反向散射的印刷毫米波阵列天线可实现在任何地方以 5G 速度运行近乎零功耗的物联网通信
【导读】：
为了从即将推出的 5G 标准中受益并达到千兆数据传输速度，手机必须升级到完整的 28 GHz 无线电。然而，大多数手机中已经存在的 2.4 GHz 电子设备可以作为基带和毫米波频率之间的 IF 桥接器，并添加一个用于无线混合的毫米波晶体管。毫米波频率的反向散射有可能为设备带来 5G 网络兼容性，而无需实际加入额外的高度复杂且昂贵的 28 GHz Tx/Rx 链。在咖啡馆或其他公共场所的热点进行手机数据卸载（例如，将照片/视频发送到云存储）等场景符合无线充电热点出现在类似位置的概念。
用于 Gbit 数据速率反向散射通信的印刷毫米波阵列原型。
5G 物联网 (IoT) 网络的前景需要更具可扩展性和稳健性的通信系统——这些系统能够提供更高的数据速率和更低的每台设备功耗。
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和强大的性能取决于周围环境。
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低成本的反向散射无线电方式，以支持高吞吐量通信和 5G 速度的 Gb/秒数据传输，而以前只使用一个晶体管需要昂贵的多个堆叠晶体管。
研究人员在 5G 24/28 吉赫 (GHz) 带宽中采用独特的调制方法，表明这些无源设备几乎可以从任何环境安全、稳健地传输数据。本月早些时候，《Nature Electronics》杂志报道了这一发现。
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"，具有定向的点对点和点对多点无线链路。该频段具有许多优势，包括可用的 GHz 带宽宽，可实现非常高的通信速率，以及实现大型电子天线阵列的能力，从而实现按需波束成形功能。然而，这种毫米波系统依赖于高成本的组件和系统。
毫米波天线阵列硬件设计：
a，反向散射调制器和 5 × 1 天线阵列的物理布局。b，具有集成 pHEMT 晶体管前端和贴片天线阵列的毫米波反向散射通信器灵活原型。
该射频前端由一个微带贴片天线阵列和一个单个伪晶高电子迁移率晶体管组成，该晶体管支持一系列调制格式，包括二进制相移键控、正交相移键控和正交幅度调制。该电路是通过喷墨印刷在柔性液晶聚合物基板上使用银纳米颗粒墨水增材制造的。
简单与成本之争
"通常情况下，这是相对成本的简单性。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，"柔性电子学 Ken Byers 教授 Emmanouil (Manos) Tentzeris 说在佐治亚理工学院的电气与计算机工程学院 (ECE)。"现在我们提高了复杂性，使其功能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，而实际上没有完整的毫米波无线电发射器——在更低频率的电子设备上只需要一个毫米波晶体管，例如手机或 WiFi 中的那些设备。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、佐治亚理工学院博士 Ioannis (John) Kimionis 补充道。毕业现在是诺基亚贝尔实验室的技术人员。"我们的工作可针对任何类型的数字调制进行扩展，并可应用于任何固定或移动设备。"
研究人员率先将反向散射无线电用于千兆数据速率的毫米波通信，同时将前端复杂性降至最低，使其成为单个高频晶体管。他们的突破包括调制以及为驱动设备的信号添加更多智能。
Kimionis 说："我们保留了相同的 RF 前端来提高数据速率，而无需向我们的调制器添加更多晶体管，这使其成为可扩展的通信器，"并补充说他们的演示展示了单个毫米波晶体管如何支持广泛的调制格式。
第一作者 John Kimionis 解释说，反向散射的突破只需要一个毫米波晶体管和更低频率的电子设备，例如手机或 WiFi 设备中的电子设备。
为大量"智能"物联网传感器供电
该技术开辟了一系列物联网 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 Rotman 透镜展示了该应用，该透镜可以从各个方向收集 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"高速个人区域网络，该网络具有零功率可穿戴/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、化学品、气体和湿度的智能家居传感器；以及用于检测作物霜冻、分析土壤养分甚至牲畜追踪的智能农业应用。
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了三等奖。当时，Kimionis 是佐治亚理工学院 ECE 博士研究员，在 ATHENA 实验室与 Tentzeris 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。
千兆每秒毫米波实验室演示设置。
反向散射设置，包括驱动反向散射通信器的波形发生器，以及用于照亮反向散射通信器并对反射的调制信号进行解码的定制发射和接收链。
低成本的关键推动因素：增材制造
后向散射通信器的喷墨打印制作。喷墨印刷的 24.5 GHz 贴片天线阵列和反向散射通信电路迹线的显微照片。
a , 分流短截线 T 形接头。b , 0402 用于 E-pHEMT 的 SMD 焊盘。c、RF微带到贴片的转变。
所有打印均使用 Dimatix DMP-2831 材料沉积喷墨打印机使用 Suntronic EMD5730 喷墨墨水进行，在水性溶剂中纳米银含量为 40%。四层 SNP 墨水以 20 微米的液滴间距和 600 秒的层间延迟印刷。打印机的打印台被加热到最高 60 °C，以促进层间溶剂蒸发。得到的印刷痕迹具有锐利的边缘，如图所示。
带有印刷阵列的 LCP 基板在机械对流烘箱中在 180°C 下退火 60 分钟，以蒸发剩余的溶剂并烧结 SNP 以形成连续的导电迹线。
Tentzeris 认为负担得起的印刷对于使其反向散射技术市场可行至关重要。佐治亚理工学院是在几乎所有材料（纸张、塑料、玻璃、柔性/有机基材）上进行喷墨打印的先驱，并且是 2002 年首批使用高达毫米频率范围的 3D 打印的研究机构之一。
