Arrays de antenas ultrafinas de alta frecuencia: revolucionando las comunicaciones inalámbricas flexibles

Investigadores han dado un paso hacia el desarrollo de un tipo de array de antenas que podría recubrir las alas de un avión, funcionar como un parche cutáneo que transmite señales a implantes médicos, o cubrir una habitación como papel pintado que se comunica con dispositivos del Internet de las Cosas (IoT).

Tecnología para redes 5G y 6G

Esta tecnología, que podría permitir muchos usos de las emergentes redes inalámbricas 5G y 6G, se basa en electrónica de gran área, una forma de fabricar circuitos electrónicos en materiales delgados y flexibles. El enfoque supera las limitaciones de los semiconductores de silicio convencionales, que pueden operar en las altas frecuencias de radio necesarias para aplicaciones 5G, pero solo pueden fabricarse hasta unos pocos centímetros de ancho y son difíciles de ensamblar en los grandes arrays requeridos para una comunicación mejorada con dispositivos de baja potencia.

Escalabilidad nativa a grandes dimensiones

Para lograr estas grandes dimensiones, otros han intentado la integración discreta de cientos de microchips pequeños. Pero eso no es práctico: no es de bajo costo, confiable ni escalable a nivel de sistemas inalámbricos. La nueva tecnología puede escalar nativamente a grandes dimensiones, como monitores de computadora y televisores de cristal líquido (LCD). Estos utilizan tecnología de transistores de película delgada, que el equipo adaptó para su uso en señalización inalámbrica.

Array de antenas en fase de 30 cm

Los investigadores utilizaron transistores de película delgada de óxido de zinc para crear una fila de tres antenas de 30 centímetros (1 pie) en una configuración conocida como array en fase. Los arrays de antenas en fase pueden transmitir haces estrechos que se pueden programar digitalmente para lograr frecuencias y direcciones deseadas. Cada antena en el array emite una señal con un retardo temporal especificado respecto a sus vecinas, y la interferencia constructiva y destructiva entre estas señales se suma para formar un haz electromagnético enfocado. Una sola antena emite una señal fija en todas las direcciones; un array en fase puede escanear eléctricamente el haz en diferentes direcciones, permitiendo comunicación inalámbrica punto a punto.

Aplicaciones versátiles: de papel pintado a alas de avión

Las antenas en fase se han utilizado durante décadas en sistemas de comunicación de larga distancia como radares, satélites y redes celulares, pero la nueva tecnología podría brindar nueva flexibilidad a los arrays en fase y permitirles operar en un rango diferente de frecuencias de radio que los sistemas anteriores.

La electrónica de gran área es una tecnología de película delgada, por lo que los circuitos pueden construirse en un sustrato flexible a lo largo de metros. Todos los componentes pueden integrarse monolíticamente en una lámina con el factor de forma de una hoja de papel. El equipo fabricó los transistores y otros componentes en un sustrato de vidrio, pero un proceso similar podría usarse para crear circuitos en plástico flexible.

Este tipo de sistema de antenas podría instalarse casi en cualquier lugar. Cuando se usa como papel pintado en una habitación, podría permitir una comunicación rápida, segura y energéticamente eficiente con una red distribuida de dispositivos IoT, como sensores de temperatura o movimiento. Tener una antena que es una superficie flexible también podría ser beneficioso para satélites, que se lanzan en formato compacto y se despliegan al alcanzar la órbita, y un área grande podría ser ventajosa para comunicaciones de larga distancia con aeronaves.

Mejora en captura de señal para aviación

Con un avión, debido a su gran distancia, gran parte de la potencia de la señal se pierde, al igual que la sensibilidad. Las alas son un área bastante grande, así que si hay un receptor de un solo punto en esa ala, no ayuda; sin embargo, si la cantidad de área que captura la señal puede expandirse en un factor de cien o mil, la potencia de la señal puede reducirse y la sensibilidad de la radio puede aumentarse.