24 مه 2024 -توسط یان شفلر، دانشگاه پنسیلوانیا-فیلتر جدید که تقریباً به اندازه یک چهارم است، می تواند ارتباطات بی سیم را متحول کند. اعتبار: Troy Olsson، Xingyu Du
در اوایل دهه 2010، LightSquared، یک استارت آپ چند میلیارد دلاری که نوید انقلابی در ارتباطات سلولی را می داد، اعلام ورشکستگی کرد. این شرکت نتوانست بفهمد چگونه از تداخل سیگنال های خود با سیگنال های سیستم های GPS جلوگیری کند.
اکنون، مهندسان پن ابزار جدیدی ساخته اند که می تواند از تکرار چنین مشکلاتی جلوگیری کند: فیلتر قابل تنظیمی که می تواند با موفقیت از تداخل حتی در باندهای فرکانس بالاتر طیف الکترومغناطیسی جلوگیری کند.
Troy Olsson، دانشیار مهندسی برق و سیستم (ESE) در Penn Engineering و نویسنده ارشد مقاله‌ای در Nature Communications که فیلتر را توصیف می‌کند، می‌گوید: “امیدوارم که نسل بعدی ارتباطات بی‌سیم را فعال کند.”
طیف الکترومغناطیسی خود یکی از گرانبهاترین منابع دنیای مدرن است. تنها بخش کوچکی از طیف، عمدتاً امواج رادیویی، که کمتر از یک میلیاردم یک درصد طیف کلی را نشان می دهد، برای ارتباطات بی سیم مناسب است.
باندهای آن بخش از طیف به دقت توسط کمیسیون ارتباطات فدرال (FCC) کنترل می شود، که اخیراً باند فرکانس 3 (FR3) را شامل فرکانس هایی از حدود 7 گیگاهرتز تا 24 گیگاهرتز برای استفاده تجاری در دسترس قرار داده است. (یک هرتز معادل یک نوسان در یک موج الکترومغناطیسی است که در هر ثانیه از یک نقطه عبور می کند؛ یک گیگاهرتز یا گیگاهرتز یک میلیارد نوسان در ثانیه است.)
تا به امروز، ارتباطات بی سیم بیشتر از باندهای فرکانس پایین تر استفاده می کردند. اولسون می گوید: «در حال حاضر ما از 600 مگاهرتز تا 6 گیگاهرتز کار می کنیم. “این 5G، 4G، 3G است.”
دستگاه‌های بی‌سیم از فیلترهای مختلفی برای فرکانس‌های مختلف استفاده می‌کنند، به این معنا که پوشش همه فرکانس‌ها یا باندها به تعداد زیادی فیلتر نیاز دارد که فضای قابل‌توجهی را اشغال می‌کنند. (گوشی های معمولی دارای بیش از 100 فیلتر هستند تا اطمینان حاصل شود که سیگنال های باندهای مختلف با یکدیگر تداخل ندارند.)
اولسون با اشاره به نسل بعدی شبکه های سلولی می گوید: «باند FR3 به احتمال زیاد برای 6G یا Next G عرضه می شود، و در حال حاضر عملکرد فناوری های فیلتر کوچک و سوئیچ کم تلفات در آن باندها بسیار بالا است. محدود بودن فیلتری که بتواند در آن باندها تنظیم شود به این معنی است که مجبور نیستید بیش از 100 فیلتر دیگر را با سوئیچ های مختلف وارد کنید.
یکی از عوارض استفاده از باندهای فرکانس بالاتر این است که بسیاری از فرکانس ها قبلاً برای ماهواره ها رزرو شده اند. اولسون خاطرنشان می کند: «استارلینک ایلان ماسک در آن گروه ها کار می کند. ارتش – آنها قبلاً از بسیاری از باندهای پایین تر شلوغ شده اند. آنها از فرکانس های راداری که دقیقاً در آن باندها قرار دارند یا ارتباطات ماهواره ای خود را رها نمی کنند.
در نتیجه، آزمایشگاه اولسون – با همکاری همکارانش مارک آلن، آلفرد فیتلر مور پروفسور در ESE، و فیروز افلاطونی، دانشیار در ESE و گروه های مربوطه آنها – فیلتر را به گونه ای طراحی کردند که قابل تنظیم باشد، به طوری که مهندسان بتوانند به صورت انتخابی از آن استفاده کنند. به جای استفاده از فیلترهای جداگانه، فرکانس های مختلف را فیلتر کنید.
اولسون ادامه می‌دهد: «تنظیم‌پذیر بودن واقعاً مهم خواهد بود، زیرا در این فرکانس‌های بالاتر ممکن است همیشه یک بلوک اختصاصی از طیف فقط برای استفاده تجاری نداشته باشید.»
چیزی که فیلتر را قابل تنظیم می کند یک ماده منحصر به فرد، “گارنت آهن ایتریوم” (YIG)، ترکیبی از ایتریوم، فلز خاکی کمیاب، همراه با آهن و اکسیژن است. اولسون با اشاره به نوع موج ایجاد شده در مواد مغناطیسی هنگام چرخش الکترون ها به صورت هماهنگ می گوید: «ویژگی YIG این است که موج اسپین مغناطیسی را منتشر می کند.
هنگامی که در معرض میدان مغناطیسی قرار می گیرد، موج اسپین مغناطیسی تولید شده توسط YIG فرکانس را تغییر می دهد. Xingyu Du، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه اولسون و اولین نویسنده مقاله، می‌گوید: «با تنظیم میدان مغناطیسی، فیلتر YIG به تنظیم فرکانس پیوسته در یک باند فرکانسی بسیار وسیع دست می‌یابد».
در نتیجه، فیلتر جدید را می توان روی هر فرکانسی بین 3.4 گیگاهرتز و 11.1 گیگاهرتز تنظیم کرد که بخش زیادی از قلمرو جدیدی را که FCC در باند FR3 باز کرده است را پوشش می دهد. دو می‌گوید: «امیدواریم بتوانیم ثابت کنیم که یک فیلتر سازگار برای همه باندهای فرکانسی کافی است.
فیلتر جدید علاوه بر قابل تنظیم بودن، بسیار کوچک است – در مقایسه با نسل های قبلی فیلترهای YIG که شبیه بسته های بزرگ کارت های فهرست بودند، تقریباً به اندازه یک چهارم است.
یکی از دلایلی که فیلتر جدید بسیار کوچک است، و بنابراین می‌تواند در آینده به طور بالقوه در تلفن‌های همراه قرار داده شود، این است که به برق بسیار کمی نیاز دارد. “ما در طراحی یک قدرت استاتیک صفر، magn پیشگام بودیم .
مدار etic-bias، با اشاره به نوعی مدار که میدان مغناطیسی ایجاد می کند بدون نیاز به انرژی فراتر از پالس گاه به گاه برای تنظیم مجدد میدان، می گوید.
در حالی که YIG در دهه 1950 کشف شد و فیلترهای YIG برای چندین دهه وجود داشتند، ترکیب مدار جدید با فیلم‌های بسیار نازک YIG که در مرکز نانوتکنولوژی سینگ میکروماشین شده بودند، به طور چشمگیری مصرف انرژی و اندازه فیلتر جدید را کاهش داد. دو می‌گوید: «فیلتر ما 10 برابر کوچک‌تر از فیلترهای تجاری فعلی YIG است.
در ماه ژوئن، اولسون و دو فیلتر جدید را در سمپوزیوم بین‌المللی مایکروویو انستیتوی مهندسین برق و الکترونیک (IEEE) نظریه و تکنیک‌های مایکروویو (MTT-S) در سال 2024 ارائه خواهند کرد.
