Новий радіофільтр, що перестроюється, охоплює діапазон до 11,1 ГГц

За повідомленням університету Penn Engineering, її розробники створили регульований фільтр, який може успішно запобігати перешкодам навіть у високочастотних діапазонах електромагнітного спектра.

«Я сподіваюся, що він дасть змогу створити наступне покоління бездротових комунікацій», - каже Трой Олссон (Troy Olsson), доцент кафедри електротехніки та системної інженерії (ESE) в Penn Engineering і старший автор статті в Nature Communications, в якій описується фільтр.

Електромагнітний спектр - один із найцінніших ресурсів сучасного світу. Для бездротового зв'язку підходить лише крихітна частина спектра, здебільшого радіохвилі, що становлять менше однієї мільярдної частки одного відсотка від загального спектра. Смуги цієї частини спектра ретельно контролюються Федеральною комісією зі зв'язку США (FCC), яка лише нещодавно надала для комерційного використання діапазон частот 3 (FR3), що включає частоти від 7 ГГц до 24 ГГц.

Досі бездротовий зв'язок використовував переважно більш низькочастотні діапазони. «Зараз ми працюємо в діапазоні від 600 МГц до 6 ГГц», - каже Олссон. «Це 5G, 4G, 3G».

Бездротові пристрої використовують різні фільтри для різних частот, внаслідок чого для охоплення всіх частот або діапазонів потрібна велика кількість фільтрів, що займають значний простір.

«Діапазон FR3, найімовірніше, буде використовуватися для 6G або Next G, - каже Олссон, маючи на увазі наступне покоління стільникових мереж, - а наразі продуктивність технологій малих фільтрів і комутаторів з низькими втратами в цих діапазонах сильно обмежена. Наявність фільтра, який можна було б налаштовувати в цих діапазонах, означає, що вам не доведеться встановлювати в телефон ще 100 з гаком фільтрів з безліччю різних комутаторів. Фільтр, подібний до того, який ми створили, - це найбільш життєздатний шлях до використання діапазону FR3».

Одна зі складнощів, пов'язаних із використанням більш високочастотних діапазонів, полягає в тому, що багато частот уже зарезервовано для супутників. «Starlink працює в цих діапазонах», - зазначає Олссон. «Військові, хоча й витіснені вже з багатьох нижніх діапазонів, не збираються відмовлятися від радарних частот, що знаходяться прямо в цих діапазонах, або від супутникового зв'язку».

У результаті лабораторія Олссона у співпраці з колегами Марком Алленом (Mark Allen), професором ESE Альфредом Фітлером Муром (Alfred Fitler Moore) і Фірузом Афлатуні (Firooz Aflatouni), доцентом ESE, та їхніми відповідними групами розробила фільтр, який можна настроювати, аби інженери могли використовувати його для вибіркової фільтрації різних частот, а не використовувати окремі фільтри.

«Настроюваність буде дуже важливою, тому що на таких високих частотах не завжди є виділений блок спектра, призначений тільки для комерційного використання», - продовжує Олссон.

Фільтром, що налаштовується, є унікальний матеріал, «ітрій-залізний гранат» (YIG), що є сумішшю ітрію, рідкісноземельного металу, а також заліза і кисню. «Особливість YIG у тому, що він поширює магнітну спінову хвилю», - каже Олссон, маючи на увазі тип хвилі, створюваної в магнітних матеріалах, коли електрони обертаються синхронно.

При впливі магнітного поля магнітна спінова хвиля, що генерується YIG, змінює частоту. «Регулюючи магнітне поле, - каже Сіньюй Ду (Xingyu Du), докторант з лабораторії Олссона і перший автор статті, - фільтр YIG досягає безперервної перебудови частоти в надзвичайно широкому діапазоні частот».

У результаті новий фільтр може бути налаштований на будь-яку частоту в діапазоні від 3,4 ГГц до 11,1 ГГц, що охоплює більшу частину нової території, яку FCC відкрила в діапазоні FR3. «Ми сподіваємося продемонструвати, що одного фільтра, що адаптується, достатньо для всіх частотних діапазонів», - каже Ду.

Крім того, що новий фільтр можна налаштовувати, він ще й крихітний - розміром приблизно з монету, на відміну від попередніх поколінь фільтрів YIG, які нагадували великі пачки індексних карт. Одна з причин, через яку новий фільтр такий малий і тому в майбутньому може бути вставлений у мобільні телефони, полягає в тому, що він споживає дуже мало енергії. «Ми стали першопрохідцями в розробці схеми з нульовим статичним живленням і магнітним балансом», - каже Ду, маючи на увазі тип схеми, що створює магнітне поле, не потребуючи жодної енергії, крім періодичного імпульсу для переналаштування поля.

Хоча YIG було відкрито в 1950-х роках, і фільтри на основі YIG існують уже кілька десятиліть, поєднання нової схеми з дуже тонкими плівками YIG, виготовленими за допомогою мікромашин у Центрі нанотехнологій Сінгха, значно зменшило енергоспоживання та розміри нового фільтра. «Наш фільтр у 10 разів менший, ніж наявні комерційні YIG-фільтри», - каже Ду.

Повідомляється, що в червні 2024 р. Олссон і Ду представлять новий фільтр на Міжнародному мікрохвильовому симпозіумі Товариства теорії і техніки мікрохвиль (MTT-S) Інституту інженерів з електротехніки та електроніки (IEEE), який відбудеться у Вашингтоні.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI