Penn Engineers a développé un filtre accordable utilisant du grenat d'yttrium et de fer (YIG) qui résout les problèmes passés d'interférence des signaux GPS et prend en charge les futures communications sur la bande haute fréquence. Ce filtre compact et économe en énergie offre une solution évolutive pour les technologies sans fil émergentes. Crédit : Troy Olsson, Xingyu Du
Au début des années 2010, LightSquared, une startup multimilliardaire promettant de révolutionner les communications cellulaires, a déclaré faillite. L'entreprise ne parvenait pas à trouver comment empêcher ses signaux d'interférer avec ceux de GPS systèmes.
Aujourd'hui, les ingénieurs de Penn ont développé un nouvel outil qui pourrait empêcher que de tels problèmes ne se reproduisent : un filtre réglable capable d'empêcher avec succès les interférences, même dans les bandes de fréquences plus élevées du spectre électromagnétique.
« 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 d'un nouvel article dans Communications naturelles qui décrit le filtre.
Le spectre électromagnétique lui-même est l’une des ressources les plus précieuses du monde moderne ; seule une infime fraction du spectre, principalement les ondes radio, représentant moins d’un milliardième de un pour cent du spectre global, est adaptée à la communication sans fil.
Réglementations fédérales et utilisation du spectre
Les bandes de cette fraction du spectre sont soigneusement contrôlées par la Federal Communications Commission (FCC), qui n'a rendu disponible que récemment la bande Frequency Range 3 (FR3), comprenant des fréquences d'environ 7 GHz à 24 GHz, pour un usage commercial. (Un hertz équivaut à une seule oscillation d'une onde électromagnétique passant par un point chaque seconde ; un gigahertz, ou GHz, équivaut à un milliard de ces oscillations par seconde.)
Jusqu’à présent, les communications sans fil utilisaient principalement des bandes de fréquences inférieures. « Actuellement, nous travaillons entre 600 MHz et 6 GHz », explique Olsson. « C'est 5G, 4G, 3G. » Les appareils sans fil utilisent différents filtres pour différentes fréquences, ce qui a pour effet que la couverture de toutes les fréquences ou bandes nécessite un grand nombre de filtres qui occupent un espace considérable. (Un smartphone typique comprend plus de 100 filtres pour garantir que les signaux provenant de différentes bandes n'interfèrent pas les uns avec les autres.)

Le nouveau filtre, au milieu, est beaucoup plus petit que les anciens filtres YIG, à l'arrière. Crédit : Troy Olsson, Xingyu Du
« La bande FR3 est la plus susceptible d'être déployée pour la 6G ou Next G », déclare 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.
L’utilisation de bandes de fréquences plus élevées pose une difficulté : de nombreuses fréquences ont déjà été réservées aux satellites. « Starlink d'Elon Musk fonctionne dans ces groupes », note Olsson. « Les militaires – ils ont déjà été évincés de nombreux niveaux inférieurs. Ils ne vont pas abandonner les fréquences radar situées dans ces bandes, ni leurs communications par satellite. »
En conséquence, le laboratoire d'Olsson, en collaboration avec ses collègues Mark Allen, professeur Alfred Fitler Moore en ESE, et Firooz Aflatouni, professeur agrégé en ESE, et leurs groupes respectifs, a conçu le filtre pour qu'il soit réglable, afin que les ingénieurs puissent l'utiliser de manière sélective. filtrer différentes fréquences, plutôt que de devoir utiliser des filtres séparés. « Être accordable va être très important », poursuit Olsson, « car à ces fréquences plus élevées, vous ne disposerez peut-être pas toujours d'un bloc de spectre dédié uniquement à un usage commercial. »
Matériau innovant et technologie réglable
Ce qui rend le filtre réglable est un matériau unique, le « grenat d'yttrium et de fer » (YIG), un mélange d'yttrium, un métal des terres rares, ainsi que de fer et d'oxygène. « La particularité du YIG est qu'il propage une onde de spin magnétique », explique Olsson, faisant référence au type d'onde créée dans les matériaux magnétiques lorsque les électrons tournent de manière synchronisée.
Lorsqu'elle est exposée à un champ magnétique, l'onde de spin magnétique générée par YIG change de fréquence. « En ajustant le champ magnétique », explique Xingyu Du, doctorant dans le laboratoire d'Olsson et premier auteur de l'article, « le filtre YIG permet un réglage continu de la fréquence sur une bande de fréquences extrêmement large. »
En conséquence, le nouveau filtre peut être réglé sur n'importe quelle fréquence comprise entre 3,4 GHz et 11,1 GHz, ce qui couvre une grande partie du nouveau territoire ouvert par la FCC dans la bande FR3. « Nous espérons démontrer qu'un seul filtre adaptable suffit pour toutes les bandes de fréquences », explique Du.
En plus d'être réglable, le nouveau filtre est également minuscule : environ la même taille qu'un quart, contrairement aux générations précédentes de filtres YIG, qui ressemblaient à de gros paquets de fiches.
L’une des raisons pour lesquelles le nouveau filtre est si petit et pourrait donc potentiellement être inséré dans les téléphones mobiles à l’avenir est qu’il nécessite très peu d’énergie. « Nous avons été pionniers dans la conception d'un circuit à polarisation magnétique à puissance statique nulle », explique Du, faisant référence à un type de circuit qui crée un champ magnétique sans nécessiter d'énergie au-delà d'une impulsion occasionnelle pour réajuster le champ.
Alors que le YIG a été découvert dans les années 1950 et que les filtres YIG existent depuis des décennies, la combinaison du nouveau circuit avec des films YIG extrêmement fins micro-usinés au Singh Center for Nanotechnology a considérablement réduit la consommation électrique et la taille du nouveau filtre. « Notre filtre est 10 fois plus petit que les filtres YIG commerciaux actuels », explique Du.
En juin, Olsson et Du présenteront le nouveau filtre au symposium international sur les micro-ondes 2024 de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Microwave Theory and Techniques Society (MTT-S), à Washington, DC.
Cette étude a été menée à la School of Engineering and Applied Science de l’Université de Pennsylvanie. Il a été soutenu par une subvention de la Defense Advanced Research Projects Agency (FA8650-21-1-7010) et a utilisé des ressources parrainées par le Programme national d'infrastructure coordonnée en nanotechnologie de la National Science Foundation (NNCI-1542153).