用于Gbit数据速率反向散射通信的印刷毫米波阵列原型。信用:约翰·金米尼斯，诺基亚·贝尔实验室5G物联网网络的前景需要更具可扩展性和鲁棒性的通信系统——能够提供更高的数据速率和更低的功耗。反向散射无线电——反射而不是辐射能量的无源传感器——以其低成本、低复杂性和无电池操作而闻名，使其成为未来的潜在关键推动者，尽管它们通常具有低数据速率的特点，并且其性能强烈依赖于周围环境。
佐治亚理工学院、诺基亚贝尔实验室和赫里奥特-瓦特大学的研究人员发现了一种低成本的反向散射无线电支持高吞吐量通信和5G速度的千兆字节/秒数据传输的方法，以前只需要一个晶体管，而现在需要昂贵的多个堆叠晶体管。
研究人员在5G 24/28千兆赫(GHz)带宽中采用了独特的调制方法，表明这些无源设备可以从几乎任何环境中安全、鲁棒地传输数据。这一发现发表在本月早些时候的《自然电子》杂志上。
传统上，毫米波通信被称为极高频段，被认为是宽带的“最后一英里”，具有直接的点对点和点对多点无线链路。该频谱带提供了许多优势，包括宽可用千兆赫带宽，支持非常大的通信速率，以及实现电大型天线阵列的能力，支持按需波束形成能力。然而，这种毫米波系统依赖于高成本的组件和系统。
简单与成本的斗争
“通常，这是相对于成本的简单性。你可以用一个晶体管做非常简单的事情，或者你需要多个晶体管来实现更复杂的功能，这使得这些系统非常昂贵，”佐治亚理工学院电气和计算机工程学院柔性电子肯·拜尔斯教授埃马努伊尔(Manos) Tentzeris说。“现在我们增强了复杂性，使其非常强大，但成本非常低，因此我们可以两全其美。”
“我们的突破是能够在5G/毫米波(mmWave)频率上进行通信，而实际上不需要一个完整的mmWave无线电发射机——只需要一个mmWave晶体管，以及频率低得多的电子设备，例如手机或WiFi设备中的电子设备。较低的工作频率使电子设备的功耗和硅成本保持在较低水平，”第一作者约翰·基米尼斯补充道，他是佐治亚理工学院的博士毕业生，现在是诺基亚贝尔实验室的技术人员我们的工作可扩展到任何类型的数字调制，并可应用于任何固定或移动设备。"
研究人员首次将反向散射无线电用于千兆数据速率毫米波通信，同时将单个高频晶体管的前端复杂性降至最低。他们的突破包括调制以及给驱动设备的信号增加更多的智能。
“我们保持了相同的射频前端，以提高数据速率，而无需在调制器中增加更多晶体管，这使其成为一个可扩展的通信器，”Kimionis说，并补充说，他们的演示展示了单个毫米波晶体管如何支持多种调制格式。
第一作者约翰·基米尼斯解释说，反向散射突破只需要一个毫米波晶体管和低得多的低频电子器件，例如手机或WiFi设备中的电子器件。功劳:约翰·基米尼斯，诺基亚·贝尔实验室为一系列“智能”物联网传感器供电
该技术开辟了大量物联网5G应用，包括能量收集，佐治亚理工学院的研究人员最近使用专门的罗特曼透镜展示了这一点，该透镜从各个方向收集5G电磁能量。
Tentzeris表示，反向散射技术的其他应用可能包括“坚固”的高速个人局域网，带有零功率可穿戴/可植入传感器，用于监测血液中的氧气或葡萄糖水平或心脏/脑电图功能；监控温度、化学物质、气体和湿度的智能家居传感器；和智能农业应用程序，用于检测作物上的霜冻，分析土壤养分，甚至跟踪牲畜。
研究人员开发了这种反向散射调制概念的早期证明，并在2016年诺基亚贝尔实验室奖中获得三等奖。当时，基米尼斯是佐治亚理工学院欧洲经委会的博士研究员，与Tentzeris在雅典娜实验室合作，该实验室推进电磁、无线、射频、毫米波和亚太赫兹应用的新技术。
低成本的关键促成因素:附加制造
对Kimionis来说，反向散射技术的突破反映了他“通信民主化”的目标
“在我的整个职业生涯中，我一直在寻找让所有类型的通信更具成本效益和能源效率的方法。现在，因为我们解决方案的整个前端是以如此低的复杂性创建的，所以它与印刷电子产品兼容。我们可以打印一个毫米波天线阵列，支持低功耗、低复杂度和低成本的发射机。”
Tentzeris认为，价格合理的打印对他们的反向散射技术市场的可行性至关重要。佐治亚理工学院是几乎所有材料(纸张、塑料、玻璃、柔性/有机基材)喷墨打印的先驱，早在2002年，它就是最早使用高达毫米频率范围的三维打印的研究机构之一。
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