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宾夕法尼亚大学的工程师们开发了一种使用钇铁石榴石(YIG)的可调谐滤波器，解决了过去GPS信号干扰的问题，并支持未来的高频频段通信。这种紧凑、节能的滤波器为新兴无线技术提供了可扩展的解决方案。来源:Troy Olsson, Xingyu Du

2010年初，市值数十亿美元的初创公司LightSquared宣布破产，该公司承诺将彻底改变蜂窝通信。该公司不知道如何防止自己的信号干扰GPS系统的信号。

现在，宾夕法尼亚大学的工程师们开发了一种新工具，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，即使是在电磁频谱的更高频段。

“我希望它能实现下一代无线通信，”宾夕法尼亚大学工程学院电气与系统工程(ESE)副教授特洛伊·奥尔森(Troy Olsson)说，他是《自然通讯》(Nature communications)上一篇新论文的资深作者，该论文描述了这种滤波器。

电磁频谱本身是现代世界最宝贵的资源之一;只有一小部分频谱，主要是无线电波，不到总频谱的百分之一的十亿分之一，适合无线通信。

联邦法规和频谱使用

这部分频谱的频带由联邦通信委员会(FCC)严格控制，该委员会直到最近才将频率范围3 (FR3)频带(包括大约7 GHz到24 GHz的频率)提供给商业用途。(一赫兹相当于电磁波每秒经过一点时的一次振荡;1千兆赫是每秒10亿次这样的振荡。)

迄今为止，无线通信主要使用较低的频段。“现在我们的工作范围是600兆赫到6千兆赫，”奥尔森说。“那就是5G、4G、3G。”无线设备针对不同的频率使用不同的滤波器，其效果是覆盖所有频率或频带需要大量的滤波器，占用大量的空间。(典型的智能手机包括100多个滤波器，以确保来自不同频段的信号不会相互干扰。)

中间的新过滤器比后面的旧YIG过滤器小得多。来源:Troy Olsson, Xingyu Du

“FR3频段最有可能用于6G或Next G，”Olsson说，他指的是下一代蜂窝网络，“目前，这些频段的小滤波器和低损耗开关技术的性能非常有限。拥有一个可以在这些频段上进行调节的过滤器意味着你不必在手机里安装另外100多个过滤器和许多不同的开关。像我们创建的这样的滤波器是使用FR3频段最可行的途径。”

使用高频带来的一个复杂问题是，许多频率已经预留给卫星使用。“埃隆·马斯克的Starmeta就适用于这些波段，”奥尔森指出。“军队——他们已经被挤出了许多较低级别的职位。他们不会放弃在这些波段的雷达频率，或者他们的卫星通信。”

因此，Olsson的实验室与同事Mark Allen (ESE的Alfred Fitler Moore教授)和Firooz Aflatouni (ESE的副教授)以及他们各自的团队合作，设计了可调节的滤波器，这样工程师就可以用它来选择性地过滤不同的频率，而不必使用单独的滤波器。“可调谐将是非常重要的，”奥尔森继续说，“因为在这些更高的频率上，你可能并不总是有一个专门用于商业用途的频谱块。”

创新材料和可调技术

使过滤器可调节的是一种独特的材料，“钇铁石榴石”(YIG)，一种稀土金属钇、铁和氧的混合物。“YIG的特别之处在于它传播一种磁性自旋波，”Olsson说，指的是磁性材料中电子以同步方式自旋时产生的波。

当暴露在磁场中时，YIG产生的磁自旋波会改变频率。“通过调整磁场，”Olsson实验室的博士生、论文的第一作者杜兴宇(音译)说，“YIG滤波器在极宽的频带内实现了连续的频率调谐。”

因此，新的滤波器可以调谐到3.4 GHz到11.1 GHz之间的任何频率，这覆盖了FCC在FR3频段开辟的大部分新领域。杜说:“我们希望证明一个单一的自适应滤波器足以满足所有频段的要求。”

除了可调之外，新的过滤器也很小——大约和25美分硬币一样大小，与前几代YIG过滤器形成鲜明对比，后者就像一大包索引卡。

这种新型过滤器之所以如此之小，未来有可能被植入手机，其中一个原因是它只需要很少的能量。“我们开创了零静功率偏磁电路的设计，”杜说，他指的是一种不需要任何能量就能产生磁场的电路，除了偶尔的脉冲来重新调整磁场。

虽然YIG在20世纪50年代被发现，并且YIG滤波器已经存在了几十年，但Singh纳米技术中心将新型电路与极薄的YIG薄膜相结合，大大降低了新滤波器的功耗和尺寸。杜说:“我们的过滤器比目前商用的YIG过滤器小10倍。”

参考文献:“具有零静态功率偏磁电路的频率可调静磁波滤波器”，作者:杜兴宇，Mohamad Hossein Idjadi，丁一孝，张涛，Alexander J. Geers, Yao Shun, Jun Beom Pyo, Firooz Aflatouni, Mark Allen和Roy H. Olsson III, 2024年4月27日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 47822 - 3

今年6月，Olsson和Du将在华盛顿特区举行的电气和电子工程师协会(IEEE)微波理论与技术协会(MTT-S)国际微波研讨会上展示新的滤波器

这项研究是在宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院进行的。该项目由美国国防高级研究计划局(FA8650-21-1-7010)拨款支持，并利用了美国国家科学基金会国家纳米技术协调基础设施计划(NNCI-1542153)资助的资源。