OPE体育实验室设计了一种新型天线,工作方式“像变压器机器人”

1月. 25, 2023, 1:57 p.m.

复杂的天线阵列与高频无线芯片配合,就像现代电子产品的超能力, 提升从传感到安全到数据处理的一切. 在他OPE体育官网的实验室里, Kaushik森古普塔 正在努力进一步扩大这些权力吗.

Kaushik森古普塔和桌上的平面传感器

近年来,森古普塔的实验室已经设计出天线阵列,帮助工程师们朝着 透过物质窥视提高通信 在摩天大楼的峡谷里,放一个 智能手机上的医学实验室加密关键数据 用电磁波代替软件.

在一个新的 article 高级科学, 森古普塔的研究团队提出了一种基于折纸艺术的新型天线阵列. 变形阵列, 设计得像一个折叠的纸盒,叫做水弹, 允许工程师创建一个可重构和适应性强的雷达成像表面. 构建系统, 研究小组在标准天线上安装了一种新型宽带超表面天线, 平板电视. 然后,他们将一些天线面板连接到一个精确设计的折纸表面,上面有偏移的棋盘图案. 通过适当的顺序折叠和展开面板, 数组具有各种不同的形状,如曲线, 马鞍和球体.

有了这种转变和扩张的能力, 该系统提供了更宽的分辨率,并有能力捕捉复杂的三维场景,超出了标准天线阵列的能力. 水弹天线还可以改变形状,以精心校准的方式操纵电磁波. 结合先进算法, 水弹系统可以有效地处理来自大范围电磁场的信息. 这种变形能力允许工程师扩展用于传感和成像的设备的功能.

“对于大多数应用程序, 平面, 还是平, 系统是首选的,因为它们更简单,更容易设计,森古普塔说, 副教授 电气与计算机工程. “但可重构系统使我们能够大幅扩展计算机成像能力. 使用折纸, 我们能够将平面阵列的简单性与可重构系统的扩展能力结合起来. 它就像一个变形金刚机器人.”

森古普塔说,基于折纸的阵列可以极大地改善自动驾驶汽车所需的传感技术, 机器人和网络物理系统. 相对简单的单个天线系统也意味着传感阵列可以轻和低成本, 使它们更容易在大范围内制造和部署.

而能源和计算领域的快速发展通常最吸引公众的注意力, 森古普塔和他在OPE体育官网工程学院的同事们专注于隐形无线网络,这些突破将为社会带来力量.

“你可以想想所有这些正在出现的非常复杂的应用——机器人技术, 自动驾驶汽车, 智能城市, 智能医疗应用, 人工现实, 虚拟现实,他说. “所有这些东西都位于无线通信网络上.”

这些应用中的任何一个都将代表无线网络需求的大幅增长. 在一起, 他们要求我们从根本上重新思考如何通过电波传输数据, 无论是设计用于处理交通的微芯片还是由这些芯片传输的信号. 在短暂的, 我们需要将更多的信息打包到信号中,并构建能够快速处理信息的计算机系统, 准确安全.

在过去的几年里,森古普塔的研究在两个方面都得到了认可. 2021年,他被任命 杰出青年工程师 微波理论与技术学会(MTT-S), 无线通信的主要科学学会. 去年,他获得了 新前沿奖 因其在微芯片方面的研究而获得美国电气与电子工程师协会(IEEE), 世界上最大的电气工程学会.

从芯片设计到信号处理, 这些奖项反映了森古普塔的研究团队所采取的广泛的研究方法 集成微系统研究实验室. 近年来,他的团队已经向 扩展到新的频段 为了更快和更安全的传输,开发 新型传感技术 用于科学和医疗应用,并生产 确保高需求传输的方法 不会降低应用程序的速度.

在最近的项目中, 包括水弹折纸, 森古普塔的研究团队将重点从天线阵列本身转向了将多个阵列形状转换为复杂系统的方法. 可重构系统不仅允许在宽范围的频率范围内进行高光谱传感, 它将信息与表面拓扑结构融合在一起. 这对于在各种环境中工作时需要密集通信的车辆和机器人来说是有价值的. 对于航天器和太阳能电池板等其他需要折叠和调谐的电子结构来说,它也很重要.

“通过消除平板天线阵列的限制, 我们可以将折纸原理与高频电子学和先进的信号处理结合起来,创造出多功能, 高效的成像和雷达系统,森古普塔说.

森古普塔说,他的研究团队在这些项目中采用的技术方法各不相同, 但最终目标是解决变化将给无线世界带来的挑战. 其中一个挑战是新应用程序所需的数据速率. 以自动驾驶汽车为例:人们关注的焦点大多集中在自动驾驶汽车所需的导航技术或处理能力上, 但最大的挑战之一是创建一个无线网络来支持这项新技术.

“想想自动驾驶汽车的信息洪流吧,”他说. 即使是一辆车也需要大量的数据来导航复杂的道路系统. 对于多辆汽车共享一条高速公路,对数据的需求将进一步增加. “你需要非常高带宽的连接, 所以你需要考虑我们以前没用过的频率.”

医疗技术同样也将迎来一场巨大的变革, 通过实时健康监测和绷带等新设备,可以与远程医生通信,并根据患者的病情调整治疗方案.

所有这些发展都需要更快的速度, 与现代网络相比,更高的数据传输量和更严格的安全性. 森古普塔说,解决这些问题需要在新型微芯片和用于传输信号的频率两方面进行工作.

“我们追求的方法是多学科的,”他说. “我们的方法是利用来自不同领域的概念,并将其合并以创建高性能系统.”

折纸微波成像阵列:用于可重构计算成像的形状变形表面上的超表面瓷砖的文章. 《OPE体育》2022年第5期. 除了森古普塔, authors include Suresh Venhatesh of North Carolina State University; Daniel Sturm of the OPE体育 class of 2019, now a graduate student at the University of Washington; Xuyang Lu of the University of Michigan-Shanghai Jiao Rong University Joint Institute; and Robert J. Lang of Lang折纸. 该项目部分得到了美国政府的支持.S. 空军科学研究办公室和时刻基金会.