Инженеры-электрики Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали самую сложную в мире «фазированную решетку» - или радиочастотную интегральную схему. Ожидается, что этот аванс, финансируемый DARPA, найдет свое применение в оборонных спутниковых системах связи и радарах США. Кроме того, инновации в дизайне этого чипа, скорее всего, перейдут в коммерческие приложения, такие как автомобильные спутниковые системы для прямого телевещания и новые методы высокоскоростной беспроводной передачи данных.
“Это первый 16-элементный чип с фазированной решеткой, способный работать на частоте 30-50 ГГц. Равномерность и низкая связь между элементами, низкое потребление тока и небольшой размер - всего 3,2 на 2,6 квадратных миллиметра - беспрецедентны. В целом система имеет много новшеств», - сказал Габриэль Ребейс, профессор электротехники из Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Франциско, возглавляющий проект.
Этот чип - интеллектуальный массивный передатчик UCSD DARPA Q-Band 4x4 - является исключительно передатчиком. «Мы работаем над чипом, который может выполнять функции передачи и приема», - сказал Ребейз.
«Этот компактный чип формирования луча обеспечит прорыв в размерах, весе, производительности и стоимости в фазированных решетках следующего поколения для военных сенсоров и систем связи миллиметрового диапазона», - говорится в заявлении представителей DARPA.
“DARPA финансировало нас, чтобы попытаться получить все на одном кремниевом чипе, что значительно снизило бы стоимость фазированных решеток. В больших количествах производство этого нового чипа будет стоить несколько долларов. Очевидно, это только передатчик. Вам по-прежнему нужен приемник, но можно легко построить микросхему приемника на основе конструкций, доступных в микросхеме передатчика. Наша работа направлена на наиболее дорогостоящую часть фазированной решетки - делитель 16:1, фазовращатели, регуляторы амплитуды, а также на единообразие и изоляцию между каналами», - сказал Ребейз
Чип также содержит все цифровые схемы CMOS, необходимые для полного цифрового управления фазированной решеткой, и был выполнен с использованием коммерческого процесса Jazz SBC18HX. Это первый случай, который значительно снижает сложность изготовления фазированной решетки. Чип предназначен для использования на частоте оборонной спутниковой связи - Q-диапазоне, который простирается от 40 до 50 ГГц.
«Если вы возьмете ту же конструкцию и переместите ее в диапазон 24 или 60 ГГц, вы сможете использовать ее для коммерческой наземной связи», - сказал Ребейс, который также является руководителем отдельного проекта, финансируемого Intel и Грант UC-Discovery для создания кремниевых чипов с фазированной решеткой CMOS, которые можно было бы встраивать в ноутбуки и использовать в качестве инструментов высокоскоростной передачи данных.
Проект Intel является результатом сотрудничества между Ребейсом, Ларри Ларсоном и Яном Гальтоном - профессорами электротехники Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Ларсон также является заведующим кафедрой электротехники и вычислительной техники.
«Если вы хотите загрузить большой файл фильма, базовая станция может найти вас, приблизиться к вам и направить луч на чип вашего приемника. Это может обеспечить очень быструю передачу сотен гигабайт информации без подключения кабеля или соблюдения требований к выравниванию беспроводной оптической передачи данных», - пояснил Ребейс, который подсчитал, что такая система может быть доступна всего через три года..
Информация о фазированных решетках
Фазированные решетки существуют уже более полувека. Это группы антенн, в которых относительные фазы подаваемых на них сигналов изменяются таким образом, что эффективная диаграмма направленности решетки усиливается в определенном направлении и подавляется в нежелательных направлениях. Это свойство в сочетании с тем фактом, что радиоволны могут проходить сквозь облака и большинство других материалов, блокирующих оптические системы связи, побудило инженеров использовать фазированные решетки для спутниковой связи, а также для обнаружения приближающихся самолетов, кораблей и ракет.
Некоторые фазированные решетки больше, чем рекламные щиты на шоссе, а самые мощные из них, используемые в качестве сложных радаров, систем наблюдения и связи для военных самолетов и кораблей, могут стоить сотни миллионов долларов. Высокая стоимость предотвратила значительное распространение за пределы военных приложений и приложений спутниковой связи высокого класса. В настоящее время инженеры работают над их миниатюризацией и полной интеграцией в электронные системы на основе кремния как для военных, так и для коммерческих приложений.
Новый чип UCSD упаковывает 16 каналов в чип размером 3,2 на 2,6 мм². Входной сигнал внутри чипа разделяется на 16 различных путей с одинаковой амплитудой и фазой с использованием инновационной конструкции, а фаза и усиление каждого из 16 каналов управляются электронным способом, чтобы направить диаграмму направленности антенны (луч) в определенном направлении.
Управляя фазой, вы можете управлять лучом электронным способом за наносекунды. С помощью амплитуды вы контролируете ширину луча, что очень важно, например, когда вы отправляете информацию с одного спутника на другой, но не хотите, чтобы сигнал достиг каких-либо ближайших спутников. А с управлением амплитудой и фазой вы можете синтезировать глубокие нули в диаграмме направленности антенны, чтобы значительно уменьшить влияние мешающих сигналов от соседних передатчиков.
Работа была выполнена двумя аспирантами, Кванг-Джин Кох и Джейсон Мэй, оба на факультете электротехники и вычислительной техники (ECE) в UCSD. Ребейз представил новый чип на собрании DARPA TEAM 28-29 августа 2007 г. в Чикаго, штат Иллинойс. Дополнительные сведения о чипе будут представлены в научном журнале позднее в этом году.