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Das COFFEE-Programm startet mit integrierbarer Filterung für Breitbandüberlegenheit

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DARPA WÄHLT TEAMS FÜR COFFEE-COMPACT-FRONT-END-FILTER AUF ELEMENT-EBENE AUS, UM DEN FOKUS AUF DIE MINDERUNG KOMPLEXER ELEKTROMAGNETISCHER UMGEBUNGEN ZU SCHÄRFEN

01.06.2022

Die Hochfrequenz(HF)-Spektrumumgebung entwickelt sich schnell.

DARPA möchte in der modernen Ära eine Überlegenheit im Betrieb des elektromagnetischen Spektrums (EMS) erreichen.

Dazu gehören überwältigende Gegner, die in der Domäne an Boden gewinnen.

Ein Schwerpunktbereich: erhöhte Multifunktionalität und granulare Optimierung in Active Electronically Scanned Arrays (AESAs).

Ein aktives elektronisch gescanntes Array (AESA) ist eine Art Phased-Array-Antenne, bei der es sich um eine computergesteuerte Array-Antenne handelt, bei der der Strahl von Funkwellen elektronisch so gelenkt werden kann, dass er in verschiedene Richtungen zeigt, ohne die Antenne zu bewegen.

Dies steht im Gegensatz zu einem passiven elektronisch gescannten Array (PESA), bei dem alle Antennenelemente unter der Steuerung des Computers über Phasenschieber mit einem einzigen Sender und/oder Empfänger verbunden sind. Die Hauptanwendung von AESA liegt im Radar, und diese sind als aktives Phased-Array-Radar (APAR) bekannt.

AESA-Radare können ihre Signalemissionen über einen größeren Frequenzbereich verteilen, wodurch sie bei Hintergrundgeräuschen schwieriger zu erkennen sind, sodass Schiffe und Flugzeuge starke Radarsignale aussenden können, während sie dennoch unauffällig bleiben, und widerstandsfähiger gegen Störungen sind. Es können auch Hybride gefunden werden, die aus Subarrays bestehen, die individuell PESAs ähneln

DARPA ermöglicht Situationsbewusstsein und taktische Kommunikation. Im Gegensatz zu begrenzten Schmalband-Phased-Array-Systemen verwenden Breitband-AESAs Hunderte oder Tausende winziger Antennenelemente, die alle Signale senden und empfangen können .

Um bei der Lösung vielfältiger und wachsender Herausforderungen zu helfen, hat DARPA die Forschungsteams für das Programm COmpact Front-end Filters at the Element-level (COFFEE) ausgewählt, das darauf abzielt, eine neue Klasse integrierbarer Hochfrequenzfilter mit geringem Verlust und hoher Leistung zu schaffen -Power Handling und nahtlose Gleichmäßigkeit. Die ausgewählten Teams werden von Northrop Grumman, Raytheon, Akoustis, BAE Systems, Metamagnetics, dem Georgia Institute of Technology, der Columbia University, der Carnegie Mellon University, der University of Michigan, der University of Texas in Austin und der University of California in Los Angeles geleitet.

Die Fähigkeit eines AESA, Radarstrahlen dynamisch neu zu konfigurieren und über einen Bereich von Frequenzen zu kommunizieren, ist besonders wichtig in überlasteten Umgebungen.

KAFFEE ist der Schlüssel bei militärischen Operationen:

Widerstand gegen Signalstörungen und Abfangen

KAFFEE kann:

  • Kartierung,
  • Navigieren,
  • Wahrnehmung,
  • Verfolgung,
  • Visualisieren und
  • Erstellen von Datenverbindungen mit hoher Bandbreite für domänenübergreifende Operationen

Das COFFEE-Programm wird sich auf die Entwicklung einer integrierbaren Filtertechnologie konzentrieren, um Interferenzen zu mindern und die Leistung über einen herausfordernden Frequenzbereich vom S-Band bis zum Ku-Band (dh 2 GHz bis 18 GHz) zu maximieren, während es physisch innerhalb eines 18-GHz-Halbwellenlängen-Arrays gebunden ist Abstand (dh 69 mm2, ein Raum kleiner als ein Zehncentstück).

Diese neue Technologie wird für Fortschritte bei der Digitalisierung bei jedem Element verantwortlich sein – mit Auswirkungen auf Hunderte oder Tausende winziger Antennenelemente – für Hochfrequenzsysteme .

COFFEE wird die Bandbreiten und die Digitalisierung auf der Ebene der einzelnen Elemente erhöhen“, sagte Programmleiter Dr. Benjamin Griffin.

