通向6G的钥匙：宾大工程师开启下一代无线通信的大门

通向6G的钥匙：宾大工程师开启下一代无线通信的大门宾夕法尼亚大学的工程师们利用钇铁石榴石（YIG）开发出一种可调滤波器，解决了过去GPS信号干扰的问题，并支持未来的高频段通信。这种滤波器结构紧凑、功耗低，为新兴无线技术提供了可扩展的解决方案。资料来源：TroyOlsson、XingyuDu宾夕法尼亚大学工程学院电气与系统工程（ESE）副教授、《自然-通讯》（NatureCommunications）杂志上一篇介绍该滤波器的新论文的资深作者特洛伊-奥尔森（TroyOlsson）说："我希望它能实现下一代无线通信。"电磁频谱本身是现代世界最宝贵的资源之一；只有极小部分频谱适合用于无线通信，其中大部分是无线电波，占整个频谱的不到十亿分之一。联邦通信委员会（FCC）对这部分频谱的频段进行了严格控制，直到最近才将频率范围3（FR3）频段（包括约7千兆赫至24千兆赫的频率）用于商业用途。(1赫兹相当于电磁波每秒经过一个点时的一次振荡；1千兆赫兹或吉赫兹相当于每秒经过十亿次这样的振荡）。迄今为止，无线通信大多使用较低的频段。奥尔森说："现在，我们的工作频段为600MHz至6GHz。这就是5G、4G和3G。无线设备针对不同频率使用不同的滤波器，因此覆盖所有频率或频段需要大量滤波器，占用大量空间。(典型的智能手机包括多达100多个滤波器，以确保不同频段的信号不会相互干扰）。中间的新型滤光片比后面的老式YIG滤光片小得多。图片来源：TroyOlsson、XingyuDuOlsson说："FR3频段最有可能用于6G或NextG，目前，小型滤波器和低损耗开关技术在这些频段的性能非常有限。拥有一个可在这些频段进行调谐的滤波器，就意味着不必在手机中再安装100多个滤波器和许多不同的开关。像我们创建的这种滤波器是使用FR3频段的最可行途径。"使用更高频率波段带来的一个复杂问题是，许多频率已被保留给卫星使用。埃隆-马斯克的"星链"（Starlink）就在这些频段工作，奥尔森指出。"军方已经被挤出了许多较低的频段。但他们不会放弃位于这些频段的雷达频率，也不会放弃他们的卫星通信。"因此，Olsson的实验室与ESE教授AlfredFitlerMooreMarkAllen和ESE副教授FiroozAflatouni以及他们各自的研究小组合作，设计出了可调滤波器，这样工程师就可以用它来选择性地过滤不同的频率，而不必采用单独的滤波器。可调谐性将变得非常重要，因为在这些较高的频率上，可能并不总是有一块专门用于商业用途的频谱。创新材料和可调节技术这种滤波器之所以可以调节，是因为它采用了一种独特的材料--"钇铁石榴石"（YIG），这是一种稀土金属钇与铁和氧的混合物。YIG的特别之处在于它能传播磁自旋波，这是电子以同步方式旋转时在磁性材料中产生的波的类型。当暴露在磁场中时，YIG产生的磁自旋波会改变频率。通过调节磁场，YIG滤波器在极宽的频带内实现了连续的频率调节。因此，新的滤波器可以调整到3.4GHz到11.1GHz之间的任何频率，涵盖了FCC在FR3频段开辟的大部分新领域。XingyuDu说："我们希望证明，单个可适配滤波器就足以满足所有频段的要求。"除了可调谐外，新型滤波器还非常小巧，大小与四分之一硬币差不多，与前几代YIG滤波器形成鲜明对比，前几代滤波器就像一大包索引卡。这种新型滤波器之所以如此小巧，从而有可能在未来被安装到手机中，原因之一是它只需要很少的电能。Du说："我们率先设计了一种零静态功率磁偏置电路，"他指的是一种除了偶尔重新调整磁场的脉冲外，无需任何能量就能产生磁场的电路。虽然YIG早在20世纪50年代就被发现，而且YIG滤波器也已经存在了几十年，但将新型电路与辛格纳米技术中心微加工的极薄YIG薄膜相结合，大大降低了新型滤波器的功耗和尺寸。新研发的的滤波器比目前的商用YIG滤波器小10倍。编译自//scitechdaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432962.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432962.htm

