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利用太赫兹波

来源:环球科学

不同频率的辐射沿不同角度从漏泄波导中发射出来。这一频率“彩虹”构成了未来用于太赫兹数据网络的链路发现系统的基础。

(图片来源:Mittleman Lab/Knightly Lab)

当你打开笔记本电脑,路由器很快能定位并将其与局域无线网络连接起来。这便是所谓的链路发现能力,它是任何无线网络能够正常工作的基础。如今,一支研究团队开发出一种利用太赫兹辐射实现该能力的技术,这种高频波(*1太赫兹=1万亿赫兹)未来可用于超快无线数据传输。

由于其高频特性,太赫兹波能够携带的数据量相当于今天使用的微波(*频率为3亿赫兹到3千亿赫兹的电磁波)的数百倍。但与此同时,高频也意味着太赫兹波的传输方式与微波大有不同:微波从一个源向四面八方传播,而太赫兹波仅能沿一个“窄带”传播。

来自美国布朗大学工程学院的Daniel Mittleman教授表示,“在试图将太赫兹波用于持续发射波束的网络中时,会引发无数关于网络搭建的问题。其中之一便是,一个类似路由器那样的接入点,要如何发现用户设备所处的位置并将波束导向它们。这正是我们团队一直在研究的问题。”

在一篇发表于《自然·通讯》(Nature Communications)的论文中,来自美国布朗大学和莱斯大学的研究人员展示了一种被称作漏泄波导的设备,该设备能够用于太赫兹频段的链路发现。这种方法使得链路发现能够被动地、一次性地实现。

漏泄波导的原理很简单。它由两片金属平板组成,两块板之间留有空隙并用来传播辐射,其中一块平板开有一条狭缝并使得部分辐射从此处泄漏出去。这一新研究展示了该设备可以用于链路发现和追踪,其原理为(漏泄波导的)一个潜在属性:不同频率(的波)沿不同角度从狭缝泄漏出来。

莱斯大学研究生、论文合著者Yasaman Ghasempour表示:“我们在一次脉冲中向(漏泄)波导输入宽频段的太赫兹波,不同频率的波沿不同角度同时从狭缝中泄漏出来。你不妨将它想象成一道彩虹,每种角度对应下的色彩代表一种独特的光谱特征。”

现在,想象将一块漏泄波导放在一个接入点处。根据用户设备与接入点的相对位置,将会有一束相应色彩的光从波导泄漏出来。用户(设备)仅需向接入点发送一个反馈信号,比如“我看到的是黄色光”,这样接入点便可以确定用户的具体位置,并持续追踪它。

Yasaman补充道,“链路发现并非一次性功能;事实上,(太赫兹波的)传输方向需要随着用户的移动不断调整。我们的技术使得超快追踪成为现实,这是(网络)无缝连接的关键。”

该系统还在用户端安装了一个漏泄波导。在用户端,通过波导的狭缝接收到的频段可以被用来确定路由器与局部旋转的设备之间的相对位置——比如用户坐在转椅上使用笔记本电脑这种情况。

Mittleman称在太赫兹领域发现一种能够实现链路发现的新方法非常重要,因为现有的用于微波的链路发现协议无法简单复制到太赫兹信号上。即便是为快速发展的5G网络开发的较标准微波更具指向性的协议,也无法用于太赫兹频段。其原因在于,5G频段使用的波束宽度近乎是太赫兹网络的10倍。

Mittleman表示,“我觉得有的人可能会认为,同样具有方向性的5G已经解决了这个问题;然而5G的解决方案不具有拓展性。我们仍然需要一种全新的解决方案。这是在开始建立太赫兹网络前的基本协议之一。”

作者:Kevin Stacey

翻译:张宇哲

审校:董子晨曦

引进来源:布朗大学

引进链接:https://phys.org/news/2020-04-link-discovery-problem-terahertz-networks.html

 

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