来到原子时代的传感器

　　国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员及其合作者展示了一种基于原子的传感器，这是未来原子通信系统的关键部分，它可以确定入射无线电信号的方向，与传统技术相比，这种系统体积更小，在噪声环境中工作性能更好。
　　NIST的研究人员此前证明，基于原子的传感器可以接收常用的通信信号，从随机或故意干扰信号中甄别出真实信息和图像，以此测量信号的＂到达角＂，有助于确保雷达和无线通信的准确性。
　　项目负责人Chris Holloway表示：＂这项新工作与我们先前在基于原子的传感器和接收器上的工作相结合，使得我们离真正的原子通信系统更近一步，造福5G及其他领域。＂
　　在NIST的实验装置中，两个不同颜色的激光器在一个小玻璃瓶或电池中制备出高能态（Rydberg）的气态铯原子，这些铯原子具有新特性，诸如对电磁场极端敏感等。电场信号的频率影响原子吸收的光的颜色。
　　基于原子的＂混频器＂接收输入信号并将其转换成不同的频率。一个信号作为基准，而另一个信号被转换或＂失谐＂到较低的频率。激光探测原子，以检测和测量两信号之间的频率和相位差。相位是指电磁波彼此在时间上的相对位置。
　　NIST的研究人员与合作者根据充满铯原子气体的传感器中两个位置的激光测量结果，确定了入射无线电信号的方向
　　混频器在原子气室的两个不同位置测量失谐信号的相位。研究人员可以根据这两个位置的相位差计算出信号的到达方向。
　　为验证该方法，NIST测量了19.18GHz实验信号在蒸汽电池内两个不同到达角的相位差。研究人员将这些测量结果与理论仿真模型进行了比较，以验证新方法的有效性。Holloway说，选定的传输频率可用于未来的无线通信系统中。
　　这项工作是NIST对先进通信（包括5G——宽带蜂窝网络的第五代标准）研究的一部分，许多先进通信技术将比现在的技术更快捷，传输数据也要多得多。这项传感器研究也是NIST芯片项目的一部分，该项目旨在随时随地将世界一流的测量科学技术从实验室带给用户。合作研究者来自科罗拉多大学博尔德分校和位于博尔德的ANSYS Inc.。
　　一般来说，基于原子的测量标准包括长度标准和时间标准，因为原子是相同的，所以整个测量标准是一致的。因此，除了其他许多优点外，基于原子的传感器在测量时还具有高精度和通用性。
　　随着进一步的发展，基于原子的无线电接收器可以带来更多的好处。例如，不需要传统的电子设备将信号转换成不同的频率进行传输，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，基于原子的系统也不太容易受到某些类型的干扰，如对噪声不太敏感。
　　Paper: A.K. Robinson, N. Prajapati, D. Senic, M.T. Simons and C.L. Holloway. Determining the Angle-of-Arrival of a Radio-Frequency Source with a Rydberg Atom-Based Sensor. Applied Physics Letters. Published online March 15, 2021. DOI: 10.1063/5.0045601
　　来源：NIST
　　翻译：中国测试新闻中心