Este prototipo de sensor de radar de ondas milimétricas desarrollado en UC Davis es capaz de medir vibraciones y movimientos extremadamente pequeños y, al mismo tiempo, es energéticamente eficiente y económico de producir. Crédito: Omeed Momeni, UC Davis
Científicos de la Universidad de California en Davis han creado un sensor de prueba de concepto que podría marcar el comienzo de una nueva era para el radar de ondas milimétricas. De hecho, llaman a su diseño una “misión imposible” hecha posible.
Los radares de ondas milimétricas utilizan ondas electromagnéticas de rápido movimiento, apuntando a objetos para determinar su movimiento, posición y velocidad en función del reflejo de estas ondas. Lo que distingue a las ondas milimétricas es su aguda sensibilidad a movimientos diminutos y su habilidad para recopilar datos de objetos extremadamente pequeños.
El nuevo sensor utiliza un innovador diseño de radar de ondas milimétricas para detectar vibraciones mil veces más pequeñas y cambios en la posición de un objetivo cien veces más pequeños que un cabello humano, lo que lo hace mejor o equivalente a los sensores más precisos del mundo. Sin embargo, a diferencia de sus competidores, este tiene el tamaño de una semilla de sésamo, es barato de producir y tiene una batería de larga duración.
El profesor Omeed Momeni y su laboratorio del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática lideraron el esfuerzo. Es parte de un proyecto en curso financiado por la Fundación para la Investigación Agrícola y Alimentaria, o FFAR, para desarrollar un sensor de bajo costo capaz de rastrear el estado del agua de plantas individuales. Este nuevo radar es el trampolín necesario para demostrar que esto es posible. El trabajo fue publicado recientemente en el IEEE Journal of Solid-State Circuits.
Desafío de ondas milimétricas
La onda milimétrica es la frecuencia electromagnética entre las microondas y el infrarrojo, y oscila entre 30 y 300 gigahercios. Permite redes de comunicación rápidas como 5G y es deseable por sus capacidades de detección de corto alcance. Pero puede resultar difícil trabajar con él debido al alto consumo de energía y al rendimiento limitado de los semiconductores en estas frecuencias.
El principal problema al que se enfrentó el equipo durante el primer año de trabajo en el sensor fue encontrar la fuente deseada. El ruido fue tal que cuando los investigadores intentaron captar la delicada señal de una pequeña hoja que se estaba adelgazando, sus sensores se ahogaron.
«Parecía realmente imposible porque los niveles de ruido que estábamos observando tenían que ser tan bajos que casi ninguna fuente de señal podía soportarlos», dijo Momeni.
En un momento, no estaban seguros de poder superar el desafío, y su equipo notó que necesitarían construir un chip de radar que fuera 10 veces más potente y preciso que el diseño de última generación actual, algo que Parecía depender de avances tecnológicos que podrían ocurrir años en el futuro.
Sintonizando una frecuencia diferente
A veces lo único que necesitas es una idea que aborde el tema desde otro ángulo. Ingresa Hao Wang, un estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica en el Laboratorio de Sistemas Integrados de Alta Velocidad de Momeni que trabajó en el proyecto del sensor antes de graduarse en 2021.
Wang tuvo un momento de inspiración para sortear las restricciones tecnológicas cuando conoció a Momeni un día: ¿por qué no anular el ruido consigo mismo? En teoría, esto resolvería el problema al que se enfrentaban sus sensores, y Wang estaba ultimando el diseño de un chip para su tesis que hiciera precisamente eso.
«Esto no surgió de la nada, es un concepto completamente nuevo», dijo Wang. “Eso se basó en lo que [in Momeni’s lab] acumulamos investigación a lo largo de los años y luego innovamos más”.
El laboratorio trabajó rápidamente para armar un prototipo para probar la idea de Wang. Funcionó en el primer intento.
El prototipo tuvo éxito porque les permitió abordar la cantidad de ruido que recibía su sensor como un simple problema aritmético. Restaron el ruido innecesario manteniendo la sensibilidad de sus mediciones y la integridad de sus datos.
Con esta técnica, el sensor de ondas milimétricas podría detectar toda la información necesaria sin quedar “amortiguado” por el ruido. Esta innovación impulsó las altas tasas de precisión del sensor.
El chip de Wang también es sencillo de producir y presenta un diseño único que mejora enormemente la eficiencia energética del sensor de ondas milimétricas. Estos avances adicionales podrían resolver dos de los problemas más importantes a los que se enfrentan los sensores de ondas milimétricas: el alto consumo de energía y el rendimiento limitado de los transistores semiconductores en términos de ruido, ganancia y potencia de salida.
A medida que el equipo continúa refinando e iterando su diseño, están entusiasmados con la posibilidad de que los investigadores lo prueben. Fuera de su proyecto FFAR, creen que es prometedor para detectar la integridad estructural de los edificios y mejorar la realidad virtual, pero creen que tiene mucho más potencial del que creen.
Referencia: “Un radar Doppler con detección de desplazamiento de ondas mm altamente preciso y sensible con un demodulador de fase impulsado por bordes sin cuadratura” por Hao Wang, Hamidreza Afzal y Omeed Momeni, 25 de abril de 2023, IEEE Journal of Solid-State Circuits .
DOI: 10.1109/JSSC.2023.3266704
El estudio fue financiado por la Fundación para la Investigación Agrícola y Alimentaria.
