בתמונה למעלה: בריאן דויטש עם רפיטר 5G ואנטנה מתכווננת בתדר של 39GHz. צילום: Techtime

חברת Pivotal Commware האמריקאית חשפה בשבוע שעבר טכנולוגיית אנטנה כיוונית מסוג חדש לגמרי, המתבססת על הרעיון של מטה-חומרים (Metamaterial), שלהערכתה היא עדיפה על טכנולוגיות עיצוב אלומה (Beamforming) הנמצאות בליבת התשתית של טכנולוגיית הדור החמישי (5G). החשיפה נעשתה במינכן, במפגש עם העיתונות הטכנולוגית ובשיתוף עם חברת  MACOM Technology Solutions, אשר ייצרה דיודת Varactor ייעודית עבור האנטנות החדשות.

המוצר הראשון שהחברה מוציאה לשוק הוא ממסר משחזר אותות (Repeater) בשם Echo 5G, המאפשר להתגבר על החסימה של חלונות זכוכית גדולים בפני תקשורת בגלים מילימטריים (mmWave) שתאפיין את רשתות הדור החמישי. המכשיר קולט את השידורים המגיעים אל האנטנה בזווית של עד 80°, מגביר אותם ומשדר אותם אל תוך המבנה. לדברי מנכ"ל החברה, בריאן דויטש, הפתרון של החברה צורך הספק של 4 ואט בלבד, בהשוואה לצריכת הספק של מאות ואטים המאפיינת רפיטרים אחרים בשוק. "השידור והקליטה הכיווניים שלנו לא נעשים באמצעות חישובי פאזה ועוצמה מורכבים, אלא באמצעות תוכנה השולטת על דיודות ואראקטור, אשר מייצרות מעין הולוגרמה של קרינה אלקטרומגנטית".

סריג ננומטרי ופתרונות אקזוטיים

היכולת של החברה לספק את הפתרון מבוססת על טכנולוגיית האנטנה החדשה, שאותה היא מכנה בשם עיצוב אלומה הולוגרפי (Holographic Beam Forming). היא מבוססת על תופעה פיסיקלית בשם Dynamically Tunable Impedance Surface, אשר נחקרה במעבדה למטה-חומרים של פרופ' דייויד סמית באוניברסיטת דיוק (Duke University) בקרוליינה הצפונית.

מטה-חומר הוא סוג של חומר מרוכב בעל תכונות שבירה והחזרה לא טבעיות, אשר מושגות באמצעות מערך של מבנים זעירים שהם קטנים בצורה משמעותית מאורך הגל הפוגע בהם. התופעה הזאת מוכרת שנים רבות בתחום האופטיקה, ומשמשת לייצור מראות ומבנים בעלי תכונות אופטיות מיוחדות, באמצעות סריג ננומטרי המצוי על פני החומר. בין השאר, קבוצת המחקר פיתחה מערך המייצר עקיפת גלים מלאכותית, ובכך הופך אובייקט לבלתי נראה לעין.

בשנים האחרונות המעבדה הרחיבה את המחקר אל גלים אלקטרומגנטיים בעלי אורך גל מילימטרי, המשמשים במערכות תקשורת מהירות, במכשירי מכ"ם ובקרוב גם בטכנולוגיות הדור החמישי. בסדר הגודל הזה, המבנים שונים באופיים. בהרצאה שנתן בפני חוקרים באוניברסיטת דיוק, הסביר פרופ' סמית, שהתיאור הפיסיקלי של התופעה ברמת הגלים האופטיים מבוסס על ההנחה שבמכניקת הקוונטים ניתן להתייחס אל האלקטרון כאל די-פול: יחידת מטען חשמלי או מגנטי בעלי גודל וכיוון מוגדרים.

