پایان نامه
طراحی یک تشعشع‌کننده هارمونیک سوم دوبعدی مقیاس‌پذیر برای سامانه‌های تراهرتز مبتنی بر فناوری فین‌فت ۲۲ نانومتری (FinFET)

در سال‌های اخیر، فناوری تراهرتز (Terahertz یا THz) به دلیل کاربردهای گسترده در حوزه‌هایی مانند تصویربرداری، طیف‌سنجی (Spectroscopy)، سامانه‌های امنیتی و ارتباطات پرسرعت، توجه پژوهشگران را به خود جلب کرده است. با این وجود، یکی از مهم‌ترین موانع توسعه این فناوری، نبود منابع تولیدکننده توان بالا در محدوده فرکانسی تراهرتز است که به «شکاف تراهرتز» (THz Gap) شهرت دارد. این پایان‌نامه با هدف ارائه یک تشعشع‌کننده (Radiator) مجتمع در فرکانس حدود ۲۹۱٫۳ گیگاهرتز، راهکاری نوین برای افزایش توان تابشی، بهبود مقیاس‌پذیری و افزایش کارایی سامانه‌های مجتمع تراهرتز ارائه می‌دهد. در این پژوهش، ساختار پیشنهادی بر پایه تولید هارمونیک سوم (Third-Harmonic Generation) و استفاده از یک ساختار الکترومغناطیسی چندمنظوره (Multi-functional Electromagnetic Structure) طراحی شده است که علاوه بر ایفای نقش تشدیدکننده (Resonator)، وظیفه آنتن و قفل‌سازی فاز (Phase Locking) میان واحدهای تشعشع‌کننده را نیز بر عهده دارد. بهره‌گیری از فناوری Intel 22nm FinFET (FFL) امکان پیاده‌سازی مدارهای پرسرعت با عملکرد بالا را فراهم کرده و ساختار پیشنهادی به گونه‌ای طراحی شده است که قابلیت گسترش دوبعدی (2-D Scalable) و ترکیب توان در فضای آزاد (Free-space Power Combining) را داشته باشد. برای ارزیابی عملکرد، طراحی در محیط‌های شبیه‌سازی مدار و الکترومغناطیس مورد بررسی قرار گرفته و سپس نمونه‌ای شامل آرایه‌ای از ۱۰×۵ واحد تشعشع‌کننده ساخته و اندازه‌گیری شده است. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد سامانه پیشنهادی با توان تابشی حدود ۲- دسی‌بل‌میلی‌وات (dBm) و توان تابشی همسانگرد مؤثر (Effective Isotropic Radiated Power یا EIRP) برابر با ۱۴٫۸ دسی‌بل‌میلی‌وات، عملکرد مناسبی در کنار ابعاد فشرده ارائه می‌دهد. در مجموع، این پایان‌نامه با معرفی معماری جدیدی برای تولید امواج تراهرتز، گامی مؤثر در جهت توسعه منابع مجتمع توان‌بالا، افزایش قابلیت مقیاس‌پذیری و فراهم‌سازی زمینه استفاده گسترده‌تر از فناوری تراهرتز در کاربردهای آینده برداشته است.

فهرست مطالب

“`

این پایان‌نامه به طراحی، شبیه‌سازی، ساخت و ارزیابی یک تشعشع‌کننده مجتمع در محدوده فرکانسی تراهرتز (Terahertz یا THz) می‌پردازد که با استفاده از فناوری Intel 22nm FinFET (FFL) پیاده‌سازی شده است. انگیزه اصلی این پژوهش، رفع یکی از مهم‌ترین چالش‌های فناوری تراهرتز، یعنی کمبود منابع تولیدکننده توان بالا در این محدوده فرکانسی است. اگرچه امواج تراهرتز در سال‌های اخیر کاربردهای فراوانی در ارتباطات بی‌سیم فوق‌پرسرعت، تصویربرداری امنیتی، پزشکی، طیف‌سنجی، سامانه‌های راداری و حسگرهای دقیق پیدا کرده‌اند، اما توسعه عملی این فناوری با محدودیت جدی در تولید سیگنال‌های توان‌بالا روبه‌رو است. این مشکل که با عنوان «شکاف تراهرتز» (THz Gap) شناخته می‌شود، ناشی از آن است که فناوری‌های الکترونیکی متداول در فرکانس‌های بسیار بالا با کاهش شدید توان خروجی مواجه می‌شوند و در مقابل، فناوری‌های نوری نیز در این محدوده فرکانسی عملکرد مطلوبی ندارند. بنابراین پژوهش حاضر تلاش می‌کند راهکاری عملی برای تولید مؤثر امواج تراهرتز ارائه دهد.

