На початку 2010-х LightSquared, багатомільярдний стартап, який обіцяв зробити революцію в стільниковому зв’язку, оголосив про банкрутство. Компанія не змогла зрозуміти, як запобігти перешкодам сигналів систем GPS. Тепер інженери Penn розробили новий інструмент, який міг би запобігти повторенню таких проблем: регульований фільтр, який може успішно запобігати перешкодам навіть у високочастотних діапазонах електромагнітного спектра.
«Я сподіваюся, що це забезпечить наступне покоління бездротового зв’язку», — каже Трой Олссон, доцент кафедри електротехніки та системної інженерії (ESE) Penn Engineering і старший автор нової статті в Nature Communications, яка описує фільтр.
Електромагнітний спектр сам по собі є одним із найцінніших ресурсів сучасного світу; лише незначна частина спектра, в основному радіохвилі, що становить менше однієї мільярдної відсотка від загального спектра, підходить для бездротового зв’язку.
Федеральні правила та використання спектра
Смуги цієї частини спектра ретельно контролюються Федеральною комісією зв’язку (FCC), яка лише нещодавно надала доступ до діапазону частот 3 (FR3), включаючи частоти приблизно від 7 ГГц до 24 ГГц, для комерційного використання. (Один герц еквівалентний одному коливанню електромагнітної хвилі, що проходить через точку щосекунди; один гігагерц, або ГГц, становить мільярд таких коливань за секунду.)
На сьогодні бездротовий зв’язок переважно використовує нижчі діапазони частот. «Зараз ми працюємо на частотах від 600 МГц до 6 ГГц», — каже Олссон. «Це 5G, 4G, 3G». У бездротових пристроях використовуються різні фільтри для різних частот, у результаті чого для покриття всіх частот або діапазонів потрібна велика кількість фільтрів, які займають значний простір. (Типовий смартфон містить понад 100 фільтрів, щоб сигнали з різних діапазонів не заважали один одному.)
«Діапазон FR3, швидше за все, буде розгорнутий для 6G або Next G, — говорить Олссон, маючи на увазі наступне покоління стільникових мереж, — і зараз продуктивність технологій малого фільтра та комутаторів із низькими втратами в цих діапазонах висока. обмежений. Наявність фільтра, який можна налаштовувати на цих діапазонах, означає, що вам не доведеться встановлювати ще понад 100 фільтрів у свій телефон із багатьма різними перемикачами. Фільтр, подібний тому, який ми створили, є найбільш життєздатним шляхом використання діапазону FR3».
Однією з ускладнень, пов’язаних із використанням діапазонів вищих частот, є те, що багато частот уже зарезервовано для супутників. «Starlink Ілона Маска працює в цих діапазонах», — зазначає Олссон. «Військові — їх уже витіснили з багатьох нижчих рядів. Вони не збираються відмовлятися від радіолокаційних частот, які знаходяться прямо в цих діапазонах, або від свого супутникового зв’язку».
У результаті лабораторія Олссона — у співпраці з колегами Марком Алленом, професором ESE Альфредом Фітлером Муром і Фірузом Афлатуні, доцентом ESE, а також їхніми відповідними групами — розробила фільтр регульованим, щоб інженери могли використовувати його для вибіркового фільтруйте різні частоти, а не використовуйте окремі фільтри. «Настроюваність буде дуже важливою, — продовжує Олссон, — тому що на цих високих частотах у вас не завжди може бути виділений блок спектру лише для комерційного використання».
Інноваційний матеріал і технологія регулювання
Що робить фільтр регульованим, так це унікальний матеріал, «ітрієвий залізний гранат» (YIG), суміш ітрію, рідкоземельного металу, разом із залізом і киснем. «Особливість YIG полягає в тому, що він поширює магнітну спінову хвилю», — каже Олссон, маючи на увазі тип хвилі, який створюється в магнітних матеріалах, коли електрони обертаються синхронно.
Під впливом магнітного поля магнітна спінова хвиля, що генерується YIG, змінює частоту. «Шляхом регулювання магнітного поля, — каже Xingyu Du, докторант лабораторії Олссона та перший автор статті, — фільтр YIG забезпечує безперервне налаштування частоти в надзвичайно широкому діапазоні частот».
У результаті новий фільтр можна налаштувати на будь-яку частоту від 3,4 ГГц до 11,1 ГГц, що охоплює більшу частину нової території, яку FCC відкрив у діапазоні FR3. «Ми сподіваємося продемонструвати, що одного адаптивного фільтра достатньо для всіх діапазонів частот», — каже Ду.
Крім того, що новий фільтр можна налаштовувати, він також крихітний — приблизно такого ж розміру, як чверть, на відміну від попередніх поколінь фільтрів YIG, які нагадували великі пакети індексних карток.
Однією з причин, чому новий фільтр такий малий, і тому його потенційно можна буде вставляти в мобільні телефони в майбутньому, є те, що він потребує дуже мало енергії. «Ми вперше розробили схему з нульовою статичною потужністю та магнітним зміщенням», — каже Ду, маючи на увазі тип схеми, яка створює магнітне поле, не потребуючи жодної енергії, окрім випадкових імпульсів, для перенастроювання поля.
Незважаючи на те, що YIG був відкритий у 1950-х роках, а фільтри YIG існують десятиліттями, поєднання нової схеми з надзвичайно тонкими плівками YIG, обробленими на мікромашині в Центрі нанотехнологій імені Сінгха, значно зменшило енергоспоживання та розмір нового фільтра. «Наш фільтр у 10 разів менший за поточні комерційні фільтри YIG», — каже Ду.