MIT发明新设备 可控制聚焦太赫兹能量以生成高分辨率图像

据国外媒体报道，研究人员创造了一种装置，可以以极高的精度电子控制和聚焦一束太赫兹电磁能量，从而实现高分辨率和实时成像设备。这些设备的尺寸只有其他雷达系统的1%，但比其他光学系统更稳定。

微波和红外光之间的电磁波谱中的太赫兹波存在于“无人区”，即经典电子设备和光学设备无法有效操控其能量。然而，这些高频无线电波具有许多独特的特性，例如能够穿过一些固体材料而不受X射线的影响。此外，这些太赫兹波还可以实现更高速的通信，或者在有雾或多尘的环境下也能看得很清楚的视觉系统。

(来源:麻省理工学院)

麻省理工学院的太赫兹集成电子小组致力于弥合这一太赫兹鸿沟。由韩若楠副教授领导的团队展示了最精确和电子可控的太赫兹天线阵列，它包含了最多的天线。该天线阵列也称为“反射阵列”(reflectarray)，其工作原理就像一面可控的镜子，其反射方向由计算机引导。

反射阵列可以在一个信用卡大小的设备上组装近万个天线，因此可以将太赫兹能量束精确地聚焦在一个微小的区域上，并在没有移动部件的情况下快速控制它。通过使用半导体芯片和创新的制造技术，反射阵列也可以扩展。

研究人员通过生成场景的3D深度图像来演示该设备。这些图像类似于激光雷达(光探测和测距)设备生成的图像，但由于反射阵列使用太赫兹波而不是光，因此该设备可以在雨、雾或雪中有效工作。小型反射阵列也可以生成雷达图像，其角分辨率是科德角雷达的两倍。虽然Cape Code雷达可以覆盖更大的区域，但这种新的反射阵列是第一个为商用智能机器和设备带来军用级分辨率的设备。

麻省理工学院电气工程和计算机科学系(EECS)论文的作者内森·门罗(Nathan Monroe)说:“天线阵列非常有趣，我们可以简单地通过改变每个天线的馈电时间延迟来改变能量集中的方向。因此，该天线阵列可以取代机场中由马达移动的大型雷达天线。同样，我们不需要任何移动部件，只需要改变在电脑中的位置。”

创新制造技术

对于典型的天线阵列来说，每个天线都会在内部产生自己的无线电波功率，但这不仅会浪费大量的能量，还会带来复杂度和信号分布的挑战，所以这种阵列之前一直无法扩展到所需的大小。相反，研究人员构建了一个反射阵列，通过使用一个主能源向天线发射太赫兹波，然后在研究人员控制的方向上反射能量(类似于屋顶卫星天线)。在接收能量后，每个天线在反射前执行时间延迟，从而将波束聚焦在特定方向。

门罗说，控制时间延迟的移相器通常会消耗大量无线电波能量，有时高达90%。研究人员设计了一种新的移相器，它只由两个晶体管组成，因此只需要消耗原来一半的功率。另外，典型的移相器需要外接电源(如电源或电池)才能运行，带来了功耗和发热问题。但是新的移相器设计完全不消耗功率。

控制能量束是另一个问题:计算和通信大量比特来同时控制10000个天线会大大降低反射阵列的性能。通过将天线阵列直接集成到计算机芯片中，研究人员可以避免这个问题。因为移相器很小，只有两个晶体管，可以节省99%左右的芯片空间。研究人员可以将这些额外的空间用于存储，因此每个天线都可以存储不同相位的库。

门罗说:“不需要告诉天线阵列一万个天线中的哪一个需要实时地将波束转向某个方向，只需要一次，天线阵列就会记住。然后，操作员只需切换数组，数组将提取库中的页面。后来，我们发现我们可以用这种记忆来实现……算法，从而进一步提高了天线阵列的性能。"

为了达到所需的性能，研究人员需要大约10000个天线(天线越多，可以控制的能量越精确)，但不可能制造出这么大的计算机芯片来容纳所有这些天线。因此，研究人员采用了一种可扩展的方法来构建一个具有49个天线的单个小芯片，它可以与自己的副本进行通信。门罗解释说，他们将芯片平铺成14 x 14的阵列，并用细小的金线将它们缝合在一起，这些金线可以传输信号并为芯片阵列供电。研究团队与英特尔合作制造芯片，并协助组装阵列。

韩说:“在这项研究之前，人们没有将太赫兹技术与半导体芯片技术结合起来进行波束形成。我们将两种技术结合起来，采用一些独特的电路技术，将非常紧凑但高效的电路集成在芯片上，因此我们可以有效地控制这些位置的波行为。通过使用集成电路技术，我们现在可以实现一些内部存储和数字行为。”

app应用

研究人员通过测量辐射模式演示了反射阵列。辐射图描述了天线辐射能量的角度方向。因此，研究人员可以非常精确地聚焦能量，使光束宽度仅为1度，并以1度为步长控制光束。

当用作成像仪时，1度宽的光束在场景中的每一点都以之字形移动，并创建3D深度图像。与其他需要数小时甚至数天才能创建图像的太赫兹阵列不同，这种阵列可以实时工作。

门罗表示，由于这种反射阵列工作迅速，而且非常紧凑，因此可以用作自动驾驶汽车的成像仪，特别是在太赫兹波的恶劣天气下行驶时。该设备也非常适合自主无人机，因为它重量轻，没有移动部件。此外，这项技术还可以应用到安全设置中，这样无创人体扫描仪就可以在几秒钟内开始工作。

