宾夕法尼亚大学工程师为 6G 无线通信铺平道路

2010年初， 光方一家价值数十亿美元的初创公司承诺彻底改变蜂窝通信，现已申请破产。 该公司无法弄清楚如何防止其信号干扰全球定位系统（GPS）信号。

现在，宾夕法尼亚大学的工程师开发了一种新工具，可以防止此类问题再次发生：一种可调节滤波器，即使在电磁频谱的高频段，也可以成功阻止干扰。

“我希望它能够实现下一代无线通信，”他说。 特洛伊·奥尔森宾夕法尼亚大学工程学院电气与系统工程 (ESE) 副教授，A 的主要作者 《自然通讯》上的新论文 其中描述了过滤器。

电磁频谱本身是现代世界最昂贵的资源之一； 只有一小部分频谱（主要是无线电波）适合无线通信，占总频谱的百分之一不到十亿分之一。

这部分频谱的频段由联邦通信委员会 (FCC) 严格控制，该委员会最近将频段 3 (FR3)（包括约 7 GHz 至 24 GHz 的频率）可供商业使用。 （一赫兹相当于每秒经过一个点的电磁波的一次振荡；一千兆赫相当于每秒十亿次这样的振荡。）

到目前为止，无线通信主要使用低频段。 “我们现在的工作频率为 600 MHz 至 6 GHz，”Olson 说。 “这些是 5G、4G、3G。” 无线设备针对不同的频率使用不同的滤波器，其结果是覆盖所有频率或频段需要大量滤波器，从而占用大量空间。 （典型的智能手机有多达 100 个滤波器，以确保来自不同频段的信号不会相互干扰。）

“FR3 频段可能会在 6G 或 Next G 网络中引入，目前这些频段中的小型滤波器技术和低损耗开关的性能非常高，”Olson 在谈到下一代蜂窝网络时说道。 拥有可以在这些范围内调整的滤波器意味着您不必将 100 多个其他滤波器放入具有许多不同开关的手机中。

使用高频段带来的一个复杂问题是，许多频率已经预留给卫星使用。 “埃隆·马斯克的星链在这些团队中发挥着作用，”奥尔森指出。 “军方已经被踢出许多较低频段。他们不会放弃这些频段现有的雷达频率或卫星通信。”

因此，奥尔森的实验室与同事合作 马克·艾伦ESE 的阿尔弗雷德·菲特勒·摩尔 (Alfred Fittler Moore) 教授，以及 费鲁兹柏拉图式ESE 的副教授和他们的团队设计了可调节的滤波器，以便工程师可以使用它有选择地滤除不同的频率，而不必使用单独的滤波器。 “能够遵守纪律将非常重要，”奥尔森继续说道，“因为在这些高频下，您可能并不总是拥有专门用于商业用途的频谱块。”

使过滤器可调的是一种独特的材料，“钇铁石榴石”（YIG），它是稀土金属钇以及铁和氧的混合物。 “YIG 的特别之处在于它传播磁性自旋波，”奥尔森说，指的是当电子以同步方式自旋时磁性材料中出现的波类型。

当暴露在磁场中时，YIG 产生的磁自旋波会改变其频率。 “通过调整磁场，”他说。 杜星宇Olson 实验室的博士生、该论文的第一作者，“YIG 滤波器在极宽的频率范围内实现了连续的频率调谐。”

因此，新滤波器可以调谐到 3.4 GHz 至 11.1 GHz 之间的任何频率，这涵盖了 FCC 在 FR3 频段中开辟的大部分新区域。 “我们希望证明单个自适应滤波器足以适用于所有频段，”杜说。

除了可调节之外，新的滤镜也很小，大约与 25 美分硬币大小相同，这与前几代 YIG 滤镜不同，后者类似于大包索引卡。

这种新型滤波器体积如此之小，因此未来可能被引入到手机中，原因之一是它只需要很少的电量。 杜说：“我们率先设计了磁偏置、恒零功率电路。”他指的是一种产生磁场的电路，除了偶尔的脉冲之外不需要任何能量来重置磁场。

虽然 YIG 于 20 世纪 50 年代被发现，并且 YIG 滤波器已经存在了数十年，但新电路与辛格纳米技术中心制造的超薄 YIG 薄膜的结合显着降低了功耗和新型滤波器的尺寸。 “我们的过滤器比当前商用 YIG 过滤器小 10 倍，”Du 说。

6 月，Olson 和 Du 将在 2024 年电气和电子工程师协会 (IEEE) 微波理论与技术协会 (MTT-S) 上展示新型滤波器。 国际微波研讨会，在华盛顿特区

这项研究是在宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院进行的。 得到了国防高级研究计划局 (FA8650-21-1-7010) 的资助，并受益于国家科学基金会国家协调纳米技术计划 (NNCI-1542153) 赞助的资源。

其他合著者包括宾夕法尼亚大学工程学院的 Mohammad Hossein Edjadi、Yiqiao Ding、Tao Zhang、Alexander J. Geers、Xun Yao 和 Jun Beom-pyo。