Penn Engineers פיתחו מסנן שניתן לכוונן באמצעות נופך ברזל איטריום (YIG) הפונה לבעיות עבר עם הפרעות אות GPS ותומך בתקשורת עתידית של פס תדר גבוה. מסנן קומפקטי וחסכוני זה מציע פתרון ניתן להרחבה עבור טכנולוגיות אלחוטיות מתפתחות. קרדיט: טרוי אולסון, Xingyu Du
בתחילת שנות ה-2010, LightSquared, סטארט-אפ של מיליארדי דולרים שהבטיח לחולל מהפכה בתקשורת הסלולרית, הכריז על פשיטת רגל. החברה לא הצליחה להבין כיצד למנוע מהאותות שלה להפריע לאותות של ג'י.פי. אס מערכות.
כעת, Penn Engineers פיתחו כלי חדש שיכול למנוע מבעיות כאלה להתרחש שוב: מסנן מתכוונן שיכול למנוע הפרעות בהצלחה, אפילו בפסי תדרים גבוהים יותר של הספקטרום האלקטרומגנטי.
"אני מקווה שזה יאפשר את הדור הבא של תקשורת אלחוטית", אומר טרוי אולסון, פרופסור חבר להנדסת חשמל ומערכות (ESE) בפן הנדסה והמחבר הבכיר של מאמר חדש ב- תקשורת טבע שמתאר את המסנן.
הספקטרום האלקטרומגנטי עצמו הוא אחד המשאבים היקרים ביותר של העולם המודרני; רק חלק זעיר מהספקטרום, בעיקר גלי רדיו, המייצגים פחות ממיליארדית מאחוז מהספקטרום הכולל, מתאים לתקשורת אלחוטית.
תקנות פדרליות ושימוש בספקטרום
הפסים של חלק זה של הספקטרום נשלטים בקפידה על ידי ועדת התקשורת הפדרלית (FCC), שרק לאחרונה הזמינה את פס טווח התדרים 3 (FR3), כולל תדרים מ-7 GHz עד 24 GHz, לשימוש מסחרי. (הרץ אחד שווה ערך לתנודה בודדת בגל אלקטרומגנטי העובר נקודה בכל שנייה; גיגה-הרץ אחד, או גיגה-הרץ, הוא מיליארד תנודות כאלה בשנייה).
עד כה, תקשורת אלחוטית השתמשה בעיקר ברצועות תדרים נמוכים יותר. "כרגע אנחנו עובדים מ-600 מגה-הרץ ל-6 גיגה-הרץ", אומר אולסון. "זה 5G, 4G, 3G." מכשירים אלחוטיים משתמשים במסננים שונים עבור תדרים שונים, עם האפקט שכיסוי כל התדרים או הפסים דורש מספר רב של מסננים שתופסים מקום משמעותי. (הסמארטפון הטיפוסי כולל למעלה מ-100 מסננים, כדי להבטיח שאותות מרצועות שונות לא יפריעו זה לזה.)
המסנן החדש, האמצעי, קטן בהרבה ממסנני YIG ישנים יותר, מאחור. קרדיט: טרוי אולסון, Xingyu Du
"הרצועה ה-FR3 צפויה להופיע עבור 6G או Next G", אומר אולסון, בהתייחס לדור הבא של רשתות סלולריות, "וכרגע הביצועים של טכנולוגיות מתגים עם מסננים קטנים ובעלי אובדן נמוך ברצועות אלה הם גבוהים ביותר. מוגבל. מסנן שניתן לכוונן על פני הרצועות הללו אומר שלא צריך להכניס עוד 100 מסננים בטלפון שלך עם מתגים רבים ושונים. פילטר כמו זה שיצרנו הוא הדרך הכי קיימא לשימוש בפס FR3."
סיבוך אחד הנובע משימוש ברצועות תדרים גבוהים יותר הוא שתדרים רבים כבר נשמרו ללוויינים. "Starlink של אילון מאסק עובד בלהקות האלה", מציין אולסון. "הצבא – הם כבר נדחסו מהרבה להקות נמוכות יותר. הם לא מתכוונים לוותר על תדרי מכ"ם שיושבים בדיוק ברצועות האלה, או על התקשורת הלוויין שלהם".
