Chip radar 6G nhỏ như đồng xu ra đời

Nhóm nghiên cứu do tiến sĩ Zhang Jun dẫn đầu vừa công bố thành tựu đáng chú ý trong lĩnh vực công nghệ radar. Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Nature Photonics. Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công chip radar quang học sóng milimet sử dụng công nghệ lithium niobate màng mỏng có kích thước chỉ 1,5 cm x 1,5 cm, nhỏ hơn cả đồng xu Hong Kong 10 đô la.

Chip radar photonic sóng milimet và tạo dạng sóng radar. Nguồn nhóm nghiên cứu

Chip này hoạt động ở dải tần V (40-50 GHz) và đạt độ phân giải khoảng cách 1,50 cm cùng khả năng đo tốc độ với độ chính xác 0,067 m/s. Điều đặc biệt là thiết bị có thể tạo ra hình ảnh hai chiều với độ phân giải 1,50 cm × 1,06 cm, vượt xa khả năng của các hệ thống radar truyền thống.

Radar sóng milimet đại diện cho thế hệ công nghệ mới trong kỷ nguyên 6G sắp tới. Các hệ thống radar truyền thống thường phải đánh đổi giữa tần số hoạt động và băng thông, khiến việc định vị chính xác các vật thể ở khoảng cách xa trở nên khó khăn.

Công nghệ photonic mang lại giải pháp khắc phục những hạn chế này bằng cách xử lý tín hiệu vi sóng trong miền quang học. Phương pháp này mang nhiều ưu điểm như tần số cao, băng thông lớn, mất mát truyền thấp và khả năng chống nhiễu điện từ.

Trước đây, hầu hết các hệ thống radar quang học được xây dựng từ những thiết bị rời rạc cồng kềnh với nhược điểm về kích thước, trọng lượng và tiêu thụ điện năng. Các hệ thống radar quang học tích hợp nhỏ gọn hơn lại khó đạt tới dải sóng cực ngắn do hạn chế về khả năng truyền tín hiệu của bộ điều chế quang điện.

Nền tảng lithium niobate màng mỏng (TFLN) chính là chìa khóa giúp các nhà khoa học Trung Quốc vượt qua thách thức này. TFLN thể hiện hiệu ứng Pockels nhanh và tuyến tính, rất phù hợp để tạo ra các bộ điều chế quang điện tốc độ cao và tuyến tính.

Khả năng dẫn truyền ánh sáng chính xác trong thiết bị TFLN cho phép triển khai nhiều chức năng quang học trong một mạch tích hợp duy nhất. Những năm gần đây, nhiều bộ điều chế quang điện dựa trên TFLN đã được phát triển với hiệu suất chưa từng có, bao gồm băng thông điều chế siêu rộng và điện áp điều khiển tương thích CMOS.

Chip radar quang học TFLN bao gồm hai thành phần chính với vai trò riêng biệt. Thành phần đầu tiên là khối tạo sóng tần số cao, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tần số thấp thành dạng sóng radar sóng milimet. Bạn có thể hình dung nó như một bộ khuếch đại đặc biệt, khi nhận tín hiệu 20-25 GHz ở đầu vào, nó sẽ tạo ra tín hiệu radar 40-50 GHz ở đầu ra, tức là tăng gấp đôi tần số.

Thành phần thứ hai là khối xử lý tín hiệu phản hồi, đóng vai trò như "tai" của hệ thống radar. Khi sóng radar phát ra gặp vật thể và phản xạ trở lại, khối này sẽ nhận và phân tích những tín hiệu này để trích xuất thông tin về khoảng cách, tốc độ và hình dạng của mục tiêu. Quá trình này gọi là khử chirp (một loại công nghệ truyền tín hiệu vô tuyến sử dụng các xung tần số thay đổi theo thời gian, thường được gọi là "chirp", biến đổi tín hiệu tần số cao phức tạp thành tín hiệu tần số thấp dễ xử lý hơn.

Radar hình ảnh sóng milimet photonic độ phân giải cao. Nguồn nhóm nghiên cứu

Hệ thống sử dụng dạng sóng có tần số tăng đều đặn theo thời gian, giống như tiếng còi xe cứu thương khi chạy qua. Phương pháp này mang lại độ phân giải khoảng cách cao, cường độ tín hiệu ổn định, khả năng chống nhiễu do vật thể chuyển động và quá trình chuyển đổi tín hiệu phản hồi đơn giản.

