3D 反射器有助于提高无线通信中的数据速率

下一代无线通信不仅需要更高频率的更大带宽，还需要一些额外的时间。

康奈尔大学的研究人员开发了一种半导体芯片，该芯片增加了必要的时间延迟，因此通过多个阵列发送的信号可以在空间中的单个点对齐，而不会分解。这种方法将使越来越小的设备能够在未来6G通信技术所需的更高频率下运行。

该团队的论文“Ultra-Compact Quasi-True-Time-Delay for Boosting Wireless Channel-Capacity”于3月6日发表在《自然》杂志上。主要作者是电气和计算机工程博士生Bal Govind。

目前大多数无线通信（例如 5G 电话）的运行频率低于 6 GHz。科技公司一直致力于开发新一波的 6G 蜂窝通信，这些通信使用频率高于 20 GHz，其中有更多的可用带宽，这意味着更多的数据可以以更快的速度流动。预计6G的速度将比5G快100倍。

但是，由于在较高频率下通过环境的数据丢失更大，因此一个关键因素是数据的中继方式。大多数 5G 和 6G 技术不依赖于单个发射器和单个接收器，而是使用更节能的方法：一系列发射器和接收器的相控阵。

“通信频段中的每个频率都会经历不同的时间延迟，”Govind说。“我们正在解决的问题已经有几十年的历史了——以经济的方式传输高带宽数据，以便所有频率的信号在正确的地点和时间排队。”

“这不仅仅是构建具有足够延迟的东西，而是构建具有足够延迟的东西，最后你仍然有信号，”资深作者Alyssa Apsel说，他是IBM工程学教授，康奈尔工程学院电气和计算机工程主任。“诀窍在于，我们能够在没有巨大损失的情况下做到这一点。”

这种延迟以前是由相移电路产生的，但它们只能处理这么多数据。对于宽带信号来说，这是一个特殊的问题，其中最高频率和最低频率可能会错相，导致信号模糊，这种现象称为“波束斜视”。将时间延迟构建到可以安装在智能手机中的微型芯片中并非易事。

“大多数时间延迟的构建方式实际上是使用一根长线，使您能够将信号从 A 点延迟到 B 点。我们需要将延迟调谐，以便我们可以将该波束重新路由到不同的位置。我们希望它是可重新配置的，“Apsel 说。

Govind与博士后研究员和合著者Thomas Tapen合作设计了一种互补金属氧化物半导体（CMOS），该半导体可以在14 GHz的超宽带宽上调整时间延迟，相位分辨率高达1度。

“由于我们设计的目的是尽可能多地封装这些延迟元件，”Govind说，“我们想象在三维波导中缠绕信号路径并从中反射信号以引起延迟会是什么样子，而不是横向分布波长的导线穿过芯片。

该团队设计了一系列这样的3D反射器，这些反射器串在一起，形成一条“可调谐传输线”。

由此产生的集成电路占用了0.13平方毫米的尺寸，比移相器小，但几乎是传统无线阵列的信道容量（即数据速率）的两倍。通过提高预计的数据速率，该芯片可以提供更快的服务，为手机用户提供更多数据。

“相控阵的最大问题是，在试图使这些东西足够小以放在芯片上并保持效率之间进行权衡，”Apsel说。“大多数业界的答案是，’好吧，我们不能做时间延迟，所以我们要做相位延迟。这从根本上限制了您可以传输和接收的信息量。他们只是承受了这种打击。

“我认为我们的主要创新之一实际上是一个问题：你需要以这种方式构建它吗？”阿普塞尔说。“如果我们可以通过改变一个组件将信道容量提高 10 倍，那将是一个非常有趣的通信游戏规则改变者。”