Kunci Menuju 6G: Insinyur Penn Membuka Komunikasi Nirkabel Generasi Berikutnya

Pada awal tahun 2010-an, LightSquared, sebuah startup bernilai miliaran dolar yang menjanjikan merevolusi komunikasi seluler, menyatakan kebangkrutan. Perusahaan tidak dapat menemukan cara untuk mencegah sinyalnya mengganggu sinyal GPS sistem.

Kini, Penn Engineers telah mengembangkan alat baru yang dapat mencegah masalah serupa terjadi lagi: filter yang dapat disesuaikan yang berhasil mencegah interferensi, bahkan pada pita spektrum elektromagnetik dengan frekuensi lebih tinggi.

“Saya berharap ini akan memungkinkan komunikasi nirkabel generasi berikutnya,” kata Troy Olsson, Affiliate Professor di bidang Teknik Listrik dan Sistem (ESE) di Penn Engineering dan penulis senior makalah baru di Komunikasi Alam yang menjelaskan filter.

Spektrum elektromagnetik sendiri merupakan salah satu sumber daya paling berharga di dunia trendy; hanya sebagian kecil dari spektrum, sebagian besar gelombang radio, yang mewakili kurang dari sepermiliar dari satu persen spektrum keseluruhan, yang cocok untuk komunikasi nirkabel.

Peraturan Federal dan Penggunaan Spektrum

Pita pada sebagian kecil spektrum tersebut dikontrol dengan cermat oleh Komisi Komunikasi Federal (FCC), yang baru-baru ini menyediakan pita Rentang Frekuensi 3 (FR3), termasuk frekuensi dari sekitar 7 GHz hingga 24 GHz, untuk penggunaan komersial. (Satu hertz setara dengan satu osilasi dalam gelombang elektromagnetik yang melewati suatu titik setiap detik; satu gigahertz, atau GHz, adalah satu miliar osilasi per detik.)

Sampai saat ini, komunikasi nirkabel sebagian besar menggunakan pita frekuensi rendah. “Saat ini kami bekerja dari 600 MHz hingga 6 GHz,” kata Olsson. “Itu 5G, 4G, 3G.” Perangkat nirkabel menggunakan filter berbeda untuk frekuensi berbeda, sehingga mencakup semua frekuensi atau pita memerlukan filter dalam jumlah besar yang memakan banyak ruang. (Ponsel cerdas pada umumnya menyertakan lebih dari 100 filter, untuk memastikan bahwa sinyal dari pita berbeda tidak saling mengganggu.)

Filter baru, di tengah, jauh lebih kecil dibandingkan filter YIG lama, di bagian belakang. Kredit: Troy Olsson, Xingyu Du

“Pita FR3 kemungkinan besar akan diluncurkan untuk 6G atau Subsequent G,” kata Olsson, mengacu pada jaringan seluler generasi berikutnya, “dan saat ini kinerja teknologi filter kecil dan saklar low-loss pada pita tersebut sangat tinggi. terbatas. Memiliki filter yang dapat disesuaikan pada pita-pita tersebut berarti tidak perlu memasang 100+ filter lagi di ponsel Anda dengan banyak sakelar berbeda. Filter seperti yang kami buat adalah jalur paling memungkinkan untuk menggunakan pita FR3.”

Salah satu komplikasi yang ditimbulkan oleh penggunaan pita frekuensi yang lebih tinggi adalah banyaknya frekuensi yang telah dicadangkan untuk satelit. “Starlink milik Elon Musk berfungsi di band-band itu,” kata Olsson. “Militer—mereka telah disingkirkan dari banyak kelompok yang lebih rendah. Mereka tidak akan melepaskan frekuensi radar yang berada tepat di pita tersebut, atau komunikasi satelit mereka.”

Hasilnya, laboratorium Olsson—bekerja sama dengan rekannya Mark Allen, Alfred Fitler Moore Professor di ESE, dan Firooz Aflatouni, Affiliate Professor di ESE, dan kelompoknya masing-masing—merancang filter yang dapat disesuaikan, sehingga para insinyur dapat menggunakannya secara selektif. menyaring frekuensi yang berbeda, daripada harus menggunakan filter terpisah. “Menjadi merdu akan menjadi sangat penting,” lanjut Olsson, “karena pada frekuensi yang lebih tinggi, Anda mungkin tidak selalu memiliki blok spektrum khusus hanya untuk penggunaan komersial.”

Bahan Inovatif dan Teknologi yang Dapat Disesuaikan

Yang membuat filter dapat disesuaikan adalah bahan unik, “yttrium iron garnet” (YIG), campuran yttrium, logam tanah jarang, bersama dengan besi dan oksigen. “Yang istimewa dari YIG adalah ia menyebarkan gelombang putaran magnet,” kata Olsson, mengacu pada jenis gelombang yang tercipta dalam bahan magnetik ketika elektron berputar secara tersinkronisasi.

Saat terkena medan magnet, gelombang putaran magnet yang dihasilkan oleh YIG mengubah frekuensi. “Dengan menyesuaikan medan magnet,” kata Xingyu Du, seorang mahasiswa doktoral di laboratorium Olsson dan penulis pertama makalah tersebut, “filter YIG mencapai penyetelan frekuensi berkelanjutan pada pita frekuensi yang sangat luas.”

Hasilnya, filter baru ini dapat disetel ke frekuensi apa pun antara 3,4 GHz dan 11,1 GHz, yang mencakup sebagian besar wilayah baru yang dibuka FCC di pita FR3. “Kami berharap dapat menunjukkan bahwa satu filter yang dapat disesuaikan sudah cukup untuk semua pita frekuensi,” kata Du.

Selain dapat disetel, filter baru ini juga berukuran kecil—kira-kira berukuran seperempat, berbeda dengan filter YIG generasi sebelumnya, yang menyerupai paket besar kartu indeks.

Salah satu alasan mengapa filter baru ini berukuran sangat kecil, sehingga berpotensi dimasukkan ke dalam ponsel di masa depan, adalah karena filter ini memerlukan daya yang sangat kecil. “Kami memelopori desain sirkuit bias magnetik dengan daya nol-statis,” kata Du, mengacu pada jenis sirkuit yang menciptakan medan magnet tanpa memerlukan energi apa pun di luar pulsa sesekali untuk menyesuaikan kembali medan tersebut.

Meskipun YIG ditemukan pada tahun 1950an, dan filter YIG telah ada selama beberapa dekade, kombinasi sirkuit baru dengan movie YIG yang sangat tipis yang dibuat secara mikro di Pusat Nanoteknologi Singh secara dramatis mengurangi konsumsi daya dan ukuran filter baru. “Filter kami 10 kali lebih kecil dibandingkan filter YIG komersial saat ini,” kata Du.

Referensi: “Filter gelombang magnetostatik yang dapat disetel frekuensi dengan sirkuit biasing magnetik daya statis nol” oleh Xingyu Du, Mohamad Hossein Idjadi, Yixiao Ding, Tao Zhang, Alexander J. Geers, Shun Yao, Jun Beom Pyo, Firooz Aflatouni, Mark Allen dan Roy H .Olsson III, 27 April 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-47822-3

Pada bulan Juni, Olsson dan Du akan mempresentasikan filter baru di Simposium Microwave Internasional Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Microwave Principle and Strategies Society (MTT-S) 2024, di Washington, DC

Penelitian ini dilakukan di Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Pennsylvania. Hal ini didukung oleh hibah dari Protection Superior Analysis Tasks Company (FA8650-21-1-7010) dan memanfaatkan sumber daya yang disponsori oleh Nationwide Science Basis Nationwide Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NNCI-1542153).