Verso il 6G e oltre: gli ingegneri sbloccano la prossima generazione di comunicazioni wireless

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All’inizio degli anni 2010, LightSquared, una startup miliardaria, fallì a causa delle interferenze con i sistemi GPS. Ora, gli ingegneri dell’Università della Pennsylvania hanno sviluppato una soluzione innovativa: un filtro regolabile che previene le interferenze anche nelle frequenze più alte dello spettro elettromagnetico.

Lo spettro elettromagnetico è una risorsa preziosa. Solo una piccola parte, principalmente onde radio, è utilizzabile per le comunicazioni wireless. La Federal Communications Commission (FCC) controlla queste bande e recentemente ha reso disponibile la banda di Frequenza 3 (FR3), da 7 GHz a 24 GHz, per uso commerciale.  Troy Olsson, professore di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi a Penn Engineering e autore principale di uno studio pubblicato su Nature Communications, ha così commentato la scoperta:

Spero che questo filtro possa abilitare la prossima generazione di comunicazioni wireless. Finora, le comunicazioni wireless hanno utilizzato bande a frequenza più bassa, come il 5G, 4G e 3G. Attualmente lavoriamo da 600 MHz a 6 GHz. I dispositivi wireless usano vari filtri per diverse frequenze, occupando molto spazio. La banda FR3 sarà probabilmente utilizzata per il 6G. Un filtro regolabile può evitare l’uso di oltre 100 filtri nel tuo telefono.

Come Funziona il Filtro Regolabile

Molte frequenze ad alta frequenza sono già riservate per i satelliti. “Starlink di Elon Musk opera in quelle bande,” osserva Olsson. Il filtro progettato dai ricercatori è regolabile, consentendo di filtrare diverse frequenze senza dover utilizzare filtri separati. “Essere regolabili sarà molto importante,” continua Olsson, “perché potresti non avere sempre un blocco di spettro dedicato solo per uso commerciale.”

Il materiale che rende il filtro regolabile è la “granata di ferro e ittrio” (YIG), una miscela di ittrio, ferro e ossigeno. “YIG propaga un’onda di spin magnetico,” spiega Olsson. Quando esposto a un campo magnetico, l’onda di spin magnetico cambia frequenza, come spiegato da Xingyu Du, dottorando nel laboratorio di Olsson e primo autore dell’articolo:

Regolando il campo magnetico il filtro YIG copre un’ampia banda di frequenze.

Il nuovo filtro copre frequenze tra 3.4 GHz e 11.1 GHz, la maggior parte del nuovo territorio aperto dalla FCC nella banda FR3. È anche molto piccolo, delle dimensioni di una moneta, rispetto alle versioni precedenti che erano grandi come pacchetti di schede. Inoltre, richiede pochissima energia, come sottolineato da Du:

Speriamo di dimostrare che un unico filtro adattabile sia sufficiente per tutte le bande di frequenza. Abbiamo innovato un circuito magnetico a potenza zero. Il nostro filtro è 10 volte più piccolo rispetto ai filtri YIG commerciali attuali.

Lo YIG esiste dagli anni ’50, ma la combinazione con film sottilissimi di YIG ha ridotto drasticamente il consumo di energia e la dimensione del nuovo filtro.  A giugno, Olsson e Du presenteranno il nuovo filtro al Simposio Internazionale IEEE 2024 della Microwave Theory and Techniques Society (MTT-S) a Washington, D.C.