美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的研究人員及其合作者展示了一種基于原子的傳感器，它可以確定入射無線電信號(hào)的方向——這是潛在原子通信系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵部分。據(jù)悉，這種基于原子的傳感器，可以比傳統(tǒng)技術(shù)更小，在嘈雜的環(huán)境中工作得更好。

NIST的研究人員此前證明，同樣的基于原子的傳感器可以接收常用的通信信號(hào)。測(cè)量信號(hào)“到達(dá)角度”(angle of arrival)的能力有助于確保雷達(dá)和無線通信的準(zhǔn)確性，它們需要從隨機(jī)或故意的干擾中甄別出真實(shí)的信息和圖像。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人克里斯·霍洛威(Chris Holloway)表示：“這項(xiàng)新工作，加上我們之前在基于原子的傳感器和接收器上的工作，讓我們離真正的基于原子的通信系統(tǒng)又近了一步，從而造福5G及其他領(lǐng)域。”

在NIST的實(shí)驗(yàn)裝置中，兩種不同顏色的激光器在一個(gè)微小的玻璃燒瓶或電池中制備氣態(tài)銫原子，它們處于高能(“Rydberg”)狀態(tài)，這種狀態(tài)具有新穎的特性，如對(duì)電磁場(chǎng)極為敏感。電場(chǎng)信號(hào)的頻率，會(huì)影響原子吸收光的顏色。

一個(gè)基于原子的“混頻器”接收輸入信號(hào)，并將它們轉(zhuǎn)換成不同的頻率。一個(gè)信號(hào)作為參考信號(hào)，而另一個(gè)信號(hào)被轉(zhuǎn)換或“失諧”到較低的頻率。激光探測(cè)原子，以探測(cè)和測(cè)量?jī)煞N信號(hào)在頻率和相位上的差異。相位(Phase)是指電磁波在時(shí)間上彼此相對(duì)的位置。

混頻器測(cè)量失諧信號(hào)，在原子蒸汽電池內(nèi)兩個(gè)不同位置的相位。根據(jù)這兩個(gè)位置的相位差，研究人員可以計(jì)算出信號(hào)的到達(dá)方向。

為了證明這個(gè)方法，NIST在不同到達(dá)角度下測(cè)量了一個(gè)19.18千兆赫的實(shí)驗(yàn)信號(hào)在氣室內(nèi)的兩個(gè)位置的相位差。研究人員將這些測(cè)量結(jié)果與仿真和理論模型進(jìn)行了比較，以驗(yàn)證新方法。Holloway稱，選定的傳輸頻率可以用于未來的無線通信系統(tǒng)。

這項(xiàng)工作是NIST在先進(jìn)通信領(lǐng)域的研究的一部分，其中包括5G技術(shù)。5G是第五代寬帶蜂窩網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其中許多技術(shù)將比今天的技術(shù)速度快得多，攜帶的數(shù)據(jù)量也大得多。傳感器研究也是NIST芯片項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目旨在將世界一流的測(cè)量科學(xué)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室?guī)У饺魏蔚胤胶腿魏螘r(shí)間的用戶。合著者來自科羅拉多大學(xué)博爾德分校和位于博爾德的ANSYS公司。

一般來說，基于原子的傳感器有許多潛在的優(yōu)點(diǎn)，特別是既高度精確又具有普遍性的測(cè)量方法。也就是說，由于原子是相同的，所以在任何地方都具有相同的測(cè)量方法。以原子為基礎(chǔ)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，包括長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

隨著進(jìn)一步的發(fā)展，基于原子的無線電接收器可能會(huì)比傳統(tǒng)技術(shù)帶來很多好處。例如，不需要傳統(tǒng)的電子設(shè)備將信號(hào)轉(zhuǎn)換成不同的頻率來傳遞，因?yàn)樵訒?huì)自動(dòng)完成這項(xiàng)工作。天線和接收器的物理尺寸可以更小，達(dá)到微米級(jí)。此外，基于原子的系統(tǒng)可能不太容易受到某些類型的干擾和噪聲。因此，上述研究是非常有意義和參考價(jià)值的。