כתוצאה מכך, המעבדה של אולסון – בשיתוף עם עמיתיו מארק אלן, אלפרד פיטלר מור פרופסור ב-ESE, ופירוז אפלטוני, פרופסור חבר ב-ESE, והקבוצות שלהם – תכננו את המסנן להיות מתכוונן, כך שמהנדסים יוכלו להשתמש בו כדי באופן סלקטיבי לסנן תדרים שונים, במקום להשתמש במסננים נפרדים. "להיות מתכוונן יהיה מאוד חשוב", ממשיך אולסון, "מכיוון שבתדרים הגבוהים האלה, לא תמיד יש לך גוש ספקטרום ייעודי רק לשימוש מסחרי."
חומר חדשני וטכנולוגיה מתכווננת
מה שעושה את המסנן מתכוונן הוא חומר ייחודי, "נופך ברזל איטריום" (YIG), תערובת של איטריום, מתכת אדמה נדירה, יחד עם ברזל וחמצן. "המיוחד ב-YIG הוא שהוא מפיץ גל ספין מגנטי", אומר אולסון, בהתייחס לסוג הגל שנוצר בחומרים מגנטיים כאשר אלקטרונים מסתובבים בצורה מסונכרנת.
כאשר נחשף לשדה מגנטי, גל הספין המגנטי שנוצר על ידי YIG משנה את התדר. "על ידי התאמת השדה המגנטי", אומר Xingyu Du, דוקטורנט במעבדה של אולסון והמחבר הראשון של המאמר, "מסנן YIG משיג כוונון תדרים רציף על פני פס תדרים רחב ביותר."
כתוצאה מכך, ניתן לכוון את הפילטר החדש לכל תדר בין 3.4 גיגה-הרץ ל-11.1 גיגה-הרץ, המכסה חלק גדול מהטריטוריה החדשה שה-FCC פתח בפס FR3. "אנו מקווים להדגים שמסנן יחיד שניתן להסתגל מספיק לכל פסי התדרים", אומר דו.
בנוסף להיותו מתכוונן, המסנן החדש הוא גם זעיר – בערך בגודל של רבע, בניגוד לדורות קודמים של מסנני YIG, שדמו לחבילות גדולות של כרטיסי אינדקס.
אחת הסיבות לכך שהמסנן החדש כל כך קטן, ולכן עשוי להיות מוכנס לטלפונים ניידים בעתיד, היא שהוא דורש מעט מאוד חשמל. "היינו חלוצים בתכנון של מעגל אפס-סטטי, הטיה מגנטית", אומר דו, בהתייחס לסוג של מעגל שיוצר שדה מגנטי מבלי לדרוש שום אנרגיה מעבר לפולס המזדמן כדי להתאים מחדש את השדה.
בעוד YIG התגלה בשנות ה-50, ומסנני YIG קיימים כבר עשרות שנים, השילוב של המעגל החדש עם סרטי YIG דקים במיוחד שבוצעו במיקרו-מכונה במרכז סינג לננוטכנולוגיה הפחית באופן דרמטי את צריכת החשמל וגודלו של המסנן החדש. "המסנן שלנו קטן פי 10 ממסנני YIG המסחריים הנוכחיים", אומר דו.
ביוני, אולסון ודו יציגו את המסנן החדש בסימפוזיון הבינלאומי למיקרוגל של המכון הבינלאומי למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה (IEEE) (IEEE) Theory and Techniques Society (MTT-S), בוושינגטון.
מחקר זה נערך בבית הספר להנדסה ומדע יישומי של אוניברסיטת פנסילבניה. הוא נתמך על ידי מענק מסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים של ההגנה (FA8650-21-1-7010) ועשה שימוש במשאבים בחסות קרן המדע הלאומית הלאומית לתשתיות מתואמות לננוטכנולוגיה (NNCI-1542153).