در فصل نخست، نویسنده ابتدا مفهوم امواج تراهرتز را معرفی می‌کند. این امواج در بازه تقریبی ۳۰۰ گیگاهرتز تا ۳ تراهرتز قرار دارند و به دلیل طول موج بسیار کوچک، امکان ساخت آرایه‌های آنتنی متراکم، مدارهای مجتمع کوچک و سامانه‌های بسیار پرسرعت را فراهم می‌کنند. سپس کاربردهای این باند فرکانسی مورد بررسی قرار می‌گیرد. در حوزه تصویربرداری، امواج تراهرتز می‌توانند از موادی مانند پارچه، پلاستیک و برخی مواد غیرفلزی عبور کنند و بدون استفاده از پرتوهای یونیزان، تصاویر دقیقی از اجسام تولید کنند. در پزشکی نیز حساسیت این امواج به میزان آب موجود در بافت‌ها، امکان تشخیص برخی بیماری‌ها و بررسی وضعیت بافت‌های زنده را فراهم می‌کند. علاوه بر این، در سامانه‌های مخابراتی آینده، به دلیل پهنای باند بسیار زیاد، استفاده از امواج تراهرتز می‌تواند نرخ انتقال داده را چندین برابر نسل‌های فعلی شبکه‌های بی‌سیم افزایش دهد.

پس از معرفی کاربردها، پایان‌نامه به بررسی روش‌های مختلف تولید امواج تراهرتز می‌پردازد. روش‌های مبتنی بر لیزر، منابع خلأ، منابع نیمه‌هادی و مدارهای مجتمع مورد بررسی قرار می‌گیرند و مزایا و محدودیت‌های هر یک توضیح داده می‌شود. نویسنده نشان می‌دهد که مدارهای مجتمع سیلیکونی به دلیل هزینه پایین، قابلیت تولید انبوه و امکان مجتمع‌سازی بالا، گزینه بسیار مناسبی برای توسعه سامانه‌های تراهرتز هستند؛ اما محدودیت اصلی آن‌ها کاهش توان خروجی در فرکانس‌های بالا است. همین موضوع، مسئله اصلی پایان‌نامه را شکل می‌دهد.

در فصل دوم، پژوهش به بررسی تحقیقات گذشته در زمینه تشعشع‌کننده‌های مجتمع تراهرتز اختصاص یافته است. ابتدا روش تولید هارمونیک‌های غیرخطی در نوسان‌سازها بررسی می‌شود. در این روش به جای تولید مستقیم فرکانس بسیار بالا، ابتدا یک نوسان‌ساز در فرکانس پایین‌تر طراحی شده و سپس از رفتار غیرخطی ترانزیستورها برای استخراج هارمونیک‌های بالاتر استفاده می‌شود. نویسنده نمونه‌هایی از ساختارهای Push-Push، Triple-Push و Quad-Push را معرفی کرده و عملکرد هر یک را از نظر توان خروجی، پیچیدگی طراحی و قابلیت توسعه مقایسه می‌کند. اگرچه این ساختارها قادر به تولید امواج تراهرتز هستند، اما به دلیل ساختار نامنظم، مقیاس‌پذیری مناسبی ندارند و افزایش تعداد عناصر برای تولید توان بیشتر با دشواری همراه است.

در ادامه، یکی از مهم‌ترین بخش‌های پیشینه تحقیق یعنی ساختار Return-path Gap Coupler (RGPC) معرفی می‌شود. این ساختار امکان ایجاد نوسان تفاضلی پایدار، استخراج هارمونیک‌های مطلوب و قفل‌شدن فاز نوسان‌سازها را فراهم می‌کند. نویسنده پژوهش‌های قبلی مبتنی بر این ساختار را بررسی کرده و نشان می‌دهد که اگرچه این روش‌ها موفق به تولید توان مناسب در فرکانس‌های بالا شده‌اند، اما همچنان محدودیت‌هایی مانند ابعاد بزرگ سلول‌ها، دشواری آرایه‌بندی دوبعدی و کاهش بازده وجود دارد. همچنین فناوری Intel 22FFL FinFET معرفی می‌شود که به دلیل فرکانس بیشینه عملکرد (fmax) بالا، مقاومت کمتر خطوط فلزی و کیفیت مناسب لایه‌های فلزی، بستر مناسبی برای طراحی مدارهای تراهرتز محسوب می‌شود.

