A BDPR-Feedback-Based LNA with Programmable RF Metrics in Real-World Settings for Wideband Wireless Communication Systems

في العالم غير المرئي الذي يدعم اتصالنا الحديث، تحمل الموجات الراديوية كل شيء، من رسالة نصية إلى بث فيديو مباشر. وللالتقاط هذه الموجات، تعتمد الأجهزة الإلكترونية على مكون صغير ولكنه بالغ الأهمية يسمى "المضخم منخفض الضجيج". فكر في هذا الجهاز كأنه ميكروفون حساس للغاية للإشارات الراديوية؛ مهمته هي أخذ همس خافت من الهوائي وجعله عالياً بما يكفي ليفهمه بقية الكمبيوتر، وكل ذلك دون إضافة ضوضائه الخاصة أو تشويهه. التحدي الذي يواجه المهندسين هو أن الأثير مزدحم وفوضوي؛ حيث تصل الإشارات بترددات مختلفة، والمكونات الإلكترونية داخل هواتفنا وساعاتنا ليست متطابقة تماماً أبداً بسبب العيوب المجهرية في التصنيع. علاوة على ذلك، تتغير البيئة؛ فالبطاريات تنفد، ودرجات الحرارة تتبدل، والجهاز ينتقل من جيب دافئ إلى يوم شتوي بارد. يجب أن يظل المضخم الجيد ثابتاً وواضحاً رغم كل هذه المتغيرات، وهي مهمة صعبة عندما يجب أن يكون الجهاز أيضاً صغيراً بما يكفي ليناسب معصم اليد وكفؤاً بما يكفي ليدوم طوال اليوم بشحنة واحدة.

اقترح فريق من الباحثين في جامعة يونايتد الدولية (United International University) وجامعة إنتي الدولية (INTI International University) طريقة جديدة لحل هذه المشكلة، بالتركيز على مضخم منخفض الضجيج مصمم للعمل عبر نطاق واسع من الترددات، من 1.8 جيجاهرتز إلى 4.0 جيجاهرتز. هذا النطاق تحديداً هو المنطقة المثالية للاتصالات الحديثة، حيث يغطي كل شيء بدءاً من شبكات الخلوي القياسية والواي فاي وصولاً إلى تقنية الجيل الخامس (5G) الناشئة. وبدلاً من بناء آلة معقدة تحتوي على العديد من الأجزاء المتحركة أو المفاتيح للتعامل مع هذه الترددات المختلفة، صمم الباحثون دائرة يمكن ضبطها بتعديل كهربائي بسيط. لقد حققوا ذلك باستخدام نوع خاص من حلقة التغذية الراجعة، وهي آلية تساعد المضخم على تثبيت نفسه، والتي جعلوا ضبطها ممكناً عن طريق تغيير الجهد الكهربائي المطبق على "الجسم" (bulk) أو جسم الترانزستورات داخل الشريحة. تسمح هذه الطريقة للجهاز بإعادة معايرة أدائه بعد تصنيعه، مما يعوض الاختلافات الحتمية التي تحدث أثناء الإنتاج الضخم.

قام الباحثون ببناء نموذج رقمي لهذا المضخم باستخدام عملية تصنيع قياسية بقدر 45 نانومتر، وهي تقنية تتيح مكونات صغيرة وفعالة للغاية. وفي عمليات المحاكاة، اختبروا كيفية سلوك الجهاز عندما قاموا بتعديل جهد الجسم من صفر إلى واحد فولت. ووجدوا أنه من خلال تدوير هذا "المقبض الكهربائي" ببساطة، استطاعوا الحفاظ على أداء المضخم ثابتاً عبر كامل طيف التردد من 1.8 إلى 4.0 جيجاهرتز. وعند تردد محدد يبلغ 3.6 جيجاهرتز، حقق الجهاز كسباً أمامياً قدره 14.18 ديسيبل، مما يعني أنه عزز الإشارة بشكل كبير، مع الحفاظ على الضجيج الذي أضافه إلى الإشارة منخفضاً للغاية عند 1.66 ديسيبل فقط. ولعل الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أن الجهاز طابق الإشارة الواردة بشكل جيد للغاية بحيث لم يتم عكس أي طاقة تقريباً، وهو مقياس قاسوه عند 33.7 ديسيبل من فقدان العودة. وقد ظلت هذه النتائج ثابتة ليس فقط في مرحلة التصميم الأولية، ولكن أيضاً في عمليات محاكاة "ما بعد التخطيط" (post-layout) الأكثر صرامة، والتي أخذت في الاعسبار التأثيرات الطفيلية الصغيرة التي تحدث عند رسم الدائرة فعلياً على الشريحة.

