通向6G的钥匙：宾大工程师开启下一代无线通信的大门

2010 年代初，有望彻底改变蜂窝通信技术、价值数十亿美元的初创公司LightSquared 宣布破产。这是因为该公司无法解决如何防止其信号干扰GPS系统信号的问题。现在，宾夕法尼亚大学的工程师们开发出了一种新工具，可以防止此类问题再次发生：一种可调滤波器，可以成功地防止干扰，甚至在电磁频谱的较高频段也是如此。

宾夕法尼亚大学的工程师们利用钇铁石榴石（YIG）开发出一种可调滤波器，解决了过去 GPS 信号干扰的问题，并支持未来的高频段通信。这种滤波器结构紧凑、功耗低，为新兴无线技术提供了可扩展的解决方案。资料来源：Troy Olsson、Xingyu Du

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》（Nature Communications）杂志上一篇介绍该滤波器的新论文的资深作者特洛伊-奥尔森（Troy Olsson）说：”我希望它能实现下一代无线通信。”

电磁频谱本身是现代世界最宝贵的资源之一；只有极小部分频谱适合用于无线通信，其中大部分是无线电波，占整个频谱的不到十亿分之一。

联邦通信委员会（FCC）对这部分频谱的频段进行了严格控制，直到最近才将频率范围 3（FR3）频段（包括约 7 千兆赫至 24 千兆赫的频率）用于商业用途。(1赫兹相当于电磁波每秒经过一个点时的一次振荡；1千兆赫兹或吉赫兹相当于每秒经过十亿次这样的振荡）。

迄今为止，无线通信大多使用较低的频段。奥尔森说：”现在，我们的工作频段为 600 MHz 至 6 GHz。这就是 5G、4G 和 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，占用大量空间。(典型的智能手机包括多达 100 多个滤波器，以确保不同频段的信号不会相互干扰）。

中间的新型滤光片比后面的老式 YIG 滤光片小得多。图片来源：Troy Olsson、Xingyu Du

Olsson说：”FR3频段最有可能用于6G或Next G，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。拥有一个可在这些频段进行调谐的滤波器，就意味着不必在手机中再安装100多个滤波器和许多不同的开关。像我们创建的这种滤波器是使用 FR3 频段的最可行途径。”

使用更高频率波段带来的一个复杂问题是，许多频率已被保留给卫星使用。埃隆-马斯克的”星链”（Starlink）就在这些频段工作，奥尔森指出。”军方已经被挤出了许多较低的频段。但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 ESE 教授 Alfred Fitler Moore Mark Allen 和 ESE 副教授 Firooz Aflatouni 以及他们各自的研究小组合作，设计出了可调滤波器，这样工程师就可以用它来选择性地过滤不同的频率，而不必采用单独的滤波器。可调谐性将变得非常重要，因为在这些较高的频率上，可能并不总是有一块专门用于商业用途的频谱。

创新材料和可调节技术

这种滤波器之所以可以调节，是因为它采用了一种独特的材料–“钇铁石榴石”（YIG），这是一种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，这是电子以同步方式旋转时在磁性材料中产生的波的类型。

当暴露在磁场中时，YIG 产生的磁自旋波会改变频率。通过调节磁场，YIG 滤波器在极宽的频带内实现了连续的频率调节。

因此，新的滤波器可以调整到 3.4 GHz 到 11.1 GHz 之间的任何频率，涵盖了 FCC 在 FR3 频段开辟的大部分新领域。Xingyu Du说：”我们希望证明，单个可适配滤波器就足以满足所有频段的要求。”

除了可调谐外，新型滤波器还非常小巧，大小与四分之一硬币差不多，与前几代 YIG 滤波器形成鲜明对比，前几代滤波器就像一大包索引卡。

这种新型滤波器之所以如此小巧，从而有可能在未来被安装到手机中，原因之一是它只需要很少的电能。Du说：”我们率先设计了一种零静态功率磁偏置电路，”他指的是一种除了偶尔重新调整磁场的脉冲外，无需任何能量就能产生磁场的电路。

虽然 YIG 早在 20 世纪 50 年代就被发现，而且 YIG 滤波器也已经存在了几十年，但将新型电路与辛格纳米技术中心微加工的极薄 YIG 薄膜相结合，大大降低了新型滤波器的功耗和尺寸。新研发的的滤波器比目前的商用 YIG 滤波器小 10 倍。

编译自//scitechdaily