پس از بررسی پیشینه، فصل سوم به معرفی ساختار پیشنهادی پایان‌نامه اختصاص دارد که مهم‌ترین بخش تحقیق محسوب می‌شود. نویسنده یک واحد تشعشع‌کننده جدید طراحی می‌کند که از دو ترانزیستور با نوسان تفاضلی تشکیل شده و توسط یک ساختار الکترومغناطیسی چندمنظوره بارگذاری می‌شود. این ساختار به طور هم‌زمان چند وظیفه مهم را انجام می‌دهد؛ در فرکانس اصلی به عنوان تشدیدکننده نوسان عمل می‌کند، در هارمونیک سوم نقش آنتن را بر عهده می‌گیرد، تابش هارمونیک‌های ناخواسته را سرکوب می‌کند و شرایط لازم برای قفل‌شدن فاز میان سلول‌های مجاور را فراهم می‌سازد. یکی از نوآوری‌های مهم این پایان‌نامه، طراحی ساختاری است که ابعاد هر سلول تقریباً برابر نصف طول موج در هر دو جهت باشد. این ویژگی امکان کنار هم قرار گرفتن تعداد زیادی سلول را در قالب یک آرایه دوبعدی فراهم می‌کند و از ایجاد لوب‌های ناخواسته تشعشعی جلوگیری می‌کند.

در ادامه، نویسنده رفتار میدان‌های الکترومغناطیسی را در هارمونیک‌های مختلف بررسی می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که ساختار پیشنهادی در هارمونیک اول و دوم تقریباً هیچ تابش مؤثری ایجاد نمی‌کند، اما در هارمونیک سوم میدان‌های الکترومغناطیسی به صورت هم‌فاز در تمام شکاف‌های عمودی توزیع می‌شوند و در نتیجه توان تابشی قابل توجهی تولید می‌شود. این ویژگی موجب افزایش بازده تبدیل انرژی و کاهش اتلاف توان می‌شود. علاوه بر این، ساختار مرزی سلول‌ها به گونه‌ای طراحی شده است که بدون نیاز به مدارهای فعال اضافی، سلول‌های مجاور به صورت غیرفعال با یکدیگر کوپل شده و همگی در یک فاز نوسان کنند. این ویژگی باعث می‌شود که توان تولیدشده توسط سلول‌های مختلف در فضای آزاد با یکدیگر جمع شده و توان خروجی کل آرایه افزایش یابد.

بخش مهم دیگری از این فصل به طراحی مسیرهای تغذیه، خطوط انتقال، ساختارهای اتصال، خازن‌های مرزی و نحوه اعمال ولتاژهای بایاس اختصاص دارد. نویسنده تلاش کرده است تمامی اجزای مدار به گونه‌ای طراحی شوند که کمترین تلفات هدایتی و تشعشعی ایجاد شود. همچنین با استفاده از شبیه‌سازی‌های الکترومغناطیسی و مداری، محل قرارگیری ترمینال‌های گیت و درین بهینه شده تا تداخل مخرب میان سیگنال‌های تولیدشده به حداقل برسد. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که ساختار پیشنهادی قادر است توان مناسبی در هارمونیک سوم تولید کند و بخش عمده انرژی تولیدشده به صورت تشعشع مفید از آنتن خارج شود.

پس از تکمیل طراحی، فصل چهارم به ساخت نمونه واقعی و اندازه‌گیری عملکرد آن اختصاص یافته است. تراشه نهایی شامل آرایه‌ای متشکل از ۱۰×۵ واحد تشعشع‌کننده است که بر روی فناوری Intel 22FFL ساخته شده است. برای اندازه‌گیری عملکرد، تراشه بر روی برد مخصوص نصب شده و با استفاده از عدسی سیلیکونی، توان تابشی به فضای آزاد منتقل می‌شود. سپس با تجهیزات اندازه‌گیری مخصوص باند تراهرتز، الگوی تشعشع، توان خروجی، فرکانس کاری، نویز فاز و سایر مشخصات اندازه‌گیری می‌شود.

نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که فرکانس کاری مدار حدود ۲۹۱٫۳ گیگاهرتز است. بیشترین توان تابشی همسانگرد مؤثر (EIRP) برابر ۱۴٫۸ دسی‌بل‌میلی‌وات و توان واقعی تابش حدود ۲- دسی‌بل‌میلی‌وات اندازه‌گیری شده است. همچنین نویز فاز اندازه‌گیری‌شده در فاصله یک مگاهرتز از حامل برابر با ۷۲- دسی‌بل نسبت به حامل بر هرتز بوده که برای چنین سامانه‌ای عملکرد مناسبی محسوب می‌شود. نویسنده سپس نتایج به‌دست‌آمده را با چندین پژوهش معتبر منتشرشده در سال‌های اخیر مقایسه می‌کند. این مقایسه نشان می‌دهد که اگرچه برخی طرح‌های قبلی توان خروجی بیشتری تولید کرده‌اند، اما ساختار پیشنهادی تعادل بسیار مناسبی میان توان خروجی، ابعاد تراشه، قابلیت مقیاس‌پذیری، بازده و سادگی ساخت برقرار کرده است.

یکی از مهم‌ترین دستاوردهای این پژوهش، قابلیت توسعه دوبعدی ساختار است. برخلاف بسیاری از طراحی‌های قبلی که تنها امکان افزایش تعداد عناصر در یک جهت را داشتند، در این پایان‌نامه هر سلول به گونه‌ای طراحی شده است که بتوان بدون تغییر ساختار اصلی، تعداد زیادی سلول را در هر دو جهت افقی و عمودی کنار هم قرار داد. این ویژگی موجب می‌شود که در نسل‌های آینده بتوان تنها با افزایش تعداد عناصر، توان خروجی و بهره آنتن را افزایش داد، بدون آنکه نیاز به تغییر اساسی در معماری مدار وجود داشته باشد. همچنین استفاده از کوپلینگ غیرفعال برای قفل‌سازی فاز باعث حذف بسیاری از مدارهای کنترلی پیچیده شده و مصرف توان را کاهش داده است.

در فصل پایانی، نویسنده جمع‌بندی می‌کند که ساختار پیشنهادی توانسته است اهداف اصلی تحقیق را محقق کند. این اهداف شامل طراحی یک تشعشع‌کننده تراهرتز مبتنی بر هارمونیک سوم، ایجاد قابلیت آرایه‌بندی دوبعدی، افزایش توان تابشی از طریق ترکیب توان در فضای آزاد، کاهش تشعشع هارمونیک‌های ناخواسته، استفاده از فناوری پیشرفته FinFET و ارائه ساختاری مناسب برای توسعه سامانه‌های تراهرتز آینده بوده است. نتایج عملی نیز نشان می‌دهد که معماری پیشنهادی قابلیت پیاده‌سازی واقعی داشته و عملکرد آن با پیش‌بینی‌های شبیه‌سازی مطابقت مناسبی دارد.

به طور کلی، این پایان‌نامه گامی مهم در توسعه منابع مجتمع تولید امواج تراهرتز محسوب می‌شود. نوآوری اصلی آن، طراحی یک ساختار الکترومغناطیسی چندمنظوره است که به طور هم‌زمان نقش تشدیدکننده، آنتن، عنصر قفل‌کننده فاز و بستر مقیاس‌پذیری را ایفا می‌کند. این طراحی ضمن افزایش بازده و کاهش پیچیدگی مدار، امکان توسعه آرایه‌های بزرگ‌تر را نیز فراهم می‌سازد. دستاوردهای این تحقیق می‌توانند در آینده زمینه‌ساز تولید فرستنده‌های تراهرتز توان‌بالا برای کاربردهایی مانند ارتباطات نسل آینده، تصویربرداری پزشکی، سامانه‌های امنیتی، رادارهای با تفکیک‌پذیری بالا، طیف‌سنجی دقیق و حسگرهای مجتمع باشند و مسیر توسعه فناوری تراهرتز را هموارتر کنند.