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Os engenheiros da Penn desenvolveram um filtro sintonizável usando granada de ítrio e ferro (YIG) que aborda problemas anteriores com interferência de sinal GPS e oferece suporte a comunicações futuras em banda de alta frequência. Este filtro compacto e com baixo consumo de energia oferece uma solução escalonável para tecnologias sem fio emergentes. Crédito: Troy Olsson, Xingyu Du
No início de 2010, LuzQuadrada, uma startup multibilionária que promete revolucionar as comunicações celulares, declarou falência. A empresa não conseguia descobrir como evitar que seus sinais interferissem nos de GPS sistemas.
Agora, os engenheiros da Penn desenvolveram uma nova ferramenta que pode evitar que tais problemas aconteçam novamente: um filtro ajustável que pode prevenir interferências com sucesso, mesmo em bandas de frequência mais altas do espectro eletromagnético.
“Espero que isso possibilite a próxima geração de comunicações sem fio”, diz Troy Olsson, professor associado de Engenharia Elétrica e de Sistemas (ESE) na Penn Engineering e autor sênior de um novo artigo em Comunicações da Natureza que descreve o filtro.
O próprio espectro eletromagnético é um dos recursos mais preciosos do mundo moderno; apenas uma pequena fração do espectro, principalmente ondas de rádio, representando menos de um bilionésimo de um por cento do espectro total, é adequada para comunicação sem fio.
Regulamentações federais e uso do espectro
As bandas dessa fração do espectro são cuidadosamente controladas pela Federal Communications Commission (FCC), que só recentemente disponibilizou a banda Frequency Range 3 (FR3), incluindo frequências de cerca de 7 GHz a 24 GHz, para uso comercial. (Um hertz é equivalente a uma única oscilação em uma onda eletromagnética que passa por um ponto a cada segundo; um gigahertz, ou GHz, é um bilhão dessas oscilações por segundo.)
Até o momento, as comunicações sem fio têm usado principalmente bandas de frequência mais baixa. “No momento trabalhamos de 600 MHz a 6 GHz”, diz Olsson. “Isso é 5G, 4G, 3G.” Os dispositivos sem fio usam filtros diferentes para frequências diferentes, fazendo com que a cobertura de todas as frequências ou bandas exija um grande número de filtros que ocupam um espaço substancial. (Um smartphone típico inclui mais de 100 filtros, para garantir que sinais de bandas diferentes não interfiram entre si.)
O novo filtro, do meio, é muito menor que os filtros YIG mais antigos, na parte traseira. Crédito: Troy Olsson, Xingyu Du
“É mais provável que a banda FR3 seja lançada para 6G ou Next G”, diz Olsson, referindo-se à próxima geração de redes celulares, “e neste momento o desempenho das tecnologias de filtro pequeno e switch de baixa perda nessas bandas é altamente limitado. Ter um filtro que pode ser ajustado nessas bandas significa não ter que instalar mais de 100 filtros em seu telefone com muitos interruptores diferentes. Um filtro como o que criamos é o caminho mais viável para usar a banda FR3.”
Uma complicação colocada pela utilização de bandas de frequência mais elevadas é que muitas frequências já foram reservadas para satélites. “O Starlink de Elon Musk trabalha nessas bandas”, observa Olsson. “Os militares – eles já foram excluídos de muitas faixas inferiores. Eles não vão abrir mão das frequências de radar que ficam nessas bandas, ou de suas comunicações por satélite.”
Como resultado, o laboratório de Olsson – em colaboração com os colegas Mark Allen, Alfred Fitler Moore Professor na ESE, e Firooz Aflatouni, Professor Associado na ESE, e seus respectivos grupos – projetou o filtro para ser ajustável, para que os engenheiros possam usá-lo para seletivamente filtrar frequências diferentes, em vez de empregar filtros separados. “Ser sintonizável será muito importante”, continua Olsson, “porque nessas frequências mais altas, nem sempre você terá um bloco de espectro dedicado apenas para uso comercial”.
Material inovador e tecnologia ajustável
O que torna o filtro ajustável é um material único, “granada de ítrio e ferro” (YIG), uma mistura de ítrio, um metal de terras raras, junto com ferro e oxigênio. “O que há de especial no YIG é que ele propaga uma onda de spin magnético”, diz Olsson, referindo-se ao tipo de onda criada em materiais magnéticos quando os elétrons giram de forma sincronizada.
Quando exposta a um campo magnético, a onda de spin magnético gerada pelo YIG muda de frequência. “Ao ajustar o campo magnético”, diz Xingyu Du, estudante de doutorado no laboratório de Olsson e primeiro autor do artigo, “o filtro YIG consegue sintonia contínua de frequência em uma banda de frequência extremamente ampla”.
Como resultado, o novo filtro pode ser sintonizado em qualquer frequência entre 3,4 GHz e 11,1 GHz, o que cobre grande parte do novo território que a FCC abriu na banda FR3. “Esperamos demonstrar que um único filtro adaptável é suficiente para todas as bandas de frequência”, diz Du.
Além de ser ajustável, o novo filtro também é minúsculo – aproximadamente do mesmo tamanho de uma moeda de 25 centavos, em contraste com as gerações anteriores de filtros YIG, que pareciam grandes pacotes de fichas.
Uma razão pela qual o novo filtro é tão pequeno e, portanto, poderia ser inserido em telefones celulares no futuro, é que ele requer muito pouca energia. “Fomos pioneiros no projeto de um circuito de polarização magnética com potência estática zero”, diz Du, referindo-se a um tipo de circuito que cria um campo magnético sem exigir qualquer energia além do pulso ocasional para reajustar o campo.
Embora o YIG tenha sido descoberto na década de 1950 e os filtros YIG existam há décadas, a combinação do novo circuito com filmes YIG extremamente finos microusinados no Centro Singh de Nanotecnologia reduziu drasticamente o consumo de energia e o tamanho do novo filtro. “Nosso filtro é 10 vezes menor que os filtros YIG comerciais atuais”, diz Du.
Referência: “Filtros de onda magnetostática ajustáveis em frequência com circuito de polarização magnética de potência estática zero” por Xingyu Du, Mohamad Hossein Idjadi, Yixiao Ding, Tao Zhang, Alexander J. Geers, Shun Yao, Jun Beom Pyo, Firooz Aflatouni, Mark Allen e Roy H Olsson III, 27 de abril de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-47822-3
Em junho, Olsson e Du apresentarão o novo filtro na Sociedade de Teoria e Técnicas de Microondas do Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE) de 2024 (MTT-S). Simpósio Internacional de Microondasem Washington, DC
Este estudo foi conduzido na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia. Foi apoiado por uma doação da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (FA8650-21-1-7010) e fez uso de recursos patrocinados pelo Programa Nacional de Infraestrutura Coordenada em Nanotecnologia da National Science Foundation (NNCI-1542153).
