스핀-궤도 토크(SOT) 스핀 홀 나노 발진기(SHNO) & 1,000Hz 0-Alloc C# 주파수 주입 잠금(Injection Locking) 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.SpinHallNanoOscillator
{
    /// <summary>
    /// SHNO 스핀 홀 나노 발진기 주입 잠금 서보 상태 구조체
    /// 0-Alloc ref struct: GC 압박 완전 배제 (1,000Hz 실시간 루프)
    /// </summary>
    public ref struct ShnoInjectionLockState
    {
        public float IntrinsicFreqGhz;       // 고유 마이크로파 발진 주파수 [GHz] (4~16 GHz)
        public float ExternalRfFreqGhz;      // 외부 주입 RF 주파수 [GHz]
        public float DcDriveCurrentMa;       // 인가 직류 바이어스 전류 [mA]
        public float LockingBandwidthMhz;    // 애들러 주입 잠금 대역폭 [MHz]
        public float PhaseDifferenceRad;     // 주입 신호와의 위상차 [rad]
        public float OscillationPowerDbm;    // 나노 발진 출력 전력 [dBm]
        public bool IsInjectionLocked;       // 주파수 및 위상 완전 잠금 여부
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당 SHNO 주파수 추적 및 주입 잠금 서보 엔진
    /// </summary>
    public static class ShnoAdlerServoEngine
    {
        // 물리 상수
        private const float ThresholdCurrentMa = 0.85f;    // 발진 임계 전류 0.85 mA
        private const float TuningSlopeGhzPerMa = 3.2f;     // 전류당 주파수 튜닝 감도 3.2 GHz/mA
        private const float BaseAdlerLockingCoeff = 120.0f; // 120 MHz 잠금 대역

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (1ms) 단일 실행 프레임: RF 스펙트럼 계측 기반 DC 전류 및 위상 미세 튜닝
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void UpdateFrame(
            ref ShnoInjectionLockState state,
            float measuredPeakFreqGhz,
            float externalTargetRfGhz,
            float injectedRfPowerDbm,
            float dtSeconds)
        {
            state.ExternalRfFreqGhz = externalTargetRfGhz;

            // 1) DC 바이어스 전류 기반 고유 발진 주파수 계산
            float excessCurrent = MathF.Max(0.0f, state.DcDriveCurrentMa - ThresholdCurrentMa);
            state.IntrinsicFreqGhz = 4.5f + (excessCurrent * TuningSlopeGhzPerMa);

            // 2) 애들러 잠금 대역폭 계산: Delta_omega_lock ~ sqrt(P_inj)
            float powerRatio = MathF.Pow(10.0f, (injectedRfPowerDbm - state.OscillationPowerDbm) / 20.0f);
            state.LockingBandwidthMhz = BaseAdlerLockingCoeff * powerRatio;

            // 3) 주파수 디튜닝 오차 산출 [MHz]
            float detuningMhz = (externalTargetRfGhz - state.IntrinsicFreqGhz) * 1000.0f;

            // 4) 애들러 위상 진화 수치 적분: dtheta/dt = Delta_omega - Omega_lock * sin(theta)
            float theta = state.PhaseDifferenceRad;
            float lockRate = state.LockingBandwidthMhz * 2.0f * MathF.PI * 1.0e6f;
            float detuningRadSec = detuningMhz * 2.0f * MathF.PI * 1.0e6f;

            float dThetaDt = detuningRadSec - lockRate * MathF.Sin(theta);
            state.PhaseDifferenceRad += dThetaDt * dtSeconds;

            // 5) 잠금 유지를 위한 DC 전류 적분 서보
            if (MathF.Abs(detuningMhz) > state.LockingBandwidthMhz * 0.8f)
            {
                // 디튜닝을 줄이도록 DC 전류 보정
                float currentCorrection = (detuningMhz / (TuningSlopeGhzPerMa * 1000.0f)) * 0.5f;
                state.DcDriveCurrentMa += currentCorrection * dtSeconds;
                state.DcDriveCurrentMa = MathF.Min(3.0f, MathF.Max(ThresholdCurrentMa, state.DcDriveCurrentMa));
            }

            // 잠금 상태 판정: 디튜닝이 잠금 대역폭 이내
            state.IsInjectionLocked = MathF.Abs(detuningMhz) <= state.LockingBandwidthMhz;
        }
    }
}