اختراق ارتجاعي يعمل على تشغيل اتصالات إنترنت الأشياء ذات طاقة شبه معدومة بسرعة 5G في كل مكان

تشتهر أجهزة الراديو المرتدة - أجهزة الاستشعار السلبية التي تعكس الطاقة بدلاً من إشعاعها - بتكلفة منخفضة ، وتعقيد منخفض ، وتشغيل بدون بطارية ، مما يجعلها عامل تمكين رئيسي محتمل لهذا المستقبل على الرغم من أنها تتميز عادةً بمعدلات بيانات منخفضة وأداء قوي يعتمد على البيئة المحيطة.

الباحثون في معهد جورجيا تكنولوجيا، وNokia Bell Labs، وجامعة هيريوت وات، وجدت طريقة منخفضة التكلفة لأجهزة الراديو ذات التشتت الخلفي لدعم الاتصالات عالية الإنتاجية ونقل البيانات بسرعة 5 جيجابت/ثانية باستخدام محول واحد فقط الترانزستور عندما كان يتطلب في السابق ترانزستورات مكدسة ومتعددة باهظة الثمن.

باستخدام نهج تعديل فريد في النطاق الترددي 5G 24/28 جيجاهيرتز (GHz) ، أظهر الباحثون أن هذه الأجهزة السلبية يمكنها نقل البيانات بأمان وقوة من أي بيئة تقريبًا.

تقليديا ، تعتبر اتصالات mmWave ، التي تسمى النطاق عالي التردد للغاية ، "الميل الأخير" للنطاق العريض ، مع وصلات توجيهية لاسلكية من نقطة إلى نقطة ومن نقطة إلى عدة نقاط. يوفر نطاق الطيف هذا العديد من المزايا ، بما في ذلك عرض النطاق الترددي العريض المتوفر GHz ، والذي يتيح معدلات اتصال كبيرة جدًا ، والقدرة على تنفيذ صفيفات هوائيات كبيرة كهربيًا ، مما يتيح إمكانات تشكيل الحزمة عند الطلب. ومع ذلك ، تعتمد أنظمة mmWave هذه على مكونات وأنظمة عالية التكلفة.

النضال من أجل البساطة مقابل التكلفة

عادة ، كانت البساطة مقابل التكلفة. يمكنك إما القيام بأشياء بسيطة للغاية بواحد الترانزستور أو تحتاج إلى ترانزستورات متعددة للحصول على ميزات أكثر تعقيدًا ، مما جعل هذه الأنظمة باهظة الثمن الآن قمنا بتحسين التعقيد ، مما جعله قويًا للغاية ولكنه منخفض التكلفة للغاية ، لذلك نحصل على أفضل ما في العالمين.

يتمثل إنجازنا في القدرة على الاتصال عبر ترددات 5G/موجة ملليمترية (mmWave) دون الحاجة فعليًا إلى جهاز إرسال راديوي كامل mmWave - لا يلزم سوى ترانزستور mmWave واحد على طول إلكترونيات ذات تردد أقل بكثير، مثل تلك الموجودة في الهواتف المحمولة أو واي فاي الأجهزة. يعمل تردد التشغيل المنخفض على الحفاظ على استهلاك الطاقة للإلكترونيات وتكلفة السيليكون منخفضة. عملنا قابل للتطوير لأي نوع من التعديل الرقمي ويمكن تطبيقه على أي جهاز ثابت أو محمول.

الباحثون هم أول من استخدم راديو مبعثر عكسي للاتصالات بمعدل جيجابت-بيانات mmWave مع تقليل تعقيد الواجهة الأمامية إلى ترانزستور واحد عالي التردد. تضمن اختراقهم التعديل بالإضافة إلى إضافة المزيد من الذكاء إلى الإشارة التي تقود الجهاز.

لقد احتفظنا بنفس الواجهة الأمامية للترددات الراديوية لتوسيع معدل البيانات دون إضافة المزيد من الترانزستورات إلى المغير الخاص بنا ، مما يجعله وسيلة اتصال قابلة للتطوير ، مضيفًا أن العرض التوضيحي أظهر كيف يمكن لترانزستور بموجة واحدة أن يدعم مجموعة واسعة من تنسيقات التعديل.

تشغيل مجموعة من مستشعرات إنترنت الأشياء "الذكية"

تفتح هذه التقنية مجموعة من تطبيقات IoT 5G ، بما في ذلك حصاد الطاقة ، والتي أظهرها باحثو Georgia Tech مؤخرًا باستخدام عدسة روتمان المتخصصة التي تجمع الطاقة الكهرومغناطيسية 5G من جميع الاتجاهات.

قال Tentzeris إن التطبيقات الإضافية لتقنية التشتت العكسي يمكن أن تشمل شبكات المنطقة الشخصية "الوعرة" عالية السرعة مع أجهزة استشعار قابلة للارتداء / قابلة للزرع بدون طاقة لمراقبة مستويات الأكسجين أو الجلوكوز في الدم أو وظائف القلب / تخطيط كهربية الدماغ. أجهزة استشعار المنزل الذكي التي تراقب درجة الحرارة والمواد الكيميائية والغازات والرطوبة ؛ والتطبيقات الزراعية الذكية لاكتشاف الصقيع على المحاصيل ، أو تحليل مغذيات التربة ، أو حتى تتبع الثروة الحيوانية.

طور الباحثون إثباتًا مبكرًا لمفهوم تعديل التشتت الخلفي ، والذي فاز بالجائزة الثالثة في جائزة Nokia Bell Labs 2016. في ذلك الوقت ، كان Kimionis باحثًا للدكتوراه في Georgia Tech ECE يعمل مع Tentzeris في مختبر ATHENA ، والذي يعمل على تطوير تقنيات جديدة للتطبيقات الكهرومغناطيسية ، واللاسلكية ، والترددات اللاسلكية ، والموجات المليمترية ، وتيراهيرتز الفرعية.

عامل التمكين الرئيسي للتكلفة المنخفضة: التصنيع المضافة

بالنسبة إلى Kimionis ، يعكس الاختراق التكنولوجي المرتد هدفه المتمثل في "إضفاء الطابع الديمقراطي على الاتصالات".

"طوال مسيرتي المهنية ، بحثت عن طرق لجعل جميع أنواع الاتصالات أكثر كفاءة من حيث التكلفة وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. الآن ، نظرًا لأن الواجهة الأمامية الكاملة لحلنا تم إنشاؤه بمثل هذا التعقيد المنخفض ، فهو متوافق مع الإلكترونيات المطبوعة. يمكننا حرفياً طباعة صفيف هوائي mmWave يمكنه دعم جهاز إرسال منخفض الطاقة ومنخفض التعقيد ومنخفض التكلفة ".

تعتبر Tentzeris الطباعة ذات الأسعار المعقولة أمرًا ضروريًا لجعل سوق تقنية التشتت الخلفي الخاصة بها قابلة للتطبيق. Georgia Tech هي شركة رائدة في الطباعة النافثة للحبر على كل المواد تقريبًا (الورق والبلاستيك والزجاج والركائز المرنة / العضوية) وكانت واحدة من أولى معاهد البحث التي استخدمت الطباعة ثلاثية الأبعاد حتى نطاقات التردد المليمتر في عام 3.