طراحی اولین پرتو دیجیتال تک‌تراشه

طراحی اولین پرتو دیجیتال تک‌تراشه

مهندسان در دانشگاه میشیگان، اولین شکل­‌دهنده پرتو^[1] دیجیتالی تک‌­تراشه^[2] به صورت تمام‌مجتمع^[3] را در باند موج­ میلی‌­متری (mmW)^[4] 28 گیگاهرتز پیاده­‌سازی و ساخته‌­اند که می‌­تواند دریچه جدیدی در کاربردهای مخابرات فرکانس بالای تکنولوژی نسل پنجم یا 5G بگشاید. این تکنولوژی می­‌تواند در مخابرات وسیله نقلیه به وسیله نقلیه (V2V)^[5]، رانندگی خودران^[6]، اینترنت ماهواره­ای، اینترنت اشیاء و صنایع دیگر کاربرد داشته باشد. شکل1، بُرد کامل سیستم به همراه آرایه 16تایی آنتن با قابلیت شکل‌­دهی پرتو را نشان می‌­دهد.

شکل 1: بُرد کامل سیستم به همراه یک آرایه آنتن 16تایی با قابلیت شکل‌دهی پرتو

بر همگان واضح است که استفاده از باند فرکانسی موج­ میلی‌­متری به دلیل پهنای باند بالا و نرخ داده­‌های بالا برای انتقال با سرعت بالای داده­‌ها، یکی از مزایای اصلی تکنولوژی 5G است. شکل­‌دهی پرتو به دستگاهی که سیگنال را منتشر می­‌کند این اجازه را می‌­دهد تا بتواند سیگنال را در جهت خاصی نشانه‌­گیری کند و این امر تأثیر بسیار زیادی در کاهش تداخل^[7] و افزایش راندمان در شبکه مخابراتی دارد.

شکل­‌دهی پرتو آنالوگ تاکنون به عنوان یک روش استاندارد در فعالیت‌­های تحقیقاتی و صنعتی مطرح بوده است، اما استفاده از شکل‌­دهی پرتو دیجیتال مزایای فراوانی را می‌­تواند به همراه داشته باشد. پروفسور مایکل فلین، استاد دانشگاه میشیگان که سرپرستی گروه پدیدآور این محصول را برعهده داشته است، در سال­‌های اخیر در حال تحقیق روی روش‌­های دیجیتال برای بهره‌­بردای مزیت­‌هایی چون شکل­‌دهی پرتو در مقیاس بالا^[8]، الگوهای پرتو با دقت بالا و توانایی تولید چندین پرتو به صورت هم‌زمان، بوده است. بنا به گفته پروفسور فیلن، «با شکل‌­دهی پرتو آنالوگ، شما فقط می‌­تواند در یک لحظه به یک چیز گوش دهید، در حالی­ که تعدادی از کاربردهای جدید وجود دارند که به واسطه آن­ها شما نیاز دارید که در آن واحد به چند چیز گوش دهید و بتوانید به سرعت بین آن­ها جابه­‌جا شوید.» به طور مثال، می‌­توان کاربرد شکل‌­دهی پرتو دیجیتال را در یک پهپاد ارسالی به مناطقی که به بلایای طبیعی دچار شده­اند و فراهم نمودن اینترنت اضطراری برای مردم در آن مناطق، دید. به طور مشابه، می­توان کاربرد دیگر را به صورت پرتاب ماهواره­هایی به فضا در جهت فراهم کردن اتصال به اینترنت برای افرادی که خارج از شهر زندگی می­‌کنند و اتصال به اینترنت برای آن­ها دشوار است، متصور شد.

پروفسور فلین و گروه او، یک شکل‌­دهنده پرتو دیجیتالی موج­ میلی­‌متری 28 گیگاهرتز با یک آرایه آنتن 16تایی در یک مدار مجتمع ساخته‌­اند که اولین سیستم شناخته شده تک­‌تراشه‌­ای برای شکل­‌دهی پرتو دیجیتالی در باند موج میلی­‌متری شناخته می‌­شود. آرایه آنتن 16تایی در شکل 2 نشان داده شده است. به دلیل تک‌­تراشه­ای بودن، ساختار از نظر ابعاد و توان مصرفی به‌مراتب بهتر از سیستم­‌های دیجیتالی کنونی است. همچنین به دلیل دیجیتال بودن، سیگنال می‌­تواند هم به هر جهت دلخواهی نشانه‌­گیری شود و هم از چهار جهت مختلف به طور هم‌­زمان دریافت شود. این به این معنی است که به طور مثال، دستگاه می‌­تواند به طور هم‌­زمان چهار هواپیما را ردیابی کند و یا با چهار ماهواره به طور هم‌­زمان ارتباط برقرار کند.

برای تست این دستگاه از یک محفظه بدون انعکاس^[9] کوچک استفاده شده است که در شکل 3، مشخص است. مشخصه عدد نویز^[10] کلی اندازه‌­گیری شده برای سیستم 7 دسی­‌بل و همچنین دامنه بردار خطا (EVM)^[11] اندازه‌­گیری شده برای مدولاسیون 4-QAM برابر 18- دسی‌­بل است.

شکل 2: آرایه آنتن 16تایی

منابع

[1] https://www.everythingrf.com/

---

پی‌نوشت

[1] Beamformer

[2] Single-chip

[3] Fully-integrated

[4] Millimeter Wave

[5] Vehicle-to-vehicle

[6] Autonomous driving

[7] Interference

[8] Large-scale

[9] Anechoic chamber

[10] Noise figure

[11] Error vector magnitude