Penn Engineers telah mengembangkan filter merdu menggunakan yttrium iron garnet (YIG) yang mengatasi masalah gangguan sinyal GPS di masa lalu dan mendukung komunikasi pita frekuensi tinggi di masa depan. Filter yang ringkas dan hemat daya ini menawarkan solusi terukur untuk teknologi nirkabel yang sedang berkembang. Kredit: Troy Olsson, Xingyu Du
Pada awal tahun 2010-an, LightSquared, sebuah startup bernilai miliaran dolar yang berjanji untuk 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 terulang kembali: filter yang dapat disesuaikan yang berhasil mencegah interferensi, bahkan pada pita frekuensi tinggi dalam spektrum elektromagnetik.
“Saya berharap ini akan memungkinkan komunikasi nirkabel generasi berikutnya,” kata Troy Olsson, Associate 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 modern; hanya sebagian kecil dari spektrum, sebagian besar gelombang radio, yang mewakili kurang dari sepermiliar dari satu persen spektrum total, yang cocok untuk komunikasi nirkabel.
Peraturan Federal dan Penggunaan Spektrum
Pita pada sebagian kecil spektrum dikontrol secara ketat 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, sama dengan 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 dilengkapi 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 belakang. Kredit: Troy Olsson, Xingyu Du
“Pita FR3 kemungkinan besar akan diluncurkan untuk 6G atau Next 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 tersebut berarti tidak perlu memasang 100+ filter lagi di ponsel Anda dengan banyak sakelar berbeda. Filter seperti yang kami buat adalah jalur yang paling mungkin untuk menggunakan pita FR3.”
Salah satu komplikasi yang disebabkan oleh penggunaan pita frekuensi yang lebih tinggi adalah banyaknya frekuensi yang dicadangkan untuk satelit. “Starlink milik Elon Musk berfungsi di band-band itu,” kata Olsson. “Militer—mereka telah dicopot dari banyak pangkat rendah. Mereka tidak akan melepaskan frekuensi radar yang berada tepat di pita itu, atau komunikasi satelit mereka.”
Hasilnya, laboratorium Olsson—bekerja sama dengan rekannya Mark Allen, Profesor Alfred Fitler Moore di ESE, dan Firooz Aflatouni, Associate 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
Apa 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 YIG berubah 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 lebar.”
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 disesuaikan, filter baru ini juga berukuran kecil—kira-kira berukuran seperempat, berbeda dengan filter YIG generasi sebelumnya, yang menyerupai sekumpulan besar kartu indeks.
Salah satu alasan mengapa filter baru ini berukuran sangat kecil sehingga berpotensi disertakan di ponsel masa depan adalah karena filter ini memerlukan daya yang sangat kecil. “Kami memelopori desain sirkuit bias magnetik 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 film YIG ultra tipis yang dibuat secara mikro di Pusat Nanoteknologi Singh secara signifikan 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 rangkaian 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 Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Microwave Theory and Techniques Society (MTT-S) 2024 International Microwave Symposium, di Washington, DC
Penelitian ini dilakukan di Fakultas Teknik dan Sains Terapan Universitas Pennsylvania. Hal ini didukung oleh hibah dari Defense Advanced Research Projects Agency (FA8650-21-1-7010) dan menggunakan sumber daya yang disponsori oleh National Science Foundation National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Program (NNCI-1542153).
NewsRoom.id
