2010 年代初，預計將徹底改變蜂窩通訊技術、價值數十億美元的新創公司LightSquared宣布破產。這是因為該公司無法解決如何防止其訊號幹擾GPS系統訊號的問題。現在，賓州大學的工程師們開發出了一種新工具，可以防止此類問題再次發生：一種可調式濾波器，可以成功地防止幹擾，甚至在電磁頻譜的較高頻段也是如此。

賓州大學的工程師利用釔鐵石榴石（YIG）開發出一種可調濾波器，解決了過去GPS 訊號幹擾的問題，並支援未來的高頻段通訊。這種濾波器結構緊湊、功耗低，為新興無線技術提供了可擴展的解決方案。來源：Troy Olsson、Xingyu Du

賓州大學工程學院電機與系統工程（ESE）副教授、《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上一篇​​介紹該濾波器的新論文的資深作者特洛伊-奧爾森（Troy Olsson）說：”我希望它能實現下一代無線通訊。

電磁頻譜本身是現代世界最寶貴的資源之一；只有極小部分頻譜適合用於無線通信，其中大部分是無線電波，佔整個頻譜的不到十億分之一。

聯邦通訊委員會（FCC）對這部分頻譜的頻段進行了嚴格控制，直到最近才將頻率範圍3（FR3）頻段（包括約7 千兆赫至24 千兆赫的頻率）用於商業用途。 (1赫茲相當於電磁波每秒經過一個點時的一次振盪；1千兆赫茲或吉赫茲相當於每秒經過十億次這樣的振盪）。

迄今為止，無線通訊大多使用較低的頻段。奧爾森說：”現在，我們的工作頻段為600 MHz 至6 GHz。這就是5G、4G 和3G。無線設備針對不同頻率使用不同的濾波器，因此覆蓋所有頻率或頻段需要大量濾波器，佔用大量空間。

中間的新濾光片比後面的老式YIG 濾光片小得多。圖片來源：Troy Olsson、Xingyu Du

Olsson說：”FR3頻段最有可能用於6G或Next G，目前，小型濾波器和低損耗開關技術在這些頻段的性能非常有限。擁有一個可在這些頻段進行調諧的濾波器，就意味著不必在手機中再安裝100多個濾波器和許多不同的開關。

使用更高頻率波段帶來的一個複雜問題是，許多頻率已保留給衛星使用。伊隆馬斯克的”星鏈”（Starlink）就在這些頻段工作，奧爾森指出。 “軍方已經被擠出了許多較低的頻段。但他們不會放棄位於這些頻段的雷達頻率，也不會放棄他們的衛星通訊。”

因此，Olsson 的實驗室與ESE 教授Alfred Fitler Moore Mark Allen 和ESE 副教授Firooz Aflatouni 以及他們各自的研究小組合作，設計出了可調濾波器，讓工程師可以用它來選擇性地過濾不同的頻率，而不必採用單獨的濾波器。可調諧性將變得非常重要，因為在這些較高的頻率上，可能不會總是有一塊專門用於商業用途的頻譜。

創新材料與可調節技術

這種濾波器之所以可以調節，是因為它採用了一種獨特的材料–“釔鐵石榴石”（YIG），這是一種稀土金屬釔與鐵和氧的混合物。 YIG 的特別之處在於它能傳播磁自旋波，這是電子以同步方式旋轉時在磁性材料中產生的波的類型。

當暴露在磁場中時，YIG 產生的磁自旋波會改變頻率。透過調節磁場，YIG 濾波器在極寬的頻帶內實現了連續的頻率調節。

因此，新的濾波器可以調整到3.4 GHz 到11.1 GHz 之間的任何頻率，涵蓋了FCC 在FR3 頻段開闢的大部分新領域。 Xingyu Du說：”我們希望證明，單一可適配濾波器就足以滿足所有頻段的要求。”

除了可調諧外，新型濾波器還非常小巧，大小與四分之一硬幣差不多，與前幾代YIG 濾波器形成鮮明對比，前幾代濾波器就像一大包索引卡。

這種新型濾波器之所以如此小巧，未來有可能被安裝到手機中，原因之一是它只需要很少的電能。 Du說：『我們率先設計了一種零靜態功率磁偏壓電路，”他指的是一種除了偶爾重新調整磁場的脈衝外，無需任何能量就能產生磁場的電路。

雖然YIG 早在20 世紀50 年代就被發現，而且YIG 濾波器也已經存在了幾十年，但將新型電路與辛格奈米技術中心微加工的極薄YIG 薄膜相結合，大大降低了新型濾波器的功耗和尺寸。新研發的濾波器比目前的商用YIG 濾波器小10 倍。

編譯自/ /scitechdaily