太赫兹通信技术迎来新突破 为开启6G的未来奠定基础

太赫兹通信技术迎来新突破 为开启6G的未来奠定基础 太赫兹频率电磁波为通信、扫描和成像技术的进步带来了巨大的希望。然而，利用它们的潜力却障碍重重。东北大学的一个研究小组取得了突破性进展，专门针对太赫兹频谱创建了一种新型可调滤波器。他们的研究成果发表在《光学快报》（Optics Letters）杂志上。太赫兹波属于电磁波谱中介于微波和红外线频率之间的一个区域。太赫兹波比无线电波频率高（波长短），但比可见光频率低。日益拥挤的无线电波频谱承载着 WiFi、蓝牙和当前移动电话（手机）通信系统传输的大量数据。所开发的可调滤波器的概念示意图。(a) 滤波器的横截面图；(b) 周期与折射率之间的关系；(c) 折射率变化引起的频率偏移。资料来源：Ying Huang 等人电磁频谱低频部分的信号拥塞是探索太赫兹区域的一个诱因。另一个原因是太赫兹具有支持超高数据传输速率的能力。不过，将太赫兹信号用于常规应用的一个关键挑战是，必须能够在特定频率上调整和过滤信号。需要进行滤波，以避免受到所需频段以外信号的干扰。太赫兹滤波技术的突破东北研究小组的 Yoshiaki Kanamori 说："我们构建并演示了太赫兹波频率可调滤波器，与传统系统相比，它实现了更高的传输速率和更好的信号质量，揭示了太赫兹无线通信的潜力。他补充说，这项工作还可以在太赫兹频段之外得到更广泛的应用。"机械折射率可变超材料。资料来源：Ying Huang et al.这种新型太赫兹滤波器基于一种名为法布里-珀罗干涉仪的装置，与所有干涉仪一样，它依赖于不同电磁辐射波在镜面间反弹时相互影响而产生的干涉图案。研究人员的版本使用结构精细的光栅作为镜面之间的材料，其间隙小于相互作用波的波长。光栅的可变拉伸允许对其折射率进行必要的精细控制，以调整干涉仪的滤波效果。这样就只能传输所需的频率。使用不同的光栅可以控制不同的选定频率范围。该团队已经展示了他们的系统在适用于下一代（6G）移动电话信号的频率上的应用。通过控制周期来调节折射率和频率。资料来源：Ying Huang et al.Kanamori说："除了我们的方法在通信系统中的应用外，我们还设想在医学和工业领域的扫描和成像技术中使用我们的方法。"太赫兹波在扫描和成像方面的一个优势是，它可以轻易穿透阻挡光线通过的材料，包括生物组织。除医疗应用外，这也为材料分析、安全系统和制造过程中的质量控制提供了机会。Kanamori总结说："总之，我们的工作提供了一种简单而经济有效的方法来过滤和主动控制太赫兹波，这将推动其在许多应用中的使用。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

未来太赫兹技术的意外之钥：气凝胶

未来太赫兹技术的意外之钥：气凝胶 气凝胶是用水溶液制造的，不需要复杂的制造程序，因此很有希望以低成本实现大规模可持续生产。太赫兹波段的波长介于电磁波谱中的微波和红外线之间。它的频率非常高。因此，许多研究人员认为，太赫兹波段在太空探索、安全技术和通信系统等方面具有巨大的应用潜力。在医学成像方面，太赫兹还可以替代 X 射线检查，因为太赫兹波可以穿过大多数非导电材料，而不会损坏任何组织。气凝胶可通过简单的化学修饰获得高疏水性。资料来源：Thor Balkhed然而，在太赫兹信号得到广泛应用之前，还有一些技术障碍需要克服。例如，难以有效地产生太赫兹辐射，需要能够接收和调节太赫兹波传输的材料。太赫兹波调制技术取得突破林雪平大学（Linköping University）的研究人员现已开发出一种材料，其对太赫兹信号的吸收可通过氧化还原反应开启或关闭。这种材料是一种气凝胶，是世界上最轻的固体材料之一。"它就像是太赫兹光的可调滤波器。在一种状态下，电磁信号不会被吸收，而在另一种状态下，则可以被吸收。"林雪平大学有机电子实验室（LOE）的博士后陈尚志说："这种特性对于来自太空的远距离信号或雷达信号非常有用。"有机电子学实验室研究员林雪平的研究人员使用导电聚合物 PEDOT:PSS 和纤维素来制造气凝胶。他们在设计气凝胶时还考虑到了户外应用。它既能防水（疏水），又能通过阳光加热自然解冻。与其他用于制造可调材料的材料相比，导电聚合物具有许多优势。除其他优点外，导电聚合物还具有生物相容性、耐用性和极强的可调谐性。可调谐性来自于改变材料中电荷密度的能力。与其他类似材料相比，纤维素的最大优点是生产成本相对较低，而且是一种可再生材料，这对于可持续应用至关重要。LOE 博士后匡朝阳说："太赫兹波在较宽频率范围内的传输可在约 13 % 到 91 % 之间调节，这是一个非常大的调制范围。" ... PC版： 手机版：

