Una estimada colega nos comparte el presente artículo escrito por Ian Scheffler, publicado en la sección Penn Engineering Today en la Página Web de la University of Pennsylvania (UPenn) y traducido por nosotros para este espacio. Veamos de quÉ se trata….
A principios de la década de 2010, LightSquared, una multimillonaria startup (nueva empresa de base tecnológica) que prometía revolucionar las comunicaciones móviles, se declaró en quiebra. La empresa no sabía cómo evitar que sus señales interfirieran con las de los sistemas GPS.
Ahora, Penn Engineers de UPenn ha desarrollado una nueva herramienta que podría evitar que estos problemas vuelvan a ocurrir: un filtro ajustable que puede prevenir con éxito interferencias, incluso en bandas de frecuencia más altas del espectro electromagnético.
"Espero que este filtro permita generar la próxima generación de comunicaciones inalámbricas", dice Troy Olsson, profesor asociado de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas (ESE por sus siglas en ingés) en Penn Engineering y autor principal de un artículo en Nature Communications que describe el filtro.
El espectro electromagnético en sí es uno de los recursos más preciados del mundo moderno; sólo una pequeña fracción del espectro, principalmente ondas de radio, que representan menos de una milmillonésima parte del uno por ciento del espectro total, es adecuada para la comunicación inalámbrica.
Las bandas de esa fracción del espectro están cuidadosamente controladas por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC), que recientemente puso a disposición para uso comercial la banda del Rango de Frecuencia 3 (FR3), la cual incluye frecuencias de aproximadamente 7 GHz a 24 GHz. (Un hercio equivale a una sola oscilación en una onda electromagnética que pasa por un punto cada segundo; un gigahercio, o GHz, son mil millones de oscilaciones por segundo).
Los dispositivos inalámbricos utilizan diferentes filtros para diferentes frecuencias, con el objetivo de que cubrir todas las frecuencias o bandas que se requieren bloquear requiere una gran cantidad de filtros que ocupan un espacio sustancial. (El teléfono inteligente típico incluye más de 100 filtros para garantizar que las señales de diferentes bandas no interfieran entre sí).
"Es muy probable que la banda FR3 se lance para 6G o Next G", dice Olsson, refiriéndose a la próxima generación de redes celulares, "y en este momento el rendimiento de las tecnologías de conmutación de baja pérdida y filtro pequeño en esas bandas es altamente limitado. Tener un filtro que pueda sintonizarse en esas bandas significa no tener que colocar más de 100 filtros en su teléfono con muchos interruptores diferentes. Un filtro como el que creamos es el camino más viable para usar la banda FR3".
Una complicación que plantea el uso de bandas de frecuencias más altas es que muchas frecuencias ya han sido reservadas para satélites. "Starlink de Elon Musk funciona en esas bandas", señala Olsson. "Los militares ya han sido desplazados de muchas bandas inferiores. No van a renunciar a las frecuencias de radar que se encuentran justo en esas bandas, ni a sus comunicaciones por satélite".
Como resultado, el laboratorio de Olsson, en colaboración con sus colegas Mark Allen, profesor de la catedra Alfred Fitler Moore en ESE, y Firooz Aflatouni, profesor asociado en ESE, y sus respectivos grupos, diseñaron el filtro para que sea ajustable, de modo que los ingenieros puedan usarlo para seleccionar filtrar diferentes frecuencias, en lugar de tener que emplear filtros separados.
"Ser sintonizable será realmente importante", continúa Olsson, "porque en estas frecuencias más altas es posible que no siempre se tenga un bloque de espectro dedicado solo para uso comercial".
Lo que hace que el filtro sea ajustable es un material único, el "granate de itrio y hierro" (YIG por sus siglas en inglés), una mezcla de itrio, un metal de tierras raras, junto con hierro y oxígeno. "Lo que tiene de especial YIG es que propaga una onda de espín magnético", dice Olsson, refiriéndose al tipo de onda creada en materiales magnéticos cuando los electrones giran de forma sincronizada.
Cuando se expone a un campo magnético, la onda de giro magnético generada por YIG cambia de frecuencia. "Al ajustar el campo magnético", dice Xingyu Du, estudiante de doctorado en el laboratorio de Olsson y primer autor del artículo, "el filtro YIG logra una sintonización de frecuencia continua en una banda de frecuencia extremadamente amplia".
Como resultado, el nuevo filtro se puede sintonizar a cualquier frecuencia entre 3.4 GHz y 11.1 GHz, lo que cubre gran parte del nuevo territorio que la FCC ha abierto en la banda FR3. "Esperamos demostrar que un único filtro adaptable es suficiente para todas las bandas de frecuencia", afirma Du.
Además de ser ajustable, el nuevo filtro también es pequeño: aproximadamente del mismo tamaño que una moneda de veinticinco centavos, en contraste con las generaciones anteriores de filtros YIG, que parecían grandes paquetes de fichas.
Una de las razones por las que el nuevo filtro es tan pequeño y, por lo tanto, podría insertarse en teléfonos móviles en el futuro, es que requiere muy poca energía. "Fuimos pioneros en el diseño de un circuito de polarización magnética y potencia estática cero", dice Du, refiriéndose a un tipo de circuito que crea un campo magnético sin requerir ninguna energía más allá del pulso ocasional para reajustar el campo.
Si bien YIG se descubrió en la década de 1950, y los filtros YIG han existido durante décadas, la combinación del novedoso circuito con películas YIG extremadamente delgadas micromecanizadas en el Centro Singh de Nanotecnología redujo drásticamente el consumo de energía y el tamaño del nuevo filtro. "Nuestro filtro es 10 veces más pequeño que los filtros YIG comerciales actuales", afirma Du.
En junio, Olsson y Du presentarán el nuevo filtro en el Simposio Internacional de Microondas de la Sociedad de Teoría y Técnicas de Microondas (MTT-S) del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) 2024, en Washington, D.C.
