美国开发可确定入射无线电信号的方向的原子传感器

美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员及其合作者展示了一种基于原子的传感器，它可以确定入射无线电信号的方向——这是潜在原子通信系统的另一个关键部分。据悉，这种基于原子的传感器，可以比传统技术更小，在嘈杂的环境中工作得更好。

NIST的研究人员此前证明，同样的基于原子的传感器可以接收常用的通信信号。测量信号“到达角度”(angle of arrival)的能力有助于确保雷达和无线通信的准确性，它们需要从随机或故意的干扰中甄别出真实的信息和图像。

项目负责人克里斯·霍洛威(Chris Holloway)表示：“这项新工作，加上我们之前在基于原子的传感器和接收器上的工作，让我们离真正的基于原子的通信系统又近了一步，从而造福5G及其他领域。”

在NIST的实验装置中，两种不同颜色的激光器在一个微小的玻璃烧瓶或电池中制备气态铯原子，它们处于高能(“Rydberg”)状态，这种状态具有新颖的特性，如对电磁场极为敏感。电场信号的频率，会影响原子吸收光的颜色。

一个基于原子的“混频器”接收输入信号，并将它们转换成不同的频率。一个信号作为参考信号，而另一个信号被转换或“失谐”到较低的频率。激光探测原子，以探测和测量两种信号在频率和相位上的差异。相位(Phase)是指电磁波在时间上彼此相对的位置。

混频器测量失谐信号，在原子蒸汽电池内两个不同位置的相位。根据这两个位置的相位差，研究人员可以计算出信号的到达方向。

为了证明这个方法，NIST在不同到达角度下测量了一个19.18千兆赫的实验信号在气室内的两个位置的相位差。研究人员将这些测量结果与仿真和理论模型进行了比较，以验证新方法。Holloway称，选定的传输频率可以用于未来的无线通信系统。

这项工作是NIST在先进通信领域的研究的一部分，其中包括5G技术。5G是第五代宽带蜂窝网络标准，其中许多技术将比今天的技术速度快得多，携带的数据量也大得多。传感器研究也是NIST芯片项目的一部分，该项目旨在将世界一流的测量科学技术从实验室带到任何地方和任何时间的用户。合著者来自科罗拉多大学博尔德分校和位于博尔德的ANSYS公司。

一般来说，基于原子的传感器有许多潜在的优点，特别是既高度精确又具有普遍性的测量方法。也就是说，由于原子是相同的，所以在任何地方都具有相同的测量方法。以原子为基础的测量标准，包括长度标准和时间标准。

随着进一步的发展，基于原子的无线电接收器可能会比传统技术带来很多好处。例如，不需要传统的电子设备将信号转换成不同的频率来传递，因为原子会自动完成这项工作。天线和接收器的物理尺寸可以更小，达到微米级。此外，基于原子的系统可能不太容易受到某些类型的干扰和噪声。因此，上述研究是非常有意义和参考价值的。