苹果的可拆卸电池标准未来有望彻底改变设备充电方式

苹果的可拆卸电池标准未来有望彻底改变设备充电方式 苹果公司上一款配备"用户可更换"电池的设备是 2009 年的 MacBook，这使得用户可以随意更换苹果移动计算设备上的电池以维持其运行的时间长达 15 年之久。使用内置式不可更换电池的并非只有苹果公司一家。尽管如此，由于其产品线中笔记本电脑和移动设备的数量众多，这意味着有数十种产品需要依靠定期充电来保持正常运行。消费者使用的传统电池都是标准化的，有 AA、C、D 和类似的通用名称。但是，不应期望消费者知道或了解可拆卸电池的标准。这项名为"电池充电系统和移动及配件设备"的专利申请展示了一种满足耗电设备需求的潜在解决方案。在专利中，苹果公司描述了包含电池芯的电池"外壳"的标准尺寸，以及不同制造商的不同设备检测和使用电池所需的传感器。在实践中，这可能是 USB-C 等协议的内部电池标准版，消费者可以拿起任何使用该技术的电池，并用它为设备供电。有了标准化的外壳和连接器，用户就可以在不同设备之间交换电池，并通过将它们连接到兼容的充电器轻松为设备供电。图中显示，互换电池在 iMac 中充电，并安装在手机、键盘和无线鼠标中。字母"C"和"D"似乎与现有的标准电池形状或尺寸无关，更多的是表示不同的电池尺寸可以针对不同的使用情况进行标准化。较小的电池用于手机，较大的电池用于键盘、iMac 等。在本图中，电池芯由一个典型的可充电电池组组成。外壳和端盖将其包围，并为通用充电提供标准化连接。有了电池盒和端盖，就可以使用各种电池组。该专利还描述了电池与充电站或主机之间的无线通信系统。它可以在监控和显示电池电量的同时实现无线充电，类似于AirPods电池在控制中心的显示方式。从专利法的术语来看，通用电池标准似乎不仅能为设备供电，还能为Mac或其他"主机"提供检查电池状态所需的信息。这可能与iPhone显示 AirPods 或AirTag 电池电量的方式类似，但适用于任何使用这种电池系统的设备。有了标准化的电池和充电器，苹果可能会取消为移动设备供电的 USB 电缆。如果可以更换电池，为什么还要连接到 USB-C 端口为其充电呢？与往常一样，这项专利申请指出的是正在开发的可能技术，而不是解决方案。不过，苹果对可更换电池标准的探索可能表明，它正在寻求改变设备的供电方式，并有可能主导可充电电池标准。这项专利延续了哈罗德-亚伦-卢德克（Harold Aaron Ludtke）之前的专利。自 2009 年苹果公司最终放弃可拆卸电池产品以来，Ludtke 也参与了该专利申请的多个版本。 ... PC版： 手机版：

