反向散射的印刷毫米波陣列天線可實現(xiàn)在任何地方以 5G 速度運行近乎零功耗的物聯(lián)網(wǎng)通信
【導讀】：
為了從即將推出的 5G 標準中受益并達到千兆數(shù)據(jù)傳輸速度，手機必須升級到完整的 28 GHz 無線電。然而，大多數(shù)手機中已經(jīng)存在的 2.4 GHz 電子設備可以作為基帶和毫米波頻率之間的 IF 橋接器，并添加一個用于無線混合的毫米波晶體管。毫米波頻率的反向散射有可能為設備帶來 5G 網(wǎng)絡兼容性，而無需實際加入額外的高度復雜且昂貴的 28 GHz Tx/Rx 鏈。在咖啡館或其他公共場所的熱點進行手機數(shù)據(jù)卸載（例如，將照片/視頻發(fā)送到云存儲）等場景符合無線充電熱點出現(xiàn)在類似位置的概念。
用于 Gbit 數(shù)據(jù)速率反向散射通信的印刷毫米波陣列原型。
5G 物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 網(wǎng)絡的前景需要更具可擴展性和穩(wěn)健性的通信系統(tǒng)——這些系統(tǒng)能夠提供更高的數(shù)據(jù)速率和更低的每臺設備功耗。
反向散射無線電——反射而不是輻射能量的無源傳感器——以其低成本、低復雜性和無電池操作而聞名，使其成為未來的潛在關鍵推動者，盡管它們通常具有低數(shù)據(jù)速率和強大的性能取決于周圍環(huán)境。
佐治亞理工學院、諾基亞貝爾實驗室和赫瑞瓦特大學的研究人員已經(jīng)找到了一種低成本的反向散射無線電方式，以支持高吞吐量通信和 5G 速度的 Gb/秒數(shù)據(jù)傳輸，而以前只使用一個晶體管需要昂貴的多個堆疊晶體管。
研究人員在 5G 24/28 吉赫 (GHz) 帶寬中采用獨特的調(diào)制方法，表明這些無源設備幾乎可以從任何環(huán)境安全、穩(wěn)健地傳輸數(shù)據(jù)。本月早些時候，《Nature Electronics》雜志報道了這一發(fā)現(xiàn)。
傳統(tǒng)上，毫米波通信被稱為極高頻段，被認為是寬帶的"最后一英里"，具有定向的點對點和點對多點無線鏈路。該頻段具有許多優(yōu)勢，包括可用的 GHz 帶寬寬，可實現(xiàn)非常高的通信速率，以及實現(xiàn)大型電子天線陣列的能力，從而實現(xiàn)按需波束成形功能。然而，這種毫米波系統(tǒng)依賴于高成本的組件和系統(tǒng)。
毫米波天線陣列硬件設計：
a，反向散射調(diào)制器和 5 × 1 天線陣列的物理布局。b，具有集成 pHEMT 晶體管前端和貼片天線陣列的毫米波反向散射通信器靈活原型。
該射頻前端由一個微帶貼片天線陣列和一個單個偽晶高電子遷移率晶體管組成，該晶體管支持一系列調(diào)制格式，包括二進制相移鍵控、正交相移鍵控和正交幅度調(diào)制。該電路是通過噴墨印刷在柔?性液晶聚合物基板上使用銀納米顆粒墨水增材制造的。
簡單與成本之爭
"通常情況下，這是相對成本的簡單性。你可以用一個晶體管做非常簡單的事情，或者你需要多個晶體管來實現(xiàn)更復雜的功能，這使得這些系統(tǒng)非常昂貴，"柔性電子學 Ken Byers 教授 Emmanouil (Manos) Tentzeris 說在佐治亞理工學院的電氣與計算機工程學院 (ECE)。"現(xiàn)在我們提高了復雜性，使其功能非常強大但成本非常低，因此我們可以兩全其美。"
