Связь 6G и прочие диапазоны станут лучше благодаря революционному фильтру

Любой пользующийся смартфоном или любым другим беспроводным гаджетом держит в руках среди прочих технологических достижений магию радиочастотных фильтров (RF). Эти узлы в составе электроники выбирают из великого множества сигналов в эфире определённые, блокируя при этом посторонние. Новая миниатюрная деталь вскоре может послужить для мобильной связи шестого поколения, то есть 6G.


Исследователи из Пенсильванского университета (Penn Engineering) объясняют, что по мере появления новых технологий — уже существующей 5G и грядущей 6G — быстро растёт количество диапазонов для беспроводной связи. Вместе с прогрессом устаревают технологии с использованием отдельных, фиксированных RF для каждого канала связи.

Вот почему инновационный «фильтр на все случаи», разработанный инженерами Penn Engineering, может кардинально изменить беспроводную связь. Универсальный миниатюрный фильтр способен динамически настраиваться на пропускание любых желаемых частот, без путаницы — это один RF, который, так сказать, «рулит» всеми диапазонами.

Новый фильтр сопоставим размером с монетой в 25 центов США, диаметр которой, кстати, 24,3 мм. И вместе с тем он может произвести революцию в беспроводной связи.

Ключ к успеху — в ультратонкой плёнке из магнитного материала, известного в российских источниках как железо-иттриевый гранат (ЖИГ), формула Y3Fe5O12. Так, в журнале «Физика твёрдого тела» за 2009 год писали, что это хорошо изученное ферримагнитное соединение, широко применяемое в микроволновых и магнитооптических устройствах.



При воздействии магнитного поля плёнка из ЖИГ может генерировать микроскопические волны, которые называют магнитостатическими. Они резонируют на разных частотах в зависимости от силы воздействующего магнитного поля.

Это похоже на то, как натяжение или ослабление гитарной струны изменяет высоту звучания. Вот только в случае с новым RF «струны» сформированы спиновыми волнами, проходящими через молекулярные силовые поля намагниченных атомов. Спиновые волны — это волны намагниченности в ферро-, антиферро- и ферримагнитных материалах. Путём управления магнитным полем на плёнке из ЖИГ можно непрерывно настраивать частоты магнитостатических волн.

Одной из самых сложных задач было выяснить, как создать настраиваемое магнитное поле в ультракомпактном изделии с низким энергопотреблением, подходящем для современных тонких смартфонов и интернет-датчиков. Кстати, традиционные фильтры с ЖИГ часто основаны на громоздких, энергоёмких электромагнитах размером с банку колы, что совершенно неприемлемо для современных гаджетов и беспроводных устройств.

Инженеры из Penn Engineering нашли решение с помощью удивительно простой, но блестящей по задумке и исполнению схемы магнитной настройки размером примерно с пару батареек типа АА. Схема сочетала в себе постоянный магнит и подвижные «программируемые» магниты, которые могут изменять структуру магнитного поля по требованию с помощью коротких электрических импульсов. Интересно, что как только подвижные магниты фиксируются в нужной позиции, схема использует буквально нулевую мощность для поддержания определённого магнетизма.



Получившийся в итоге миниатюризации RF занимает всего 1,68 кубических сантиметра. Однако это крошечное устройство может настраиваться в невероятно широком диапазоне частот от 3,4 гигагерц до 11,1 ГГц, охватывая весь запланированный для 6G радиочастотный спектр и даже сверх того, и всё это в одном непрерывно настраивающемся фильтре.

Трой Олссон — доцент кафедры электротехники и системной инженерии в Penn Engineering и старший автор нового исследования. Он объяснил, что сейчас они с коллегами работают с новым радиочастотным фильтром в диапазоне от 600 МГц до 6 ГГц, то есть используемых для мобильной связи 5G, 4G и 3G. Наличие фильтра, который можно настраивать в столь разных диапазонах, избавляет от необходимости устанавливать в условный гаджет более 100 фильтров с множеством различных переключателей, объяснил учёный.

Однако дело не только в феноменальном диапазоне настройки. Новый RF также демонстрирует исключительно низкие потери сигнала — всего от 3 до 5 децибел — и превосходное подавление помех во внечастотных диапазонах. Это чрезвычайно важные характеристики для предотвращения помех в беспроводной сети и сохранения целостности сигнала в перегруженном волнами эфире.

Потенциальная польза от технического новшества выходит далеко за рамки потребительских мобильных продуктов. Такая возможность настройки интересна, например, для спутниковой связи, для многополосных радиолокационных систем и для снижения помех на базовых станциях для 5G, 6G и других поколений передовых беспроводных сетей.

Магнитостатические перенастраиваемые RF могут стать важным строительным блоком для любой системы, требующей интеллектуальной фильтрации и гибкости частоты в широком диапазоне радиочастотного спектра.