3D反射器有助于提高无线通信的数据速率

下一代无线通信不仅需要更高频率下的更大带宽，还需要一点额外的时间。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，以便跨多个阵列发送的信号可以在空间中的单个点上对齐，而不会分解。该方法将使更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“用于提升无线通道容量的超紧凑准真时延迟”发表在《自然》杂志上。电气和计算机工程博士生巴尔·戈文德(BalGovind)是该研究的主要作者。

当前大多数无线通信(例如5G手机)的运行频率低于6GHz。科技公司一直致力于开发新一波的6G蜂窝通信，使用20GHz以上的频率，那里有更多的可用带宽，这意味着更多的数据可以以更快的速度流动。6G预计比5G快100倍。

然而，由于频率越高，环境中的数据丢失就越大，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，”戈文德说。“我们正在解决的问题已有数十年历史了，即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列。”

“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，但最终仍然有信号，”资深作者、IBM工程教授兼康奈尔工程学院电气和计算机工程总监AlyssaApsel说。“关键在于我们能够做到这一点，而没有造成巨大损失。”

这种延迟以前是由相移电路产生的，但它们只能处理有限的数据。对于宽带信号来说，这是一个特殊的问题，其中最高和最低频率可能会异相，导致信号模糊，这种现象称为“波束斜视”。将时间延迟构建到适合智能手机的微型芯片中并不是一件容易的事。

“大多数时间延迟的构建方式实际上是使用长电线，这将使您能够将信号从A点延迟到B点。我们需要该延迟是可调的，以便我们可以将该光束重新路由到不同的位置。我们希望它能够重新配置，”阿普塞尔说。

Govind与博士后研究员兼合著者ThomasTapen合作设计了一种互补金属氧化物半导体(CMOS)，可以在14GHz超宽带宽上调节时间延迟，相位分辨率高达1度。

“由于我们设计的目标是尽可能多地封装这些延迟元件，”Govind说，“我们想象了在三维波导中缠绕信号路径并将信号从它们反射到波导中的情况。导致延迟，而不是在芯片上横向扩展波长长的电线。”

该团队设计了一系列串联在一起的3D反射器，形成“可调谐传输线”。

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

“相控阵的一个大问题是在试图使这些东西足够小以放入芯片和保持效率之间进行权衡，”阿普塞尔说。“业界大多数人的答案是，‘好吧，我们不能进行时间​​延迟，所以我们将进行相位延迟。’”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这样的问题：你需要以这种方式构建它吗?”阿普塞尔说道。“如果我们可以通过改变一个组件来将信道容量提高10倍，这对于通信来说是一个非常有趣的游戏规则改变者。”