5G 技术新突破：毫米波设备成本大幅降低，天线还能直接“打印”

近日，佐治亚理工学院、诺基亚贝尔实验室和赫瑞瓦特大学的研究人员已经找到了一种实现低成本反向散射无线电（backscatter radios）传输的方法，该方法能够让设备实现“GB 每秒”的 5G 传输速度。

反向散射技术是指设备自身不产生信号，但是通过反射传输过来的信号，从而达到信息交换的目的。反向散射能够实现 5G 毫米波通信，但是毫米波的 5G 设备成本较高，其一般需要配置多个堆叠晶体管（multiple stacked transistors）。

研究人员通过单晶体管高阶调制（Single-transistor high-order modulation）技术，减少了设备所需的晶体管数量。经过测试，这些无源设备（passive devices）几乎可以在任何环境中，安全、稳健地传输数据。

该研究论文题目为《用于千兆数据速率反向散射通信的印刷毫米波调制器和天线阵列（A printed millimetre-wave modulator and antenna array for backscatter communications at gigabit data rates）》，该研究成果已于六月初在 Nature Electronics 杂志上发表。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00588-8

一般情况下，解决复杂通信问题可以通过增加堆叠晶体管来达成，但是这会拉高设备成本。佐治亚理工学院博士 Ioannis (John) Kimionis 说：“我们的技术突破使得设备能够在没有完整的毫米波无线电发射器的情况下，通过毫米波 (mmWave) 频率进行 5G 通信。即使在低频率的电子产品中，只需要容纳一个毫米波晶体管（single mmWave transistor）就能使用，例如手机或 WiFi 中的那些设备。”

通过对单晶体管高阶调制，研究人员就无需在反向散射通信器或毫米波收发器中添加额外的混合级（mixing stages），能够将前端（front-end）复杂性压缩到单个高频晶体管内，这使得设备所需的晶体管减少。佐治亚理工学院博士 Ioannis (John) Kimionis 表示，“我们的产品可针对任何类型的数字调制（digital modulation）进行扩展，并可应用于任何固定或移动设备。

▲ Ioannis (John) Kimionis

该技术能够拓展了物联网 5G 的应用，例如能源收集（energy harvesting），乔治亚理工学院的研究人员最近展示了使用专门的罗特曼透镜（Rotman lens）从各个方向收集 5G 电磁能量的案例。这证实了该技术具备了为其他传感器输电的能力。

佐治亚理工学院的电气与计算机工程学院教授 Emmanouil (Manos) Tentzeris 表示，反向散射技术有广泛的运用前景。包括利用零功率可穿戴/可植入传感器设备进行高速个人区域网络（high-speed personal area networks）的建设，该网络可以用于监测血液中的含氧量，检测葡萄糖水平，监测心脏或脑电图的功能。

反向散射技术也可用于能够监控温度、化学成分、气体和湿度的智能家居传感器之中。在智能农业方面，反向散射技术亦能发挥作用，如检测作物霜冻，分析土壤养分，甚至跟踪牲畜。

Kimionis 说：“整个前端的解决方案（the whole front end of our solution）并不复杂，它能够被电子印刷技术所兼容。于是，我们可以打印出一个毫米波天线阵列（mmWave antenna array），并使其能够在低功率、低复杂度和低成本的发射机（transmitter）上使用。”

Tentzeris 认为降低印刷制造成本，使他们的反向散射技术在市场上具有竞争力。

佐治亚理工学院、诺基亚贝尔实验室和赫瑞瓦特大学的研究人员创造的反向散射技术能够通过对单晶体管进行高阶调制，使设备减少对晶体管的需求来降低成本。并且能够提升毫米波在 5G 通讯下的效果，减少信号衰弱。

该反向散射技术的突破使得设备能够成本在更低的情况下，为 5G 物联网提供更具可扩展性和稳健性的通信系统。