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Jul 29, 2023

Derivadas de tempo por meio de guias de ondas interconectados

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13126 (2023) Citar este artigo 5013 Acessos 3 Detalhes da Altmetric Metrics A computação analógica baseada em ondas eletromagnéticas tornou-se uma computação interessante

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13126 (2023) Citar este artigo

5013 Acessos

3 Altmétrico

Detalhes das métricas

A computação analógica baseada em ondas eletromagnéticas tornou-se um paradigma de computação interessante, demonstrando o potencial para operações paralelas de alto rendimento, baixo consumo de energia. Neste trabalho propomos uma técnica para cálculo de derivadas de sinais temporais explorando técnicas de linhas de transmissão. Consideramos vários guias de onda interconectados (sendo alguns deles tocos fechados) formando junções. O coeficiente de transmissão da estrutura proposta é então adaptado controlando o comprimento e o número de stubs na junção, de modo que a operação de diferenciação seja aplicada diretamente no envelope de um sinal incidente modulado sinusoidalmente no domínio do tempo. A física por trás da estrutura proposta é explicada detalhadamente e uma descrição teórica completa desta operação é apresentada, demonstrando como esta técnica pode ser usada para calcular derivadas temporais de ordem superior ou mesmo fracionárias. Prevemos que estes resultados podem permitir o desenvolvimento de novos processadores analógicos baseados em ondas no domínio do tempo, explorando junções de guia de ondas, abrindo novas oportunidades para operadores e sistemas únicos baseados em ondas.

Nos últimos anos, surgiu a necessidade de novos paradigmas de computação inspirados principalmente por uma dificuldade crescente em manter a taxa histórica de aceleração computacional descrita pela lei de Moore1,2. Neste contexto, a computação analógica que explora sinais eletromagnéticos (EM) é um exemplo de tais paradigmas promissores. Isto se deve ao seu potencial para computação de alta velocidade (ondas EM que se propagam à velocidade da luz dentro do material por onde as ondas viajam) e ao paralelismo inerente associado às técnicas de computação EM3,4,5 (onde uma única estrutura pode ser projetada para calcular múltiplos processos de computação explorando, por exemplo, diferentes polarizações, frequências ou ângulos do sinal incidente6,7,8,9). Um exemplo notável de computação analógica, e provavelmente um dos trabalhos fundadores na área, foi o Analisador Diferencial relatado pela primeira vez por Hartree em 193510. Tal dispositivo era capaz de encontrar soluções de equações diferenciais através da rotação de engrenagens diferenciais, produzindo um solução de saída contínua (ou seja, um dispositivo de computação mecânica). No contexto das ondas EM, os processadores analógicos são projetados para adaptar este princípio para, em vez disso, calcular a solução das equações aplicando um operador matemático diretamente em uma frente de onda EM nos domínios do espaço ou do tempo .

Neste domínio, diferentes exemplos de estruturas de computação baseadas em ondas EM foram recentemente relatados, como redes ópticas capazes de realizar operações de computação, como inversão de matriz 12,13,14,15, comutação de pulso eletromagnético transversal (TEM) com redes de guia de ondas 16,17, 18,19 e computação analógica com multicamadas dielétricas 11,20. Além disso, a introdução de metamateriais21,22, meios artificiais que podem exibir controle excepcional sobre ondas no espaço e no tempo23,24,25,26,27,28,29,30,31, levou primeiro ao conceito de “metamateriais computacionais”. introduzido em 2014 por Silva et al.11. Desde então, exemplos notáveis ​​de metamateriais para computação foram propostos e demonstrados para realizar operações como diferenciação e convolução7,32,33,34,35,36,37, bem como calcular soluções de operações mais complexas, como equações diferenciais ordinárias. e equações integrais6,34,38. Na computação analógica para processamento de sinais, o cálculo de derivadas é uma tarefa especialmente importante, pois permite a detecção de bordas, um primeiro passo importante em qualquer tarefa de reconhecimento de imagem/sinal32. Diferentes processadores analógicos baseados em ondas EM foram relatados realizando diferenciação de primeira ordem, tanto no domínio do espaço quanto do tempo, com exemplos incluindo estruturas projetadas adaptando a distribuição de permissividade ou espectros de reflexão/transmissão de um bloco/metasuperfície de metamaterial9,32,33,34, 38,39. Na prática, isso muitas vezes requer o ajuste fino de vários parâmetros de projeto, como os comprimentos das camadas dielétricas em uma estrutura multicamadas ou a permissividade de um pixel em uma grade 2D9,11,20. Para atingir esse objetivo, diversas técnicas de projeto foram recentemente aplicadas e demonstradas, como redes de fibra 40,41, interferômetros Mach – Zehnder 42, otimização avançada e projeto inverso 43,44 e também abordagens de aprendizado de máquina .