به سمت نسل ششم ارتباطات و بیشتر از آن!

تیم مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا به همراه «فیروز افلاطونی»، دانشمند مشهور ایرانی، موفق به طراحی و توسعه یک دستگاه نوین شده است که وعده نسل جدیدی از ارتباطات بی‌سیم را می‌دهد.

استارت‌آپ میلیارد دلاری «لایت‌اسکوارد» (LightSquared) که قرار بود تحول بزرگی در دنیای ارتباطات سلولی ایجاد کند، در آغاز دهه ۲۰۱۰ به ورشکستگی رسید، چراکه نتوانست مشکل تداخل سیگنال‌ها را با سیستم‌های GPS حل کند.

اکنون، مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا (UPenn) دستگاهی جدید طراحی کرده‌اند که قادر به پیشگیری از بروز چنین مشکلاتی است. این دستگاه در حقیقت فیلتر قابل تنظیمی است که می‌تواند به طور موثر از تداخل در فرکانس‌های بالاتر طیف الکترومغناطیسی جلوگیری کند.

«تروی اولسون» (Troy Olsson)، دانشیار مهندسی برق و سیستم و محقق ارشد این پروژه، ابراز امیدواری کرد که این دستگاه بتواند محرک نسل بعدی فناوری‌های ارتباطات بی‌سیم باشد.

طیف الکترومغناطیسی یکی از ارزشمندترین منابع در عصر حاضر به شمار می‌آید. تنها درصد کوچکی از این طیف – بیشتر شامل امواج رادیویی – برای ارتباطات بی‌سیم مناسب است و کمتر از یک میلی‌درصد از کل طیف را در بر می‌گیرد.

باندهای این بخش از طیف به‌طور دقیق توسط «کمیسیون ارتباطات فدرال آمریکا» (FCC) رصد و کنترل می‌شوند. اخیراً، باند «محدوده فرکانس ۳» (FR3) ایجاد شده است که شامل فرکانس‌هایی از حدود هفت گیگاهرتز تا ۲۴ گیگاهرتز برای دسترسی تجاری می‌باشد. هر هرتز معادل یک نوسان در یک موج الکترومغناطیسی است که در هر ثانیه از یک نقطه می‌گذرد و یک گیگاهرتز برابر با یک میلیارد نوسان در ثانیه‌است.

از زمان گذشته، فناوری ارتباطات بی‌سیم عمدتاً از باندهای فرکانس پایین‌تر استفاده کرده است. اولسن ادامه داد: ما اکنون در محدوده‌ای از ۶۰۰ مگاهرتز تا ۶ گیگاهرتز فعالیت داریم که نشان‌دهنده فناوری ۵G، ۴G و ۳G است.

دستگاه‌های بی‌سیم به فیلترهای خاصی برای فرکانس‌های مختلف احتیاج دارند. این بدان معناست که برای پوشش‌دهی به تمامی فرکانس‌ها یا باندها، نیاز به چندین فیلتر است که فضای زیادی را اشغال می‌کنند. برای مثال، تلفن‌های هوشمند متداول بیش از ۱۰۰ فیلتر دارند تا اطمینان حاصل کنند که سیگنال‌های مختلف باندها با یکدیگر تداخل نکنند.

اولسن در اشاره به نسل آینده شبکه‌های سلولی، افزود: باند محدوده فرکانس ۳ به احتمال بسیار زیاد برای ۶G یا «Next G» به کار گرفته خواهد شد، و در حال حاضر عملکرد فیلترهای کوچک در این باندها محدود است. داشتن فیلتری که قابلیت تنظیم در این باندها را داشته باشد، به این معناست که نیازی به ۱۰۰ فیلتر جداگانه در تلفن نخواهید داشت. فیلتر ابداعی ما مناسب‌ترین گزینه برای استفاده در باند محدوده فرکانس ۳ محسوب می‌شود.

