Ce prototype de capteur radar à ondes millimétriques développé à l’UC Davis est capable de mesurer des vibrations et des mouvements extrêmement faibles tout en étant économe en énergie et peu coûteux à produire. Crédit : Omeed Momeni, UC Davis
Des scientifiques de l’Université de Californie à Davis ont créé un capteur de validation de principe qui pourrait ouvrir la voie à une nouvelle ère pour les radars à ondes millimétriques. En fait, ils appellent sa conception une « mission impossible » rendue possible.
Les radars à ondes millimétriques utilisent des ondes électromagnétiques rapides, ciblant des objets pour déterminer leur mouvement, leur position et leur vitesse en fonction de la réflexion de ces ondes. Ce qui distingue les ondes millimétriques, c’est leur sensibilité aiguë aux mouvements infimes et leur capacité à collecter des données sur des objets extrêmement petits.
Le nouveau capteur utilise une conception innovante de radar à ondes millimétriques pour détecter des vibrations mille fois plus petites et des changements de position d’une cible cent fois plus petits qu’une mèche de cheveux humains, ce qui le rend meilleur ou comparable aux capteurs les plus précis au monde. Pourtant, contrairement à ses pairs, celui-ci a la taille d’une graine de sésame, est peu coûteux à produire et dispose d’une longue durée de vie de la batterie.
Le professeur Omeed Momeni et son laboratoire du Département de génie électrique et informatique ont dirigé ces efforts. Il fait partie d’un projet en cours financé par la Fondation pour la recherche sur l’alimentation et l’agriculture, ou FFAR, visant à développer un capteur à faible coût capable de suivre l’état de l’eau de plantes individuelles. Ce nouveau radar est le tremplin nécessaire pour prouver que c’est possible. Le travail a été récemment publié dans la revue Journal IEEE des circuits à semi-conducteurs.
Le défi des ondes millimétriques
L’onde millimétrique est la fréquence électromagnétique située entre les micro-ondes et l’infrarouge, allant de 30 à 300 gigahertz. Il permet des réseaux de communication rapides, tels que la 5G, et est souhaitable pour ses capacités de détection à courte portée. Mais il peut être difficile de travailler avec en raison de la consommation d’énergie élevée et des performances limitées de semi-conducteurs à ces fréquences.
Le principal problème auquel l’équipe a été confrontée au cours de sa première année de travail sur le capteur était de trouver la source souhaitée. Il y avait tellement de bruit que, lorsque les chercheurs ont tenté de capter le signal délicat d’un petit éclaircissement des feuilles, leurs capteurs ont été noyés.
« Cela semblait vraiment impossible parce que les niveaux de bruit que nous examinions devaient être si faibles que presque aucune source de signal ne pouvait réellement les gérer », a déclaré Momeni.
À un moment donné, ils n’étaient pas sûrs de pouvoir relever le défi, son équipe soulignant qu’ils auraient besoin de construire une puce radar 10 fois plus puissante et précise que la conception de pointe actuelle – quelque chose qui semblait dépendre des progrès technologiques qui pourraient se produire dans des années à venir.
Syntonisation sur une fréquence différente
Parfois, il suffit d’avoir une idée qui aborde le problème sous un autre angle. Entrez Hao Wang, doctorant en génie électrique au laboratoire de systèmes intégrés à grande vitesse de Momeni qui a travaillé sur le projet de capteur avant d’obtenir son diplôme en 2021.
Wang a eu un moment d’inspiration pour contourner les contraintes technologiques lors d’une rencontre avec Momeni un jour : pourquoi ne pas annuler le bruit avec lui-même ? Cela résoudrait théoriquement le problème auquel étaient confrontés leurs capteurs, et Wang était en train de terminer la conception d’une puce pour sa thèse dans ce but.
« Ce n’était pas un concept tout nouveau », a déclaré Wang. « Cela était basé sur ce que nous (dans le laboratoire de Momeni) avons accumulé grâce à la recherche au fil des années – et ensuite vous innovez davantage. »
Le laboratoire a travaillé rapidement pour assembler un prototype afin de tester l’idée de Wang. Cela a fonctionné dès leur premier essai.
Le prototype a réussi car il leur a permis de gérer le volume de bruit reçu par leur capteur comme un simple problème arithmétique. Ils ont soustrait le bruit inutile tout en conservant la sensibilité de leurs mesures et l’intégrité de leurs données.
Grâce à cette technique, le capteur à ondes millimétriques pourrait détecter toutes les informations dont il avait besoin sans être « noyé » par le bruit. Cette innovation a alimenté le haut niveau du capteur précision les taux.
La puce de Wang est également simple à produire et présente une conception unique qui améliore considérablement l’efficacité énergétique du capteur à ondes millimétriques. Ces avancées supplémentaires pourraient résoudre deux des problèmes les plus importants auxquels sont confrontés les capteurs à ondes millimétriques : une consommation d’énergie élevée et des performances limitées des transistors à semi-conducteurs en termes de bruit, de gain et de puissance de sortie.
Alors que l’équipe continue d’affiner et d’itérer sa conception, elle est ravie que les chercheurs l’expérimentent. En dehors de leur projet FFAR, ils pensent qu’il est prometteur pour détecter l’intégrité structurelle des bâtiments et améliorer la réalité virtuelle, mais pensent qu’il a un potentiel bien plus important qu’ils ne le pensent.
L’étude a été financée par la Fondation pour la recherche sur l’alimentation et l’agriculture.
