An On-Chip Ultra-wideband Antenna with Area-Bandwidth Optimization for Sub-Terahertz Transceivers and Radars

الطريق السريع الخفي والحارس الصغير

تخيل عالم الاتصالات اللاسلكية كأنه نظام طرق سريعة ضخم ومزدحم. لعقود من الزمن، كانت هواتفنا وأجهزة الراوتر الخاصة بالواي فاي تسير في المسارات السفلية من هذا الطريق السريع، وهي نطاقات الترددات الراديوية (RF). هذه المسارات مزدحمة، بطيئة، ومليئة بالاختناقات المرورية، وهذا هو السبب في أن مكالمات الفيديو الخاصة بك تتجمد أحياناً أو تنخفض سرعة التحميل لديك. ولحل هذه المشكلة، يتطلع المهندسون إلى فتح مسارات "تحت التراهرتز" (Sub-Terahertz)—وهي طرق سريعة فائقة تقع عند ترددات أعلى من 100 جيجاهرتز. هذه المسارات واسعة للغاية، وتوفر مساحة كافية لبث البيانات بسرعات لا يمكننا حتى تخيلها، وهي مثالية للجيل القادم من الإنترنت وأنظمة الرادار فائقة الدقة التي يمكنها "الرؤية" عبر الجدران أو اكتشاف الحركات الدقيقة.

ومع ذلك، هناك عقبة. فالقيادة على هذه الطرق السريعة الفائقة تتطلب نوعاً خاصاً جداً من المركبات: الهوائي. في الماضي، كانت الهوائيات تشبه الشاحنات الكبيرة والخرقاء التي لا يمكنها التناسب مع الرقائق المجهرية الصغيرة داخل أجهزتنا. علاوة على ذلك، فإن رقائق السيليكون التي نستخدمها لبناء هذه الأجهزة مصنوعة من مادة تعمل مثل الإسفنجة، حيث تمتص الطاقة وتحولها إلى حرارة، مما يقتل الإشارة قبل أن تتمكن حتى من مغادرة الرقاقة. كان التحدي الذي واجهه العلماء هو بناء هوائي "حارس بوابة" صغير وفعال يتناسب مع رقاقة مجهرية، ولا يلتهمه السيليكون، ويمكنه "الصراخ" بصوت عالٍ بما يكفي لإرسال البيانات عبر هذه المسارات الجديدة عالية السرعة. هذا هو اللغز الذي سعى الباحثون في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس (UCLA) لحله.

الهوائي الصغير فائق السرعة

في هذه الورقة البحثية، يقدم فريق من الباحثين من جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس (UCLA) حلاً: هوائي مجهري مبني مباشرة على رقاقة سيليكون يعمل بتردد 290 جيجاهرتز. فكر في هذا الهوائي كأنه قارب شراعي صغير عالي الأداء مصمم لالتقاط رياح هذه الموجات الجديدة فائقة السرعة. نجح الفريق في بناء هذا القارب الشراعي باستخدام تقنية "FinFET" بدقة 16 نانومتر، وهي نفس التقنية المتقدمة المستخدمة في صناعة عقول الحواسيب الحديثة.

المشكلة الرئيسية التي واجهتهم هي أن رقاقة السيليكون التي بنوا عليها هي "منخفضة المقاومية"، وهي طريقة منمقة للقول إنها تشبه الأرضية اللزجة التي تحاول ابتلاع طاقة الإشارة. ولمحاربة ذلك، صمم الباحثون هيكلاً "ثنائي الفتحات" (dual-slot). تخيل الهوائي ذو الفتحة كأنه نافذة مقطوعة في جدار تسمح للإشارة بالهروب؛ وبدلاً من وجود نافذة واحدة فقط، قاموا ببناء نافذتين (فتحتين) محددتين بنمط ذكي. كما أضافوا "موجهًا" (director)، يعمل مثل القمع أو مكبر الصوت، مما يساعد في تركيز الإشارة في الاتجاه الصحيح بدلاً من تركها تتشتت في كل مكان.

لم يعتمد الفريق على التخمين في التصميم، بل مروا عبر عملية تطور دقيقة مكونة من أربع مراحل، تماماً مثل النحات الذي ينحت في كتلة من الرخام ليكشف عن الشكل المثالي.

• المرحلة 1: بدأوا بفتحة ثنائية بسيطة (slot dipole)، مثل نافذة أساسية، ليروا كيف سيكون أداؤها.
• المرحلة 2: أضافوا عنصر "الموجه" لتركيز الشعاع، مما جعل الإشارة أقوى وأوسع.
• المرحلة 3: أدركوا أن الهوائي يشغل مساحة كبيرة جداً، فقاموا بتقليص المستوى الأرضي (قاعدة الهوائي) وعدلوا الموجه لجعله أكثر دمجاً دون فقدان القوة.
• المرحلة 4: لاحظوا وجود فجوة في أداء الإشارة، فأضافوا عنصراً ضبط مربعاً صغيراً لتنعيم الاتصال، مما يضمن قدرة الهوائي على التعامل مع مجموعة واسعة من الترددات في وقت واحد.

نتيجة هذا الضبط الدقيق هي هوائي صغير للغاية—يبلغ قياسه 0.24 في 0.42 مليمتر (حوالي حجم حبة الرمل)—ومع ذلك فهو قادر على تغطية نطاق هائل من الترددات. في الواقع، يحقق عرض نطاق ترددي بنسبة 39%، مما يعني أنه يمكنه التعامل مع جزء كبير من الطيف في وقت واحد. وفي عمليات المحاكاة، أظهر الهوائي كفاءة ذروة بلغت 42%، مما يعني أنه نجح في إطلاق ما يقرب من نصف الطاقة المغذاة إليه في الهواء، وهو إنجاز مذهل لرقاقة موضوعة على أرضية سيليكون "لزجة" كهذه.

ولإثبات نجاح تصميمهم، لم يكتفِ الباحثون بالنماذج الحاسوبية، بل قاموا بتصنيع الهوائي بواسطة شركة "تايوان لأشباه الموصلات" (TSMC) واختباره في مختبر حقيقي. قاموا بإعداد جهاز إرسال على الرقاقة يرسل إشارات تصل إلى 290 جيجاهرتز، واستخدموا هوائي بوق (horn antenna) خاص لاستقبال الإشارة من عبر الغرفة. وقد أكدت القياسات أن الهوائي عمل تماماً كما توقعت عمليات المحاكاة، مع توجيهية بلغت 7.0 dBi، وهو ما يشبه امتلاك شعاع كشاف ضوئي مركز بدلاً من مصباح خافت ومشتت الضوء.

تخلص الورقة البحثية إلى أن هذا الهوائي الصغير ثنائي الفتحات يعد خطوة واعدة للأمام. فهو يوفر وسيلة لدمج أجهزة الإرسال والاستقبال عالية السرعة وأنظمة الرادار مباشرة على رقائق السيليكون دون الحاجة إلى أجزاء خارجية ضخمة ومكلفة. وبينما يشير الباحثون إلى أن الكفاءة تنخفض عند ترددات معينة بسبب طبيعة السيليكون، فإن عملهم يثبت أنه من الممكن بناء هوائي صغير وعريض النطاق يمكنه تلبية متطلبات عالم "تحت التراهرتز" المستقبلي.