Autonome voertuigen die afhankelijk zijn van op licht gebaseerde beeldsensoren hebben vaak moeite om door verblindende omstandigheden heen te kijken, zoals mist. Maar MIT-onderzoekers hebben een sub-terahertz-stralingsontvangstsysteem ontwikkeld dat zou kunnen helpen auto's zonder bestuurder te sturen wanneer traditionele methoden falen.

Sub-terahertz golflengten, die tussen microgolf- en infraroodstraling in het elektromagnetische spectrum liggen, kan gemakkelijk worden gedetecteerd door mist en stofwolken, terwijl de op infrarood gebaseerde LiDAR-beeldvormingssystemen die in autonome voertuigen worden gebruikt, het moeilijk hebben. Om objecten te detecteren, een sub-terahertz-beeldvormingssysteem zendt een initieel signaal via een zender; een ontvanger meet vervolgens de absorptie en reflectie van de terugkaatsende sub-terahertz-golflengten. Dat stuurt een signaal naar een processor die een afbeelding van het object nabootst.

Maar het implementeren van sub-terahertz-sensoren in auto's zonder bestuurder is een uitdaging. Gevoelig, nauwkeurige objectherkenning vereist een sterk uitgangsbasisbandsignaal van ontvanger naar processor. Traditionele systemen, gemaakt van discrete componenten die dergelijke signalen produceren, zijn groot en duur. Kleiner, on-chip sensorarrays bestaan, maar ze produceren zwakke signalen.

In een paper online gepubliceerd op 8 februari door de IEEE Journal of Solid-State Circuits , beschrijven de onderzoekers een tweedimensionale, sub-terahertz ontvangende array op een chip die orden van grootte gevoeliger is, wat betekent dat het sub-terahertz-golflengten beter kan vastleggen en interpreteren in de aanwezigheid van veel signaalruis.

Om dit te behalen, ze implementeerden een schema van onafhankelijke signaalmengpixels - "heterodyne detectoren" genoemd - die meestal erg moeilijk te integreren zijn in chips. De onderzoekers hebben de grootte van de heterodyne detectoren drastisch gekrompen, zodat veel van hen in een chip passen. De truc was om een ​​compacte, multifunctionele component die tegelijkertijd ingangssignalen kan downmixen, synchroniseer de pixelarray, en produceren sterke uitgangsbasisbandsignalen.

De onderzoekers bouwden een prototype, die een array van 32 pixels heeft geïntegreerd op een apparaat van 1,2 vierkante millimeter. De pixels zijn ongeveer 4, 300 keer gevoeliger dan de pixels in de beste on-chip sub-terahertz array-sensoren van vandaag. Met een beetje meer ontwikkeling, de chip kan mogelijk worden gebruikt in auto's zonder bestuurder en autonome robots.

"Een grote motivatie voor dit werk is het hebben van betere 'elektrische ogen' voor autonome voertuigen en drones, " zegt co-auteur Ruonan Han, een universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica, en directeur van de Terahertz Integrated Electronics Group in de MIT Microsystems Technology Laboratories (MTL). "Onze goedkope, on-chip sub-terahertz-sensoren zullen een aanvullende rol spelen bij LiDAR voor wanneer de omgeving ruw is."

Naast Han op het papier zijn eerste auteur Zhi Hu en co-auteur Cheng Wang, zowel Ph.D. studenten van de afdeling Elektrotechniek en Informatica die werkzaam zijn in de onderzoeksgroep van Han.

Gedecentraliseerd ontwerp

De sleutel tot het ontwerp is wat de onderzoekers 'decentralisatie' noemen. Bij dit ontwerp is een enkele pixel - een "heterodyne" pixel genoemd - genereert de frequentieslag (het frequentieverschil tussen twee inkomende sub-terahertz-signalen) en de "lokale oscillatie, " een elektrisch signaal dat de frequentie van een ingangsfrequentie verandert. Dit "down-mixing" proces produceert een signaal in het megahertz-bereik dat gemakkelijk kan worden geïnterpreteerd door een basisbandprocessor.

Het uitgangssignaal kan worden gebruikt om de afstand van objecten te berekenen, vergelijkbaar met hoe LiDAR de tijd berekent die een laser nodig heeft om een ​​object te raken en terug te kaatsen. In aanvulling, het combineren van de uitgangssignalen van een reeks pixels, en de pixels in een bepaalde richting sturen, kan afbeeldingen met een hoge resolutie van een scène inschakelen. Dit maakt niet alleen de detectie mogelijk, maar ook de herkenning van objecten, wat van cruciaal belang is in autonome voertuigen en robots.

