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物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及讓日常硬件和新設備也變成了話(huà)匣子，但它也帶來(lái)了一個(gè)缺點(diǎn)：共享無(wú)線(xiàn)電波的設備越多，它們之間的通信就越困難。到 2030 年，預計將有近 300 億臺聯(lián)網(wǎng)設備使用不同的無(wú)線(xiàn)標準，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)縮小干擾信號濾除設備的尺寸。該技術(shù)無(wú)需使用多個(gè)單獨的濾波器，而是將它們組合到單個(gè)芯片上。

為了使智能手機能夠適應不同的通信標準和在不同的國家/地區使用，它們需要數十個(gè)濾波器來(lái)屏蔽干擾信號。但這些濾波器價(jià)格昂貴，而且會(huì )占用手機中較大的空間。隨著(zhù)電磁頻譜越來(lái)越擁擠，工程師必須在手機和其他設備中塞入更多濾波器，這意味著(zhù)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)設備中，他們將其描述為超聲波電路，它可以引導信號而不會(huì )無(wú)意中散射它們。

超聲波電路包含與智能手機中使用的表面聲波 (SAW) 濾波器類(lèi)似的濾波器。SAW 濾波器將電子射頻信號轉換為基板表面上的機械波，然后再轉換回來(lái)，在此過(guò)程中濾除特定頻率。由于機械波比產(chǎn)生它的射頻波短數千倍，因此 SAW 濾波器可以很緊湊。

NTT 納米力學(xué)研究組高級研究員 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，因此智能手機中將需要數百個(gè)超聲波濾波器，但我們無(wú)法為它們分配很大的空間，”因為電池、顯示器、處理器和其他組件也需要空間?！拔覀兊募夹g(shù)使我們能夠將超聲波限制在微米級的非常狹窄的通道中，然后根據需要引導信號?；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>

引導超聲波沿著(zhù)改變方向的路徑傳播會(huì )引起反向散射，從而降低信號質(zhì)量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Hatanaka 和同事利用了岡山大學(xué)對聲學(xué)拓撲結構的研究。拓撲學(xué)是一門(mén)數學(xué)，研究如何將不同的形狀視為等價(jià)的，前提是它們滿(mǎn)足某些條件——經(jīng)典的例子是甜甜圈和咖啡杯是等價(jià)的，因為它們各自只有一個(gè)孔。但正如2016 年諾貝爾物理學(xué)獎所強調的那樣，它也用于探索包括超導在內的奇異物質(zhì)狀態(tài)。

在他們的實(shí)驗中，日本的研究人員設計了一種由具有三重旋轉對稱(chēng)性的周期性孔陣列組成的波導。當兩個(gè)孔陣列彼此旋轉 10 度時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一種稱(chēng)為谷偽自旋（ valley pseudospin arises）的拓撲特性。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)生一種獨特的超聲波，稱(chēng)為谷偽自旋相關(guān)傳輸。據 NTT 稱(chēng)，即使波導中有一個(gè)急彎，這也只會(huì )在一個(gè)方向上傳播 0.5 GHz 信號。因此信號不會(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，這種千兆赫拓撲電路是同類(lèi)產(chǎn)品中的首例。研究團隊目前正試圖制造一個(gè)波導，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、轉換其頻率，并將這些功能集成到一個(gè)系統中。

隨著(zhù)研究的深入，該公司將在未來(lái)兩年內考慮商業(yè)化計劃。Hatanaka 表示，如果這項研究成為商業(yè)產(chǎn)品，將對未來(lái)的智能手機和物聯(lián)網(wǎng)系統產(chǎn)生重大影響。他估計，未來(lái)的高端智能手機可能會(huì )配備多達 20 個(gè)超聲波電路。

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