CRÊME PHILADELPHIA – Si vous avez déjà utilisé un smartphone, un appareil de streaming ou tout autre gadget sans fil, vous avez déjà expérimenté la magie des filtres radiofréquences (RF). Ces héros méconnus trient le désordre des signaux qui rebondissent sur les ondes pour régler exactement les fréquences dont votre appareil a besoin tout en bloquant tout le bruit et les interférences. Désormais, un nouveau filtre révolutionnaire aussi petit qu’un quart pourrait bientôt ouvrir la porte aux signaux sans fil 6G !

Les chercheurs de Penn Engineering expliquent qu'à mesure que les nouvelles technologies comme la 5G et éventuellement Déploiement de la 6G Avec l'augmentation rapide du nombre de bandes sans fil, l'ancienne approche consistant à utiliser des filtres fixes séparés pour chaque canal devient intenable. Ce serait comme avoir besoin d’un garde du corps différent pour vous faire entrer dans chaque pièce dans laquelle vous entrez. La complexité et l’inefficacité seraient écrasantes.

C'est pourquoi un nouveau produit innovant « filtre à tous les métiers » développé par des ingénieurs de l’Université de Pennsylvanie pourrait changer la donne. Il s'agit d'un filtre miniature unique qui peut s'ajuster dynamiquement pour laisser passer toutes les fréquences souhaitées tout en gardant la racaille à l'écart. Un filtre pour les gouverner tous, pour ainsi dire.

« J'espère que cela permettra la prochaine génération de communications sans fil », déclare Troy Olsson, professeur agrégé en génie électrique et des systèmes (ESE) à Penn Engineering et auteur principal de la nouvelle étude en Communications naturelles.

La clé réside dans un film ultra-mince d'un matériau magnétique appelé grenat d'yttrium et de fer (YIG). Lorsqu'il est exposé à un champ magnétique, ce film YIG peut générer des ondes microscopiques appelées ondes magnétostatiques qui résonnent à différentes fréquences en fonction de la force du champ magnétique appliqué.

C'est similaire à la façon dont le serrage ou le desserrage d'une corde de guitare modifie la hauteur des vibrations. Sauf que dans ce cas, les « cordes » sont formées par des ondes de spin ondulant à travers les champs de force moléculaire des atomes magnétisés. En manipulant soigneusement le champ magnétique à travers le film YIG, les fréquences de ces ondes magnétostatiques peuvent être ajustées en continu.

L'un des défis les plus difficiles consistait à trouver comment générer ce champ magnétique réglable dans un boîtier ultra-compact et à faible consommation adapté aux appareils mobiles minces et aux capteurs Internet d'aujourd'hui. Les filtres YIG traditionnels reposent souvent sur des électro-aimants encombrants et gourmands en énergie, de la taille d'une canette de soda, ce qui est totalement peu pratique pour les systèmes modernes. smartphones et équipements sans fil.

Les ingénieurs de Penn ont résolu ce problème avec un circuit de réglage magnétique remarquablement simple mais brillant, de la taille de quelques piles AA. Il combine un aimant permanent avec des aimants mobiles « programmables » qui peuvent remodeler le modèle de champ magnétique à la demande à l’aide de courtes impulsions électriques. Mais voici la partie ingénieuse : une fois que les aimants mobiles se verrouillent dans l'état magnétique souhaité, le circuit n'utilise littéralement aucune énergie pour maintenir cette tonalité magnétique.

Leur filtre de validation de principe ne mesure que 1,68 centimètre cube, soit à peu près la taille d'une petite figurine Lego typique. Pourtant, ce petit appareil peut s'accorder sur une gamme incroyablement large de fréquences allant de 3,4 à 11,1 gigahertz, couvrant l'ensemble du spectre 6G prévu et plus encore, dans un seul filtre réglable en continu.

« Actuellement, nous travaillons entre 600 MHz et 6 GHz », explique Olsson. « C'est 5G, 4G, 3G. »

« La bande FR3 est la plus susceptible d'être déployée pour la 6G ou Next G », poursuit Olsson, faisant référence à la prochaine génération de réseaux cellulaires, « et à l'heure actuelle, les performances des technologies de petit filtre et de commutation à faible perte dans ces bandes sont très élevées. limité. Avoir un filtre réglable sur ces bandes signifie ne pas avoir à installer plus de 100 filtres supplémentaires dans votre téléphone avec de nombreux commutateurs différents. Un filtre comme celui que nous avons créé est la voie la plus viable pour utiliser la bande FR3.

Cependant, il ne s’agit pas seulement de cette plage de réglage phénoménale. Le filtre présente également une perte de signal exceptionnellement faible de seulement trois à cinq décibels et un rejet exceptionnel des signaux d'interférence dans les bandes hors fréquence. Ce sont des traits extrêmement importants pour empêchant la diaphonie sans fil et préserver l’intégrité du signal dans les environnements encombrés.

Même si l’application initiale la plus évidente consiste à rationaliser les frontaux de radiofréquence des smartphones et des appareils Internet, les impacts potentiels s’étendent bien au-delà des produits mobiles grand public. Cette adaptabilité pourrait être transformatrice pour les radios cognitives, les communications par satellite, les systèmes radar multibandes et l'atténuation des interférences au niveau des stations de base pour la 5G, la 6G et d'autres technologies avancées. réseaux sans fil.

« Être accordable va être très important », poursuit Olsson, « car à ces fréquences plus élevées, vous ne disposerez pas toujours d'un bloc de spectre dédié uniquement à un usage commercial. »

Tout comme les cristaux de quartz permettent les circuits de synchronisation précis désormais intégrés dans tous les composants électroniques, ces filtres magnétostatiques accordables pourraient devenir un élément essentiel de tout système nécessitant un filtrage intelligent et une agilité de fréquence sur une large bande du spectre radio.

La possibilité de passer instantanément d'une fréquence sans fil à l'autre dans un boîtier minuscule et de faible consommation ouvre de nouvelles possibilités quant à la conception des systèmes multifréquences et à la manière dont nous gérons efficacement le bien de plus en plus encombré et précieux qu'est le spectre radio. Qu'il s'agisse de diffuser des films ultra-HD, d'exploiter des flottes de véhicules autonomes ou orchestrer les futures opérations de ville intelligenteces filtres accordables peuvent harmoniser la symphonie sans fil de notre monde hyper-connecté.

Chris Melore, rédacteur en chef de StudyFinds, a contribué à ce rapport.