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          彎曲太赫茲信號繞過(guò)障礙實(shí)現6G

          2024-05-21 來(lái)源: IEEE電氣電子工程師學(xué)會(huì ) 字號:

          TTHE MITTLEMAN GROUP/BROWN UNIVERSITY

          一項新研究發(fā)現,通過(guò)讓光束在半空中繞過(guò)障礙物,研究人員希望能幫助實(shí)現速度極快的6G數據網(wǎng)絡(luò )。

          下一代無(wú)線(xiàn)通信(6G)將可能依靠太赫茲波來(lái)幫助達到前所未有的速度。太赫茲射線(xiàn)(也稱(chēng)亞毫米波輻射或遠紅外線(xiàn))位于電磁波譜中的光波和微波之間。太赫茲射線(xiàn)的頻率從0.1太赫茲到10太赫茲不等,是未來(lái)高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵,它將以每秒太比特(萬(wàn)億比特)的速度傳輸數據。

          “The data can be successfully delivered to a target even if there is an obstruction that partially blocks the view of the target from the transmitter.”

          —DANIEL MITTLEMAN, BROWN UNIVERSITY

          太赫茲信號面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是如何解決被大多數固體物體阻擋。這意味著(zhù),與 Wi-Fi 不同,太赫茲信號通常要求發(fā)射器和接收器之間有直接的視線(xiàn)(https://www.brown.edu/news/2018-02-06/terahertz)。

          在這項新研究中,羅德島普羅維登斯布朗大學(xué)和休斯頓萊斯大學(xué)的研究人員試圖通過(guò)創(chuàng )造太赫茲信號來(lái)避免這個(gè)問(wèn)題,這些信號沿著(zhù)彎曲的軌跡繞過(guò)障礙物,而不是被障礙物阻擋。

          布朗大學(xué)工程學(xué)教授Daniel Mittleman說(shuō):“需要明確的是,我們并不是要讓光子沿著(zhù)彎曲的軌跡傳播。這不是我們要做的,盡管看起來(lái)可能是這樣。” Mittleman解釋說(shuō),光子通常是直線(xiàn)運動(dòng)的,除非它們經(jīng)過(guò)空間和時(shí)間結構被強大引力場(chǎng)扭曲的區域,比如黑洞產(chǎn)生的引力場(chǎng)。

          Mittleman說(shuō):“相反,我們正在做的是制作一個(gè)非常精心定制的直線(xiàn)光束圖案,這些直線(xiàn)光束共同干涉,產(chǎn)生一個(gè)遵循彎曲軌跡的強度圖案。”

          此前的研究(https://www.nbcnews.com/id/wbna22360801)于2007年首次用可見(jiàn)光產(chǎn)生了這種彎曲光束(https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.213901)。隨后的工作也產(chǎn)生了太赫茲彎曲光束。

          Mittleman表示:“我們所做的工作是證明,可以用數字數據加載這些光束,并繞過(guò)障礙物發(fā)送信號。”即使存在部分阻擋發(fā)射器看到目標的障礙物,數據也能成功傳送到目標。

          太赫茲信號(或許)是如何彎曲的?

          科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種能產(chǎn)生各種太赫茲射線(xiàn)模式的發(fā)射器。當一種模式被障礙物阻擋時(shí),發(fā)射器就會(huì )調整,用另一種模式發(fā)送數據,以保持通信鏈路的完整。

          Mittleman說(shuō):“當我們開(kāi)始研究這個(gè)項目時(shí),我并不清楚它是否能成功。“因此,也許最令人驚訝的事情就是它真的成功了。

          Mittleman說(shuō),為了讓這項新技術(shù)發(fā)揮作用,發(fā)射器到接收器之間的距離必須足夠小,這樣接收器才能處于發(fā)射器的近場(chǎng)(https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation#Near_and_far_fields)。他解釋說(shuō),目前典型的無(wú)線(xiàn)數據系統的工作頻率約為3千兆赫,天線(xiàn)直徑約為10厘米,近場(chǎng)范圍只有幾十厘米,距離太短,無(wú)法證明非常有用。

          Mittleman指出:“但如果我們使用更高的頻率,比如太赫茲頻率,情況就大不相同了。同樣是10厘米的發(fā)射天線(xiàn),頻率為300千兆赫的近場(chǎng)可以延伸到數十米之外。這意味著(zhù)它在典型的Wi-Fi場(chǎng)景中變得相關(guān)和有用。”

          Hichem Guerboukha作為布朗大學(xué)的博士后研究員領(lǐng)導了這項研究,他現在是密蘇里大學(xué)堪薩斯城分??茖W(xué)與工程學(xué)院的助理教授,他提醒說(shuō),這種新策略并不能解決太赫茲信號可能面臨的所有阻塞問(wèn)題。

          Mittleman解釋說(shuō):“在這里可以做的事情有一些真正的物理限制。例如,曲率的大小受到發(fā)射機尺寸的限制,因此對于給定的發(fā)射機,你不可能做出任何你想要的曲線(xiàn)。”

          未來(lái)的工作可以探索太赫茲信號的曲率有多大,可以到達多遠的距離。此外,研究人員還想看看曲率可能對帶寬產(chǎn)生什么影響。

          Mittleman說(shuō):“當以高數據速率發(fā)送數據時(shí),人們需要一個(gè)寬帶寬 —— 這意味著(zhù)你的信號由許多不同的頻率組成。如果每個(gè)頻率的彎曲軌跡略有不同呢?我們稱(chēng)這種效應為'曲率色散'。在最壞的情況下,這意味著(zhù)你的接收器會(huì )錯過(guò)一些傳輸頻率,因為它們的彎曲程度不對。我們需要更詳細地了解這種效應的影響。”

          Demetrios Christodoulides和他的同事們在2007年率先制造出了彎曲光束,他認為這項新研究也可能應用于成像領(lǐng)域。

          位于洛杉磯的南加州大學(xué)電氣與計算機工程、物理與天文學(xué)教授Christodoulides說(shuō):“當你想避開(kāi)不透明的區域時(shí),我可以看到這種方法的優(yōu)勢。”

          科學(xué)家們于3月30日在《通信工程》(Communications Engineering)雜志上在線(xiàn)詳細介紹了他們的研究成果:https://www.nature.com/articles/s44172-024-00206-3。

          主題閱讀: 太赫茲  6G
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