Arrays de Antenas Ultrafinos e de Alta Frequência: Revolucionando a Comunicação Sem Fio Flexível

Pesquisadores deram um passo rumo ao desenvolvimento de um tipo de array de antenas que poderia revestir as asas de um avião, funcionar como um adesivo cutâneo transmitindo sinais a implantes médicos, ou cobrir uma sala como papel de parede que se comunica com dispositivos da Internet das Coisas (IoT).

Tecnologia Baseada em Eletrônica de Grande Área

A tecnologia, que poderia viabilizar muitos usos das emergentes redes sem fio 5G e 6G, baseia-se em eletrônica de grande área, uma forma de fabricar circuitos eletrônicos em materiais finos e flexíveis. A abordagem supera limitações dos semicondutores de silício convencionais, que podem operar nas altas frequências de rádio necessárias para aplicações 5G, mas só podem ser feitos com até alguns centímetros de largura e são difíceis de montar nos grandes arrays necessários para comunicação aprimorada com dispositivos de baixa potência.

Escalabilidade Nativa para Grandes Dimensões

Para atingir essas grandes dimensões, outros tentaram a integração discreta de centenas de microchips. Mas isso não é prático — não é de baixo custo, confiável ou escalável em nível de sistemas sem fio. A nova tecnologia pode escalar nativamente para grandes dimensões, como monitores de computador e televisores de cristal líquido (LCD). Estes utilizam tecnologia de transistor de filme fino, que a equipe adaptou para uso em sinalização sem fio.

Transistores de Óxido de Zinco e Array Faseado

Os pesquisadores utilizaram transistores de filme fino de óxido de zinco para criar uma fileira de três antenas com 30 centímetros de comprimento, em uma configuração conhecida como array faseado. Arrays de antenas faseadas podem transmitir sinais de feixe estreito que podem ser programados digitalmente para atingir frequências e direções desejadas. Cada antena no array emite um sinal com um atraso de tempo especificado em relação às suas vizinhas, e a interferência construtiva e destrutiva entre esses sinais soma-se a um feixe eletromagnético focalizado. Uma única antena transmite um sinal fixo em todas as direções; um array faseado pode varrer eletricamente o feixe para diferentes direções, permitindo comunicação sem fio ponto a ponto.

Flexibilidade e Novas Faixas de Frequência

Antenas de array faseado são usadas há décadas em sistemas de comunicação de longa distância, como radares, satélites e redes celulares, mas a nova tecnologia pode trazer nova flexibilidade aos arrays faseados e permitir que operem em uma faixa diferente de frequências de rádio que sistemas anteriores.

Eletrônica de Grande Área: Circuitos em Substrato Flexível

A eletrônica de grande área é uma tecnologia de filme fino, permitindo que circuitos sejam construídos em um substrato flexível com extensão de metros. Todos os componentes podem ser integrados monoliticamente em uma folha com o formato de uma folha de papel. A equipe fabricou os transistores e outros componentes em um substrato de vidro, mas um processo similar poderia ser usado para criar circuitos em plástico flexível.

Aplicações: Papel de Parede Inteligente, Satélites e Aviação

Este tipo de sistema de antena pode ser instalado praticamente em qualquer lugar. Quando usado como papel de parede em uma sala, pode permitir comunicação rápida, segura e energeticamente eficiente com uma rede distribuída de dispositivos IoT, como sensores de temperatura ou movimento. Ter uma antena que é uma superfície flexível também pode ser benéfico para satélites, que são lançados em formato compacto e se desdobram ao atingir a órbita, e uma grande área pode ser vantajosa para comunicações de longa distância com aeronaves.

Com um avião, como sua distância é grande, grande parte da potência do sinal é perdida, assim como a sensibilidade. As asas são uma área considerável, então, se houver um receptor de ponto único nessa asa, não ajuda; no entanto, se a quantidade de área que capta o sinal puder ser expandida por um fator de cem ou mil, a potência do sinal pode ser reduzida e a sensibilidade do rádio aumentada.