يمكن للرقائق الدقيقة العاكسة ثلاثية الأبعاد تسريع تطوير شبكات الجيل السادس اللاسلكية

طور باحثون من جامعة كورنيل شريحة أشباه الموصلات التي ستمكن الأجهزة الأصغر من أي وقت مضى من العمل بالترددات الأعلى اللازمة لتكنولوجيا الاتصالات 6G المستقبلية.
لا يتطلب الجيل القادم من الاتصالات اللاسلكية عرض نطاق ترددي أكبر عند الترددات الأعلى فحسب، بل يحتاج أيضًا إلى القليل من الوقت الإضافي.
تضيف الشريحة الجديدة تأخيرًا زمنيًا ضروريًا حتى تتمكن الإشارات المرسلة عبر مصفوفات متعددة من المحاذاة عند نقطة واحدة في الفضاء – دون أن تتفكك.
نُشرت ورقة الفريق البحثية بعنوان “تأخير زمني فائق الصغر شبه الحقيقي لتعزيز سعة القناة اللاسلكية” في 6 مارس في مجلة Nature. أما المؤلف الرئيسي فهو بال جوفيند، وهو طالب دكتوراه في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر.
تعمل غالبية الاتصالات اللاسلكية الحالية، مثل هواتف 5G، بترددات أقل من 6 جيجا هرتز. وتهدف شركات التكنولوجيا إلى تطوير موجة جديدة من الاتصالات الخلوية 6G التي تستخدم ترددات أعلى من 20 جيجا هرتز، حيث يتوفر عرض نطاق ترددي أكبر، مما يعني إمكانية تدفق المزيد من البيانات بمعدل أسرع.
ومن المتوقع أن تكون شبكة 6G أسرع 100 مرة من شبكة 5G.
ومع ذلك، نظرًا لأن فقدان البيانات عبر البيئة يكون أكبر عند الترددات الأعلى، فإن أحد العوامل الحاسمة هو كيفية نقل البيانات.
بدلاً من الاعتماد على جهاز إرسال واحد وجهاز استقبال واحد، تستخدم معظم تقنيات 5G و6G طريقة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة: سلسلة من المصفوفات المرحلية من أجهزة الإرسال والاستقبال.
وقال جوفيند: “كل تردد في نطاق الاتصال يمر بتأخيرات زمنية مختلفة”.
“إن المشكلة التي نعالجها عمرها عقود من الزمن – وهي مشكلة نقل البيانات ذات النطاق الترددي العالي بطريقة اقتصادية بحيث تصطف إشارات جميع الترددات في المكان والزمان المناسبين.”
وقالت المؤلفة الرئيسية أليسا أبسيل، أستاذة الهندسة: “لا يقتصر الأمر على بناء شيء ما مع ما يكفي من التأخير، بل بناء شيء مع ما يكفي من التأخير حيث لا يزال لديك إشارة في النهاية”.
“الحيلة هي أننا تمكنا من القيام بذلك دون خسارة فادحة.”
عمل جوفيند مع باحث ما بعد الدكتوراه والمؤلف المشارك توماس تابين لتصميم أشباه الموصلات التكميلية لأكسيد المعدن (CMOS) التي يمكنها ضبط تأخير زمني عبر عرض نطاق واسع للغاية يبلغ 14 جيجا هرتز، مع درجة وضوح تصل إلى درجة واحدة.
وقال جوفيند: “نظرًا لأن الهدف من تصميمنا كان تجميع أكبر عدد ممكن من عناصر التأخير هذه، فقد تخيلنا كيف سيكون الأمر عندما نلف مسار الإشارة في أدلة موجية ثلاثية الأبعاد وترتد الإشارات منها إلى يسبب تأخيرًا، بدلاً من نشر أسلاك ذات طول موجى طويل عبر الشريحة.”
قام الفريق بتصميم سلسلة من هذه العاكسات ثلاثية الأبعاد المربوطة معًا لتشكل “خط نقل قابل للضبط”.
تشغل الدائرة المتكاملة الناتجة مساحة قدرها 0.13 مليمتر مربع، وهي أصغر من مبدلات الطور، ولكنها تضاعف تقريبًا سعة القناة – أي معدل البيانات – للمصفوفات اللاسلكية التقليدية.
ومن خلال تعزيز معدل البيانات المتوقع، يمكن للرقاقة تقديم خدمة أسرع، وإيصال المزيد من البيانات لمستخدمي الهواتف المحمولة.
وقال أبسل: “المشكلة الكبيرة في المصفوفات الطورية هي هذه المقايضة بين محاولة جعل هذه الأشياء صغيرة بما يكفي لوضعها على شريحة والحفاظ على الكفاءة”.
“أعتقد أن أحد ابتكاراتنا الرئيسية هو السؤال: هل تحتاج إلى بنائه بهذه الطريقة؟” قال أبسل. “إذا تمكنا من تعزيز سعة القناة بمعامل 10 عن طريق تغيير مكون واحد، فهذا يعد تغييرًا مثيرًا للاهتمام في مجال الاتصالات.”