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物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及讓日常硬件和新設(shè)備也變成了話匣子，但它也帶來(lái)了一個(gè)缺點(diǎn)：共享無(wú)線電波的設(shè)備越多，它們之間的通信就越困難。到 2030 年，預(yù)計(jì)將有近 300 億臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用不同的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)共享相同的頻段，可能會(huì)相互干擾。為了克服這個(gè)問(wèn)題，日本的研究人員表示他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法來(lái)縮小干擾信號(hào)濾除設(shè)備的尺寸。該技術(shù)無(wú)需使用多個(gè)單獨(dú)的濾波器，而是將它們組合到單個(gè)芯片上。

為了使智能手機(jī)能夠適應(yīng)不同的通信標(biāo)準(zhǔn)和在不同的國(guó)家/地區(qū)使用，它們需要數(shù)十個(gè)濾波器來(lái)屏蔽干擾信號(hào)。但這些濾波器價(jià)格昂貴，而且會(huì)占用手機(jī)中較大的空間。隨著電磁頻譜越來(lái)越擁擠，工程師必須在手機(jī)和其他設(shè)備中塞入更多濾波器，這意味著需要進(jìn)一步縮小體積。日本電信公司 NTT 和岡山大學(xué)的研究人員表示，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種技術(shù)，可以將所有這些濾波器縮小到一個(gè)設(shè)備中，他們將其描述為超聲波電路，它可以引導(dǎo)信號(hào)而不會(huì)無(wú)意中散射它們。

超聲波電路包含與智能手機(jī)中使用的表面聲波 (SAW) 濾波器類(lèi)似的濾波器。SAW 濾波器將電子射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為基板表面上的機(jī)械波，然后再轉(zhuǎn)換回來(lái)，在此過(guò)程中濾除特定頻率。由于機(jī)械波比產(chǎn)生它的射頻波短數(shù)千倍，因此 SAW 濾波器可以很緊湊。

NTT 納米力學(xué)研究組高級(jí)研究員 Daiki Hatanaka 表示：“在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)社會(huì)中，通信帶寬和方法將會(huì)增加，因此智能手機(jī)中將需要數(shù)百個(gè)超聲波濾波器，但我們無(wú)法為它們分配很大的空間，”因?yàn)殡姵亍@示器、處理器和其他組件也需要空間?！拔覀兊募夹g(shù)使我們能夠?qū)⒊暡ㄏ拗圃谖⒚准?jí)的非常狹窄的通道中，然后根據(jù)需要引導(dǎo)信號(hào)?；谶@種超聲波電路，我們可以在一個(gè)芯片上集成許多濾波器?！?/p>

引導(dǎo)超聲波沿著改變方向的路徑傳播會(huì)引起反向散射，從而降低信號(hào)質(zhì)量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Hatanaka 和同事利用了岡山大學(xué)對(duì)聲學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究。拓?fù)鋵W(xué)是一門(mén)數(shù)學(xué)，研究如何將不同的形狀視為等價(jià)的，前提是它們滿足某些條件——經(jīng)典的例子是甜甜圈和咖啡杯是等價(jià)的，因?yàn)樗鼈兏髯灾挥幸粋€(gè)孔。但正如2016 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)所強(qiáng)調(diào)的那樣，它也用于探索包括超導(dǎo)在內(nèi)的奇異物質(zhì)狀態(tài)。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，日本的研究人員設(shè)計(jì)了一種由具有三重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的周期性孔陣列組成的波導(dǎo)。當(dāng)兩個(gè)孔陣列彼此旋轉(zhuǎn) 10 度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種稱為谷偽自旋（ valley pseudospin arises）的拓?fù)涮匦?。在這個(gè)邊緣，微小的超聲波渦旋以相反的方向“偽自旋”，產(chǎn)生一種獨(dú)特的超聲波，稱為谷偽自旋相關(guān)傳輸。據(jù) NTT 稱，即使波導(dǎo)中有一個(gè)急彎，這也只會(huì)在一個(gè)方向上傳播 0.5 GHz 信號(hào)。因此信號(hào)不會(huì)受到反向散射。

“超聲波谷態(tài)的極化方向自動(dòng)迫使它只向一個(gè)方向傳播，并且禁止背向散射，”Hatanaka 說(shuō)?！?/p>

NTT 表示，這種千兆赫拓?fù)潆娐肥峭?lèi)產(chǎn)品中的首例。研究團(tuán)隊(duì)目前正試圖制造一個(gè)波導(dǎo)，在單個(gè)芯片上連接 5 到 10 個(gè)濾波器。最初的芯片大約有 1 平方厘米，但研究人員希望將其縮小到幾百平方微米。在研究的第二階段，他們將嘗試動(dòng)態(tài)控制超聲波、放大信號(hào)、轉(zhuǎn)換其頻率，并將這些功能集成到一個(gè)系統(tǒng)中。

隨著研究的深入，該公司將在未來(lái)兩年內(nèi)考慮商業(yè)化計(jì)劃。Hatanaka 表示，如果這項(xiàng)研究成為商業(yè)產(chǎn)品，將對(duì)未來(lái)的智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。他估計(jì)，未來(lái)的高端智能手機(jī)可能會(huì)配備多達(dá) 20 個(gè)超聲波電路。

他說(shuō)：“我們可以利用節(jié)省的空間來(lái)提供更好的用戶體驗(yàn)，因此通過(guò)使用超聲波濾波器或其他模擬信號(hào)元件，我們可以改善顯示器、電池或其他對(duì)用戶體驗(yàn)很重要的組件?！?/p>