在实验室中，韩和他的合作者希望通过使用半导体领域的新技术来降低成本和提高芯片组装的性能，从而继续推动这项技术的不断发展。据国外媒体报道，研究人员创造了一种装置，可以以极高的精度电子控制和聚焦一束太赫兹电磁能量，从而实现高分辨率和实时成像设备。这些设备的尺寸只有其他雷达系统的1%，但比其他光学系统更稳定。

微波和红外光之间的电磁波谱中的太赫兹波存在于“无人区”，即经典电子设备和光学设备无法有效操控其能量。然而，这些高频无线电波具有许多独特的特性，例如能够穿过一些固体材料而不受X射线的影响。此外，这些太赫兹波还可以实现更高速的通信，或者在有雾或多尘的环境下也能看得很清楚的视觉系统。

(来源:麻省理工学院)

麻省理工学院的太赫兹集成电子小组致力于弥合这一太赫兹鸿沟。由韩若楠副教授领导的团队展示了最精确和电子可控的太赫兹天线阵列，它包含了最多的天线。该天线阵列也称为“反射阵列”(reflectarray)，其工作原理就像一面可控的镜子，其反射方向由计算机引导。

反射阵列可以在一个信用卡大小的设备上组装近万个天线，因此可以将太赫兹能量束精确地聚焦在一个微小的区域上，并在没有移动部件的情况下快速控制它。通过使用半导体芯片和创新的制造技术，反射阵列也可以扩展。

研究人员通过生成场景的3D深度图像来演示该设备。这些图像类似于激光雷达(光探测和测距)设备生成的图像，但由于反射阵列使用太赫兹波而不是光，因此该设备可以在雨、雾或雪中有效工作。小型反射阵列也可以生成雷达图像，其角分辨率是科德角雷达的两倍。虽然Cape Code雷达可以覆盖更大的区域，但这种新的反射阵列是第一个为商用智能机器和设备带来军用级分辨率的设备。

麻省理工学院电气工程和计算机科学系(EECS)论文的作者内森·门罗(Nathan Monroe)说:“天线阵列非常有趣，我们可以简单地通过改变每个天线的馈电时间延迟来改变能量集中的方向。因此，该天线阵列可以取代机场中由马达移动的大型雷达天线。同样，我们不需要任何移动部件，只需要改变在电脑中的位置。”

创新制造技术

对于典型的天线阵列来说，每个天线都会在内部产生自己的无线电波功率，但这不仅会浪费大量的能量，还会带来复杂度和信号分布的挑战，所以这种阵列之前一直无法扩展到所需的大小。相反，研究人员构建了一个反射阵列，通过使用一个主能源向天线发射太赫兹波，然后在研究人员控制的方向上反射能量(类似于屋顶卫星天线)。在接收能量后，每个天线在反射前执行时间延迟，从而将波束聚焦在特定方向。

门罗说，控制时间延迟的移相器通常会消耗大量的无线电波能量，s……高达90%的时间。研究人员设计了一种新的移相器，它只由两个晶体管组成，因此只需要消耗原来一半的功率。另外，典型的移相器需要外接电源(如电源或电池)才能运行，带来了功耗和发热问题。但是新的移相器设计完全不消耗功率。

控制能量束是另一个问题:计算和通信大量比特来同时控制10000个天线会大大降低反射阵列的性能。通过将天线阵列直接集成到计算机芯片中，研究人员可以避免这个问题。因为移相器很小，只有两个晶体管，可以节省99%左右的芯片空间。研究人员可以将这些额外的空间用于存储，因此每个天线都可以存储不同相位的库。

门罗说:“不需要告诉天线阵列一万个天线中的哪一个需要实时地将波束转向某个方向，只需要一次，天线阵列就会记住。然后，操作员只需切换数组，数组将提取库中的页面。后来我们发现可以用这种存储器来实现算法，从而进一步提高天线阵列的性能。”

为了达到所需的性能，研究人员需要大约10000个天线(天线越多，可以控制的能量越精确)，但不可能制造出这么大的计算机芯片来容纳所有这些天线。因此，研究人员采用了一种可扩展的方法来构建一个具有49个天线的单个小芯片，它可以与自己的副本进行通信。门罗解释说，他们将芯片平铺成14 x 14的阵列，并用细小的金线将它们缝合在一起，这些金线可以传输信号并为芯片阵列供电。研究团队与英特尔合作制造芯片，并协助组装阵列。

韩说:“在这项研究之前，人们没有将太赫兹技术与半导体芯片技术结合起来进行波束形成。我们将两种技术结合起来，采用一些独特的电路技术，将非常紧凑但高效的电路集成在芯片上，因此我们可以有效地控制这些位置的波行为。通过使用集成电路技术，我们现在可以实现一些内部存储和数字行为。”

app应用

研究人员通过测量辐射模式演示了反射阵列。辐射图描述了天线辐射能量的角度方向。因此，研究人员可以非常精确地聚焦能量，使光束宽度仅为1度，并以1度为步长控制光束。

当用作成像仪时，1度宽的光束在场景中的每一点都以之字形移动，并创建3D深度图像。与其他需要数小时甚至数天才能创建图像的太赫兹阵列不同，这种阵列可以实时工作。

门罗表示，由于这种反射阵列工作迅速，而且非常紧凑，因此可以用作自动驾驶汽车的成像仪，特别是在太赫兹波的恶劣天气下行驶时。该设备也非常适合自主无人机，因为它重量轻，没有移动部件。此外，这项技术还可以应用到安全设置中，这样无创人体扫描仪就可以在几秒钟内开始工作。

在实验室中，韩和他的合作者希望通过使用半导体领域的新技术来降低成本和提高芯片组装的性能，从而继续推动这项技术的不断发展。

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