滤波器的技术革命

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物联网技术的普及让日常硬件和新设备也变成了话匣子，但它也带来了一个缺点:共享无线电波的设备越多，它们之间的通信就越困难。到 2030 年，预计将有近 300 亿台联网设备使用不同的无线标准，同时共享相同的频段，可能会相互干扰。为了克服这个问题，日本的研究人员表示他们已经开发出一种方法来缩小干扰信号滤除设备的尺寸。该技术无需使用多个单独的滤波器，而是将它们组合到单个芯片上。

为了使智能手机能够适应不同的通信标准和在不同的国家/地区使用，它们需要数十个滤波器来屏蔽干扰信号。但这些滤波器价格昂贵，而且会占用手机中较大的空间。随着电磁频谱越来越拥挤，工程师必须在手机和其他设备中塞入更多滤波器，这意味着需要进一步缩小体积。日本电信公司 NTT 和冈山大学的研究人员表示，他们已经开发出一种技术，可以将所有这些滤波器缩小到一个设备中，他们将其描述为超声波电路，它可以引导信号而不会无意中散射它们。

超声波电路包含与智能手机中使用的表面声波 滤波器类似的滤波器。SAW 滤波器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，在此过程中滤除特定频率。由于机械波比产生它的射频波短数千倍，因此 SAW 滤波器可以很紧凑。

NTT 纳米力学研究组高级研究员 Daiki Hatanaka 表示:“在未来的物联网社会中，通信带宽和方法将会增加，因此智能手机中将需要数百个超声波滤波器，但我们无法为它们分配很大的空间，”因为电池、显示器、处理器和其他组件也需要空间。“我们的技术使我们能够将超声波限制在微米级的非常狭窄的通道中，然后根据需要引导信号。基于这种超声波电路，我们可以在一个芯片上集成许多滤波器。”

引导超声波沿着改变方向的路径传播会引起反向散射，从而降低信号质量。为了解决这个问题，Hatanaka 和同事利用了冈山大学对声学拓扑结构的研究。拓扑学是一门数学，研究如何将不同的形状视为等价的，前提是它们满足某些条件——经典的例子是甜甜圈和咖啡杯是等价的，因为它们各自只有一个孔。但正如2016 年诺贝尔物理学奖所强调的那样，它也用于探索包括超导在内的奇异物质状态。

在他们的实验中，日本的研究人员设计了一种由具有三重旋转对称性的周期性孔阵列组成的波导。当两个孔阵列彼此旋转 10 度时，就会产生一种称为谷伪自旋的拓扑特性。在这个边缘，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。据 NTT 称，即使波导中有一个急弯，这也只会在一个方向上传播 0.5 GHz 信号。因此信号不会受到反向散射。

“超声波谷态的极化方向自动迫使它只向一个方向传播，并且禁止背向散射，”Hatanaka 说。“

NTT 表示，这种千兆赫拓扑电路是同类产品中的首例。研究团队目前正试图制造一个波导，在单个芯片上连接 5 到 10 个滤波器。最初的芯片大约有 1 平方厘米，但研究人员希望将其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，该公司将在未来两年内考虑商业化计划。Hatanaka 表示，如果这项研究成为商业产品，将对未来的智能手机和物联网系统产生重大影响。他估计，未来的高端智能手机可能会配备多达 20 个超声波电路。

他说:“我们可以利用节省的空间来提供更好的用户体验，因此通过使用超声波滤波器或其他模拟信号元件，我们可以改善显示器、电池或其他对用户体验很重要的组件。”

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