Большинство пассивных электронных компонентов являются двунаправленными, сигналы распространяются через них абсолютно одинаково в двух противоположных направлениях. Но существует и ряд "несимметричных" устройств, таких как циркуляторы (circulators), которые проводят сигналы по-разному в разных направлениях, что позволяет направлять эти сигналы по разным путям, разделять разные сигналы и выполнять другие операции. Традиционные несимметричные устройства, работающие с высокочастотными электромагнитными волнами, изготавливаются из материалов, обладающих особыми магнитными свойствами. Это делает такие устройства большими, дорогими и не очень подходящими для их применения в электронике потребительского класса.
Не так давно исследователи из компании Columbia Engineering, работая совместно с учеными из Техасского университета в Остине, разработали ряд новых физических принципов управления распространением электромагнитных волн. Эти принципы позволили им создать безмагнитные несимметричные компоненты, изготовление которых возможно при помощи существующих технологий производства полупроводниковых приборов. И на последней Международной конференции IEEE по твердотельным схемам (IEEE International Solid-State Circuits Conference) исследователи представили первый в своем роде безмагнитный кремниевый циркуляционный чип, работающий в диапазоне миллиметровых волн, выше 30 ГГц.
Независимая передача миллиметровых волн реализована на этом чипе при помощи тщательно синхронизированной работы быстродействующих транзисторных ключей, которые пропускают прямые и обратные электромагнитные волны совершенно по-разному. Такой принцип управления напоминает два поезда, сближающиеся на большой скорости, которые разводятся на разные пути в самый последний момент перед их столкновением.
Ключевым достижением в данном случае является возможность создания циркуляционных элементов на кристаллах обычных полупроводниковых чипов, что позволит этим чипам работать в диапазоне миллиметровых волн. Фактически все традиционные электронные полупроводниковые устройства могут сейчас работать только в полудуплексном режиме и в диапазоне ниже 6 ГГц, что накладывает ограничения на ширину их полосы пропускания. Продвижение в сторону миллиметрового диапазона и обеспечение работы в полнодуплексном режиме открывает перед инженерами возможность использовать ту часть диапазона, которая была недоступна ранее, при создании сотовых сетей нового поколения, беспроводных технологий для реализации технологий дополненной и виртуальной реальности, автомобильных радаров и многого другого.
И в заключение следует отметить, что данная работа проводилась в рамках программы EFRI американского Научного фонда, программы SPAR Управления перспективных исследовательских программ Пентагона DARPA, при финансовой и технической поддержке компании Texas Instruments. Исследователи продолжают свою работу, пытаясь увеличить линейность характеристики полупроводниковых миллиметровых циркуляторов и улучшить их изоляционные свойства. А конечной целью данных работ является создание полномасштабной матрицы фазированных антенн, использующих новые полупроводниковые циркуляторы, которая будет обеспечивать полнодуплексный режим работы высокочастотных беспроводных коммуникационных технологий.
369