下一代电磁同位素分离器可以从较重的元素中获取稀有的稳定同位素

下一代电磁同位素分离器可以从较重的元素中获取稀有的稳定同位素回旋加速器的工作原理是在气态原子中诱发电荷，然后在电场中对其进行加速。然后这些加速的原子被一个磁场所偏转。聪明之处在于，原子越重，它被偏转的程度就越小。就铀而言，U²³⁵原子的偏转程度低于U²³⁸原子，将它们分离出来。美国稳定同位素生产和研究中心尽管这种生产裂变铀的方法在战后基本上被放弃，转而采用其他方法，但ORNL还是开发了生产稳定同位素的原理。也就是说，特定同位素的纯样品是完全没有放射性的。这些被广泛用于各种应用，包括水和土壤管理、环境研究、营养评估和法医学。然而，ORNL在1998年关闭了其曼哈顿时代的卡鲁特仪，使得美国依赖外国来源的这些难以生产的同位素来补充日益减少的国内供应。其中第一个在2018年生产了500毫克的稀有同位素钌-96，这是世界上任何地方都没有的。今天，橡树岭最新的第三代EMIS-3装置的性能超过了老式的Calutrons，而后者有点不稳定。它们难以解决质量相近的同位素之间的差异，有时只能分离出一个序列中的每一个其他同位素。这意味着同位素必须分批进行处理和再处理，以实现适当的分离。新机器在这方面要好得多，可以处理周期表中较重的元素，如用于核医学和放射学的镱-176。其他镱的同位素也被用于量子计算。2018年，ORNL的EMIS生产了500毫克的稀有同位素钌-96此外，EMIS-3可以同时分离不同的同位素，因为每个EMIS单元可以独立运行，而不是需要依次连接到一起才能完成工作。它们还可以在几周内重新配置，而气体离心机同位素分离器（GCIS）则需要几年时间。一个新的EMIS设施正在建设中，预计将于2030年投入使用。橡树岭浓缩科学和工程部稳定同位素研究、开发和生产部门负责人BrianEgle说："EMIS-3的好处是它是一个非常坚实的平台，可以进一步发展。它是极其模块化的，这使设计具有很大的灵活性。当你关注整个周期表时，灵活性是非常重要的。如果我们需要为不同的毒性或危险性增加额外的安全工程控制，这很容易做到。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1361131.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1361131.htm

灵感来自于生命系统 - 研发中心的下一代材料可以适应其历史

灵感来自于生命系统-研发中心的下一代材料可以适应其历史一种新的材料已经被开发出来，它可以根据以前的经验改变其电气行为。这有效地给了它一个基本形式的自适应记忆。(图为艺术家对电学适应性材料的概念）。响应性材料已经在一系列应用中变得很普遍，从在阳光下变黑的眼镜到药物输送系统。然而，现有的材料每次都是以同样的方式反应，它们对变化的反应并不取决于它们的历史，它们也不会根据它们的过去进行调整。这与生命系统有根本的不同，生命系统会根据以前的条件动态地调整其行为。"材料科学的下一个大挑战之一是开发真正的智能材料，其灵感来自于生物体。我们想开发一种能根据其历史调整其行为的材料，"阿尔托大学的学院研究员PengBo说，他是这项研究的资深作者之一。磁珠在磁场中形成的柱子的形状和导电性取决于磁场的强度和历史。资料来源：OlliIkkala/阿尔托大学研究人员合成了微米大小的磁珠，然后用磁场进行刺激。当磁铁打开时，这些磁珠堆积起来形成柱子。磁场的强度影响着磁柱的形状，这反过来又影响着它们导电的能力。"有了这个系统，我们把磁场刺激和电反应结合起来。有趣的是，我们发现，导电性取决于我们是快速还是缓慢地改变磁场。这意味着，电反应取决于磁场的历史。如果磁场在增加或减少，电行为也是不同的。该反应显示出双稳态，这是一种基本的记忆形式。材料的行为就像它对磁场有记忆一样，"Peng解释说。基本学习该系统的记忆还允许它以一种类似于基本学习的方式行事。尽管生物体内的学习是非常复杂的，但其在动物中最基本的元素是神经元之间的连接反应的变化，即所谓的突触。根据它们被刺激的频率，神经元中的突触将变得更难或更容易激活。这种变化被称为短期突触可塑性，使一对神经元之间的连接变得更强或更弱，这取决于它们最近的历史。研究人员能够用他们的磁珠完成类似的事情，尽管其机制完全不同。当他们将磁珠暴露在快速脉动的磁场中时，该材料的导电性能变得更好，而较慢的脉动则使其导电性能变差。阿尔托的杰出教授奥利-伊卡拉（OlliIkkala）说："这让人想起了短期突触可塑性。新材料的功能有点像一个突触。我们所展示的为下一代的生命启发材料铺平了道路，它将借鉴生物的适应、记忆和学习过程。""在未来，可能会有更多的材料在算法上受到类似生命特性的启发，尽管它们不会涉及生物系统的全部复杂性。这样的材料将成为下一代软体机器人以及医疗和环境监测的核心，"Ikkala补充说。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1334889.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1334889.htm

