http://phys.org/news/2014-11-lighter-cheaper-radio-device-telecommunications.html
November 10, 2014
最新一期的 Nature Physics 報導，德州大學 Austin 分校 Cockrell 工程學院的研究者在現代無線與蜂巢式電信中達成了一個里程碑：創造出更小、更有效率的無線電波環形器（circulator），能用於手機與其它無線裝置。
這種新的環形器在無線通訊中，使全雙工功能成為可能（代表裝置在同一時間內，能夠在相同頻帶上傳輸與接收信號），因而有潛力使有效頻寬（useful bandwidth）加倍。
關鍵創新在於，創造出不需要磁鐵的無線電波環形器。
自無線電技術於 60 年前問世以來，在相同頻道進行雙向通訊，原則上就是得要用磁基環形器（magnetic-based circulators），但因使用磁鐵與磁性材料的相關體積、重量與成本過於龐大，故它們並沒有被廣泛地採用。
這種新環形器因為不用依賴磁性效應，不但腳位（footprint）比較小，還能使用更便宜與更常見的材料。這些在成本與尺寸上的效益，能導致環形器被整合到手機與其他微電子系統內，最後使下載速度更快、漏接減少以及更清晰的通訊品質。
這個研究團隊由助理教授 Andrea Alu 所領導，已開發出一個原型環形器，大小只有 2 cm -- 比運作波長小了 75 倍。根據研究者表示，環形器可以更進一步縮小到只有幾微米。這項設計是基於廣泛用於 IC 產業的材料：金、銅與矽，使其更易被整合到現代通訊裝置的電路板上。
"我們改變了典範，在其中於相同頻道上的隔離（isolation）與雙向傳輸能被達成。我們已打造出一個環形器，那不需要磁鐵或磁性材料，" Alu 表示。
研究者的裝置是透過模仿「磁性材料破壞空間中二點間波傳輸的對稱性」而產生作用。此一關鍵功能允許磁性環形器選擇性地路由無線電波。透過新的環形器，研究者達成了相同功效，不過他們將磁鐵換成了繞著裝置旋轉的行進波（a traveling wave spinning around the device）。
另一種獨特功能是，這款新環形器能夠在廣泛的頻率範圍上進行即時（real time）調整，一種勝過傳統環形器的重要優勢。
"利用這項技術，我們能將可調、單向的（nonreciprocal）元件整合到行動平台內，" Nicholas Estep，領導研究者，以及電機與電腦工程系博士生。"這麼做，我們能為「在相同頻帶上的同時雙向通訊」鋪路，那能空出更多頻寬以供更有效率的運用。"
對電信公司（那付執照費用，以使用美國 FCC 所分配的頻率）而言，更有效率的使用有限的頻寬，意味顯著的成本優勢。
此外，因為環形器的設計可擴展且能與電路整合，所以它有可能被用在無線裝置中。
"我們展望微米尺寸的環形器被嵌入到手機技術中。當你考慮到高需求事件期間，例如在美式足球比賽，或在一場音樂會內，的手機流量時，我們的技術帶來了巨大的影響，包括漏接減少與更乾淨的通話品質，" Estep 說。
環形器也可能有益於其他目前使用磁性環形器的產業。例如，飛機、船隻與人造衛星所使用的相位陣列雷達系統，可能很笨重龐大，所以將這些系統的尺寸最小化，能帶來顯著的節省。
"我們也將這個典範帶往其他領域的科學與技術，" Alu 表示。"我們的研究團隊正在研究利用此技術來保護雷，並創造整合式奈米--光子迴路，那能夠將光訊號而非無線電波路由到偏好的方向。"
※ 相關報導：
＊ Magnetic-free non-reciprocity and isolation based on parametrically modulated coupled-resonator loops
http://www.dx.doi.org/10.1038/nphys3134
Nicholas A. Estep, Dimitrios L. Sounas, Jason Soric &＊ 光—物質交互作用可使不透明的材料變透明
Andrea Alù.
Nature Physics (2014)
doi: 10.1038/nphys3134
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