滤波器的技术革命

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文章摘要

随着物联网技术的快速发展，预计到2030年将有近300亿台设备使用不同的无线标准，共享相同的频段，这导致了无线电波的相互干扰问题。为了解决这一挑战，日本研究人员开发了一种新技术，能够将多个滤波器集成到单个芯片上，从而缩小了干扰信号滤除设备的尺寸。

智能手机为了适应不同的通信标准和在不同国家/地区的使用，需要数十个滤波器来屏蔽干扰信号。这些滤波器不仅价格昂贵，而且占用了手机内部的大量空间。随着电磁频谱的日益拥挤，工程师需要在手机和其他设备中安装更多的滤波器，这进一步增加了对设备体积缩小的需求。

日本电信公司NTT和冈山大学的研究人员合作，开发了一种超声波电路技术，该技术能够将所有滤波器集成到一个设备中。这种电路包含类似于智能手机中使用的表面声波（SAW）滤波器，它们通过将电子射频信号转换为基板表面上的机械波，然后再转换回来，从而滤除特定频率。由于机械波比射频波短数千倍，SAW滤波器可以非常紧凑。

NTT的高级研究员Daiki Hatanaka指出，未来的物联网社会将需要更多的通信带宽和方法，智能手机中将需要数百个超声波滤波器，但设备内部空间有限。他们的技术能够在微米级的狭窄通道中限制超声波，并根据需要引导信号，从而在一个芯片上集成多个滤波器。

为了解决超声波在传播过程中可能引起的反向散射问题，研究人员利用了声学拓扑结构的研究。他们设计了一种具有三重旋转对称性的周期性孔阵列波导，当两个孔阵列彼此旋转10度时，会产生一种称为谷伪自旋的拓扑特性。这种特性使得微小的超声波涡旋以相反的方向“伪自旋”，产生一种独特的超声波，称为谷伪自旋相关传输。即使波导中有一个急弯，这种传输方式也只会在一个方向上传播信号，从而避免了反向散射。

NTT表示，这种千兆赫拓扑电路是同类产品中的首例。研究团队正在尝试制造一个波导，以便在单个芯片上连接5到10个滤波器。他们的目标是将芯片的尺寸从1平方厘米缩小到几百平方微米。在研究的第二阶段，他们将尝试动态控制超声波、放大信号、转换其频率，并将这些功能集成到一个系统中。

随着研究的深入，NTT计划在未来两年内考虑商业化计划。如果这项技术能够商业化，将对未来的智能手机和物联网系统产生重大影响。Hatanaka估计，未来的高端智能手机可能会配备多达20个超声波电路，这将有助于节省空间，从而提供更好的用户体验，改善显示器、电池等对用户体验至关重要的组件。