یکی از چالش‌های استفاده از باندهای فرکانس بالاتر، این است که بسیاری از آن فرکانس‌ها از پیش توسط ماهواره‌ها محفوظ هستند. اولسن خاطرنشان کرد: ماهواره «استارلینک» (Starlink) وابسته به «ایلان ماسک» (Elon Musk) در این دسته قرار می‌گیرد.

بنابراین، آزمایشگاه اولسون با همکاری همکارانش «مارک آلن» (Mark Allen)، «آلفرد فیتلر مور» (Alfred Fitler Moore) و «فیروز افلاطونی»، فیلتر را به‌صورتی طراحی کردند که قابلیت تنظیم داشته باشد و مهندسان بتوانند به‌صورت انتخابی از آن استفاده کنند. بدین ترتیب، به جای نیاز به فیلترهای جداگانه، می‌توان فرکانس‌های مختلف را جداسازی کرد.

اولسن بیان کرد: قابلیت تنظیم این تکنولوژی حیاتی خواهد بود، چراکه در فرکانس‌های بالاتر ممکن است همیشه یک مولفه خاص از طیف برای استفاده تجاری در دسترس نباشد.

او ادامه داد: فیلتر قابل تنظیم ما به واسطه نوع موجی که در مواد مغناطیسی ناشی از چرخش هم‌زمان الکترون‌ها ایجاد می‌شود، کارایی بالایی دارد. ماده‌ای که قابلیت تنظیم فیلتر را فراهم می‌کند، «گارنت ایتریم آهن» (YIG) نام دارد که ترکیبی از فلز خاکی کمیاب ایتریم، آهن و اکسیژن است. ویژگی خاص گارنت ایتریم آهن این است که موج مغناطیسی چرخشی را تولید می‌کند.

زمانی که این موج مغناطیسی در معرض یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، فرکانس آن تغییر می‌کند. «شینگیو دو» (Xingyu Du) یکی از پژوهشگران این پروژه اظهار داشت: با تنظیم میدان مغناطیسی، فیلتر گارنت ایتریم آهن می‌تواند فرکانس را به‌طور پیوسته در یک ناحیه وسیع تنظیم کند.

با این روند، فیلتر جدید قابلیت تنظیم بر هر فرکانسی بین ۳.۴ گیگاهرتز تا ۱۱.۱ گیگاهرتز را دارد و این دامنه گسترده‌ای از قلمرو جدید کمیسیون ارتباطات فدرال در باند محدوده فرکانس ۳ را پوشش می‌دهد. دو گفت: ما امیدواریم که بتوانیم ثابت کنیم یک فیلتر سازگار برای تمامی باندهای فرکانس کافی خواهد بود.

این فیلتر جدید به‌طور قابل‌توجهی کوچک تر از نسل‌های قبلی فیلترهای گارنت ایتریم آهن است و تقریباً یک چهارم حجم آن‌ها را داراست.

یکی از دلایل کوچک بودن فیلتر جدید و قابلیت ورود آن به بازار تلفن‌های همراه در آینده، نیاز آن به انرژی بسیار کم است. شینگیو دو به نوعی مدار اشاره کرد که میدان مغناطیسی را تنها با پالس‌های گاه‌به‌گاه برای تنظیم مجدد میدان، بدون نیاز به مصرف انرژی بیشتر، ایجاد می‌کند. ما در طراحی یک مدار با توان استاتیک صفر و بایاس مغناطیسی نوآورانه تلاش کرده‌ایم.

اگرچه گارنت ایتریم آهن در دهه ۱۹۵۰ کشف شده و فیلترهای آن از چندین دهه پیش وجود دارد، اما ترکیب این مدار با لایه‌های بسیار نازک گارنت ایتریم آهن که در «مرکز نانوفناوری سینگ» (Singh Center for Nanotechnology) تولید شده، به شکل چشمگیری اندازه و مصرف انرژی فیلتر جدید را کاهش داده است. دو اضافه کرد: فیلتر ما ۱۰ برابر کوچک‌تر از فیلترهای تجاری کنونی گارنت ایتریم آهن است.

این تحقیق در مجله «Nature Communications» منتشر شده است.