Der primäre Schwerpunktbereich des Programms wird neue mikroelektronische Materialien, Integration und Design nutzen, um integrierbare Filter zu bauen und neue Klassen miniaturisierter Resonatoren als Bausteine ​​voranzutreiben. Ein weiterer, zukunftsweisender Fokusbereich ist auf Millimeterwellenfrequenzen ausgerichtet (zeigt die Leistung bei 50 GHz) und zielt auf grundlegende Grenzen kompakter Resonatoren jenseits von 18 GHz ab.

Mögliche biologische Wirkungen von MMWs: thermische vs. nicht-thermische Wirkungen

MMWs können die Rotation einiger freier Moleküle induzieren

Thermische Effekte treten nach der Belichtung auf. Hochintensive MMWs wirken dosisabhängig auf die menschliche Haut und Hornhaut: Bei geringer Leistungsdichte kann ein Wärmegefühl auftreten, gefolgt von Schmerzen bei höheren Expositionen und sogar körperlichen Schäden bei sehr hohen Leistungen. Die aktiven Denial-Systeme verlassen sich auf diesen thermischen Effekt. Menschen, die hochenergetischen 94-GHz-Strahlungen ausgesetzt sind, erleiden einen plötzlichen Anstieg ihrer Oberflächentemperatur, was zu einem schnellen Brennen und einer Fluchtreaktion aus dem MMW-Strahl führt. An menschlichen Freiwilligen wurde gezeigt, dass die Schmerzempfindung mit einem Anstieg der Oberflächentemperatur korrelierte.

Es gibt auch leichte oder mäßige Temperaturerhöhungen, die ein wichtiges Thema für jeden sind, der sich für die biologischen Wirkungen von MMWs interessiert. Es existieren rein elektromagnetische Bioeffekte, streng unabhängig vom Temperaturanstieg.

Eine Temperaturerhöhung verursacht mehrere Effekte auf zellulärer Ebene.

Es kann das Zellwachstum, die Zellmorphologie und den Zellstoffwechsel beeinflussen.

Es kann auch die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies induzieren und DNA-, Lipid- und Proteinschäden erhöhen. All diese Parameter wurden oft in Studien hervorgehoben, in denen die biologischen Wirkungen elektromagnetischer Felder bewertet wurden. Expositionen aktivieren einen adaptiven Mechanismus namens Heat-Shock-Response (HSR). Während der HSR synthetisieren Zellen viele Proteine, die am Schutz und am Überleben der Zelle beteiligt sind.

Unter diesen Proteinen ist das Hitzeschockprotein 70 (HSP70) dramatisch überexprimiert. Eine wichtige Eigenschaft von MMWs ist ihre geringe Eindringtiefe in biologische Gewebe und Lösungen. Sie liegt je nach Frequenz und Gewebe in der Größenordnung von einigen Zehntel Millimetern bis zu mehreren Millimetern, was darauf hinweist, dass die Haut oder oberflächennahe Zonen des Gewebes die Hauptziele für MMW-Strahlung sind. Sie fragen sich vielleicht, wie Strahlungen mit einem so geringen Eindringen in den Körper biologische Wirkungen auf der Ebene des gesamten Organismus haben können. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Haut nicht vom Rest des Körpers isoliert ist und dieses Organ Kapillaren und Nervenenden enthält. Es ist also möglich, dass MMW-Bioeffekte durch ausgeschiedene molekulare Faktoren durch die Haut oder durch das Nervensystem übertragen werden

Wirkung von Millimeterwellen auf die Genexpression

Bedingungen, die die DNA beeinträchtigen, die sogenannten „genotoxischen Belastungen“, umfassen beispielsweise ultraviolettes Licht, Ultraschall und ionisierende Strahlung, gegen die Proteine ​​​​besonders widerstandsfähig sind, während Proteine ​​​​sehr empfindlich gegenüber anderen physikalischen Bedingungen wie Hyperthermie und bestimmten Chemikalien sind Inhaltsstoffe wie Schwermetalle. Tatsächlich scheinen DNA-Schäden durch höhere DNA induziert zu werden, deren Struktur relativ einfach ist und deren hauptsächliche Verschlechterung aus Brüchen kovalenter Bindungen besteht, wobei die Struktur und Löslichkeit von Proteinen durch komplexe dreidimensionale Faltung bedingt sind, besonders zerbrechlich und beeinträchtigt relativ schwache Mengen an störenden Behandlungen. Die Fehlfaltung von Proteinen ist sehr schädlich für Zellen, da es sich um einen sich selbst ausbreitenden Prozess handelt, bei dem umgebende Proteine ​​durch hydrophobe Kontakte rekrutiert werden.

