超薄高频天线阵列:革新柔性无线通信
研究人员在开发一种天线阵列技术方面迈出关键一步,该技术可涂覆在飞机机翼上、作为贴片传输信号给医疗植入体,或铺设成墙纸与物联网(IoT)设备通信。
技术优势
这项可支撑新兴5G和6G无线网络多种应用的技术,基于大面积电子学——一种在薄而柔性的材料上制造电子电路的方法。该方法克服了传统硅半导体的局限:硅半导体虽能在5G所需的高射频下工作,但宽度仅限于几厘米,且难以组装成与低功耗设备增强通信所需的大型阵列。
为实现大尺寸,以往尝试离散集成数百个微芯片,但这不切实际——既不低成本、可靠,也无法在无线系统层面扩展。新技术可原生扩展至显示器、液晶电视等大尺寸,研究团队将薄膜晶体管技术改良用于无线信令。
相控阵原理
研究人员利用氧化锌薄膜晶体管制造了一个30厘米长的三天线相控阵。相控阵天线通过控制各天线信号的时间延迟,利用建设性和破坏性干涉形成聚焦电磁波束。单天线向全方向广播固定信号,而相控阵可电子扫描波束方向,实现点对点无线通信。
相控阵天线虽已在雷达、卫星、蜂窝网络等远程通信系统使用数十年,但新技术赋予其新柔性,并使其能在不同射频范围工作。
应用前景
大面积电子学属于薄膜技术,电路可在柔性基板上跨米级构建,所有元件可单片集成在一张纸大小的薄片上。团队在玻璃基板上制造晶体管等元件,类似工艺也可用于柔性塑料。
此类天线系统几乎可安装在任何地方:作为室内墙纸,可实现与分布式物联网设备(温度、运动传感器)的快速、安全、节能通信;柔性表面天线对卫星有益,卫星发射时紧凑、入轨后展开,大面积有利于与飞机的远程通信。飞机距离远,信号功率损耗大,机翼面积大,若用单点接收增益有限,但若接收面积扩大百倍或千倍,可降低信号功率并提高无线电灵敏度。
传感器
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