5G 技術新突破：毫米波設備成本大幅降低，天線還能直接“打印”

近日，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找到了一種實現低成本反向散射無線電（backscatter radios）傳輸的方法，該方法能夠讓設備實現“GB 每秒”的 5G 傳輸速度。

反向散射技術是指設備自身不產生信號，但是通過反射傳輸過來的信號，從而達到信息交換的目的。反向散射能夠實現 5G 毫米波通信，但是毫米波的 5G 設備成本較高，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制（Single-transistor high-order modulation）技術，減少了設備所需的晶體管數量。經過測試，這些無源設備（passive devices）幾乎可以在任何環境中，安全、穩健地傳輸數據。

該研究論文題目為《用于千兆數據速率反向散射通信的印刷毫米波調制器和天線陣列（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 雜志上發表。

一、大幅減少晶體管的使用

一般情況下，解決復雜通信問題可以通過增加堆疊晶體管來達成，但是這會拉高設備成本。佐治亞理工學院博士 Ioannis (John) Kimionis 說：“我們的技術突破使得設備能夠在沒有完整的毫米波無線電發射器的情況下，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 中的那些設備。”

通過對單晶體管高階調制，研究人員就無需在反向散射通信器或毫米波收發器中添加額外的混合級（mixing stages），能夠將前端（front-end）復雜性壓縮到單個高頻晶體管內，這使得設備所需的晶體管減少。佐治亞理工學院博士 Ioannis (John) Kimionis 表示，“我們的產品可針對任何類型的數字調制（digital modulation）進行擴展，并可應用于任何固定或移動設備。

▲ Ioannis (John) Kimionis

二、反向散射技術的突破拓展了 5G 使用場景的可能性

該技術能夠拓展了物聯網 5G 的應用，例如能源收集（energy harvesting），喬治亞理工學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。這證實了該技術具備了為其他傳感器輸電的能力。

佐治亞理工學院的電氣與計算機工程學院教授 Emmanouil (Manos) Tentzeris 表示，反向散射技術有廣泛的運用前景。包括利用零功率可穿戴/可植入傳感器設備進行高速個人區域網絡（high-speed personal area networks）的建設，該網絡可以用于監測血液中的含氧量，檢測葡萄糖水平，監測心臟或腦電圖的功能。

反向散射技術也可用于能夠監控溫度、化學成分、氣體和濕度的智能家居傳感器之中。在智能農業方面，反向散射技術亦能發揮作用，如檢測作物霜凍，分析土壤養分，甚至跟蹤牲畜。

三、增材制造使得該技術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）并不復雜，它能夠被電子印刷技術所兼容。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、低復雜度和低成本的發射機（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在市場上具有競爭力。

結語：反向散射技術為 5G 物聯網鋪路

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創造的反向散射技術能夠通過對單晶體管進行高階調制，使設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。

該反向散射技術的突破使得設備能夠成本在更低的情況下，為 5G 物聯網提供更具可擴展性和穩健性的通信系統。