NASA的欧罗巴探测器迎来先进的高增益天线技术 跨越遥远距离与地球通信

NASA的欧罗巴探测器迎来先进的高增益天线技术跨越遥远距离与地球通信"欧罗巴"（木卫二）是一颗冰封状态下的卫星，距离地球约4.44亿英里（7.15亿公里）。这次任务的一个主要目标是更多地了解这颗卫星的地表下海洋，那里可能蕴藏着适宜居住的环境。工程师和技术人员在JPL的主洁净室安装欧罗巴号的高增益天线。资料来源：NASA/JPL-Caltech探测器到达木星后，天线的无线电波束就会狭长地射向地球。高增益天线的作用就是产生窄而集中的波束。这个名称指的是天线能够集中功率，使航天器能够将高功率信号传回地球上的美国宇航局深空网络。这意味着科学数据将以极高的传输速率激流勇进。在位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室的航天器组装设施舱内，经过几个小时的精心编排，精密设计的天线被安装到航天器上。马修-布雷（MatthewBray）在天线安装前几天说："天线已成功完成所有独立测试。随着航天器完成最后的测试，无线电信号将通过一个特殊的盖子回环天线，验证电信信号路径是否正常。"布雷位于马里兰州劳雷尔的约翰-霍普金斯大学应用物理实验室，是高增益天线的设计者和首席工程师，他从2014年开始从事该项目。对于布雷和天线来说，这都是一段相当漫长的旅程。"欧罗巴快帆"号团队成员在美国宇航局喷气推进实验室的主洁净室中抬起并安装航天器的大型碟形高增益天线。图片来源：NASA/JPL-Caltech就在过去的一年里，他亲眼目睹了天线在安装前的全国各地纵横驰骋。2022年，该天线在弗吉尼亚州汉普顿的美国宇航局兰利研究中心进行了两次精确数据传输能力测试。在这两次测试之间，天线还在位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心进行了振动和热真空测试，以确定它是否能承受发射时的震动和外太空的极端温度。然后，"欧罗巴"将于2022年10月被送往JPL，安装在航天器上，准备明年运往美国宇航局位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心。2024年10月从肯尼迪发射升空后，前往木星的漫长旅程就开始了。工程师和技术人员用起重机吊起一根10英尺（3米）长的高增益天线，准备将其安装到NASA的"欧罗巴号快船"飞船上。该轨道飞行器正在JPL1号高湾的洁净室中进行组装，为2024年10月的发射做准备。图片来源：NASA/JPL-CaltechJPL的"快船号"项目经理乔丹-埃文斯（JordanEvans）强调了高增益天线的重要性，他说："高增益天线是构建'欧罗巴快船号'的关键部件。它是一个非常显眼的硬件，提供了航天器从欧罗巴星发回科学数据所需的能力。现在有了这个大天线，它不仅看起来像一个航天器，而且在我们向发射迈进的过程中，它已经为即将进行的关键测试做好了准备。"探测器将在木卫二上训练九台科学仪器，所有仪器都将产生大量丰富的数据：高分辨率彩色和立体图像用于研究木卫二的地质和表面；红外热图像用于寻找表面附近可能有水的温暖区域；反射红外光用于绘制冰、盐和有机物的地图；紫外光读数仪用于帮助确定大气气体和表面物质的构成。克利伯号将用冰穿透雷达探测地下海洋，以确定海洋的深度及其上方冰壳的厚度。磁力计将测量月球的磁场，以确认深海的存在和冰的厚度。今天的主角：高增益天线将在33到52分钟内把大部分数据流传回地球。其信号强度和一次性发送的数据量将远远超过美国宇航局的伽利略探测器，后者于2003年结束了为期八年的木星探测任务。在JPL现场负责天线安装的是APL无线电频率模块经理西米-伯曼（SimmieBerman）。和布雷一样，她也是从2014年开始从事天线工作的。射频模块包括航天器的整个电信子系统和总共七根天线，高增益天线就是其中之一。她在安装过程中的工作是确保天线正确地安装在航天器上，并确保各组件方向正确、集成良好。虽然APL和JPL的工程师们已经通过虚拟和实际模拟的方式进行过多次安装练习，但8月14日还是第一次将高增益天线安装到航天器上。她说："就物理尺寸和普遍兴趣而言，我从未参与过如此大规模的工作。小孩子都知道木星在哪里。他们知道木卫二是什么样子。能研究出这样一个有可能对人类知识产生巨大影响的东西，实在是太酷了。"欧罗巴快船号完成了这具有纪念意义的一步，接下来还需要为即将开始的外太阳系航行做一些准备工作。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378167.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378167.htm

