Os pesquisadores da Universidade de Princeton, em Nova Jersey, Estados Unidos, deram um passo em direção ao desenvolvimento de um tipo de antena em material tão fino que poderá revestir as asas de um avião, além de funcionar para outras interessantes aplicações em outras indústrias, como na pele humana para transmitir sinais para implantes médicos ou cobrindo uma sala como papel de parede que se comunica com dispositivos de Internet das Coisas (IoT).
A tecnologia, que poderia permitir muitos usos de redes sem fio 5G e 6G emergentes, é baseada na eletrônica de grandes-áreas, uma forma de fabricar circuitos eletrônicos em materiais finos e flexíveis. Os pesquisadores descreveram seu desenvolvimento em um artigo publicado em 7 de outubro na Nature Electronics.
A abordagem supera as limitações dos semicondutores de silício convencionais, que podem operar nas altas frequências de rádio necessárias para aplicações 5G, mas só podem ter alguns centímetros de largura e são difíceis de montar nas grandes matrizes necessárias para comunicação aprimorada com dispositivos de energia.
“Para atingir essas grandes dimensões, as pessoas tentaram a integração discreta de centenas de pequenos microchips. Mas isso não é prático – não é barato, não é confiável e não é escalável em um nível de sistemas sem fio”, disse o autor do estudo Naveen Verma, professor de engenharia elétrica e de computação e diretor do Centro Keller para Inovação em Educação em Engenharia de Princeton.
“O que você quer é uma tecnologia que possa ser dimensionada nativamente para essas grandes dimensões. Bem, temos uma tecnologia como essa – é a que usamos em nossos monitores”, disse Verma, em referência aos monitores de computador e televisores de cristal líquido (LCD). Eles usam a tecnologia de transistor de filme fino, que o professor e seus colegas adaptaram para uso em emissão sem fio de sinais.
Os pesquisadores usaram transistores de filme fino de óxido de zinco para criar uma linha de três antenas com 30 centímetros de comprimento, em uma configuração conhecida como “phased array”, ou arranjo de fases, que podem transmitir sinais de feixe estreito que podem ser programados digitalmente para atingir as frequências e direções desejadas.
Cada antena na matriz emite um sinal com um atraso de tempo especificado de suas vizinhas, e a interferência construtiva e destrutiva entre esses sinais se somam a um feixe eletromagnético focalizado – semelhante à interferência entre ondulações criadas por gotículas de água em um lago.
Uma única antena transmite um sinal fixo em todas as direções, “mas um phased array pode varrer eletricamente o feixe em diferentes direções, para que você possa fazer comunicação sem fio ponto a ponto”, disse o autor do estudo Can Wu, pesquisador de pós-doutorado em Stanford Universidade que concluiu o doutorado em engenharia elétrica e de computação em Princeton no início deste ano.
Antenas de arranjo de fases têm sido usadas por décadas em sistemas de comunicação de longa distância, como sistemas de radar, satélites e redes celulares, mas a tecnologia desenvolvida pela equipe de Princeton pode trazer uma nova flexibilidade para as matrizes do material e permitir que operem em uma faixa diferente de frequências de rádio do que os sistemas anteriores.
“A eletrônica de grande-área é uma tecnologia de filme fino, então podemos construir circuitos em um substrato flexível ao longo de uma extensão de metros e podemos integrar monoliticamente todos os componentes em uma folha que tem o formato de um pedaço de papel”, disse Wu.
No estudo, a equipe fabricou os transistores e outros componentes em um substrato de vidro, mas um processo semelhante poderia ser usado para criar circuitos em plástico flexível, disse Wu.
Este tipo de sistema de antena pode ser instalado em quase qualquer lugar. Quando usado como papel de parede em uma sala, pode permitir uma comunicação rápida, segura e com baixo consumo de energia com uma rede distribuída de dispositivos IoT, como sensores de temperatura ou movimento.
Ter uma antena de superfície flexível também pode ser benéfico para satélites, que são lançados em um formato compacto e se desdobram quando alcançam a órbita, e uma antena de grande área também pode ser vantajosa para comunicação de longa distância com aeronaves.
“Com um avião, você quer se comunicar com alta sensibilidade, mas perde muito da potência do sinal devido à distância muito grande. As asas são uma área bastante grande, então, se você tiver apenas um receptor de ponto único nessa asa, isso não ajuda muito, mas se você puder expandir a quantidade de área que está capturando o sinal por um fator de cem ou mil, você pode reduzir a potência do sinal e aumentar a sensibilidade do seu rádio”, disse Verma.
Informações da Universidade de Princeton
