El espectro electromagnético es uno de los recursos más valiosos del mundo moderno, aunque solo una fracción diminuta de este, principalmente las ondas de radio, es adecuada para las comunicaciones inalámbricas. La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) controla rigurosamente las bandas disponibles en esta parte del espectro y, recientemente, ha abierto la banda de Frecuencia 3 (FR3), que abarca frecuencias de aproximadamente 7 GHz a 24 GHz, para uso comercial.
Según Troy Olsson, profesor asociado en Ingeniería Eléctrica y de Sistemas en Penn Engineering, esta nueva herramienta podría “permitir la próxima generación de comunicaciones inalámbricas”. Hasta ahora, las comunicaciones inalámbricas han utilizado predominantemente bandas de frecuencias más bajas. Olsson explica que actualmente se trabaja en un rango de 600 MHz a 6 GHz, lo que corresponde a las tecnologías 5G, 4G y 3G.
Los dispositivos inalámbricos requieren diferentes filtros para diversas frecuencias, lo que lleva a la necesidad de numerosos filtros para cubrir todas las bandas, ocupando un espacio considerable. Un smartphone típico contiene más de 100 filtros para evitar que las señales de diferentes bandas interfieran entre sí. La banda FR3 probablemente se implementará para 6G o Next G, y actualmente, el rendimiento de las tecnologías de filtros pequeños y conmutadores de baja pérdida en esas bandas es muy limitado. Tener un filtro sintonizable en esas bandas significa no tener que incorporar más de 100 filtros adicionales en los dispositivos.
El uso de bandas de frecuencias más altas presenta un desafío porque muchas frecuencias ya están reservadas para satélites. Olsson menciona que Starlink de Elon Musk opera dentro de esas bandas, y señala que el ejército ha ocupado muchas bandas más bajas, sin intención de ceder frecuencias de radar o comunicaciones satelitales.
El laboratorio de Olsson, en colaboración con Mark Allen y Firooz Aflatouni, diseñó un filtro ajustable que permite a los ingenieros filtrar selectivamente diferentes frecuencias, eliminando la necesidad de múltiples filtros separados. La capacidad de ajuste del filtro proviene de un material especial llamado «granate de hierro e itrio» (YIG), una mezcla de itrio, un metal de tierras raras, junto con hierro y oxígeno. Este material crea una onda de espín magnético, un tipo de onda formada en materiales magnéticos cuando los electrones giran de manera coordinada.
Al exponerse a un campo magnético, la onda de espín magnético generada por el YIG cambia su frecuencia, lo que permite que el filtro YIG logre una sintonización continua de frecuencia a través de un rango extremadamente amplio mediante ajustes en el campo magnético. Xingyu Du, estudiante de doctorado en el laboratorio de Olsson y primer autor del artículo, destaca que el nuevo filtro es notablemente pequeño, aproximadamente del tamaño de una moneda de veinticinco centavos, una mejora significativa respecto a generaciones anteriores de filtros YIG, que eran comparables en tamaño a grandes paquetes de tarjetas de índice.
Descubierto en la década de 1950, el YIG se ha utilizado en filtros durante décadas. Sin embargo, al integrar un circuito novedoso con películas extremadamente delgadas de YIG micromecanizadas en el Centro Singh para la Nanotecnología, el nuevo filtro logra una reducción significativa en el consumo de energía y el tamaño. “Nuestro filtro es 10 veces más pequeño que los filtros comerciales actuales de YIG”, dijo Du.