NASA测试用于激光和无线电空间通信的混合天线

NASA测试用于激光和无线电空间通信的混合天线 自2024年10月13日发射机器人探测器以来，迄今为止，它已经达成了一些令人瞩目的成就。11月，DSOC成功地从1000万英里（约合1600万公里）的距离上传输了数据，相当于地球到月球距离的40倍。唯一的问题是，地球和 Psyche 之间的联系是通过第三方操纵的测试装置实现的。DSOC瞄准的是加利福尼亚州圣迭戈县加州理工学院帕洛玛天文台的黑尔望远镜，借助的是从加利福尼亚州赖特伍德附近JPL台山设施的光通信望远镜实验室发射的激光信标。"金石"无线电/激光混合实验天线 美国宇航局/JPL-加州理工学院这意味着它需要各种自动辅助设备，还要能够预测并锁定一个航天器的位置，而这个航天器距离我们非常遥远，信号覆盖这个距离需要 20 秒钟。这还意味着要占用两个非常昂贵的天文观测站，研究人员必须提前数年安排时间。因此，美国国家航空航天局（NASA）正在一个单独的项目中研究一种混合天线，这种天线可以安装在位于加利福尼亚州戈德斯通、西班牙马德里和澳大利亚堪培拉的三个深空网络站中。激光收集器 美国宇航局/JPL-加州理工学院测试版本是一个 34 米（112 英尺）的射频-光学-混合天线，名为"深空站 13"，位于加利福尼亚州巴斯托附近的金石深空通信中心。为了进行测试，这个巨大的碟形天线被改装成七个超精密的分段反射镜，相当于一个 3.3 英尺（1 米）孔径的望远镜。这样就能捕捉到来自太空的激光束，并将其聚焦到一个接收器上，接收器是一个高曝光相机，连接在天线的副反射镜上，悬挂在碟形天线中心的上方。然后，信号通过光纤传送到一个低温冷却的半导体纳米线单光子探测器，将其提升到可读取的水平。据美国国家航空航天局称，该天线能够与"Psyche"号保持联系，并在去年年底建立了每秒 15.63 兆比特的下行链路，即在 2000 万英里（3200 万公里）的距离上以大约 40 倍的无线电速率传输。它还能够同时接收探测器的无线电信号。天文学家希望混合天线能够在相当于火星距地球最远点的距离，即 2.32 亿英里（3.74 亿千米）与 Psyche 保持联系。下一步将扩大光学镜面阵列的规模，使其相当于一个 26 英尺（8 米）长的望远镜，随后再对构成 DSN 的 14 个天线中的一些天线进行改装，以便同时收集高速激光信号和低速无线电通信信号。喷气推进实验室（JPL）通信地面系统副经理兼混合天线交付经理 Barzia Tehrani 说："几十年来，我们一直在为 DSN 遍布全球的巨型天线增加新的无线电频率，因此最可行的下一步就是增加光学频率。我们可以用一种资产同时做两件事；将我们的通信道路变成高速公路，节省时间、金钱和资源。" ... PC版： 手机版：

DARPA计划测试无人机飞行时通过功率波束进行无线充电

DARPA计划测试无人机飞行时通过功率波束进行无线充电 图中的 MQ9-Reaper（目前使用的是内燃机）在这一高度的飞行，简单地说明了 Ifana Mahbub 博士正试图利用动力光束技术克服的壮举你可能已经对无线充电技术有所了解；一些手机已经使用近场无线技术，通过低频电磁波在很短的距离内为电池充电。这看起来像是黑魔法，但实际上并不复杂。充电装置是一个产生电磁场的线圈，接收端（如手机中的线圈）捕捉电磁波，产生电流，然后输入电池。马赫布布和她的团队正在研究远场技术，以便将电磁波发送到更远的地方。具体来说，就是完全消除无人机返回基地（RTB）更换电池或充电的需要，这可能会浪费宝贵的时间和资源，更不用说可能会对手头的任务造成损害。如果您能在无人机飞行时为其电池充电，为什么还要召回它呢？Ifana Mahbub 博士使用 Millibox 检查天线的空中性能 得克萨斯大学，达拉斯最大的障碍之一是防止电磁波束在远距离散射和功率损耗。马赫布布想出了一个巧妙的办法，那就是使用相控阵天线；这是一个由发射器和较小天线组成的系统，用于引导电磁波束沿着特定路径前进。她所创造的技术利用无人驾驶飞行器的实时遥测数据，确保视距连接，以获得最大充电量。马赫布说："信号可能会向不希望的方向发展。我们的目标是设计波形，从而最大限度地减少路径损耗。"军用无人机，如中高空长航时（MALE）无人机，设计飞行高度为 25000 英尺（7620 米），而高空长航时（HALE）无人机通常在 50,000 英尺（15240 米）的高度飞行。战术无人机的飞行高度一般在 2000 英尺（610 米）到 5000 英尺（1524 米）之间。一架 MQ9-Reaper 无人机目前使用的是 950 轴马力（712 千瓦）涡轮螺旋桨发动机，但它在未来的使用中可能会采用 Ifana Mahbub 博士正在开发的动力光束技术，由电池供电。 通用原子能公司这项技术还有许多其他用途。想想电动汽车一边充电一边在高速公路上行驶的情景吧。马赫布布还在研究无线充电技术，该技术可以在低频、安全、FCC 批准的水平上使用，有可能为人体内的医疗植入物充电。在空中发送足以给小型飞机充电的电磁波听起来可能很可怕，但多年来我们一直在做类似的事情。无线电广播、电视广播、手机服务、雷达、Wi-Fi 甚至 GPS 都在使用电磁波。不过，充电时站在发射器和无人机之间可能不是明智之举。 ... PC版： 手机版：

