El año pasado, los investigadores de Columbia Engineering fueron los primeros en inventar una tecnología, circuitos integrados de radio dúplex completo IC, que se puede implementar en CMOS a nanoescala para permitir la transmisión y recepción simultáneas a la misma frecuencia en una radio inalámbrica.Ese sistema requería dos antenas, una para el transmisor y otra para el receptor, y ahora el equipo, dirigido por el profesor asociado de ingeniería eléctrica Harish Krishnaswamy, ha desarrollado una tecnología innovadora que solo necesita una antena, lo que permite un sistema general aún más pequeño.es la primera vez que los investigadores integran un circulador no recíproco y una radio full-duplex en un chip de silicio a nanoescala. La investigación del circulador se publica en línea el 15 de abril en Comunicaciones de la naturaleza DOI es 10.1038 / NCOMMS11217 y el documento que detalla la radio full-duplex de un solo chip con el circulador y la cancelación de eco adicional se presentó en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido IEEE 2016 el 2 de febrero.
"Esta tecnología podría revolucionar el campo de las telecomunicaciones", dice Krishnaswamy, director del Laboratorio de IC de alta velocidad y ondas Mm CoSMIC de Columbia. "Nuestro circulador es el primero que se coloca en un chip de silicio, y obtenemosliteralmente, órdenes de magnitud mejor rendimiento que el trabajo anterior. Las comunicaciones full-duplex, donde el transmisor y el receptor operan al mismo tiempo y con la misma frecuencia, se han convertido en un área crítica de investigación y ahora hemos demostrado que la capacidad WiFi puede duplicarseen un chip de silicio a nanoescala con una sola antena. Esto tiene enormes implicaciones para dispositivos como teléfonos inteligentes y tabletas ".
El grupo de Krishnaswamy ha estado trabajando en chips de radio de silicio para comunicaciones full duplex durante varios años y se interesó particularmente en el papel del circulador, un componente que permite las comunicaciones full duplex donde el transmisor y el receptor comparten la misma antena.Para hacer esto, el circulador tiene que "romper" la reciprocidad de Lorentz, una característica física fundamental de la mayoría de las estructuras electrónicas que requiere que las ondas electromagnéticas viajen de la misma manera en direcciones directa e inversa.
"Los circuitos y sistemas recíprocos son bastante restrictivos porque no se puede controlar la señal libremente", dice el estudiante de doctorado Negar Reiskarimian, quien desarrolló el circulador y es el autor principal de la Comunicaciones de la naturaleza papel. "Queríamos crear una manera simple y eficiente, utilizando materiales convencionales, para romper la Reciprocidad de Lorentz y construir un circulador de nanoescala de bajo costo que encajara en un chip. Esto podría abrir la puerta a todo tipo de nuevas y emocionantesaplicaciones "
La forma tradicional de romper la reciprocidad de Lorentz y construir circuladores de radiofrecuencia ha sido utilizar materiales magnéticos como las ferritas, que pierden reciprocidad cuando se aplica un campo magnético externo. Pero estos materiales no son compatibles con la tecnología de chips de silicio y los circuladores de ferritason voluminosos y caros. Krishnaswamy y su equipo pudieron diseñar un circulador altamente miniaturizado que utiliza interruptores para rotar la señal a través de un conjunto de condensadores para emular el "giro" no recíproco de la señal que se ve en los materiales de ferrita.Para el circulador, también construyeron un prototipo de su sistema full-duplex, un circuito integrado de silicio que incluía tanto su circulador como un receptor con cancelación de eco, y demostraron su capacidad en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido IEEE 2016 en febrero pasado.
"Poder poner el circulador en el mismo chip que el resto de la radio tiene el potencial de reducir significativamente el tamaño del sistema, mejorar su rendimiento e introducir nuevas funcionalidades críticas para el dúplex completo", dice el estudiante de doctorado Jin Zhou, que integró el circulador con el receptor full-duplex que presentaba cancelación de eco adicional.
Los circuitos y componentes no recíprocos tienen aplicaciones en muchos escenarios diferentes, desde comunicaciones de radiofrecuencia full-duplex y radar hasta aisladores de edificios que evitan que los transmisores de alta potencia se dañen por los reflejos de la antena. La capacidad de romper la reciprocidad.También abre nuevas posibilidades en el procesamiento de señales de radiofrecuencia que aún no se han descubierto. Las comunicaciones full-duplex son de particular interés para los investigadores debido a su potencial para duplicar la capacidad de la red, en comparación con las comunicaciones half-duplex que los teléfonos celulares actuales y las radios WiFiEl grupo Krishnaswamy ya está trabajando para mejorar aún más el rendimiento de su circulador y explorar aplicaciones de no reciprocidad "más allá del circulador".
"Lo que realmente me emociona de esta investigación es que pudimos hacer una contribución a un nivel teóricamente fundamental, lo que llevó a la publicación en Comunicaciones de la naturaleza , y también capaz de demostrar un práctico circulador de RF integrado con un receptor full-duplex que exhibió un factor de casi mil millones en cancelación de eco, convirtiéndolo en el primer chip práctico del receptor full-duplex y que llevó a la publicación en 2016IEEE ISSCC ", agrega Krishnaswamy." Es raro que una sola investigación, o incluso un grupo de investigación, unan contribuciones teóricas fundamentales con implementaciones de relevancia práctica. ¡Es extremadamente gratificante supervisar a los estudiantes graduados que pudieron hacer eso!"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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