راه حلی هوشمندانه برای دنیای پر از امواج اینترنت اشیاء

پیش‌بینی می‌شود تا سال 2030 تعداد دستگاه‌های متصل به شبکه‌های بی‌سیم به 30 میلیارد برسد. این موضوع در کنار مزایای بی‌شمار یک عیب مهم هم دارد: هر چه دستگاه‌های متصل به شبکه بیشتر باشد احتمال تداخل در ارتباطات آنها هم افزایش می‌یابد. اکنون گروهی از محققان ژاپنی تلاش دارند برای حل این مشکل، مدارهای متعددی که برای فیلتر امواج بی‌سیم استفاده می‌شوند را با یک فیلتر اولتراسونیک واحد جایگزین کنند.

چرا باید امواج الکترومغناطیس را فیلتر کنیم؟

دنیای اطراف ما پر از سیگنال‌های الکترومغناطیسی است. از شبکه‌های موبایل گرفته تا ماهواره‌های GPS و حتی ارتباط بلوتوث ایربادز همگی در حال انتشار امواج رادیویی هستند. به همین دلیل دستگاه‌هایی الکترونیکی از فیلترهایی استفاده می‌کنند که تنها اجازه ورود امواج با فرکانس مناسب را می‌دهد.

از سوی دیگر دستگاه‌های هوشمند مثل گوشی‌ها برای پشتیبانی از انواع استانداردهای ارتباطی (4G، 5G، Wi-Fi، بلوتوث و …) نیاز به تعداد زیادی فیلتر دارند که فضای زیادی از تراشه‌های موبایل را اشغال می‌کنند و پیش‌بینی با شلوغ‌تر شدن طیف فرکانسی، مهندسان مجبور باشند تعداد حتی تعداد بیشتری از این فیلترها را روی تراشه‌های جا دهند و به همین دلیل کوچک‌سازی فیلترها ضروری به نظر می‌رسد.

اکنون بر اساس گزارش IEEE Spectrum پژوهشگرانی از دانشگاه اوکایاما و شرکت مخابراتی NTT ژاپن یک مدار فراصوت (Ultrasonic) توسعه داده‌اند که می‌تواند تمام فیلترهای لازم را در یک مدار فشرده روی تراشه ترکیب کند. «Daiki Hatanaka» از پژوهشگران ارشد گروه نانومکانیک NTT در این رابطه می‌گوید:

در آینده صنعت اینترنت اشیاء، پهنای باند و روش‌های ارتباطی افزایش خواهند داشت و به همین دلیل به صدها فیلتر اولتراسونیک در گوشی‌های هوشمند نیاز خواهیم داشت اما نمی‌توانیم جای زیادی را به آنها اختصاص دهیم. فناوری ما اجازه می‌دهد امواج اولتراسونیک را در مداری با اندازه میکرومتری کنترل کنیم و از این طریق تعدا زیادی فیلتر را روی فقط یک تراشه جا دهیم.

فیلترهای مکانیکی برای امواج الکترومغناطیسی

مدار فیلتر اولتراسونیک عملکردی مشابه فیلترهای SAW در گوشی‌هاای هوشمند دارند. این فیلترها سیگنال رادیویی را به یک موج مکانیکی تبدیل می‌کنند و پس از حذف فرکانس‌های مورد نظر، دوباره آن را به سیگنال رادیویی قابل استفاده در مدارهای الکترونیکی تبدیل می‌کنند. در این بین به دلیل طول موج بسیار کمتر امواج مکانیکی، فیلترهای اولتراسونیک می‌توانند اندازه بسیار کمتری داشته باشند.

یکی از چالش‌های طراحی فیلترهای اولتراسونیک انعکاس امواج مکانیکی است. محققان ژاپنی در این پروژه برای غلبه بر این مشکل از ساختاری در مدار خود استفاده کردند که باعث خنثی شدن امواج صوتی انعکاس یافته می‌شود و حتی در فرکانس‌های گیگاهرتزی نیز سیگنال فقط در یک جهت حرکت می‌کند.

شرکت مخابراتی NTT می‌گوید که تیم تحقیقاتی هم‌اکنون مشغول طراحی مداری است که ۵ تا ۱۰ فیتلر را روی یک تراشه به مساحت ۱ سانتی‌متر جا دهد. این شرکت امیدوار است در ادامه این تراشه را تا ۱۰۰ میکرومتر مربع کوچک‌تر کنند و امکاناتی مثل تقویت سیگنال و تبدیل فرکانس را نیز به آن بیافزایند.

محقق ارشد NTT، Hatanaka در رابطه با سایر فواید این فناوری می‌گوید:

می‌توانیم از فضای صرفه‌جویی شده از این طریق برای ارتقای تجربه کاربر استفاده کنیم. بنابراین با به‌کارگیری فیلترهای اولتراسونیک یا دیگر قطعات سیگنال آنالوگ، می‌توانیم نمایشگر، باتری یا سایر قطعاتی که برای تجربه کاربری مفید هستند را بهبود دهیم.