5G技術(shù)新突破：毫米波設(shè)備成本大幅降低，天線還能直接“打印”
近日，佐治亞理工學(xué)院、諾基亞貝爾實驗室和赫瑞瓦特大學(xué)的研究人員已經(jīng)找到了一種實現(xiàn)低成本反向散射無線電(backscatter radios)傳輸?shù)姆椒?，該方法能夠讓設(shè)備實現(xiàn)“GB 每秒”的 5G 傳輸速度。
反向散射技術(shù)是指設(shè)備自身不產(chǎn)生信號，但是通過反射傳輸過來的信號，從而達到信息交換的目的。反向散射能夠?qū)崿F(xiàn) 5G 毫米波通信，但是毫米波的 5G 設(shè)備成本較高，其一般需要配置多個堆疊晶體管(multiple stacked transistors)。
研究人員通過單晶體管高階調(diào)制(Single-transistor high-order modulation)技術(shù)，減少了設(shè)備所需的晶體管數(shù)量。經(jīng)過測試，這些無源設(shè)備(passive devices)幾乎可以在任何環(huán)境中，安全、穩(wěn)健地傳輸數(shù)據(jù)。
該研究論文題目為《用于千兆數(shù)據(jù)速率反向散射通信的印刷毫米波調(diào)制器和天線陣列(A printed millimetre-wave modulator and antenna array for backscatter communications at gigabit data rates)》，該研究成果已于六月初在 Nature Electronics 雜志上發(fā)表。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00588-8
一、大幅減少晶體管的使用
一般情況下，解決復(fù)雜通信問題可以通過增加堆疊晶體管來達成，但是這會拉高設(shè)備成本。佐治亞理工學(xué)院博士 Ioannis (John) Kimionis 說：“我們的技術(shù)突破使得設(shè)備能夠在沒有完整的毫米波無線電發(fā)射器的情況下，通過毫米波 (mmWave) 頻率進行 5G 通信。即使在低頻率的電子產(chǎn)品中，只需要容納一個毫米波晶體管(single mmWave transistor)就能使用，例如手機或 WiFi 中的那些設(shè)備。”
通過對單晶體管高階調(diào)制，研究人員就無需在反向散射通信器或毫米波收發(fā)器中添加額外的混合級(mixing stages)，能夠?qū)⑶岸?front-end)復(fù)雜性壓縮到單個高頻晶體管內(nèi)，這使得設(shè)備所需的晶體管減少。佐治亞理工學(xué)院博士 Ioannis (John) Kimionis 表示，“我們的產(chǎn)品可針對任何類型的數(shù)字調(diào)制(digital modulation)進行擴展，并可應(yīng)用于任何固定或移動設(shè)備。
二、反向散射技術(shù)的突破拓展了 5G 使用場景的可能性
該技術(shù)能夠拓展了物聯(lián)網(wǎng) 5G 的應(yīng)用，例如能源收集(energy harvesting)，喬治亞理工學(xué)院的研究人員最近展示了使用專門的羅特曼透鏡(Rotman lens)從各個方向收集 5G 電磁能量的案例。這證實了該技術(shù)具備了為其他傳感器輸電的能力。
佐治亞理工學(xué)院的電氣與計算機工程學(xué)院教授 Emmanouil (Manos) Tentzeris 表示，反向散射技術(shù)有廣泛的運用前景。包括利用零功率可穿戴/可植入傳感器設(shè)備進行高速個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(high-speed personal area networks)的建設(shè)，該網(wǎng)絡(luò)可以用于監(jiān)測血液中的含氧量，檢測葡萄糖水平，監(jiān)測心臟或腦電圖的功能。
反向散射技術(shù)也可用于能夠監(jiān)控溫度、化學(xué)成分、氣體和濕度的智能家居傳感器之中。在智能農(nóng)業(yè)方面，反向散射技術(shù)亦能發(fā)揮作用，如檢測作物霜凍，分析土壤養(yǎng)分，甚至跟蹤牲畜。
三、增材制造使得該技術(shù)在市場上更有競爭力
Kimionis 說：“整個前端的解決方案(the whole front end of our solution)并不復(fù)雜，它能夠被電子印刷技術(shù)所兼容。于是，我們可以打印出一個毫米波天線陣列(mmWave antenna array)，并使其能夠在低功率、低復(fù)雜度和低成本的發(fā)射機(transmitter)上使用。”
Tentzeris 認為降低印刷制造成本，使他們的反向散射技術(shù)在市場上具有競爭力。
結(jié)語：反向散射技術(shù)為 5G 物聯(lián)網(wǎng)鋪路
佐治亞理工學(xué)院、諾基亞貝爾實驗室和赫瑞瓦特大學(xué)的研究人員創(chuàng)造的反向散射技術(shù)能夠通過對單晶體管進行高階調(diào)制，使設(shè)備減少對晶體管的需求來降低成本。并且能夠提升毫米波在 5G 通訊下的效果，減少信號衰弱。
該反向散射技術(shù)的突破使得設(shè)備能夠成本在更低的情況下，為 5G 物聯(lián)網(wǎng)提供更具可擴展性和穩(wěn)健性的通信系統(tǒng)。