Bộ điều chế quang điện TFLN đầu tiên thực hiện việc nhân đôi tần số của tín hiệu vi sóng tần số thấp. Sau đó, tín hiệu được chia thành hai đường bởi bộ giao thoa đa mode 50:50. Đường trên được phát hiện bởi photodetector tốc độ cao để tạo ra dạng sóng radar sóng milimet.

Trong thử nghiệm đo khoảng cách, chip radar đạt độ phân giải trung bình 1,71 cm, gần với giá trị lý thuyết 1,50 cm. Hệ thống có thể phân biệt chính xác nhiều mục tiêu và đo khoảng cách từ 30 cm đến 420 cm với sai số trong phạm vi ±0,15 cm.

Khả năng đo tốc độ cũng gây ấn tượng khi chip có thể phát hiện tốc độ nhỏ nhất 0,056 m/s. Thử nghiệm với xe cân bằng điều khiển từ xa cho thấy độ chính xác cao trong dải tốc độ 0-1,2 m/s với sai số chỉ ±0,017 m/s.

Công nghệ này còn chứng minh khả năng tạo ảnh radar tổng hợp nghịch đảo (ISAR) với độ phân giải hai chiều 1,50 cm × 1,06 cm. Các thử nghiệm với mô hình máy bay và búp bê cho thấy hệ thống có thể tái tạo rõ nét các đặc điểm nhỏ như cánh đuôi 5 cm của máy bay nhỏ hay cánh tay và chân 0,7 cm của búp bê.

Chip radar quang học TFLN mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thời đại 6G. Công nghệ này phù hợp cho hệ thống cảm biến và phát hiện độ phân giải cao trong xe hơi, radar hàng không và nhà thông minh.

Với khả năng tích hợp cao và chi phí thấp, công nghệ này có thể thay đổi cách chúng ta tiếp cận các ứng dụng như cảm biến trong nhà, lái xe tự động và giám sát dấu hiệu sinh tồn. Việc tích hợp liền mạch giữa hệ thống thông tin và radar trong kỷ nguyên 6G sẽ mang lại những khả năng hoàn toàn mới.

Các nhà nghiên cứu cho biết có thể đạt độ phân giải tốt hơn xuống mức milimet bằng cách tăng tần số và băng thông của dạng sóng radar lên các dải quan trọng hơn như 76-79 GHz dành cho radar xe hơi.

Nền tảng TFLN với thiết kế điện cực sóng truyền tải điện có thể vượt quá băng thông 80 GHz trên cùng nền tảng chế tạo quy mô tấm bán dẫn. Các cấu trúc nhân tần tiên tiến như nhân bốn hoặc nhân tám tần số có thể tạo ra dạng sóng radar tần số cao trong khi vẫn duy trì yêu cầu thấp cho bộ chuyển đổi từ số sang tín hiệu liên tục.

Thành công này mở ra triển vọng cho việc phát triển các hệ thống radar quang học sóng cực ngắn nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí và độ chính xác cao, góp phần thúc đẩy cuộc cách mạng công nghệ cảm biến trong tương lai gần.

Synopsys, Ansys và Keysight hợp tác với TSMC tăng hiệu năng của các hệ thống tự trị với luồng tham chiếu mmWave mới Luồng quy trình thiết kế RF mmWave 79-GHz cho TSMC 16FFC đẩy nhanh quá trình phát triển vi mạch tích hợp (IC) tần số vô ...

Nghiên cứu hệ thống mmWave MIMO với định hướng búp sóng và ADC phân giải thấp Nhóm nghiên cứu tại Việt Nam đề xuất phương pháp tối ưu hệ thống mmWave MIMO thông qua kỹ thuật lựa chọn ăng-ten và sử ...

So sánh phương pháp ước lượng kênh thưa mmWave MIMO cho công nghệ 5G Nhóm nghiên cứu từ Trường Đại học Công nghệ (ĐHQGHN) đề xuất phân tích so sánh hiệu năng các phương pháp ước lượng kênh thưa ...