"我們的突破是能夠在 5G/毫米波 (mmWave) 頻率上進行通信，而實際上沒有完整的毫米波無線電發(fā)射器——在更低頻率的電子設備上只需要一個毫米波晶體管，例如手機或 WiFi 中的那些設備。較低的工作頻率使電子設備的功耗和硅成本保持在較低水平，"第一作者、佐治亞理工學院博士 Ioannis (John) Kimionis 補充道。畢業(yè)現(xiàn)在是諾基亞貝爾實驗室的技術(shù)人員。"我們的工作可針對任何類型的數(shù)字調(diào)制進行擴展，并可應用于任何固定或移動設備。"
研究人員率先將反向散射無線電用于千兆數(shù)據(jù)速率的毫米波通信，同時將前端復雜性降至最低，使其成為單個高頻晶體管。他們的突破包括調(diào)制以及為驅(qū)動設備的信號添加更多智能。
Kimionis 說："我們保留了相同的 RF 前端來提高數(shù)據(jù)速率，而無需向我們的調(diào)制器添加更多晶體管，這使其成為可擴展的通信器，"并補充說他們的演示展示了單個毫米波晶體管如何支持廣泛的調(diào)制格式。
第一作者 John Kimionis 解釋說，反向散射的突破只需要一個毫米波晶體管和更低頻率的電子設備，例如手機或 WiFi 設備中的電子設備。
為大量"智能"物聯(lián)網(wǎng)傳感器供電
該技術(shù)開辟了一系列物聯(lián)網(wǎng) 5G 應用，包括能量收集，佐治亞理工學院的研究人員最近使用專門的 Rotman 透鏡展示了該應用，該透鏡可以從各個方向收集 5G 電磁能量。
Tentzeris 表示，反向散射技術(shù)的其他應用可能包括"堅固的"高速個人區(qū)域網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡具有零功率可穿戴/可植入傳感器，用于監(jiān)測血液中的氧氣或葡萄糖水平或心臟/腦電圖功能；監(jiān)控溫度、化學品、氣體和濕度的智能家居傳感器；以及用于檢測作物霜凍、分析土壤養(yǎng)分甚至牲畜追蹤的智能農(nóng)業(yè)應用。
研究人員開發(fā)了這種反向散射調(diào)制概念的早期證明，并在 2016 年諾基亞貝爾實驗室獎中獲得了三等獎。當時，Kimionis 是佐治亞理工學院 ECE 博士研究員，在 ATHENA 實驗室與 Tentzeris 合作，該實驗室推進電磁、無線、射頻、毫米波和亞太赫茲應用的新技術(shù)。
千兆每秒毫米波實驗室演示設置。
反向散射設置，包括驅(qū)動反向散射通信器的波形發(fā)生器，以及用于照亮反向散射通信器并對反射的調(diào)制信號進行解碼的定制發(fā)射和接收鏈。
低成本的關鍵推動因素：增材制造
后向散射通信器的噴墨打印制作。噴墨印刷的 24.5 GHz 貼片天線陣列和反向散射通信電路跡線的顯微照片。
a , 分流短截線 T 形接頭。b , 0402 用于 E-pHEMT 的 SMD 焊盤。c、RF微帶到貼片的轉(zhuǎn)變。
所有打印均使用 Dimatix DMP-2831 材料沉積噴墨打印機使用 Suntronic EMD5730 噴墨墨水進行，在水性溶劑中納米銀含量為 40%。四層 SNP 墨水以 20 微米的液滴間距和 600 秒的層間延遲印刷。打印機的打印臺被加熱到最高 60 °C，以促進層間溶劑蒸發(fā)。得到的印刷痕跡具有銳利的邊緣，如圖所示。
帶有印刷陣列的 LCP 基板在機械對流烘箱中在 180°C 下退火 60 分鐘，以蒸發(fā)剩余的溶劑并燒結(jié) SNP 以形成連續(xù)的導電跡線。
Tentzeris 認為負擔得起的印刷對于使其反向散射技術(shù)市場可行至關重要。佐治亞理工學院是在幾乎所有材料（紙張、塑料、玻璃、柔性/有機基材）上進行噴墨打印的先驅(qū)，并且是 2002 年首批使用高達毫米頻率范圍的 3D 打印的研究機構(gòu)之一。
