به سوی ۶G و فراتر از آن!

مهندسان «دانشگاه پنسیلوانیا» با همکاری «فیروز افلاطونی» دانشمند ایرانی، یک دستگاه جدید ابداع کرده‌اند تا نسل جدیدی را از ارتباطات بی‌سیم ارائه دهند.

به گزارش ایسنا، استارت‌آپ چند میلیارد دلاری «لایت‌اسکوارد» (LightSquared) که یک انقلاب را در ارتباطات سلولی نوید می‌داد، در اوایل دهه ۲۰۱۰ اعلام ورشکستگی کرد، زیرا نتوانست بفهمد چگونه از بروز تداخل در سیگنال‌های سیستم‌های GPS جلوگیری کند.

اکنون مهندسان «دانشگاه پنسیلوانیا» (UPenn) یک دستگاه جدید ساخته‌اند که می‌تواند از تکرار چنین مشکلاتی جلوگیری کند. این دستگاه یک فیلتر قابل تنظیم شدن است که می‌تواند با موفقیت از بروز تداخل در فرکانس‌های بالاتر طیف الکترومغناطیسی جلوگیری کند.

«تروی اولسون» (Troy Olsson) دانشیار مهندسی برق و سیستم در دانشکده مهندسی دانشگاه پنسیلوانیا و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: امیدوارم که این دستگاه بتواند نسل بعدی ارتباطات بی‌سیم را فعال کند.

طیف الکترومغناطیسی یکی از گرانبهاترین منابع دنیای مدرن است. تنها بخش کوچکی از طیف -عمدتا امواج رادیویی- که کمتر از یک میلیاردم از یک درصد طیف کلی را نشان می‌دهد، برای ارتباطات بی‌سیم مناسب است.

باند‌های آن بخش از طیف به دقت توسط «کمیسیون ارتباطات فدرال آمریکا» (FCC) کنترل می‌شوند که اخیرا باند «محدوده فرکانس ۳» (FR۳) را شامل فرکانس‌هایی از حدود هفت گیگاهرتز تا ۲۴ گیگاهرتز برای استفاده تجاری در دسترس قرار داده است. یک هرتز معادل یک نوسان در یک موج الکترومغناطیسی است که در هر ثانیه از یک نقطه عبور می‌کند. یک گیگاهرتز، یک میلیارد نوسان در ثانیه است.

ارتباطات بی‌سیم تا به امروز، بیشتر از باند‌های فرکانس پایین‌تر استفاده می‌کردند. اولسون ادامه داد: در حال حاضر ما از ۶۰۰ مگاهرتز تا ۶ گیگاهرتز کار می‌کنیم که به معنای ۵G، ۴G و ۳G است.

دستگاه‌های بی‌سیم از فیلتر‌های متفاوتی برای فرکانس‌های گوناگون استفاده می‌کنند. این بدان معناست که پوشش همه فرکانس‌ها یا باند‌ها به تعداد زیادی فیلتر نیاز دارد و آن‌ها فضای قابل‌توجهی را اشغال می‌کنند. تلفن‌های هوشمند رایج شامل بیش از ۱۰۰ فیلتر هستند تا اطمینان حاصل شود که سیگنال‌های باند‌های گوناگون با یکدیگر تداخل ندارند.

اولسون با اشاره به نسل بعدی شبکه‌های سلولی گفت: باند محدوده فرکانس ۳ به احتمال زیاد برای ۶G یا «Next G» عرضه می‌شود و در حال حاضر عملکرد فیلتر‌های کوچک در آن باند‌ها بسیار محدود است. داشتن فیلتری که قابل تنظیم شدن در آن باند‌ها باشد، به این معناست که مجبور نیستید بیش از ۱۰۰ فیلتر دیگر را در تلفن خود قرار دهید. یک فیلتر مانند آنچه که ما ابداع کرده‌ایم، مناسب‌ترین روش برای استفاده از باند محدوده فرکانس ۳ است.

