ΑρχικήΔιαδίκτυο6G: Οι μηχανικοί ξεκλειδώνουν την επόμενη γενιά ασύρματων επικοινωνιών

6G: Οι μηχανικοί ξεκλειδώνουν την επόμενη γενιά ασύρματων επικοινωνιών

Στις αρχές της δεκαετίας του 2010, η LightSquared, μια startup πολλών δισεκατομμυρίων δολαρίων που υποσχόταν να φέρει επανάσταση στις επικοινωνίες κινητής τηλεφωνίας, κήρυξε πτώχευση. Η εταιρεία αδυνατούσε να βρει τρόπο να αποτρέψει τα σήματά της από το να παρεμβάλλουν σε αυτά των συστημάτων GPS.

Τώρα, μηχανικοί του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνιας ανέπτυξαν ένα νέο εργαλείο που θα μπορούσε να αποτρέψει την επανεμφάνιση τέτοιων προβλημάτων: ένα ρυθμιζόμενο φίλτρο που μπορεί να αποτρέψει με επιτυχία παρεμβολές, ακόμη και σε ζώνες υψηλότερης συχνότητας του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

«Ελπίζουμε ότι θα επιτρέψει την επόμενη γενιά ασύρματων επικοινωνιών», λέει ο Troy Olsson, Αναπληρωτής Καθηγητής Ηλεκτρολογίας και Μηχανικής Συστημάτων (ESE) στο Penn Engineering και συγγραφέας της παρούσας μελέτης, η οποία δημοσιεύτηκε στο Nature Communications που περιγράφει το φίλτρο.

Το ίδιο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι ένας από τους πιο πολύτιμους πόρους του σύγχρονου κόσμου. Μόνο ένα μικρό κλάσμα του φάσματος, κυρίως τα ραδιοκύματα, που αντιπροσωπεύουν λιγότερο από το ένα δισεκατομμυριοστό του ένα τοις εκατό του συνολικού φάσματος, είναι κατάλληλο για ασύρματη επικοινωνία.

Οι ζώνες αυτού του κλάσματος του φάσματος ελέγχονται προσεκτικά από την Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών (FCC), η οποία πρόσφατα διέθεσε τη ζώνη συχνοτήτων 3 (FR3), συμπεριλαμβανομένων συχνοτήτων μεταξύ 7 GHz έως 24 GHz, για εμπορική χρήση. (Ένα hertz ισοδυναμεί με μια απλή ταλάντωση σε ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που διέρχεται ένα σημείο κάθε δευτερόλεπτο· ένα gigahertz, ή GHz, είναι ένα δισεκατομμύριο τέτοιες ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο.)

Μέχρι σήμερα, οι ασύρματες επικοινωνίες χρησιμοποιούν κυρίως ζώνες χαμηλότερης συχνότητας. «Αυτή τη στιγμή δουλεύουμε από 600 MHz έως 6 GHz», λέει ο Olsson. “Αυτό είναι 5G, 4G, 3G.”

Οι ασύρματες συσκευές χρησιμοποιούν διαφορετικά φίλτρα για διαφορετικές συχνότητες, με αποτέλεσμα η κάλυψη όλων των συχνοτήτων ή των ζωνών να απαιτεί μεγάλο αριθμό φίλτρων που καταλαμβάνουν σημαντικό χώρο. (Το τυπικό smartphone περιλαμβάνει πάνω από 100 φίλτρα, για να διασφαλιστεί ότι τα σήματα από διαφορετικές μπάντες δεν παρεμβαίνουν μεταξύ τους.)

«Η ζώνη FR3 είναι πολύ πιθανό να κυκλοφορήσει για 6G ή Next G», λέει ο Olsson, αναφερόμενος στην επόμενη γενιά δικτύων κινητής τηλεφωνίας, «και αυτή τη στιγμή η απόδοση των τεχνολογιών μεταγωγής μικρού φίλτρου και χαμηλής απώλειας σε αυτές τις ζώνες είναι εξαιρετικά περιορισμένη. Το να έχετε ένα φίλτρο που θα μπορούσε να ρυθμιστεί σε αυτές τις ζώνες σημαίνει ότι δεν χρειάζεται να βάλετε άλλα άλλα 100 φίλτρα στο τηλέφωνό σας με πολλούς διαφορετικούς διακόπτες.

Μια επιπλοκή που δημιουργείται από τη χρήση ζωνών υψηλότερης συχνότητας είναι ότι πολλές συχνότητες έχουν ήδη δεσμευτεί για δορυφόρους. «Τα Starlink του Elon Musk δουλεύουν σε αυτά τα μέρη», σημειώνει ο Olsson. “Ο στρατός – έχει ήδη συνωστιστεί σε πολλές χαμηλότερες ζώνες. Δεν πρόκειται να εγκαταλείψουν τις συχνότητες ραντάρ που βρίσκονται ακριβώς σε αυτές τις ζώνες, ή τις δορυφορικές επικοινωνίες τους».

Ως αποτέλεσμα, το εργαστήριο του Olsson -σε συνεργασία με τους συναδέλφους του Mark Allen, Καθηγητή Alfred Fitler Moore στο ESE και Firooz Aflatouni, Αναπληρωτή Καθηγητή στο ESE, και τις αντίστοιχες ομάδες τους- σχεδίασε το φίλτρο να είναι ρυθμιζόμενο, ώστε οι μηχανικοί να μπορούν να το χρησιμοποιούν για να φιλτράρουν επιλεκτικά διαφορετικές συχνότητες, αντί να χρειάζεται να χρησιμοποιούν ξεχωριστά φίλτρα.