המסקנה היתה שברמת הגלים המילמטריים ניתן לייצר סריג (מערך) של אלמנטים מסוג די-פול באמצעות מטריצה של מבנים מתכתיים זעירים, כמו מוליך קצר או סליל קצר, כאשר המתח המופעל על כל אחד מהם מגדיר את המטענים המאפיינים אותו, ועל-ידי כך את האינטראקציה בינו לבין קרינת הגלים המילימטריים הנקלטים או משודרים. כלומר, שינוי במתח של האלמנטים במערך, משנה את תכונות השבירה וההחזרה של הקרינה האלקטרומגנטית של החומר (אנטנה במקרה הזה), ועל-ידי כך את זווית הקרן המשודרת, או את רמת הקליטה של שידורים המגיעים מזוויות שונות.

ברית אסטרטגית עם ביל גייטס ומייקום

הפיתוח הזה שימש להקמת חברת Pivotal בשנת 2016, אשר גייסה כמה עשרות מיליוני דולרים, ואת ביל גייטס כמשקיע אסטרטגי ומעסיקה כיום יותר מ-200 עובדים, שחלק גדול מהם הגיע מהמעבדה של פרופ' סמית. בשבי הפיתוח הראשונים פנתה פיבוטל את חברת מייקום, כדי לסייע לה בפיתוח הרכיב האקטיבי באנטנה המפקח על התכונות של כל די-פול. הבקשה נחתה על שולחנו של ד"ר דגלאס קארלסון, המשמש כיום כמנהל קבוצת ה-RF והמיקרוגל במייקום. הוא התלהב מהרעיון וגייס את החברה לטובת הפיתוח.

לדבריו, החברה פעילה בכל תדרי ה-RF ובעלת נסיון רב בעיצוב אלומה, אולם מחפשת דרכים חדשות להוזיל את העלויות של הרכיבים. "זוהי דאגה מרכזית בעולם הדור החמישי. המוצרים המילימטריים יקרים מאוד והלקוחות מודאגים מהשאלה כיצד הם יוכלו להשיג מוצרים במחיר סביר עבור פריסת רשתות הדור החמישי שהם מתכננים". זו היתה אחת מהסיבות שהחברה נכנסה לטכנולוגיית אלגל: אלומיניום גאליום ארסנייד (AlGaAs), שהוא חומר המשמש בתוך מבנים של רכיבי גאליום ארסנייד (GaAs).

לדבריו, המחוייבות של מייקום לפרוייקט היא גדולה מאוד. במסגרת שיתוף הפעולה היא סיפקה לפיבוטל דיודת ואראקטור מבוססת AlGaAs/lGaAs ייעודית לאנטנות של פיבוטל. כיום מותקנת דיודה כזאת בכניסה לכל אלמנט של האנטנה ומגדירה את תכונות הדי-פול. השיטה הזאת נבחרה בזכות היכולת לשנות בקלות את מאפייני הדיודה באמצעות מתח בלבד, ובזכות מהירות התגובה של דיודות ואראקטור, המשמשות כיום בעיקר בהתקני מיתוג מהירים. בהמשך, מייקום פיתחה מגבר הספק ייעודי עבור האנטנה של פיבוטל, והקימה קו ייעוד מיוחד עבורו.

מדוע דווקא ממסר לחלונות?

המוצר הראשון Echo 5G, נמצא כעת בשלבי ניסוי פיילוט כדי לקבל את אישור ה-FCC בארצות הברית. לדברי המנכ"ל דויטש, הבחירה בממסר כמוצר הדגמה ראשוני אינה מקרית: "החזרת תדרי הדור החמישי מחלונות מגיעה עד ל-80% מהאות, ומהווה בעיה גדולה לספקיות שירותי התקשורת. הטכנולוגיה שלנו מספקת ענה לצורך בממסרים שונים שניתן להתקין אותם בכל סביבת התא הסלולרי, כדי להבטיח קליטה לכל הצרכנים. בזכות ההגברה של המערכות האלה, ניתן יהיה להתקין פחות תאים סולאריים. כיום יש בארצות הברית כ-200 אלף תאים סולאריים, ועל-פי ההערכות יהיה צורך ביותר ממיליון תאים כדי לספק שירותי 5G. להפחתת מספק התאים תהיה השפעה גדולה מאוד על היכולת לפרוס את רשתות הדור החמישי".