更强大的叶片有望让下一代火星直升机飞得更高更快

更强大的叶片有望让下一代火星直升机飞得更高更快Ingenuity火星直升机项目经理兼火星样本回收直升机经理泰迪-查内托斯（TeddyTzanetos）说："要知道在地球上测试新的飞行器部件时，你可以使用所有的仪器和直接动手操作。在火星上，你拥有地球上无法真正再现的真实世界条件。"自2021年4月"Ingenuity"成为在另一个星球上进行首次动力飞行的机器以来，它的表现一直超出预期。2022年末，它在火星表面高度14米翱翔，创下了飞行高度纪录，今年4月，它又以59英尺（18米）的高度打破了这一纪录，同时也是它的第50次飞行。行美国国家航空航天局刚刚宣布，到目前为止，Ingenuity已经飞行了66次，考虑到工程师只期望它实现5次飞行，这真是令人难以置信。它的最大高度也达到了78.7英尺（24米），并打破了速度记录，最高时速达到22.3英里/小时（10米/秒）。为了将"Ingenuity"号的性能提升到这些水平，美国国家航空航天局（NASA）对每次飞行前发送给飞船的指令进行了调整。较高的飞行高度让飞船能够"看到"更多下方的景色，从而使其不会被风沙乱飞的地面所迷惑，而这正是过去提高飞行速度的一个问题。在火星上的测试不仅带来了更快更高的指标，还使着陆速度降低了25%，这可能会使未来火星直升机的起落架更轻。基本上，NASA的工程师们正在利用火星的地貌和稀薄的大气层作为实验室，尽可能多地了解机动飞行器在真实的地球外条件下是如何运行的。JPL的Ingenuity公司首席工程师特拉维斯-布朗（TravisBrown）说："在过去的九个月里，我们的最大空速和高度都翻了一番，垂直和水平加速度也增加了，甚至学会了慢速着陆。包络扩展提供了宝贵的数据，可供未来火星直升机的任务设计人员使用。"您可以在下面的视频中观看Ingenuity公司的一次高空飞行。在调试Ingenuity所能达到的成就的同时，NASA还在喷气推进实验室的太空模拟器上致力于开发地球上更好的直升机旋翼。在这里，工程师们对碳纤维旋翼进行了测试，这种旋翼比"智慧"公司的旋翼长四英寸，可以为未来的火星任务提供规模更大的直升机。测试帮助研究团队克服了较大旋翼在较高速度下可能造成的振动湍流问题。JPL样品回收直升机副测试指挥泰勒-德尔-塞斯托（TylerDelSesto）说："我们将叶片转速提高到了3500转/分钟，这比'Ingenuity'的叶片每分钟快了750转。"这些效率更高的叶片现在已经不仅仅是一种假设。它们已经做好了飞行的准备。它们已经准备好以0.95马赫的速度飞行。以下视频介绍了旋翼测试的情况：研究小组计划继续在这两个星球上同时开展研究工作，以改进未来送往火星的直升机。例如，在12月，"Ingenuity"号将进行另外两次高速测试，在测试中，它将通过新的俯仰和滚动角度移动，以进一步测量其性能，不过团队对直升机能被推动到什么程度持谨慎态度。布朗说："当你在离最近的修理厂那么远的地方操作时，你必须更加小心，因为你没有任何重来的机会。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399375.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399375.htm

