Forskere udvikler justerbart filter til næste generations trådløs kommunikation
I begyndelsen af 2010’erne gik satellitkommunikationsvirksomheden LightSquared, der havde en mission om at revolutionere mobilkommunikationen, konkurs. Virksomheden kunne ikke finde ud af, hvordan den skulle forhindre sine signaler i at forstyrre GPS-systemerne, som påvirkede både GPS-industrien, luftfartsselskaber og militæret.
Nu har forskere fra Penn Engineering under University of Pennsylvania udviklet et nyt værktøj, der kan forhindre, at sådanne problemer med interferens nogensinde opstår igen.
Forskere fra Penn Engineering har udviklet et nyt justerbart filter, der med succes kan forhindre interferens – selv i højere frekvensbånd i det elektromagnetiske spektrum.
“Jeg håber, at det vil muliggøre den næste generation af trådløs kommunikation,” siger Troy Olsson, der er lektor i Electrical and Systems Engineering (ESE) ved Penn Engineering og hovedforfatter til en ny artikel udgivet i tidsskriftet Nature.
Læs også: AI-drevne 6G-netværk vil forandre digitale interaktioner
100 filtre i en smartphone for at undgå interferens
Selve det elektromagnetiske spektrum er en af den moderne verdens mest dyrebare ressourcer. Kun en lille del af spektret – mest radiobølger, som udgør mindre end en milliardtedel af en procent af det samlede spektrum – er egnet til trådløs kommunikation.
Båndene i den del af spektret kontrolleres nøje af Federal Communications Commission (FCC) i USA og Radio Spectrum Committee i EU. Førstnævnte gjorde for nylig frekvensområde 3, der omfatter frekvenser fra cirka 7 GHz til 24 GHz, tilgængelig for kommerciel brug.
Hidtil har trådløs kommunikation for det meste brugt lavere frekvensbånd. Der anvendes i dag primært frekvenser mellem 600 MHz og 6 GHz. Trådløse enheder bruger forskellige filtre til forskellige frekvenser, hvilket betyder, at det kræver et stort antal filtre, som fylder meget for at dække alle frekvenser eller bånd. En typisk smartphone indeholder op mod 100 filtre for at sikre, at signaler fra forskellige bånd ikke forstyrrer hinanden.
“FR3-båndet vil højst sandsynligt blive brugt til 6G eller næste generationer, og lige nu er ydeevnen for små filtre og switch-teknologier med lavt tab i disse bånd meget begrænset. At have et filter, der kan indstilles på tværs af disse bånd, betyder, at man ikke behøver at sætte mere end 100 filtre ind i sin telefon med mange forskellige switche. Et filter som det, vi har skabt, er den mest bæredygtige vej til at bruge FR3-båndet,” forklarer Troy Olsson.
Et filter til at undgå interferens i alle frekvensbånd
En af udfordringerne ved at bruge højere frekvensbånd er, at mange frekvenser allerede er reserveret til satellitter.
“Elon Musks Starlink arbejder i disse bånd. Militæret er allerede blevet trængt ud af mange lavere frekvenser. De har ikke tænkt sig at opgive radarfrekvenser, der ligger lige i de bånd, eller deres satellitkommunikation,” siger Troy Olsson.
Derfor har forskerne fra Penn Engineering designet filteret til at være justerbart, så ingeniører kan bruge det til selektivt at filtrere forskellige frekvenser i stedet for at skulle bruge separate filtre.
“Det bliver virkelig vigtigt, at det kan indstilles, for ved disse højere frekvenser har man måske ikke altid en dedikeret blok af spektrum kun til kommerciel brug,” siger Troy Olsson.
Det, der gør filteret justerbart, er et unikt materiale kaldet yttrium-jern-granat (YIG), der er en blanding af det sjældne metal yttrium, jern og ilt.
“Det særlige ved YIG er, at det udbreder en magnetisk rotationsbølge”, siger Troy Olsson og henviser den type af bølge, der skabes i magnetiske materialer, når elektroner roterer på en synkroniseret måde.
Når YIG udsættes for et magnetfelt, ændrer den magnetiske rotationsbølge, der genereres af YIG, frekvens. Ved at justere magnetfeltet opnår YIG-filteret kontinuerlig frekvensindstilling over et ekstremt bredt frekvensområde.
Resultatet er, at det nye filter kan indstilles til enhver frekvens mellem 3,4 GHz og 11,1 GHz, hvilket dækker en stor del af det nye område, som FCC har åbnet op for i FR3-frekvensområdet. Dermed håber forskerne på at kunne demonstrere, at et enkelt tilpasningsdygtigt filter er tilstrækkeligt til alle frekvensbånd.
Lille og energivenligt filter
Ud over at kunne indstilles er det nye filter også meget lille – en fjerdedel mindre end tidligere generationer af YIG-filtre, som lignede en stak indekskort.
En af grundene til, at det nye filter er så lille og derfor potentielt kan anvendes i mobiltelefoner i fremtiden, er, at det kræver meget lidt strøm.
YIG blev opdaget i 1950’erne, og YIG-filtre har eksisteret i årtier, men kombinationen af det nye kredsløb med ekstremt tynde YIG-film, der bliver fremstillet på Singh Center for Nanotechnology, reducerer det nye filters strømforbrug og størrelse dramatisk. Filteret er nærmere bestemt 10 gange mindre end de nuværende kommercielle YIG-filtre.
I juni vil forskerne præsentere det nye filter ved International Microwave Symposium i Washington, D.C.
