دائرة الموجات فوق الصوتية: جهاز طوبولوجي يمكنه قطع تداخل إنترنت الأشياء

لقد أدى انتشار تكنولوجيا إنترنت الأشياء إلى إخراج صناديق الدردشة من الأجهزة اليومية والأدوات الجديدة أيضًا، ولكن الأمر يأتي مع جانب سلبي: كلما زاد عدد الأجهزة التي تتشارك في موجات الأثير، زادت صعوبة الاتصال بها. ومن المتوقع أن يعمل ما يقرب من 30 مليار جهاز متصل بحلول عام 2030 باستخدام معايير لاسلكية مختلفة مع مشاركة نفس نطاقات التردد، مما قد يتداخل مع بعضها البعض. وللتغلب على ذلك، يقول الباحثون في اليابان إنهم طوروا طريقة لتقليص الأجهزة التي تقوم بتصفية الإشارات المتداخلة. وبدلاً من العديد من المرشحات الفردية، ستقوم التكنولوجيا بدمجها في شرائح واحدة.

لكي تعمل الهواتف الذكية بمعايير اتصالات مختلفة وفي بلدان مختلفة، فإنها تحتاج إلى العشرات من المرشحات لمنع الإشارات غير المرغوب فيها. لكن هذه المرشحات يمكن أن تكون باهظة الثمن وتستهلك مجتمعة قدرًا كبيرًا نسبيًا من المساحة في الهاتف. ومع تزايد ازدحام الطيف الكهرومغناطيسي، سيتعين على المهندسين حشر المزيد من المرشحات في الهواتف والأجهزة الأخرى، مما يعني أن المزيد من التصغير سيكون ضروريًا. يقول الباحثون في شركة الاتصالات اليابانية NTT وجامعة أوكاياما إنهم طوروا تقنية يمكنها تقليص كل تلك المرشحات إلى جهاز واحد يصفونه بأنه دائرة فوق صوتية يمكنها توجيه الإشارات دون تشتيتها عن غير قصد.

تشتمل دائرة الموجات فوق الصوتية على مرشحات مشابهة لمرشحات الموجات الصوتية السطحية (SAW) المستخدمة في الهواتف الذكية. تعمل مرشحات SAW على تحويل إشارة التردد اللاسلكي الإلكترونية إلى موجة ميكانيكية على سطح الركيزة والعودة مرة أخرى، مما يؤدي إلى تصفية ترددات معينة في هذه العملية. نظرًا لأن الموجة الميكانيكية أقصر بآلاف المرات من موجة التردد اللاسلكي التي تنتجها، يمكن أن تكون مرشحات SAW مدمجة.

تقوم مرشحات اليوم بحجب إشارات التردد اللاسلكي غير المرغوب فيها عن طريق تحويلها إلى إشارات فوق صوتية وإعادتها مرة أخرى. يمكن أن يؤدي البحث الجديد إلى طريقة لدمج العديد من هذه المرشحات في شريحة واحدة.شركة إن تي تي

“في مجتمع إنترنت الأشياء المستقبلي، سيزداد عرض النطاق الترددي وطرق الاتصال، لذلك سنحتاج إلى مئات مرشحات الموجات فوق الصوتية في الهواتف الذكية، لكن لا يمكننا تخصيص مساحة كبيرة لها”، لأن البطارية والشاشة والمعالج والمكونات الأخرى تحتاج إلى مساحة أيضًا، يقول دايكي هاتاناكا، عالم أبحاث كبير في مجموعة أبحاث ميكانيكا النانو في NTT. “تسمح لنا تقنيتنا بحصر الموجات فوق الصوتية في قناة ضيقة جدًا على مقياس ميكرومتر ثم توجيه الإشارة كما نريد. واستنادًا إلى هذه الدائرة بالموجات فوق الصوتية، يمكننا دمج العديد من المرشحات على شريحة واحدة فقط.

النقل المعتمد على الوادي الزائف

قد يؤدي توجيه الموجات فوق الصوتية على طول مسار يغير اتجاهه إلى التشتت الخلفي، مما يؤدي إلى تدهور جودة الإشارة. ولمواجهة ذلك، استخدم هاتاناكا وزملاؤه أبحاث جامعة أوكاياما في الهياكل الطوبولوجية الصوتية. الطوبولوجيا هي الرياضيات التي تهتم بكيفية اعتبار الأشكال المختلفة متكافئة إذا استوفت شروطًا معينة – والمثال الكلاسيكي هو تساوي كعكة الدونات وفنجان القهوة لأن كل منهما يحتوي على ثقب واحد فقط. ولكن كما أبرزت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2016، فإنها تستخدم أيضًا لاستكشاف الحالات الغريبة للمادة بما في ذلك الموصلية الفائقة.

في تجاربهم، قام الباحثون في اليابان بتصميم دليل موجي يتكون من صفائف من الثقوب الدورية ذات تناظر دوراني ثلاثي الأبعاد. عندما يلتقي مصفوفتان بهما ثقوب تم تدويرها بمقدار 10 درجات عن بعضها البعض، تنشأ خاصية طوبولوجية تسمى اللف الزائف للوادي. عند هذه الحافة، توجد دوامات بالموجات فوق الصوتية الصغيرة “تدور كاذبًا” في اتجاهين متعاكسين، مما يولد موجة فوق صوتية فريدة تُعرف باسم النقل المعتمد على اللف الكاذب في الوادي. يؤدي هذا إلى نشر إشارة بتردد 0.5 جيجا هرتز في اتجاه واحد فقط حتى لو كان هناك انحناء حاد في الدليل الموجي، وفقًا لـ NTT. لذا فإن الإشارة لا يمكن أن تعاني من التشتت الخلفي.

يقول هاتاناكا: “إن اتجاه استقطاب حالات الوادي بالموجات فوق الصوتية يجبرها تلقائيًا على الانتشار في اتجاه واحد فقط، ويُحظر التشتت الخلفي”. “

وتقول شركة NTT إن الدائرة الطوبولوجية ذات الجيجاهيرتز هي الأولى من نوعها. يحاول فريق البحث الآن تصنيع دليل موجي يربط بين 5 إلى 10 مرشحات على شريحة واحدة. ستكون مساحة الشريحة الأولية حوالي سنتيمتر مربع واحد، لكن الباحثين يأملون في تقليصها إلى بضع مئات من الميكرومترات المربعة. وفي المرحلة الثانية من البحث، سيحاولون التحكم ديناميكيًا بالموجات فوق الصوتية، وتضخيم الإشارة، وتحويل ترددها، ودمج هذه الوظائف في نظام واحد.

ستدرس الشركة خططًا للتسويق مع استمرار البحث على مدار العامين المقبلين. يقول هاتاناكا إنه إذا أصبح البحث منتجًا تجاريًا، فقد يكون التأثير على الهواتف الذكية وأنظمة إنترنت الأشياء المستقبلية مهمًا. ويقدر أن الهواتف الذكية المستقبلية المتطورة يمكن أن تكون مجهزة بما يصل إلى 20 دائرة فوق صوتية.

ويقول: “يمكننا استخدام المساحة المتوفرة للحصول على تجربة مستخدم أفضل، لذلك باستخدام مرشحات الموجات فوق الصوتية أو مكونات الإشارة التناظرية الأخرى، يمكننا تحسين الشاشة أو البطارية أو المكونات المهمة الأخرى لتجربة المستخدم”.