薄膜天线阵列使用氧化锌晶体管

普林斯顿大学的研究人员展示了高频天线阵列如何为无线通信提供新的灵活性

普林斯顿大学的研究人员已朝着开发一种天线阵列迈出了一步，该天线阵列可以覆盖飞机机翼状，用作将信号传输到医疗植入物的皮肤贴片，或者覆盖房间作为与物联网 (IoT) 器件通信的墙纸。

这项技术是氧化锌薄膜晶体管，它可以使新兴的 5G 和 6G 无线网络的许多用途成为可能。研究人员在 10 月 7 日发表在 《自然电子学》（Nature Electronics ）上的一篇论文中描述了它的发展。

这种方法克服了硅半导体的局限性，硅半导体只能制成几厘米宽，并且难以组装成与低功率器件增强通信所需的大型阵列。

“为了实现这些大尺寸，人们尝试了数百个小型芯片的离散集成。但这不切实际——它不低成本，不可靠，在无线系统级别上不可扩展，”高级研究作者、电气和计算机工程教授、普林斯顿凯勒工程教育创新中心主任 Naveen Verma 说。 .

Verma 说：“你想要的是一种可以原生扩展到这些大尺寸的技术。我们有一种类似的技术——它是我们用于显示器的技术”，例如计算机显示器和液晶显示器 (LCD) 电视。

研究人员使用氧化锌薄膜晶体管制作了一排1英尺长（30厘米）的相控阵天线。阵列中的每个天线从相邻天线发射具有指定时间延迟的信号，这些信号之间的建设性干扰和破坏性干扰叠加成聚焦的电磁波束，类似于池塘中水滴产生的涟漪之间的干扰。

单一天线向所有方向广播固定信号，“但相控阵可以将波束电扫描到不同的方向，因此您可以进行点对点无线通信，”主要研究作者、斯坦福大学博士后研究员 Can Wu 说。

相控阵天线已经在雷达系统、卫星和蜂窝网络等远程距离通信系统中使用了几十年，但普林斯顿团队开发的技术可以为相控阵带来新的灵活性，使其能够在不同于以前系统的无线电频率范围内工作。

“大面积电子产品是一种薄膜技术，因此我们可以在一个跨越数米的柔性基板上构建电路，并且我们可以将所有组件单片集成到具有一张纸形状的薄片中，”Wu说。

Wu 说，在这项研究中，该团队在玻璃基板上制造了晶体管和其他组件，但可以使用类似的工艺在柔性塑料上制造电路。

这种类型的天线系统几乎可以安装在任何地方。当在房间中像墙纸一样使用时，它可以与温度或运动传感器等物联网设备的分布式网络实现快速、安全和节能的通信。

拥有具有柔性表面的天线也有利于卫星，卫星以紧凑的形式发射并在到达轨道时展开，而大面积的天线有利于与飞机进行远程通信。

“对于飞机，由于距离太远，您会损失很多信号功率，您希望能够以高灵敏度进行通信。机翼是一个相当大的区域，所以如果你在机翼上有一个单点接收器，它不会有太大帮助，但是如果你可以将捕获信号的区域扩大一百或一千倍，您可以降低信号功率并提高收音机的灵敏度，”Verma 说。

参考资料

'A phased array based on large-area electronics that operates at gigahertz frequency' by Can Wu et al; Nature Electronics volume 4, pages 757-766 (2021)

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