2010 年代初，估值数十亿美元的初创公司LightSquared宣布破产，该公司曾承诺彻底改变蜂窝通信。该公司无法弄清楚如何防止其信号干扰 GPS 系统的信号。
现在，宾夕法尼亚大学工程师开发出一种新工具，可以防止此类问题再次发生：一种可调节滤波器，即使在电磁波谱的较高频段也能成功防止干扰。
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》杂志上描述该滤波器的论文的资深作者特洛伊奥尔森 (Troy Olsson) 表示：“我希望它能够实现下一代无线通信。”
电磁波谱本身是现代世界上最宝贵的资源之一；只有一小部分频谱（大部分是无线电波，不到整个频谱的十亿分之一）适合无线通信。
美国联邦通信委员会 (FCC) 严格控制着这一部分频谱的频段，该委员会最近才开放了频率范围 3 (FR3) 频段，包括约 7 GHz 至 24 GHz 的频率，用于商业用途。（一赫兹相当于电磁波每秒通过一个点的一次振荡；一千兆赫或 GHz 相当于每秒十亿次这样的振荡。）
到目前为止，无线通信大多使用较低频段。“目前我们的工作频段为 600 MHz 至 6 GHz，”奥尔森说。“这就是 5G、4G、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，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。）
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。”
使用较高频段带来的一个问题是，许多频率已经为卫星预留。“埃隆·马斯克的 Starlink 在这些频段工作，”奥尔森指出。“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。”
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。
“可调性真的非常重要，”奥尔森继续说，“因为在这些较高的频率下，你可能并不总是拥有专门用于商业用途的频谱块。”
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，”奥尔森说，他指的是电子以同步方式旋转时在磁性材料中产生的波。
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，”奥尔森实验室的博士生兼论文第一作者杜星宇说，“YIG 滤波器可以在极宽的频带上实现连续的频率调谐。”
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。“我们希望证明单个自适应滤波器足以适应所有频段，”Du 说道。
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。
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。“我们率先设计了一种零静态功率磁偏置电路，”杜说，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。
虽然 YIG 是在 20 世纪 50 年代被发现的，而且 YIG 滤波器也已经存在了几十年，但新电路与 Singh 纳米技术中心微加工的极薄 YIG 薄膜相结合，大大降低了新滤波器的功耗和尺寸。“我们的滤波器比目前商用的 YIG 滤波器小 10 倍，”杜说。
6 月，Olsson 和 Du 将在华盛顿特区举行的2024 年电气和电子工程师学会 (IEEE) 微波理论与技术学会 (MTT-S)国际微波研讨会上展示这款新型滤波器。
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