迈向6G及未来工程师解锁下一代无线通信

2010年代初，估值数十亿美元的初创公司LightSquared宣布破产，该公司曾承诺彻底改变蜂窝通信。该公司无法弄清楚如何防止其信号干扰GPS系统的信号。

现在，宾夕法尼亚大学工程师开发出一种新工具，可以防止此类问题再次发生：一种可调节滤波器，即使在电磁波谱的较高频段也能成功防止干扰。

宾夕法尼亚大学工程学院电气与系统工程(ESE)副教授、《自然通讯》杂志上一篇描述该滤波器的新论文的资深作者特洛伊奥尔森(TroyOlsson)说道：“我希望它能够实现下一代无线通信。”

电磁波谱本身是现代世界最宝贵的资源之一;只有一小部分频谱(大部分是无线电波，不到整个频谱的十亿分之一)适合无线通信。

美国联邦通信委员会(FCC)严格控制着这一部分频谱的频段，该委员会最近才开放了频率范围3(FR3)频段，包括约7GHz至24GHz的频率，用于商业用途。(一赫兹相当于电磁波每秒通过一个点的一次振荡;一千兆赫或GHz相当于每秒十亿次这样的振荡。)

到目前为止，无线通信大多使用较低频段。“目前我们的工作频率为600MHz至6GHz，”Olsson说道。“这包括5G、4G、3G。”无线设备针对不同频率使用不同的滤波器，因此覆盖所有频率或频段需要大量滤波器，而这些滤波器会占用大量空间。(典型的智能手机包含100个以上的滤波器，以确保来自不同频段的信号不会相互干扰。)

Olsson表示：“FR3频段最有可能用于6G或NextG，目前小型滤波器和低损耗开关技术在这些频段的性能非常有限。如果拥有一个可以在这些频段上进行调谐的滤波器，就意味着无需在手机中安装100多个带有许多不同开关的滤波器。像我们创建的滤波器是使用FR3频段的最可行途径。”

使用较高频段带来的一个问题是，许多频率已经为卫星预留。“埃隆·马斯克的Starlink在这些频段工作，”奥尔森指出。“军方——他们已经被挤出了许多较低的频段。他们不会放弃位于这些频段的雷达频率，也不会放弃他们的卫星通信。”

因此，Olsson的实验室与同事MarkAllen(ESE的AlfredFitlerMoore教授)和FiroozAflatouni(ESE的副教授)及其各自的团队合作，设计了可调节的滤波器，以便工程师可以使用它来选择性地过滤不同的频率，而不必使用单独的滤波器。“可调性将非常重要，”Olsson继续说道，“因为在这些较高的频率下，您可能并不总是拥有专门用于商业用途的频谱块。”

使滤波器可调节的是一种独特的材料，即“钇铁石榴石”(YIG)，它是稀土金属钇与铁和氧的混合物。“YIG的特别之处在于它能传播磁自旋波，”奥尔森说，他指的是当电子以同步方式旋转时在磁性材料中产生的波类型。

当暴露于磁场中时，YIG产生的磁自旋波会改变频率。“通过调整磁场，”奥尔森实验室的博士生兼论文第一作者杜星宇说，“YIG滤波器可以在极宽的频带上实现连续的频率调谐。”

因此，新滤波器可以调整到3.4GHz至11.1GHz之间的任何频率，这涵盖了FCC在FR3频段开辟的大部分新领域。“我们希望证明单个自适应滤波器足以适应所有频段，”Du说道。

除了可调之外，新滤波器还非常小——大约只有25美分硬币大小，而前几代YIG滤波器则看起来像一大包索引卡片。

这种新型滤波器体积如此之小，未来可能被嵌入到手机中，原因之一是它所需的功率非常小。“我们率先设计了一种零静态功率磁偏置电路，”杜说，这种电路不需要任何能量就能产生磁场，除了偶尔的脉冲来重新调整磁场。

虽然YIG是在20世纪50年代被发现的，而且YIG滤波器也已经存在了几十年，但辛格纳米技术中心微加工的新型电路与极薄YIG薄膜相结合，大大降低了新滤波器的功耗和尺寸。“我们的滤波器比目前商用的YIG滤波器小10倍，”杜说。

6月，Olsson和Du将在华盛顿特区举行的2024年电气和电子工程师学会(IEEE)微波理论与技术学会(MTT-S)国际微波研讨会上展示这款新型滤波器

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