美國國家標準與技術研究所(NIST)的研究人員及其合作者展示了一種基于原子的傳感器，它可以確定入射無線電信號的方向——這是潛在原子通信系統的另一個關鍵部分。據悉，這種基于原子的傳感器，可以比傳統技術更小，在嘈雜的環境中工作得更好。

NIST的研究人員此前證明，同樣的基于原子的傳感器可以接收常用的通信信號。測量信號“到達角度”(angle of arrival)的能力有助于確保雷達和無線通信的準確性，它們需要從隨機或故意的干擾中甄別出真實的信息和圖像。

項目負責人克里斯·霍洛威(Chris Holloway)表示：“這項新工作，加上我們之前在基于原子的傳感器和接收器上的工作，讓我們離真正的基于原子的通信系統又近了一步，從而造福5G及其他領域。”

在NIST的實驗裝置中，兩種不同顏色的激光器在一個微小的玻璃燒瓶或電池中制備氣態銫原子，它們處于高能(“Rydberg”)狀態，這種狀態具有新穎的特性，如對電磁場極為敏感。電場信號的頻率，會影響原子吸收光的顏色。

一個基于原子的“混頻器”接收輸入信號，并將它們轉換成不同的頻率。一個信號作為參考信號，而另一個信號被轉換或“失諧”到較低的頻率。激光探測原子，以探測和測量兩種信號在頻率和相位上的差異。相位(Phase)是指電磁波在時間上彼此相對的位置。

混頻器測量失諧信號，在原子蒸汽電池內兩個不同位置的相位。根據這兩個位置的相位差，研究人員可以計算出信號的到達方向。

為了證明這個方法，NIST在不同到達角度下測量了一個19.18千兆赫的實驗信號在氣室內的兩個位置的相位差。研究人員將這些測量結果與仿真和理論模型進行了比較，以驗證新方法。Holloway稱，選定的傳輸頻率可以用于未來的無線通信系統。

這項工作是NIST在先進通信領域的研究的一部分，其中包括5G技術。5G是第五代寬帶蜂窩網絡標準，其中許多技術將比今天的技術速度快得多，攜帶的數據量也大得多。傳感器研究也是NIST芯片項目的一部分，該項目旨在將世界一流的測量科學技術從實驗室帶到任何地方和任何時間的用戶。合著者來自科羅拉多大學博爾德分校和位于博爾德的ANSYS公司。

一般來說，基于原子的傳感器有許多潛在的優點，特別是既高度精確又具有普遍性的測量方法。也就是說，由于原子是相同的，所以在任何地方都具有相同的測量方法。以原子為基礎的測量標準，包括長度標準和時間標準。

隨著進一步的發展，基于原子的無線電接收器可能會比傳統技術帶來很多好處。例如，不需要傳統的電子設備將信號轉換成不同的頻率來傳遞，因為原子會自動完成這項工作。天線和接收器的物理尺寸可以更小，達到微米級。此外，基于原子的系統可能不太容易受到某些類型的干擾和噪聲。因此，上述研究是非常有意義和參考價值的。