یکی از عوارض استفاده از باند‌های فرکانس بالاتر این است که بسیاری از فرکانس‌ها از پیش برای ماهواره‌ها رزرو شده‌اند. اولسون در ادامه گفت: ماهواره «استارلینک» (Starlink) متعلق به «ایلان ماسک» (Elon Musk) در آن گروه‌ها کار می‌کند.

در نتیجه، آزمایشگاه اولسون با کمک همکارانش «مارک آلن» (Mark Allen)، «آلفرد فیتلر مور» (Alfred Fitler Moore) و «فیروز افلاطونی»، فیلتر را به گونه‌ای طراحی کرد که قابل تنظیم باشد و مهندسان بتوانند به صورت انتخابی از آن استفاده کنند. بدین ترتیب، به جای استفاده از فیلتر‌های جداگانه می‌توان فرکانس‌های متفاوت را فیلتر کرد.

اولسون گفت: قابل تنظیم بودن این فناوری بسیار مهم خواهد بود، زیرا در فرکانس‌های بالاتر ممکن است همیشه یک مولفه اختصاصی از طیف را برای استفاده تجاری نداشته باشید.

اولسون با اشاره به نوع موجی که در مواد مغناطیسی هنگام چرخش هماهنگ الکترون‌ها ایجاد می‌شود، گفت: آنچه فیلتر را قابل تنظیم می‌کند، یک ماده منحصربه‌فرد موسوم به «گارنت ایتریم آهن» (YIG) است که ترکیبی از فلز خاکی کمیاب ایتریم، آهن و اکسیژن را در بر دارد. نکته ویژه درباره گارنت ایتریم آهن این است که یک موج مغناطیسی چرخشی را منتشر می‌کند.

هنگامی که موج مغناطیسی تولیدشده توسط گارنت ایتریم آهن در معرض یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، فرکانس را تغییر می‌دهد. «شینگیو دو» (Xingyu Du) از پژوهشگران این پروژه گفت: با تنظیم میدان مغناطیسی، فیلتر گارنت ایتریم آهن به تنظیم فرکانس پیوسته در یک باند فرکانسی بسیار وسیع دست می‌یابد.

در نتیجه، فیلتر جدید را می‌توان روی هر فرکانسی بین ۳.۴ گیگاهرتز و ۱۱.۱ گیگاهرتز تنظیم کرد که بخش زیادی از قلمرو جدید کمیسیون ارتباطات فدرال را در باند محدوده فرکانس ۳ پوشش می‌دهد. دو ادامه داد: ما امیدواریم که بتوانیم نشان دهیم یک فیلتر سازگار برای همه باند‌های فرکانس کافی است.

فیلتر جدید علاوه بر قابل تنظیم بودن، در مقایسه با نسل‌های پیشین فیلتر‌های گارنت ایتریم آهن، بسیار کوچک و تقریبا یک چهارم آن‌ها هستند.

یکی از دلایلی که فیلتر جدید بسیار کوچک است و می‌تواند در آینده به تلفن‌های همراه وارد شود، این است که به انرژی بسیار کمی نیاز دارد. شینگیو دو با اشاره به نوعی مدار که میدان مغناطیسی را بدون نیاز به انرژی فراتر از پالس گاه‌به‌گاه برای تنظیم مجدد میدان ایجاد می‌کند، گفت: ما در طراحی یک مدار با توان استاتیک صفر و بایاس مغناطیسی پیشگام بودیم.

اگرچه گارنت ایتریم آهن در دهه ۱۹۵۰ کشف شد و فیلتر‌های آن چندین دهه است که وجود دارند، اما ترکیب مدار جدید با لایه‌های بسیار نازک گارنت ایتریم آهن که در «مرکز نانوفناوری سینگ» (Singh Center for Nanotechnology) ساخته شده بودند، مصرف انرژی و اندازه فیلتر جدید را به طور چشمگیری کاهش دادند. دو گفت: فیلتر ما ۱۰ برابر کوچک‌تر از فیلتر‌های تجاری کنونی گارنت ایتریم آهن است.

این پژوهش در مجله «Nature Communications» به چاپ رسید.