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

अदृश्य राजमार्ग और नन्हा द्वारपाल

कल्पना कीजिए कि वायरलेस संचार की दुनिया एक विशाल, हलचल भरे राजमार्ग प्रणाली की तरह है। दशकों से, हमारे फोन और वाई-फाई राउटर इस राजमार्ग की निचली लेन, यानी रेडियो फ्रीक्वेंसी (RF) बैंड्स पर चल रहे हैं। ये लेन भीड़भाड़ वाली, धीमी और ट्रैफिक जाम से भरी हुई हैं, यही कारण है कि आपकी वीडियो कॉल कभी-कभी रुक जाती है या आपके डाउनलोड की गति थम जाती है। इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियर "सब-टेराहर्ट्ज़" (Sub-Terahertz) लेन खोलने की ओर देख रहे हैं—जो 100 GHz से ऊपर की आवृत्तियों पर स्थित सुपर-हाईवे हैं। ये लेन अविश्वसनीय रूप से चौड़ी हैं, जो डेटा को उन गति से स्ट्रीम करने के लिए पर्याप्त जगह प्रदान करती हैं जिसकी हम शायद कल्पना भी नहीं कर सकते, जो अगली पीढ़ी के इंटरनेट और अत्यधिक सटीक रडार प्रणालियों के लिए एकदम सही है जो दीवारों के पार "देख" सकती हैं या सूक्ष्म गतिविधियों का पता लगा सकती हैं।

हालाँकि, इसमें एक पेंच है। इन सुपर-हाईवे पर चलने के लिए आपको एक बहुत ही विशिष्ट प्रकार के वाहन की आवश्यकता होती है: एक एंटीना। अतीत में, एंटीना बड़े, अनाड़ी ट्रकों की तरह थे जो हमारे उपकरणों के भीतर मौजूद नन्हे, सूक्ष्म चिप्स पर फिट नहीं हो सकते थे। इसके अलावा, जिन सिलिकॉन चिप्स का उपयोग हम इन उपकरणों को बनाने के लिए करते हैं, वे एक ऐसे पदार्थ से बने होते हैं जो एक स्पंज की तरह काम करता है, जो ऊर्जा को सोख लेता है और उसे गर्मी में बदल देता है, जिससे सिग्नल चिप को छोड़ भी नहीं पाता और खत्म हो जाता है। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती एक छोटा, कुशल "द्वारपाल" एंटीना बनाने की थी जो एक सूक्ष्म चिप पर फिट हो सके, सिलिकॉन द्वारा खाया न जाए, और इतनी ज़ोर से चिल्ला सके कि वह इन नई, हाई-स्पीड लेन में डेटा भेज सके। यह वह पहेली थी जिसे UCLA के शोधकर्ताओं ने सुलझाने का प्रयास किया।

नन्हा, सुपर-फास्ट एंटीना

इस शोध पत्र में, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स (UCLA) के शोधकर्ताओं की एक टीम एक समाधान प्रस्तुत करती है: एक सूक्ष्म एंटीना जिसे सीधे एक सिलिकॉन चिप पर बनाया गया है जो 290 GHz की आवृत्ति पर काम करता है। इस एंटीना को इन नई, सुपर-फास्ट लहरों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन की गई एक छोटी, उच्च-प्रदर्शन वाली पाल नौका (sailboat) के रूप में समझें। टीम ने इस पाल नौका को 16-नैनोमीटर FinFET प्रक्रिया का उपयोग करके बनाने में सफलता प्राप्त की, जो वही उन्नत तकनीक है जिसका उपयोग आधुनिक कंप्यूटरों के मस्तिष्क बनाने के लिए किया जाता है।

मुख्य समस्या जिसका उन्हें सामना करना पड़ा वह यह थी कि जिस सिलिकॉन चिप पर उन्होंने निर्माण किया है, वह "लो-रेसिस्टिविटी" (low-resistivity) वाली है, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि यह थोड़ा चिपचिपे फर्श जैसा है जो सिग्नल की ऊर्जा को निगलने की कोशिश करता है। इससे लड़ने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक "डुअल-स्लॉट" (dual-slot) संरचना डिजाइन की। एक स्लॉट एंटीना को दीवार में एक कटे हुए खिड़की के रूप में समझें जो सिग्नल को बाहर निकलने देती है। केवल एक खिड़की के बजाय, उन्होंने एक चतुर पैटर्न में दो विशिष्ट खिड़कियाँ (स्लॉट्स) बनाईं। उन्होंने एक "डायरेक्टर" भी जोड़ा, जो एक फनल या मेगाफोन की तरह काम करता है, जो सिग्नल को सही दिशा में केंद्रित करने में मदद करता है, ताकि वह हर जगह बिखरने के बजाय सही दिशा में जाए।

