6G: инженеры разблокируют следующее поколение беспроводных коммуникаций

Новый фильтр, который составляет размером с четверть, может революционизировать беспроводные коммуникации.Кредит: Трой Олссон, Синью дю

В начале 2010-х годов Lightsquared, многомиллиардный стартап, обещающий революционизировать сотовые связи, объявил банкротство.Компания не смогла выяснить, как предотвратить вмешательство своих сигналов с сигналами GPS.

Теперь инженеры Penn разработали новый инструмент, который мог бы предотвратить повторное повторение таких проблем: регулируемый фильтр, который может успешно предотвратить помехи, даже в более высоких полосах электромагнитного спектра.

«Я надеюсь, что это позволит следующему поколению беспроводных коммуникаций», - говорит Трой Олссон, доцент в области электротехники и системной инженерии (ESE) в Penn Engineering и старший автор статьи в природе, в котором описывается фильтр.

Сам электромагнитный спектр является одним из самых ценных ресурсов современного мира;Только крошечная доля спектра, в основном радиоволны, представляющие менее одного миллиарда от одного процента от общего спектра, подходит для беспроводной связи.

Полосы этой доли спектра тщательно контролируются Федеральной комиссией по связи (FCC), которая только недавно предоставила диапазон частот 3 (FR3) полоса, включая частоты от примерно 7 ГГц до 24 ГГц, для коммерческого использования.(Один герц эквивалентен единым колебаниям в электромагнитной волне, проходящей по точке каждую секунду; один Гигагерц, или ГГц, составляет миллиард таких колебаний в секунду.)

На сегодняшний день беспроводная связь в основном использовала низкочастотные полосы.«Прямо сейчас мы работаем от 600 МГц до 6 ГГц», - говорит Олссон.«Это 5G, 4G, 3G».

Беспроводные устройства используют разные фильтры для разных частот, с тем, что охватывание всех частот или полос требует большого количества фильтров, которые занимают существенное пространство.(Типичный смартфон включает в себя более 100 фильтров, чтобы гарантировать, что сигналы из разных полос не мешают друг другу.)

«Группа FR3, скорее всего, развернется для 6G или Next G»,-говорит Олссон, ссылаясь на следующее поколение сотовых сетей », а в настоящее время производительность технологий Small Filter и Low Loss в этих полосах очень высокоОграниченное.

Одним из осложнений, создаваемого с использованием более часточастотных полос, является то, что многие частоты уже были зарезервированы для спутников.«Starlink Elon Musk работает в этих группах», - отмечает Олссон.«Военные - они уже были выброшены из многих нижних групп. Они не собираются отказываться от радарных частот, которые находятся прямо в этих группах, или их спутниковые сообщения».

В результате лаборатория Олссона - в сотрудничестве с коллегами Марком Алленом, профессором Альфреда Фитлером Мур в ESE и FirOun Aflatouni, доцентом в ESE и их соответствующих группах - посвящены реформированию фильтра, чтобы инженеры могли использовать его для селективно селективноОтфильтруйте различные частоты, а не должны использовать отдельные фильтры.

«Быть настраиваемой будет очень важным, - продолжает Олссон, - потому что на этих более высоких частотах у вас не всегда есть выделенный блок спектра только для коммерческого использования».

Что делает фильтр регулируемым, так это уникальный материал «Железный гранат иттрия» (YIG), смесь иттрия, редкоземельный металл, а также железо и кислород.«Что особенного в YIG, так это то, что он распространяет магнитную спинную волну», - говорит Олссон, ссылаясь на тип волны, созданного магнитными материалами, когда электроны вращаются синхронизированным образом.

При воздействии магнитного поля магнитная спиновая волна, генерируемая YIG, меняет частоту.«Регулируя магнитное поле, - говорит Синью Ду, докторант в лаборатории Олссона и первого автора статьи, - фильтр YIG достигает непрерывной частотной настройки через чрезвычайно широкую частотную полосу».

В результате новый фильтр может быть настроен на любую частоту от 3,4 ГГц до 11,1 ГГц, что охватывает большую часть новой территории, которую FCC открыл в группе FR3.«Мы надеемся продемонстрировать, что одного адаптируемого фильтра достаточно для всех полос частот», - говорит Ду.

В дополнение к настраиваемому, новый фильтр также является крошечным - примерно такого же размера, что и четверть, в отличие от предыдущих поколений фильтров YIG, которые напоминали большие пачки индексных карт.

Одна из причин, по которой новый фильтр настолько маленький, и, следовательно, потенциально может быть вставлен в мобильные телефоны в будущем, заключается в том, что он требует очень мало мощности.«Мы впервые разработали конструкцию схемы с нулевой статической мощью, магнитной схемы»,-говорит DU, ссылаясь на тип схемы, которая создает магнитное поле, не требуя какой-либо энергии за пределами случайного импульса, чтобы перенаправить поле.

В то время как YIG был обнаружен в 1950 -х годах, а фильтры YIG существовали в течение десятилетий, комбинация новой схемы с чрезвычайно тонкими пленками YIG, микромамированными в Центре нанотехнологий, резко уменьшила потребление и размер мощности нового фильтра.«Наш фильтр в 10 раз меньше, чем текущие коммерческие фильтры YIG», - говорит Ду.

В июне Olsson и DU представит новый фильтр в Институте инженеров-инженеров и инженеров электроники (IEEE) 2024 года.

Больше информации: Xingyu du et al., Настройка частоты, настраиваемые магнитостатические волновые фильтры с схемой с нулевой статической мощностью магнитного смещения, природной связи (2024).Doi: 10.1038/s41467-024-47822-3