیشرفته ارتباط بی‌سیم را در این ابزارها بگنجانیم.

محققانِ دانشگاه هریوت وات Herriot-Watt University و آزمایشگاه‌های بلِ شرکت نوکیا، به تازگی سیستم جدیدی برای برقراری ارتباطات برگشتی با نرخ انتقال داده بر حسب گیگابایت طراحی کرده‌اند. این سیستم، که متشکل از یک مدولاتور موج میلی متری و یک آنتن آرایه فازی است، موفق شد نرخ داده بی‌نظیری بر حسب بیت کسب کند و رکورد مصرف انرژی بسیار پایینی ثبت کند. مقاله معرفی این سیستم در ژورنال  Nature Electronics منتشر شده است.

ترانزیستور شبه بلوری با قابلیت تحریک الکترونی بالا

اعضای این تیم پژوهشی عبارتند از: جان کیمیونیس، آپوستولو جورجیادیس، اسپایریدن نکتاریوس داسکالکیس و مانوس ام. تنتزاریس. طبق توضیحات آن‌ها، «فرانت‌اِند این فرکانسِ رادیویی شامل یک آنتنِ پَچِ میکرواستریپ و یک ترانزیستور شبه بلوری با قابلیت تحریک الکترونی بالا pseudomorphic high-electron-mobility transistor است. این ترانزیستور طیف وسیعی از فرمت‌های مدولاسیون را در بر می‌گیرد، از جمله کلیدگذاری تغییر فاز باینری، کلیدگذاری تغییر فاز کوادراتور و مدولاسیون کیوآام (quadrature amplitude modulation)».

کیمیونیس و همکارانش مدار داخل سیستم را با استفاده از تکنیکی موسوم به «چاپ جوهر افشان» طراحی کردند. به منظور چاپ مدار، پژوهشگران به طور مشخص، جوهر نانوذرات نقره را بر روی لایه کریستال مایع انعطاف‌پذیر افشاندند.

آن‌ها موفق شدند یک فرستنده-گیرنده موج میلی متری طراحی کنند که سیگنال‌های برگشتی را ضبط کرده و آن‌ها را برای پردازش سیگنال دیجیتالی هدایت کند. محققان در مطالعاتی که تاکنون صورت گرفته است، مدولاسیون آنالوگ سیگنال‌های برگشتی را بررسی کرده‌اند، در حالی که کیمیونیس و همکارانش در این پژوهش با معرفی سیگنال کنترل آنالوگ و تامین این ترانزسیتور در حوزه تجارت، یک گام فراتر نهاده‌اند.

در ارزیابی‌های اولیه، مدولاتور موج میلی متری چاپ شده و سیستم مبتنی بر آنتن فازی ارائه شده در این پژوهش، نتایج بسیار امیدوارکننده‌ای در پی داشتند. نرخ داده‌ی بدست آمده از این سیستم در انتقال برگشتی با  فرکانس‌ موج میلی متری 24 تا 28 گیگاهرتز و با مصرف انرژی 17/0 پتاژول در ازای هر بیتِ فرانت‌اند، برابر 2 گیگابیت بر حسب ثانیه بوده است.

در آینده، پس انتشار فرکانس‌های میلی متری می توانند سازگاری دستگاه‌ها با 5G را، بدون نیاز به ترکیب اجزای پیچیده یا گران قیمت، گسترش دهد. این پژوهش هم راستای ظرفیت سیستم‌هایی است که امکان اضافه نمودن انتشار برگشتی موج میلی متری را دارند، مانند سیستم‌هایی که کیمیونیس و همکارانش توسعه دادند.