टीम ने केवल अनुमान नहीं लगाया; वे एक सावधानीपूर्वक चार-चरणीय विकास प्रक्रिया से गुजरे, जैसे कि एक मूर्तिकार पत्थर के ब्लॉक को तराश कर एक आदर्श आकार प्रकट करता है।

• चरण 1: उन्होंने एक साधारण स्लॉट डाइपोल (slot dipole) के साथ शुरुआत की, जो एक बुनियादी खिड़की की तरह था, यह देखने के लिए कि यह कैसा प्रदर्शन करता है।
• चरण 2: उन्होंने बीम को केंद्रित करने के लिए "डायरेक्टर" तत्व जोड़ा, जिससे सिग्नल मजबूत और व्यापक हो गया।
• चरण 3: उन्हें एहसास हुआ कि एंटीना बहुत अधिक जगह घेर रहा है, इसलिए उन्होंने ग्राउंड प्लेन (एंटीना का आधार) को सिकोड़ा और डायरेक्टर में बदलाव किया ताकि बिना शक्ति खोए इसे अधिक कॉम्पैक्ट बनाया जा सके।
• चरण 4: उन्होंने सिग्नल के प्रदर्शन में एक अंतर देखा, इसलिए उन्होंने एक छोटा वर्गाकार ट्यूनिंग तत्व जोड़ा ताकि कनेक्शन को सुचारू बनाया जा सके, यह सुनिश्चित करते हुए कि एंटीना एक साथ आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को संभाल सके।

इस सावधानीपूर्वक ट्यूनिंग का परिणाम एक ऐसा एंटीना है जो अविश्वसनीय रूप से छोटा है—जिसका माप केवल 0.24 x 0.42 मिलीमीटर (लगभग रेत के एक कण के आकार का) है—फिर भी यह आवृत्तियों की एक विशाल सीमा को कवर करने में सक्षम है। वास्तव में, यह 39% का बैंडविड्थ प्राप्त करता है, जिसका अर्थ है कि यह एक साथ स्पेक्ट्रम के एक बड़े हिस्से को संभाल सकता है। सिमुलेशन में, एंटीना ने 42% की पीक दक्षता दिखाई, जिसका अर्थ है कि इसने सफलतापूर्वक अपने अंदर भेजी गई लगभग आधी ऊर्जा को हवा में लॉन्च किया, जो इतने "चिपचिपे" सिलिकॉन फर्श पर बैठे चिप के लिए एक उल्लेखनीय उपलब्धि है।

अपने डिज़ाइन को सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ताओं ने केवल कंप्यूटर मॉडल पर भरोसा नहीं किया। उन्होंने ताइवान सेमीकंडक्टर मैन्युफैक्चरिंग कंपनी (TSMC) द्वारा अपने एंटीना का निर्माण करवाया और वास्तविक लैब में इसका परीक्षण किया। उन्होंने चिप पर एक ट्रांसमीटर सेट किया जो 290 GHz तक सिग्नल भेजता था, और एक विशेष हॉर्न एंटीना ने कमरे के दूसरी ओर से सिग्नल को पकड़ा। मापों ने पुष्टि की कि एंटीना ने बिल्कुल वैसा ही प्रदर्शन किया जैसा कि सिमुलेशन ने भविष्यवाणी की थी, जिसमें 7.0 dBi की डायरेक्टिविटी (directivity) देखी गई, जो एक मंद, बिखरी हुई रोशनी वाले बल्ब के बजाय एक केंद्रित फ्लैशलाइट बीम होने जैसा है।

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह कॉम्पैक्ट, डुअल-स्लॉट एंटीना एक आशाजनक कदम है। यह महंगे, भारी बाहरी हिस्सों की आवश्यकता के बिना सिलिकॉन चिप्स पर सीधे हाई-स्पीड ट्रांससीवर और रडार सिस्टम को एकीकृत करने का एक तरीका प्रदान करता है। हालांकि शोधकर्ता नोट करते हैं कि सिलिकॉन की प्रकृति के कारण कुछ आवृत्तियों पर दक्षता कम हो जाती है, उनका कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक छोटा, वाइड-बैंडविड्थ एंटीना बनाना संभव है जो भविष्य की सब-टेराहर्ट्ज़ दुनिया की मांगों को संभाल सके।