ولضمان عمل هذا التصميم في العالم الحقيقي، أخضع الفريق نموذجهم لسلسلة من اختبارات الإجهاد التي تحاكي الظروف غير المتوقعة التي تواجهها الأجهزة في الحياة اليومية. فقد قاموا بمحاكاة ما سيحدث إذا تذبذب جهد مصدر الطاقة، وإذا تغيرت درجة الحرارة من التجمد إلى الحرارة، وإذا تباينت عملية التصنيع قليلاً من شريحة إلى أخرى. وفي كل سيناريو، سمحت القدرة على تعديل جهد الجسم للمضخم بالحفاظ على أدائه. وعندما أجروا تحليلاً إحصائياً على 200 شريحة محاكاة لمعرفة كيف قد تؤثر أخطاء التصنيع على المنتج النهائي، وجدوا أن التصميم القابل للتعديل أنتج نتيجة أكثر موثوقية من التصميم الثابت. بل إن أسوأ الشرائح أداءً في مجموعتهم القابلة للتعديل تفوقت في أدائها على متوسط أداء الشريحة ذات التصميم غير القابل للتعديل، مما يثبت أن طريقة الضبط هذه تعادل بفعالية الأخطاء التي عادة ما تعيب الإلكترونيات المنتجة بكميات كبيرة.

التصميم النهائي مدمج وفعال بشكل ملحوظ. يشغل الجزء النشط من الدائرة مساحة تبلغ 0.080 مليمتر مربع فقط، مما يجعله صغيراً بما يكفي لدمجه في المساحات الضيقة لأجهزة مراقبة الصحة القابلة للارتداء أو الساعات الذكية. كما يستهلك 6 ميلي واط فقط من الطاقة، وهو جزء ضئيل مما تتطلبه التصاميم القديمة، وهو أمر حيوي للأجهزة التي تعمل بالبطارية. ومن خلال مقارنة عملهم بالتصاميم الحديثة الأخرى في هذا المجال، أظهر الباحثون أن نهجهم يقدم توازناً متفوقاً بين الحجم والطاقة والأداء. وبينما قد توفر مضخمات أخرى كسباً أعلى أو ضجيجاً أقل، إلا أنها غالباً ما تفعل ذلك على حساب حجم أكبر بكثير، أو استهلاك أعلى للطاقة، أو نطاق ترددي أضيق. ويتمكن هذا التصميم الجديد من تغطية نطاق واسع من الترددات مع البقاء صغيراً وموفراً للطاقة، وهو مزيج ضروري للجيل القادم من الأجهزة اللاسلكية.

الابتكار الجوهري هنا لا يكمن فقط في المضخم نفسه، بل في طريقة التحكم. فالأساليب التقليدية غالباً ما تعتمد على إضافة مكونات إضافية أو حلقات معايرة معقدة لإصلاح مشكلات الأداء بعد صنع الشريحة. يوضح هذا البحث أن إجراء تعديل بسيط وموضعي لجهد جسم الترانزستور يمكن أن يحقق نفس النتيجة دون إضافة تعقيد أو ضخامة. وتشير النتائج إلى أن هذه التقنية يمكن أن تصبح طريقة قياسية لبناء واجهات راديوية قوية لشبكات الجيل الخامس (5G)، وإنترنت الأشياء، والتقنيات القابلة للارتداء. ومن خلال السماح لتصميم شريحة واحدة بالتكيف مع خصائص تصنيعها والتغيرات في بيئتها، يشير هذا العمل نحو مستقبل تكون فيه الأجهزة اللاسلكية أكثر موثوقية، وأطول عمراً، وقادرة على التعامل مع الأثير المزدحم بشكل متزايد في عالمنا المتصل.