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麻省理工学院的研究人员表示，他们已经创建了一种信用卡大小的设备，能够以极高的精度电子控制和聚焦一束太赫兹电磁能。
研究人员表示，他们已经展示了最精确、电子可控的太赫兹天线阵列，其中包含最大数量的天线。信用卡大小的半导体太赫兹波束形成器为高分辨率、实时成像设备打开了大门，这些设备的尺寸是其他雷达系统的百分之一，并且比其他光学系统更强大。
图1，太赫兹“反射阵列”。
这种被称为“反射阵列”的天线阵列像可控镜子一样工作，其反射方向由计算机控制，反射阵列包含近 10,000 个天线，可以将一束太赫兹能量精确地聚焦在一个很小的区域上，并能在没有移动部件的情况下快速控制它。该反射阵列采用半导体芯片和创新制造技术制造，也具有可扩展性。
研究人员通过生成场景的 3D深度图像来演示该设备，这些图像与激光雷达（光探测和测距）设备生成的图像类似，但由于反射阵列使用太赫兹波而不是光，因此它可以在雨、雾或雪中有效工作。研究人员说，这种小型反射阵列还能够生成雷达图像，其角度分辨率是科德角雷达图像的两倍。科德角是一座大到可以从太空看到的建筑。虽然 Cape Code 雷达能够覆盖更大的区域，但新的反射阵列是第一个为商用智能机器设备提供军用级分辨率的雷达。
“天线阵列非常有趣，只需改变馈送到每个天线的时间延迟，就可以改变能量聚焦的方向，而且它完全是电子的，”论文作者Nathan Monroe说。“因此，它可以替代那些在机场看到的用电机移动的大型雷达天线。我们可以做同样的事情，但我们不需要任何活动部件，因为我们只是改变了计算机中的一些位。”
与典型天线阵列不同，每个天线在内部产生自己的无线电波功率，反射阵列使用一个主要能源向天线发射太赫兹波，然后将能量反射到研究人员控制的方向（类似于屋顶-顶部卫星天线）。接收到能量后，每个天线在反射之前会执行一个时间延迟，从而将波束聚焦到特定方向。
研究人员表示，控制该时间延迟的移相器通常会消耗大量无线电波能量，有时甚至高达 90%，因此他们设计了一种新的移相器，仅由两个晶体管制成，它消耗功率约为原来的一半。此外，典型的移相器需要外部电源，例如电源或电池才能运行，这会产生功耗和发热问题。新的移相器设计完全不消耗功率。
控制能量束是另一个问题：计算和传输足够多的比特来同时控制 10,000 个天线会大大降低反射阵列的性能。研究人员通过将天线阵列直接集成到计算机芯片上，避免了这个问题。因为移相器非常小，只有两个晶体管，它们能够在芯片上保留约 99% 的空间。他们将这个额外的空间用于存储信息，因此每个天线都可以存储不同相位的库。
“与其实时告诉这个天线阵列，10,000 个天线中的哪一个需要将波束引导到某个方向，你只需要告诉它一次，然后它就会记住。”Monroe 说。 “然后你只需拨通它，基本上它会将页面从其库中拉出。后来发现，这让我们也可以考虑使用这些内存来实现算法，这可以进一步提高天线阵列的性能。”
研究人员说，为了达到预期的性能，他们需要大约 10,000 根天线（更多的天线可以让他们更精确地控制能量），但制造一个足以容纳所有这些天线的计算机芯片本身就是一个巨大的挑战。因此，他们采用了一种可扩展的方法，构建了一个带有 49 根天线的小型芯片，用于与自身的副本进行通信。然后他们将芯片平铺成一个 14 x 14 的阵列，并微型金线将它们缝合在一起，微型金线可以为芯片阵列传递信号并供电。
研究人员与英特尔合作制造芯片并协助组装阵列。麻省理工学院太赫兹集成电子组负责人Ruonan Han副教授说，“在这项研究之前，人们真的没有将结合太赫兹技术和半导体芯片起来实现这种超锐利的电子控制波束形成，我们看到了这个机会，并且还采用了一些独特的电路技术，在芯片上提出了一些非常紧凑但又高效的电路，因此我们可以有效地控制这些位置的波行为。通过利用集成电路技术，现在我们可以实现一些元件内存和数字行为，这在过去绝对是不存在的。我们强烈认为，使用半导体，你真的可以实现一些惊人的事情。”
研究人员通过进行称为辐射模式的测量来展示反射阵列，辐射模式描述了天线辐射能量的角度方向。他们能够非常精确地聚焦能量，因此光束只有 1 度宽，并且能够以 1 度的步长控制光束。
当用作成像器时，1 度宽的光束在场景中的每个点上以锯齿形模式移动并创建 3D 深度图像。与其他需要数小时甚至数天才能创建图像的太赫兹阵列不同的是，他们的阵列是实时工作的。
研究人员表示，由于反射阵列工作速度快且结构紧凑，因此它可以用作自动驾驶汽车的成像仪，特别是因为太赫兹波可以穿透恶劣的天气。该设备重量轻且没有移动部件，也非常适合自主无人机。此外，该技术还可以应用于安全设置，使非侵入式人体扫描仪可以在几秒钟而不是几分钟内工作。
研究人员目前正在与麻省理工学院技术许可市场合作，通过一家初创公司将该技术推向市场。
