6G 무선 신호의 문을 열어주는 혁신적인 1/4 크기 필터

스마트폰, 스트리밍 장치 또는 기타 무선 장치를 사용해 본 적이 있다면 무선 주파수(RF) 필터의 마법을 직접 경험해 보셨을 것이다. 이 알려지지 않은 영웅들은 전파 주위로 튀는 뒤죽박죽된 신호를 분류하여 모든 소음과 간섭을 차단하면서 장치에 필요한 주파수를 정확하게 조정한다. 이제 1/4만큼 작은 혁신적인 새 필터가 곧 6G 무선 신호의 문을 열 수 있다.

펜엔지니어링의 연구원들은 5G 및 궁극적으로 6G와 같은 신기술이 급속도로 확장되는 무선 대역과 함께 출시됨에 따라 각 채널에 대해 별도의 고정 필터를 사용하는 기존 접근 방식이 지속 불가능해지고 있다고 설명한다. 그것은 당신이 들어가는 모든 방에 당신을 데려가기 위해 다른 경호원이 필요한 것과 같다. 복잡성과 비효율성은 압도적일 것이다.

이것이 바로 펜실베니아 대학의 엔지니어들이 개발한 혁신적이고 새로운 "모든 거래의 필터"가 게임 체인저가 될 수 있는 이유이다. 이는 리프래프를 차단하면서 원하는 주파수를 허용하도록 동적으로 스스로 조정할 수 있는 단일 소형 필터이다. 말하자면 하나의 필터로 모든 것을 지배할 수 있다.

펜엔지니어링(Penn Engineering)의 전기 및 시스템 공학(ESE) 부교수이자 네이처커뮤니케이션즈의 새로운 연구의 수석 저자인 트로이 올슨(Troy Olsson)은 “이것이 차세대 무선 통신을 가능하게 해주기를 바란다.”라고 말했다.

1/4 크기 정도의 새로운 필터는 무선 통신에 혁명을 일으킬 수 있다. (제공: Penn Engineering)

그 핵심은 이트륨철가넷(YIG)이라는 자성 물질의 초박막에 있다. 이 YIG 필름은 자기장에 노출되면 적용된 자기장의 강도에 따라 서로 다른 주파수에서 공명하는 정자기파라는 미세한 파동을 생성할 수 있다.

이는 기타 줄을 조이거나 풀면 진동의 피치가 달라지는 것과 유사하다. 이 경우를 제외하고, "끈"은 자화된 원자의 분자력 장을 통해 파문을 일으키는 스핀파에 의해 형성된다. YIG 필름 전체의 자기장을 조심스럽게 조작함으로써 이러한 정자기파의 주파수를 지속적으로 조정할 수 있다.

가장 어려운 과제 중 하나는 오늘날의 슬림형 모바일 장치와 인터넷 센서에 적합한 초소형, 저전력 패키지에서 조정 가능한 자기장을 생성하는 방법을 찾는 것이었다. 기존 YIG 필터는 탄산음료 캔 크기만큼 부피가 크고 전력 소모가 많은 전자석을 사용하는 경우가 많으며 최신 스마트폰 및 무선 장비에는 완전히 비실용적이다.

펜엔지니어링은 대략 AA 배터리 두 개 정도 크기의 매우 간단하면서도 뛰어난 자기 튜닝 회로를 사용하여 이 문제를 해결했다. 이는 짧은 전기 펄스를 사용하여 필요에 따라 자기장 패턴을 재구성할 수 있는 이동식 "프로그래밍 가능" 자석과 영구 자석을 결합한다. 그러나 여기에 독창적인 부분이 있다. 이동식 자석이 원하는 자기 상태로 고정되면 회로는 문자 그대로 자기 톤을 유지하기 위해 전력을 0으로 사용한다.

가운데 새 필터는 뒤쪽의 이전 YIG 필터보다 훨씬 작다. (제공: Penn Engineering)  

그들의 개념 증명 필터는 1.68 입방 센티미터에 불과하다. 이는 일반적인 작은 레고 피규어 크기와 비슷하다. 하지만 이 작은 장치는 3.4~11.1GHz의 믿을 수 없을 만큼 넓은 주파수 범위에 걸쳐 튜닝할 수 있으며, 지속적으로 튜닝 가능한 하나의 필터에서 계획된 전체 6G 스펙트럼과 그 이상을 포괄한다.

"현재 우리는 600MHz에서 6GHz까지 작업한다."라고 올슨은 설명한다. "그건 5G, 4G, 3G이다."

올슨은 차세대 셀룰러 네트워크를 언급하면서 “FR3 대역은 6G 또는 Next G에 출시될 가능성이 가장 높다.”라고 말했다. 현재 해당 대역에서 소형 필터 및 저손실 스위치 기술의 성능은 매우 제한적이다. 해당 대역에 걸쳐 조정할 수 있는 필터가 있다는 것은 다양한 스위치가 있는 전화기에 100개 이상의 필터를 추가로 설치할 필요가 없다는 것을 의미한다. 우리가 만든 것과 같은 필터는 FR3 대역을 사용하는 가장 실행 가능한 경로이다.”

그러나 이는 경이로운 튜닝 범위에만 국한되지 않는다. 또한 이 필터는 3~5데시벨에 불과한 매우 낮은 신호 손실과 오프주파수 대역에서 뛰어난 간섭 신호 제거 성능을 보여준다. 이는 혼잡한 환경에서 무선 누화를 방지하고 신호 무결성을 유지하는 데 매우 중요한 특성이다.

가장 확실한 초기 적용은 스마트폰과 인터넷 장치의 무선 주파수 프런트 엔드를 간소화하는 것이지만 잠재적인 영향은 소비자 모바일 제품을 훨씬 뛰어넘는다. 이러한 조정 가능성은 인지 무선, 위성 통신, 다중 대역 레이더 시스템 및 5G, 6G 및 기타 고급 무선 네트워크용 기지국의 간섭 완화에 혁신을 가져올 수 있다.

올슨은 계속해서 이렇게 말한다. “조정 가능한 것이 정말 중요할 것이다. 왜냐면 이러한 더 높은 주파수에서는 항상 상업적 용도로만 사용되는 전용 스펙트럼 블록을 보유할 수는 없기 때문이다.”

수정 크리스털이 이제 모든 전자 장치에 내장된 정밀한 타이밍 회로를 가능하게 한 것처럼, 이러한 정자기 조정 가능 필터는 광범위한 무선 스펙트럼에 걸쳐 지능형 필터링 및 주파수 민첩성이 필요한 모든 시스템의 필수 구성 요소가 될 수 있다.

작은 저전력 패키지에서 모든 무선 주파수 사이를 즉시 호핑할 수 있는 기능은 다중 주파수 시스템을 설계하는 방법과 점점 더 복잡해지고 귀중한 무선 스펙트럼 상품을 효율적으로 관리하는 방법에 대한 새로운 가능성을 열어준다. 울트라 HD 영화를 스트리밍하든, 자율주행차를 운영하든, 미래의 스마트 시티 운영을 조율하든 이러한 조정 가능한 필터는 초연결 세계의 무선 심포니를 조화시킬 수 있다.