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工程师开发新型可调节滤波器,有效防止通信干扰

2024-05-28 15:46:34 宾夕法尼亚大学 阅读:
宾夕法尼亚大学工程师开发出一种可调节滤波器,即使在电磁波谱的较高频段也能成功防止干扰。

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,主要是无线电波,占整个频谱的不到十亿分之一。qKAednc

这部分频谱的频段受到美国联邦通信委员会(FCC)的严格控制,该委员会直到最近才将频率范围 3(FR3)频段(包括约7 GHz 至 24 GHz的频率)提供给商业使用。(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GHz相当于每秒经过十亿次这样的振荡)。qKAednc

到目前为止,无线通信大多使用较低频段。Olsson说:“目前我们的工作频段为 600 MHz 至 6 GHz,就是 5G、4G、3G。” qKAednc

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,以确保不同频段的信号不会相互干扰。qKAednc

宾夕法尼亚大学工程师开发出一种可调节滤波器,即使在电磁波谱的较高频段也能成功防止干扰。qKAednc

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论文的资深作者Troy Olsson说: “我希望它能实现下一代无线通信。”qKAednc

Olsson 表示:“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。拥有一个可以在这些频段上进行调谐的滤波器意味着不必在手机中再安装 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。”qKAednc

使用更高频率波段带来的一个复杂问题是,许多频率已经为卫星预留。埃隆-马斯克的 “星链”(Starlink)就在这些频段工作。Olsson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。”qKAednc

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

因此,Olsson 的实验室与同事 Mark Allen、ESE 的 Alfred Fitler Moore 教授、ESE 的副教授 Firooz Aflatouni 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。qKAednc

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,简单地说就是电子以同步方式旋转时在磁性材料中产生的波。qKAednc

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, YIG 滤波器可以在极宽的频带上实现连续的频率调谐。qKAednc

因此,新滤波器可以调整到 3.4 GHz 至 11.1 GHz 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。qKAednc

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。qKAednc

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。研究团队设计了一种零静态功率磁偏置电路,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。qKAednc

责编:Demi
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