В начале 2010-х годов LightSquared , многомиллиардный стартап, обещающий произвести революцию в сотовой связи, объявил о банкротстве. Компания не могла придумать, как предотвратить взаимодействие ее сигналов с сигналами систем GPS.

Теперь инженеры Penn разработали новый инструмент, который может предотвратить повторение подобных проблем: регулируемый фильтр, который может успешно предотвращать помехи даже в высокочастотных диапазонах электромагнитного спектра .

«Я надеюсь, что это позволит использовать беспроводную связь следующего поколения», — говорит Трой Олссон, доцент кафедры электротехники и системной инженерии (ESE) в Penn Engineering и старший автор статьи в журнале Nature Communications , в которой описывается фильтр.

Электромагнитный спектр сам по себе является одним из самых ценных ресурсов современного мира; только малая часть спектра, в основном радиоволны , составляющие менее одной миллиардной процента от общего спектра, пригодна для беспроводной связи.

Полосы этой части спектра тщательно контролируются Федеральной комиссией по связи (FCC), которая лишь недавно предоставила полосу частотного диапазона 3 (FR3), включая частоты примерно от 7 ГГц до 24 ГГц, для коммерческого использования. (Один герц эквивалентен одному колебанию электромагнитной волны, проходящей через точку каждую секунду; один гигагерц, или ГГц, равен миллиарду таких колебаний в секунду.)

На сегодняшний день в беспроводной связи в основном используются низкочастотные диапазоны. «Сейчас мы работаем в диапазоне от 600 МГц до 6 ГГц», — говорит Олссон. «Это 5G, 4G, 3G».

Беспроводные устройства используют разные фильтры для разных частот, поэтому для покрытия всех частот или диапазонов требуется большое количество фильтров, занимающих значительное пространство. (Типичный смартфон включает в себя более 100 фильтров, гарантирующих, что сигналы разных диапазонов не будут мешать друг другу.)

«Диапазон FR3, скорее всего, будет развернут для 6G или Next G», — говорит Олссон, имея в виду следующее поколение сотовых сетей, — «и сейчас производительность технологий коммутаторов с малым фильтром и малыми потерями в этих диапазонах очень высока». Наличие фильтра, который можно настраивать в этих диапазонах, означает отсутствие необходимости устанавливать в телефон еще более 100 фильтров с множеством различных переключателей. Фильтр, подобный тому, который мы создали, является наиболее эффективным способом использования диапазона FR3».

Одна из сложностей, связанных с использованием диапазонов более высоких частот, заключается в том, что многие частоты уже зарезервированы для спутников. «Starlink Илона Маска работает в этих группах», — отмечает Олссон. «Военные — их уже вытеснили из многих нижних диапазонов. Они не собираются отказываться от радиолокационных частот, которые находятся прямо в этих диапазонах, или от своей спутниковой связи».

В результате лаборатория Олссона в сотрудничестве с коллегами Марком Алленом, профессором Альфреда Фитлера Мура из ESE, и Фирудом Афлатуни, доцентом из ESE, и их соответствующими группами разработала фильтр, который можно настраивать, чтобы инженеры могли использовать его для выборочного фильтровать разные частоты, вместо того, чтобы использовать отдельные фильтры.

«Настройка будет очень важна, — продолжает Олссон, — потому что на этих более высоких частотах у вас не всегда может быть выделенный блок спектра только для коммерческого использования».

Фильтр регулируется благодаря уникальному материалу «иттрий-железный гранат» (ЖИГ), смеси иттрия, редкоземельного металла, железа и кислорода. «Особенностью YIG является то, что он распространяет магнитную спиновую волну», — говорит Олссон, имея в виду тип волны, создаваемой в магнитных материалах, когда электроны вращаются синхронно.

Под воздействием магнитного поля магнитная спиновая волна, генерируемая YIG, меняет частоту. «Регулируя магнитное поле», — говорит Синъюй Ду, аспирант лаборатории Олссона и первый автор статьи, — «YIG-фильтр обеспечивает непрерывную настройку частоты в чрезвычайно широком диапазоне частот».

В результате новый фильтр можно настроить на любую частоту от 3,4 ГГц до 11,1 ГГц, что покрывает большую часть новой территории, открытой FCC в диапазоне FR3. «Мы надеемся продемонстрировать, что одного адаптируемого фильтра достаточно для всех диапазонов частот», — говорит Ду.

Помимо того, что новый фильтр можно настраивать, он еще и крошечный — размером примерно с четвертак, в отличие от фильтров YIG предыдущих поколений, которые напоминали большие пачки учетных карточек.

Одна из причин, по которой новый фильтр настолько мал и, следовательно, потенциально может быть установлен в мобильные телефоны в будущем, заключается в том, что он требует очень мало энергии. «Мы первыми разработали схему с нулевой статической мощностью и магнитным смещением», — говорит Ду, имея в виду тип схемы, которая создает магнитное поле , не требуя никакой энергии, кроме случайных импульсов для перенастройки поля.

Хотя YIG был открыт в 1950-х годах, а фильтры YIG существовали десятилетиями, сочетание новой схемы с чрезвычайно тонкими пленками YIG, микрообработанными в Центре нанотехнологий Сингха, резко снизило энергопотребление и размер нового фильтра. «Наш фильтр в 10 раз меньше нынешних коммерческих фильтров YIG», — говорит Ду.

В июне Олссон и Ду представят новый фильтр на Международном симпозиуме по микроволновым технологиям Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) Общества теории и техники микроволнового излучения (MTT-S) 2024 года в Вашингтоне, округ Колумбия.