«Το να είναι συντονίσιμο θα είναι πολύ σημαντικό», συνεχίζει ο Olsson, «επειδή σε αυτές τις υψηλότερες συχνότητες μπορεί να μην υπάρχει πάντα ένα αποκλειστικό μπλοκ φάσματος μόνο για εμπορική χρήση».

Αυτό που κάνει το φίλτρο ρυθμιζόμενο είναι ένα μοναδικό υλικό, ο “γρανάτης σιδήρου υττρίου” (YIG), ένα μείγμα υττρίου, ενός μετάλλου σπανίων γαιών, μαζί με σίδηρο και οξυγόνο. «Το ιδιαίτερο με το YIG είναι ότι διαδίδει ένα κύμα μαγνητικού σπιν», λέει ο Olsson, αναφερόμενος στον τύπο του κύματος που δημιουργείται σε μαγνητικά υλικά όταν τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται με συγχρονισμένο τρόπο.

Όταν εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο, το κύμα μαγνητικού σπιν που δημιουργείται από το YIG αλλάζει συχνότητα. “Με την προσαρμογή του μαγνητικού πεδίου”, λέει ο Xingyu Du, ένας διδακτορικός φοιτητής στο εργαστήριο του Olsson και ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας, “το φίλτρο YIG επιτυγχάνει συνεχή συντονισμό συχνότητας σε μια εξαιρετικά ευρεία ζώνη συχνοτήτων.”

Ως αποτέλεσμα, το νέο φίλτρο μπορεί να συντονιστεί σε οποιαδήποτε συχνότητα μεταξύ 3,4 GHz και 11,1 GHz, η οποία καλύπτει μεγάλο μέρος της νέας περιοχής που έχει ανοίξει η FCC στη ζώνη FR3. «Ελπίζουμε να δείξουμε ότι ένα μόνο προσαρμόσιμο φίλτρο είναι αρκετό για όλες τις ζώνες συχνοτήτων», λέει ο Du.

Εκτός από το ότι μπορεί να συντονιστεί, το νέο φίλτρο είναι επίσης μικροσκοπικό—περίπου το ίδιο μέγεθος με το ένα τέταρτο, σε αντίθεση με τις προηγούμενες γενιές φίλτρων YIG, που έμοιαζαν με μεγάλα πακέτα καρτών ευρετηρίου.

Ένας λόγος που το νέο φίλτρο είναι τόσο μικρό και επομένως θα μπορούσε ενδεχομένως να εισαχθεί σε κινητά τηλέφωνα στο μέλλον, είναι ότι απαιτεί πολύ λίγη ισχύ. «Κατασκευάσαμε πρωτοπόρους στο σχεδιασμό ενός κυκλώματος μηδενικής στατικής ισχύος, μαγνητικής προκατάληψης», λέει ο Du, αναφερόμενος σε έναν τύπο κυκλώματος που δημιουργεί μαγνητικό πεδίο χωρίς να απαιτεί ενέργεια πέρα ​​από τον περιστασιακό παλμό για την αναπροσαρμογή του πεδίου.

Ενώ το YIG ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του 1950 και τα φίλτρα YIG υπάρχουν εδώ και δεκαετίες, ο συνδυασμός του νέου κυκλώματος με εξαιρετικά λεπτές μεμβράνες YIG που κατεργάστηκαν με μικρομηχανή στο Κέντρο Νανοτεχνολογίας Singh μείωσε δραματικά την κατανάλωση ενέργειας και το μέγεθος του νέου φίλτρου. «Το φίλτρο μας είναι 10 φορές μικρότερο από τα τρέχοντα εμπορικά φίλτρα YIG», λέει ο Du.

Τον Ιούνιο, οι Olsson και Du θα παρουσιάσουν το νέο φίλτρο στο International Microwave Symposium του 2024 Ινστιτούτου Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (IEEE) Microwave Theory and Techniques Society (MTT-S), στην Ουάσιγκτον, DC.

Εκτός από τις δυνατότητες του για ασύρματες επικοινωνίες, το νέο φίλτρο YIG θα μπορούσε να βρει εφαρμογές και σε άλλους τομείς, όπως τα ραντάρ, η αστρονομία και η ιατρική απεικόνιση.

«Είναι μια πραγματικά νέα προσέγγιση στο σχεδιασμό φίλτρων», λέει ο Allen. «Έχει τη δυνατότητα να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζουμε και χρησιμοποιούμε τα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών».

Στέλιος Θεοδωρίδης
Στέλιος Θεοδωρίδης
Ο ήρωας μου είναι ο γάτος μου ο Τσάρλι και ακροάζομαι μόνο Psychedelic Trance
RELATED ARTICLES

Πρόσφατα άρθρα

Tηλέφωνα έκτακτης ανάγκης

Δίωξη Ηλεκτρονικού Εγκλήματος: 11188
Ελληνική Αστυνομία: 100
Χαμόγελο του Παιδιού: 210 3306140
Πυροσβεστική Υπηρεσία: 199
ΕΚΑΒ 166