La ceramica migliorata potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nel progresso

Di American Institute of Physics23 marzo 2021

Vantaggi dei sistemi 5G. Credito: Soluzioni Skyworks

Alcune tecnologie 5G sono ancora considerate il selvaggio west in termini di sviluppo di materiali e design.

Si dice che il 5G, o lo standard tecnologico di quinta generazione per le reti cellulari a banda larga, sia finalmente arrivato per garantire velocità di download ultraveloci, la fine delle chiamate interrotte e del buffering e una maggiore connettività per promuovere lo sviluppo di veicoli autonomi, la chirurgia remota e l’Internet delle cose. .

In truth, 5G technology adoption is still in its early stages, according to Michael Hill, technical director of Skyworks Solutions, a California-based advanced-semiconductor company. In their paper, published in Applied Physics LettersApplied Physics Letters (APL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Institute of Physics. It is focused on applied physics research and covers a broad range of topics, including materials science, nanotechnology, photonics, and biophysics. APL is known for its rapid publication of high-impact research, with a maximum length of three pages for letters and four pages for articles. The journal is widely read by researchers and engineers in academia and industry, and has a reputation for publishing cutting-edge research with practical applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Applied Physics Letters, di AIP Publishing, Hill e i suoi colleghi forniscono una panoramica sulle nascenti tecnologie 5G e mostrano come il miglioramento dei materiali ceramici potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nello sviluppo del 5G.

Il 5G funziona in due bande di frequenza: 3-6 gigahertz per i collegamenti a lunga distanza e una banda di frequenza molto più elevata nella regione delle onde millimetriche (20-100 GHz) per velocità dati ultraveloci.

Adattare la banda di frequenza più bassa, più vicina alle regioni spettrali del 4G, è meno problematico rispetto ai cambiamenti significativi necessari per realizzare pienamente la capacità del 5G nelle gamme di frequenza più alte. Ad esempio, il tipo di frequenza è legato alla potenza complessiva del segnale. Maggiore è la frequenza, minore è la distanza che l'onda può percorrere.

I materiali ceramici sono stati a lungo utilizzati nelle tecnologie delle reti di comunicazione wireless sia per i dispositivi mobili che per le stazioni base. Il miglioramento della ceramica, quindi, è stato un obiettivo centrale nel miglioramento della capacità 5G. Da parte loro, il gruppo di ricerca di Hill ha sviluppato una ceramica per potenziare un dispositivo fondamentale per le applicazioni 5G, chiamato circolatore.

Tipicamente realizzati con materiali ceramici isolanti a base di granato di ferro-ittrio, i circolatori sono dispositivi a tre porte che fungono da rotaie per mantenere il segnale che scorre in una direzione e consentire a un ricevitore e un trasmettitore di condividere la stessa antenna.

Per aumentare significativamente la densità energetica per accogliere le frequenze più alte, i ricercatori hanno parzialmente sostituito l’ittrio con il bismuto, un elemento pesante che aumenta la costante dielettrica della ceramica. Le sostituzioni con bismuto consentono anche la miniaturizzazione dei circolatori.

Mentre la battaglia sulla tecnologia 5G continua a infiammarsi, i circolatori potrebbero essere soppiantati da interruttori ad alta potenza basati su nitruro di gallio, il che dimostra quanto sia ancora presto lo sviluppo della tecnologia 5G.

"La tecnologia delle onde millimetriche sarà probabilmente il selvaggio west per qualche tempo, poiché una tecnologia può dominare solo per essere rapidamente soppiantata da una tecnologia diversa", ha detto Hill.

Riferimento: "Perspective on ceramic materials for 5G wireless communications Systems" di Michael David Hill, David Bowie Cruickshank e Iain MacFarlane, 23 marzo 2021, Applied Physics Letters.DOI: 10.1063/5.0036058