Inżynierowie z Pensylwanii torują drogę komunikacji bezprzewodowej 6G

Na początku 2010 r. ŚwiatłokwadratoweWielomiliardowy startup, który obiecał zrewolucjonizować komunikację komórkową, ogłosił upadłość. Firma nie była w stanie wymyślić, jak zapobiec zakłócaniu sygnałów globalnego systemu pozycjonowania (GPS).

Teraz inżynierowie Penna opracowali nowe narzędzie, które może zapobiec ponownemu występowaniu takich problemów: regulowany filtr, który skutecznie blokuje zakłócenia nawet w wysokich pasmach widma elektromagnetycznego.

„Mam nadzieję, że umożliwi to komunikację bezprzewodową nowej generacji” – mówi. Troya Olsonaprofesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej i systemów (ESE) w Szkole Inżynierskiej Uniwersytetu Pensylwanii i główny autor książki A. Nowy artykuł w Nature Communications Który opisuje filtr.

Samo widmo elektromagnetyczne jest jednym z najdroższych zasobów współczesnego świata; Tylko niewielka część widma, głównie fale radiowe, stanowiąca mniej niż jedną miliardową jednego procenta całkowitego widma, nadaje się do komunikacji bezprzewodowej.

Pasma tej części widma są szczegółowo kontrolowane przez Federalną Komisję Łączności (FCC), która niedawno udostępniła do użytku komercyjnego pasmo częstotliwości 3 (FR3), obejmujące częstotliwości od około 7 GHz do 24 GHz. (Jeden herc odpowiada jednemu drganiu fali elektromagnetycznej, która przechodzi przez jeden punkt co sekundę; jeden gigaherc, czyli gigaherc, odpowiada miliardowi takich oscylacji na sekundę.)

Do tej pory w komunikacji bezprzewodowej wykorzystywano głównie pasma niskich częstotliwości. „Obecnie pracujemy w zakresie od 600 MHz do 6 GHz” – mówi Olson. „To są 5G, 4G, 3G.” Urządzenia bezprzewodowe wykorzystują różne filtry dla różnych częstotliwości, w związku z czym pokrycie wszystkich częstotliwości lub pasm wymaga dużej liczby filtrów, które zajmują dużo miejsca. (Typowy smartfon posiada aż 100 filtrów, dzięki którym sygnały z różnych pasm nie będą się wzajemnie zakłócać.)

„Pasmo FR3 zostanie prawdopodobnie wprowadzone dla sieci 6G lub Next G, a obecnie wydajność technologii małych filtrów i przełączników niskostratnych w tych pasmach jest bardzo wysoka” – mówi Olson, odnosząc się do sieci komórkowych nowej generacji. Posiadanie filtra, który można regulować w tych zakresach, oznacza, że ​​nie musisz instalować w telefonie ponad 100 innych filtrów za pomocą wielu różnych przełączników.

Jedną z komplikacji wynikających z wykorzystania pasm wysokich częstotliwości jest to, że wiele częstotliwości jest już zarezerwowanych dla satelitów. „Starlink Elona Muska sprawdza się w tych zespołach” – podkreśla Olson. „Wojsko zostało już wyrzucone z wielu niższych pasm. Nie zrezygnuje z istniejących częstotliwości radarowych w tych pasmach ani łączności satelitarnej”.

W rezultacie laboratorium Olsona współpracowało z kolegami Marka AllenaAlfred Fittler Moore profesor w ESE i Fayrouz Platoński, profesor nadzwyczajny w ESE i ich grupy – zaprojektowali filtr z możliwością regulacji, dzięki czemu inżynierowie mogą go używać do selektywnego filtrowania różnych częstotliwości, zamiast konieczności stosowania oddzielnych filtrów. „Zdyscyplinowanie będzie naprawdę ważne” – kontynuuje Olson – „ponieważ przy tak wysokich częstotliwościach nie zawsze jest dostępny wydzielony blok widma przeznaczony wyłącznie do użytku komercyjnego”.

Tym, co umożliwia regulację filtra, jest unikalny materiał, „granat itrowo-żelazowy” (YIG), który jest mieszaniną itru, metalu ziem rzadkich, wraz z żelazem i tlenem. „Wyjątkowość YIG polega na tym, że propaguje on magnetyczną falę spinową” – mówi Olson, odnosząc się do rodzaju fali, która powstaje w materiałach magnetycznych, gdy elektrony wirują w sposób zsynchronizowany.

Pod wpływem pola magnetycznego magnetyczna fala wirowa generowana przez YIG zmienia swoją częstotliwość. „Poprzez regulację pola magnetycznego” – mówi. Xingyu Dudoktorant w laboratorium Olsona i pierwszy autor artykułu: „Filtr YIG umożliwia ciągłe dostrajanie częstotliwości w niezwykle szerokim zakresie częstotliwości”.

W rezultacie nowy filtr można dostroić do dowolnej częstotliwości w zakresie od 3,4 GHz do 11,1 GHz, co obejmuje większość nowego obszaru udostępnionego przez FCC w paśmie FR3. „Mamy nadzieję wykazać, że pojedynczy filtr adaptacyjny jest wystarczający dla wszystkich pasm częstotliwości” – mówi Du.

Oprócz możliwości regulacji, nowy filtr jest również mały – mniej więcej tego samego rozmiaru co ćwiartka, w przeciwieństwie do poprzednich generacji filtrów YIG, które przypominają duże paczki kart katalogowych.

Jednym z powodów, dla których nowy filtr jest tak mały i dlatego można go w przyszłości wprowadzić do telefonów komórkowych, jest to, że wymaga bardzo małej mocy. „Byliśmy pionierami w projektowaniu obciążonego magnetycznie obwodu mocy o stałym zera” – mówi Du, odnosząc się do typu obwodu, który wytwarza pole magnetyczne bez konieczności stosowania jakiejkolwiek energii poza okazjonalnym impulsem do resetowania pola.

Chociaż YIG odkryto w latach pięćdziesiątych XX wieku, a filtry YIG istnieją już od dziesięcioleci, połączenie nowego obwodu i ultracienkich folii YIG wyprodukowanych w Centrum Nanotechnologii Singh radykalnie zmniejszyło zużycie energii i rozmiar nowego filtra. „Nasz filtr jest 10 razy mniejszy niż obecne komercyjne filtry YIG” – mówi Du.

W czerwcu Olson i Du zaprezentują nowy filtr podczas spotkania Towarzystwa Teorii i Technologii Mikrofal w Instytucie Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) 2024 (MTT-S). Międzynarodowe Sympozjum Mikrofalowew Waszyngtonie

Badanie to przeprowadzono w Szkole Inżynierii i Nauk Stosowanych Uniwersytetu Pensylwanii. był finansowany z grantu Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych w dziedzinie Obrony (FA8650-21-1-7010) i korzystał z zasobów sponsorowanych przez Narodowy Skoordynowany Program Nanotechnologii Narodowej Fundacji Naukowej (NNCI-1542153).

Inni współautorzy to Mohammad Hossein Edjadi, Yiqiao Ding, Tao Zhang, Alexander J. Geers, Xun Yao i Jun Beom-pyo z Penn Engineering.