Die meisten davon waren mit proteotoxischem und oxidativem Stress, Immunantwort und Gewebematrixumsatz verbunden.

Die MMW-Exposition aktiviert nicht sofort Transkriptionsfaktoren oder stressabhängige Signalwege, aber wir können die Existenz subtilerer Veränderungen nicht ausschließen. So ist beispielsweise bekannt, dass Umweltbedingungen (z. B. Schadstoffe) durch epigenetische Veränderungen ihre langfristigen Auswirkungen entfalten können. Die epigenetischen Programme steuern die Struktur und den Umbau des Chromatins, was eine Feinabstimmung der Genexpression ermöglicht.

Wirkung von Millimeterwellen auf die Zellproliferation und -differenzierung

Direkte Wirkung von MMWs auf In-vitro-Zellkulturen.

Eine italienische Gruppe beschrieb eine antiproliferative Wirkung einer 53–80-GHz-Befeldung unter athermischen Bedingungen auf verschiedene Zelllinien. In einer ersten Arbeit beobachteten sie eine Hemmung des Zellwachstums und morphologische Veränderungen.

Eine andere Studie zeigte eine Verbesserung des Glukosestoffwechsels in Verbindung mit einer zunehmenden Anzahl von Mitochondrien.

In einer anderen Studie scheinen MMWs Apoptose zu induzieren oder zu hemmen, das Fortschreiten des Zellzyklus zu fördern oder nicht, Zellen zu verstärken oder zu unterdrücken.

Proliferationseffekte einer chronischen Exposition bei 50 GHz auf das Fortpflanzungssystem der Ratte [31]. Bei Spermien beobachteten sie in der exponierten Gruppe eine Zunahme des Prozentsatzes der Apoptose und eine signifikante Abnahme der Übergangsphasen des Zellzyklus. Ihre Ergebnisse überraschen, denn die Autoren führten ihre Analyse an reifen Spermien durch, die sich nicht mehr teilen sollen. Ihre Ergebnisse weisen jedoch allgemein auf eine Induktion von oxidativen Schäden an Zellen und eine Steigerung der Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) als Reaktion auf eine MMW-Exposition hin

Wirkung von Millimeterwellen auf Immun- und Entzündungssysteme

Die Aktivierung des Immunsystems durch MMW-Exposition könnte indirekt durch Stimulation des peripheren neuralen Systems erfolgen.

Biologische Wirkungen von MMW könnten durch die Aktivierung freier Nervenenden in der Haut ausgelöst werden. Dann kann die Produktion von endogenen Opioiden die Freisetzung von immunstimulierenden Zytokinen aus T-Zellen und Makrophagen (INF-γ und TNF-α) hochregulieren. Vor kurzem wurde der Zusammenhang zwischen der endogenen Aktivierung von Opioiden und den immunmodulierenden Wirkungen von MMWs bestätigt.

Wirkung von Millimeterwellen auf das periphere und zentrale Nervensystem

MMWs wurden für verschiedene medizinische Anwendungen verwendet, insbesondere zur Schmerzlinderung, wie z. B. zur Behandlung von Kopfschmerzen, Gelenkschmerzen, postoperativen Schmerzen und schmerzhafter diabetischer Neuropathie. MMWs werden für 15–30 min angewendet und experimentelle Daten zeigten, dass optimale Wirkungen mit einer Frequenz von 61,22 GHz erzielt wurden

MMW-Exposition kann die Nervenaktivität direkt beeinflussen.

Auf zellulärer Ebene könnte die Zellpermeabilität als Erklärung für die Aktivierung der Nervenenden angesehen werden.

Es wurde bereits festgestellt, dass MMWs die Doppelschichtstruktur der Plasmamembran modifizieren.

Die genauen Mechanismen der MMW-Wirkung auf Membranen oder biologische Systeme bleiben unbekannt.

Man kann sich vorstellen, dass die MMW-Strahlung die Orientierung geladener und dipolarer Moleküle stören kann, was zu Veränderungen an der Membran-Wasser-Grenzfläche führen kann. Wenn eine solche Veränderung die Permeabilität der Nervenmembran verändert, könnte sie dazu beitragen, Neuronenenden zu stimulieren oder das an den Rest des Körpers übertragene elektrische Signal zu beeinflussen, dann die Umweltwahrnehmung zu verändern, einschließlich der Schmerzempfindung. Gut kontrollierte und reproduzierbare Studien mit einer geeigneten Dosimetrie stehen noch aus erforderlich, um die biologischen Wirkungen von MMW und ihre Schwellenwerte gut zu charakterisieren und zu quantifizieren.


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