Heterodyne pixelarrays werken alleen wanneer de lokale oscillatiesignalen van alle pixels zijn gesynchroniseerd, wat betekent dat een signaalsynchronisatietechniek nodig is. Gecentraliseerde ontwerpen omvatten een enkele hub die lokale oscillatiesignalen deelt met alle pixels.

Deze ontwerpen worden meestal gebruikt door ontvangers van lagere frequenties, en kan problemen veroorzaken op sub-terahertz-frequentiebanden, waar het genereren van een krachtig signaal van een enkele hub notoir moeilijk is. Naarmate de array groter wordt, het vermogen dat door elke pixel wordt gedeeld, neemt af, het verminderen van de uitgangsbasisbandsignaalsterkte, die sterk afhankelijk is van de kracht van het lokale oscillatiesignaal. Als resultaat, een signaal dat door elke pixel wordt gegenereerd, kan erg zwak zijn, wat leidt tot een lage gevoeligheid. Sommige on-chip sensoren zijn begonnen met dit ontwerp, maar zijn beperkt tot acht pixels.

Het gedecentraliseerde ontwerp van de onderzoekers pakt deze afweging van schaalgevoeligheid aan. Elke pixel genereert zijn eigen lokale oscillatiesignaal, gebruikt voor het ontvangen en downmixen van het inkomende signaal. In aanvulling, een geïntegreerde koppeling synchroniseert zijn lokale oscillatiesignaal met dat van zijn buurman. Dit geeft elke pixel meer uitgangsvermogen, aangezien het lokale oscillatiesignaal niet van een globale hub stroomt.

Een goede analogie voor het nieuwe gedecentraliseerde ontwerp is een irrigatiesysteem, zegt Han. Een traditioneel irrigatiesysteem heeft één pomp die een krachtige waterstroom door een pijpleidingnetwerk leidt dat water naar veel sprinklerlocaties distribueert. Elke sprinkler spuugt water uit dat een veel zwakkere stroom heeft dan de aanvankelijke stroom van de pomp. Als u wilt dat de sprinklers met exact dezelfde snelheid pulseren, dat zou een ander controlesysteem vereisen.

Het ontwerp van de onderzoekers, anderzijds, geeft elke site zijn eigen waterpomp, het elimineren van de noodzaak voor het aansluiten van pijpleidingen, en geeft elke sproeier zijn eigen krachtige wateropbrengst. Elke sprinkler communiceert ook met zijn buurman om hun hartslag te synchroniseren. "Met ons ontwerp er is in wezen geen grens voor schaalbaarheid, ", zegt Han. "Je kunt zoveel sites hebben als je wilt, en elke locatie pompt nog steeds dezelfde hoeveelheid water... en alle pompen pulseren samen."

De nieuwe architectuur, echter, maakt de voetafdruk van elke pixel mogelijk veel groter, die een grote uitdaging vormt voor de grootschalige, integratie met hoge dichtheid op een array-manier. In hun ontwerp, combineerden de onderzoekers verschillende functies van vier traditioneel afzonderlijke componenten:antenne, downmixer, oscillator, en koppelaar - in een enkele "multitasking" -component die aan elke pixel wordt gegeven. Dit zorgt voor een gedecentraliseerd ontwerp van 32 pixels.

"We hebben een multifunctioneel onderdeel ontworpen voor een [gedecentraliseerd] ontwerp op een chip en combineren een paar discrete structuren om de grootte van elke pixel te verkleinen, " zegt Hu. "Hoewel elke pixel ingewikkelde bewerkingen uitvoert, het behoudt zijn compactheid, dus we kunnen nog steeds een grootschalige dichte array hebben."

Geleid door frequenties

Om het systeem de afstand van een object te laten meten, de frequentie van het lokale oscillatiesignaal moet stabiel zijn.

Daartoe, de onderzoekers hebben in hun chip een component opgenomen die een fasevergrendelde lus wordt genoemd, die de sub-terahertz-frequentie van alle 32 lokale oscillatiesignalen vergrendelt op een stabiele, laagfrequente referentie. Omdat de pixels gekoppeld zijn, hun lokale oscillatiesignalen delen allemaal identiek, hoge stabiliteit fase en frequentie. Dit zorgt ervoor dat zinvolle informatie kan worden geëxtraheerd uit de uitgangsbasisbandsignalen. Deze hele architectuur minimaliseert signaalverlies en maximaliseert de controle.

"Samengevat, we bereiken een coherente array, tegelijkertijd met een zeer hoog lokaal oscillatievermogen voor elke pixel, zodat elke pixel een hoge gevoeligheid bereikt, "zegt Hu.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.