Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 20 – vyšlo 18. května, ročník 5 (2007) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

20/2007

Vysokofrekvenční vlny milimetrové délky – nový rekord

Jiřina Hrušová

Vědecký tým pod vedením prof. M. C. Franka Changa na Los Angeleské Universitě (UCLAUCLA – University of California at Los Angeles. Univerzita, která byla založena jako jižní část Kalifornské univerzity v roce 1919.) vytvořil elektronický oscilátor, který je schopný vysílat a přijímat signál na frekvenci 324 GHz bez nadměrného zkreslení a ztrát energie. Tím se jako první na světe dostali na vlnovou délku menší než 1 mm. Znamená to mimo jiné širší možnosti při pozorování vesmíru. Test funkčnosti prováděli inženýři z NASA JPLNASA JPL – Jet Propulsion Laboratory, oddělení NASA zabývající se konstrukcí raketových pohonů. NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, založen byl v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších..

Prof. M. C. Frank Chang.

Tohoto rekordu se podařilo vědcům docílit pomocí napětím řízeného oscilátoru VCOVCO – Voltage-Controlled Oscillator, napěťově řízený oscilátor. tvořeného integrovaným obvodem CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. založeným na technologii použité například na čipech mikroprocesorů. Nazvali jej oscilátor CMOS VCO.

Nový oscilátor je schopen vysílat a přijímat vlny až s o 70 % vyšší frekvencí než současné oscilátory založené na CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. technologii, otevřel dveře zařízením, která možná jednoho dne budou používána jako senzory na kosmických lodích pro získání obrazů s vysokým rozlišením. Na Zemi se pak dají využít k tomu, aby zobrazily předměty zahalené kouřem či ukryté pod oblečením. „S vyšší frekvencí roste i šířka použitelného pásma. A širší pásmo znamená rychlejší komunikaci.“ Řekl Chang.

Kde najdeme submilimetrové vlny ve spektru.

Pomocí klasického 90-nm CMOS obvodu je celkem nemožné generovat submilimetrový signál (tj. signál, jehož vlnová délka klesne pod 1 mm) s frekvencí vyšší než 190 GHz. To proto, že nelinearita klasického oscilátoru způsobuje s rostoucí frekvencí zkreslování signálu a tudíž jsou signály frekvence vyšší než cca 190 GHz v praxi nepoužitelné.

Tým prof. Changa nejdříve vytvořil oscilátory CMOS VCO, které pracovaly na základní frekvenci 81 GHz, byly však vzájemně fázově posunuty o 0°, 90°, 180° a 270°. Lineární superpozicí těchto čtyř fázově posunutých výstupů dostali ve finále výslednou generovanou vlnu s frekvencí, která byla čtyřnásobkem základní frekvence – tedy 324 GHz. Tato nová metoda generování signálu má vysokou efektivitu konverze vstupní energie na výstupní signál (téměř 8 %) a má nízký fázový šumFázový šum – nechtěné fázově modulované komponenty signalu o jedné frekvenci., srovnatelný se základním oscilačním signálem.

„Když se podíváme na základy matematiky a fyziky, zjistíme, že je to možné, aniž bychom zaplatili příliš velkou cenu. A v tom je právě krása." říká Chang.

Test, při kterém byla naměřena frekvence 324 GHz, připravili Lorene Samoska a Andy Fung z NASA JPLNASA JPL – Jet Propulsion Laboratory, oddělení NASA zabývající se konstrukcí raketových pohonů. NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, založen byl v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. v Pasadeně. NASA a JPL se velice zajímají o submilimetrové technologie, protože vlny v rozsahu submilimetrových délek se skvěle hodí ke zkoumání vzdáleného vesmíru. Atmosféra totiž tento signál příliš netlumí a signály o vyšších frekvencích dávají obrazy ve vyšším rozlišení a tedy je možné vidět větší detaily.

Colpittův CMOS oscilátor řízený napětím (CMOS VCO).
Zdroj: Wireless Microsystems Lab, D. J. Young.

Chang a Huang, ve spolupráci s kolegy z JPL, již požádali o státní grant na to, aby vyvinuli lehký, vysoce integrovaný a nízkoenergetický (na provoz potřebuje jen nepatrné množství energie) generátor signálu, který by byl schopen vysílat signál na frekvenci až 600 GHz. Toto vysokofrekvenční zařízení najde uplatnění v dálkovém průzkumu při budoucích vesmírných letech, protože vlny v rozsahu submilimetrových délek se skvěle hodí ke zkoumání vzdáleného vesmíru.

Vytvoření zařízení se signálem o frekvenci 600 GHz z již existujícího oscilátoru CMOS VCO potřebuje jen modifikaci tohoto nového obvodu:

• Buď zvýšením základní frekvence VCO,

• nebo zvýšením počtu superponovaných oscilátorových výstupů (místo 4 použít 8 nebo 16).

„Algoritmus byl ověřen, a proto víme, jak dosáhnout těchto frekvencí." říká Chang. Například, použijeme-li čtveřici VCO oscilátorů s 85 GHz výstupy, bude výsledná frekvence 340 GHz. Tato frekvence je něco jako Svatý Grál v komerčním kosmickém průmyslu a v armádě, protože představuje „okno“ v atmosféře, skrze které prochází submilimetrový signál, který je jen velmi málo tlumený. Dalo by se říci, že vzduch je pro tento signál průhledný.

Za normálních podmínek vlny milimetrového rozsahu excitují svazky atomů a molekul v materiálech jako jsou voda, kyslík, oxid uhličitý nebo další molekuly v atmosféře. Signál s vlnovou délkou kratší než milimetr projde skrze tyto látky, a může se proto šířit na dlouhé vzdálenosti. Changův vědecký tým dále prohlásil, že bude schopen do 6 měsíců vysílat signál s frekvencí 340 GHz. "Jeden z výsledků říká, že vlny těchto délek mohou „vidět“ skrz kouř, což je zajímavé především v komerční letecké dopravě." říká Chang. Další využití vysokofrekvenčního oscilátoru CMOS VCO má v plánu také armáda USA. Technologie CMOS VCO vytváří budoucnost pro zařízení submilimetrových vln, které budou snadno integrovatelné na čipy mikroprocesorů a budou lehké, takže senzory z nich vyrobené budou snadno přenositelné.

To, že je znám princip výroby zařízení pracujícího na frekvenci nad 320 GHz, dává naději také astrofyzikům na lepší výsledky při pozorování vesmíru. Signály submilimetrových délek nám umožňují pozorovat objekty, které nám pomáhají najít odpověď na otázku, jaký byl raný vesmír. Signály, které jsou nám k tomu nápomocny, jsou v rozsahu vln blízkých infračervenému záření až po vysoké frekvence rádiových vln. Zařízení využívající submilimetrové vlny najdou uplatnění také v armádě a policii. S použitím vlnové délky pod jeden milimetr lze zobrazit, co lidé skrývají pod oblečením.

Klip týdne: CMOS technologie

 

CMOS technologie. Tento klip je ukázkou použití počítačového programu PROPHET, který je určen k řešení parciálních diferenciálních rovnic v 1D, 2D i 3D případě. Jedním z ukázkových problémů řešeným tímto programem je použití technologie CMOS. Zdroj: PROPHET. (gif, 2 MB)

Odkazy