日本科学家开发出高效的256元无线供电收发器阵列

日本科学家开发出高效的256元无线供电收发器阵列 东京理工大学的科学家们为非视距 5G 通信设计了一种创新的 256 元无线供电收发器阵列。这种新颖的设计具有高效的无线电力传输和高功率转换效率，即使在链路阻塞的区域也能增强 5G 网络的覆盖范围。灵活性和覆盖范围的增强有可能使高速、低延迟通信更加普及。毫米波 5G 通信使用极高频无线电信号（24 至 100 GHz），是下一代无线通信的一项前景广阔的技术，具有高速度、低延迟和大网络容量的特点。然而，当前的 5G 网络面临两大挑战。首先是低信噪比（SNR）。高信噪比是实现良好通信的关键。另一个挑战是链路阻塞，即由于建筑物等障碍物导致发射器和接收器之间的信号中断。拟议的收发器设计可实现高功率转换效率和转换增益，即使在链路阻塞的地区也能增强 5G 网络的覆盖范围。来源：2024 年 IEEE MTT-S 国际微波研讨会波束成形是使用毫米波进行长距离通信的一项关键技术，可提高信噪比。这种技术利用传感器阵列将无线电信号聚焦成特定方向的窄波束，类似于将手电筒光束聚焦在一个点上。然而，它仅限于视距通信，即发射器和接收器必须在一条直线上，而且接收到的信号会因障碍物而变差。此外，混凝土和现代玻璃材料也会造成较高的传播损耗。因此，迫切需要一种非视距（NLoS）中继系统来扩大 5G 网络的覆盖范围，尤其是在室内。为了解决这些问题，东京工业大学（Tokyo Institute of Technology，简称"东京工业"）未来科学技术跨学科研究实验室的白根敦（Atsushi Shirane）副教授领导的研究团队设计了一种新型无线供电中继收发器，用于 28 GHz 毫米波 5G 通信（如图 1 所示）。他们的研究成果发表在《2024 年 IEEE MTT-S 国际微波研讨会论文集》上。电路板包括砷化镓二极管、平衡集成电路、DPDT 开关集成电路和数字集成电路。该电路从 24GHz WPT 信号产生直流，同时将 28GHz 射频信号下变频为 4GHz 中频信号。资料来源：2024 年 IEEE MTT-S 国际微波研讨会Shirane在解释他们的研究动机时说："此前，针对NLoS通信，人们探索了两种类型的5G中继：有源类型和无线供电类型。虽然有源中继器即使在整流器阵列较少的情况下也能保持良好的信噪比，但其功耗较高。无线供电型不需要专用电源，但由于转换增益低，需要许多整流器阵列来维持信噪比，而且使用的 CMOS 二极管的功率转换效率低于 10%。我们的设计解决了这些问题，同时还使用了市场上可买到的半导体集成电路 (IC)"。拟议的收发器由 256 个整流器阵列组成，具有 24 GHz 无线功率传输 (WPT)。这些阵列由分立集成电路（包括砷化镓二极管）、平衡器（连接平衡和不平衡（bal-un）信号线）、DPDT 开关和数字集成电路组成（参见图 2）。值得注意的是，收发器能够同时进行数据和功率传输，将 24 GHz WPT 信号转换为直流电（DC），同时促进 28 GHz 双向传输和接收。24 GHz 信号在每个整流器上单独接收，而 28 GHz 信号则利用波束成形技术进行传输和接收。两个信号可以从相同或不同的方向接收，28 千兆赫信号既可以通过 24 千兆赫先导信号的逆反射传输，也可以从任何方向传输。测试表明，与传统收发器相比，拟议的收发器可实现 54% 的功率转换效率和 -19 分贝的转换增益，同时还能保持长距离信噪比。此外，它还可实现约 56 毫瓦的发电量，并可通过增加阵列数量进一步提高发电量。这还可以提高发射和接收波束的分辨率。Shirane谈到他们的设备的好处时说："即使在链路受阻的地方，拟议的收发器也能为毫米波5G网络的部署做出贡献，提高安装灵活性并扩大覆盖范围。"这种新型收发器将使 5G 网络更加普及，让所有人都能享受高速、低延迟的通信。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：