一项突破性的实验展示了电磁波的时间反射现象

一项突破性的实验展示了电磁波的时间反射现象六十多年来，科学家们一直假设有可能观察到一种不同形式的波反射，即所谓的时间性反射。与空间反射不同的是，空间反射是当光或声波在空间的某一特定位置撞到一个边界（如镜子或墙壁）时产生的，而时间反射则是当波在其中传播的整个介质突然在所有空间中突然改变其属性时产生的。在这样的事件中，波的一部分在时间上被逆转，其频率被转换为新的频率。(a)传统的空间反射。一个人在照镜子时看到自己的脸，或者当他们说话时，回声以同样的顺序传回来。(b)时间反射。人在照镜子的时候看到自己的背影，他们看到自己的颜色不同。他们听到自己的回声以相反的顺序出现，类似于一盘倒带。资料来源：AndreaAlu到目前为止，这种现象从未被观察到用于电磁波。这种缺乏证据的根本原因是，材料的光学特性不能轻易地以诱发时间反射的速度和幅度改变。然而，现在，在《自然-物理学》新发表的一篇论文中，纽约市立大学研究生中心高级科学研究中心（CUNYASRC）的研究人员详细介绍了一个突破性的实验，他们能够在一个定制的超材料中观察到电磁信号的时间反射。该论文的通讯作者、纽约市立大学研究生中心物理学特聘教授、纽约市立大学ASRC光子学计划创始主任AndreaAlù说："看到这一点真的很激动，因为这种反直觉的现象在很久以前就被预测到了，而且与空间反射的波相比，时间反射的波的表现是多么不同。利用复杂的超材料设计，我们能够实现及时改变材料特性的条件，既突然又有很大的反差"。这一壮举使在超材料中传播的宽带信号的很大一部分瞬间被时间逆转和频率转换。这种效果形成了一种奇怪的回声，其中信号的最后一部分首先被反射。结果是，如果你要看一面时间镜，你的反射会被翻转，你会看到你的背部而不是你的脸。在这个观察的声学版本中，会听到类似于磁带倒带时发出的声音。用于实现时间反射的实验平台的插图。一个控制信号（绿色）被用来均匀地激活一组沿金属带状线分布的开关。在关闭/打开开关时，这种定制的超材料的电磁阻抗突然减少/增加，导致宽带正向传播的信号（蓝色）被部分时间反射，（红色）其所有频率被转换。(改编自《自然-物理学》。)研究人员还证明，由于宽带频率转换，时间反射信号的持续时间在时间上被拉长了。因此，如果这些光信号对我们的眼睛是可见的，它们的所有颜色都会突然转变，例如红色会变成绿色，橙色会变成蓝色，而黄色会出现紫色。为了实现他们的突破，研究人员使用了工程超材料。他们将宽带信号注入一条蜿蜒的金属带，该金属带长约6米，印在一块板子上，并装载了密集的电子开关阵列，与储能电容相连。然后所有的开关同时被触发，沿线的阻抗突然均匀地增加了一倍。这种电磁特性的快速而巨大的变化产生了一个时间接口，而测量的信号忠实地携带着传入信号的时间反转副本。该实验表明，实现时间接口是可能的，从中会产生高效的时间逆转和宽带电磁波的频率转换。这两种操作都为极端波的控制提供了新的自由度。这一成就可以为无线通信中令人兴奋的应用以及小型、低能量、基于波的计算机的发展铺平道路。论文的共同第一作者、纽约市立大学ASRC的博士后研究员徐根玉说："在以前的研究中，阻碍时间反射的关键路障是认为需要大量的能量来创造一个时间界面。要足够快地、均匀地、以足够大的对比度改变介质的属性来时间反映电磁信号是非常困难的，因为它们的振荡非常快。我们的想法是避免改变主材料的属性，而是创造一种超材料，在其中通过快速开关可以突然增加或减少额外的元素。""迄今为止，超材料的奇异电磁特性是通过以巧妙的方式组合许多空间界面来设计的，"共同第一作者、纽约市立大学ASRC和纽约城市学院的研究生尹世雄补充说。"我们的实验表明，有可能将时间接口添加到混合中，扩大操纵波的自由度。我们还能够创建一个时间版的谐振腔，它可以用来实现一种新形式的电磁信号过滤技术。"引入的超材料平台可以有力地结合多个时间界面，实现电磁时间晶体和时间超材料。与量身定制的空间接口相结合，这一发现有可能为光子技术开辟新的方向，并为增强和操纵波与物质的相互作用提供新的途径。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349727.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349727.htm