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O futuro das comunicações sem fio está definido para dar um salto gigantesco com o advento da tecnologia sem fio de sexta geração (6G). Uma equipe de pesquisa da Universidade da Cidade de Hong Kong (CityU) inventou um metadispositivo terahertz (THz) sintonizável inovador que pode controlar a direção da radiação e a área de cobertura dos feixes de THz. Ao girar sua metasuperfície, o dispositivo pode direcionar prontamente o sinal 6G apenas para um destinatário designado, minimizando o vazamento de energia e aumentando a privacidade. Espera-se que forneça um meio altamente ajustável, direcional e seguro para futuros sistemas de comunicação 6G.
O potencial da tecnologia de banda THz é ilimitado, pois possui recursos de espectro abundantes para suportar 100 Gbps (gigabit por segundo) – e até mesmo Tbps (terabit por segundo) taxa de dados de velocidade ultra-alta para comunicações sem fio, que é de centenas a milhares de vezes mais rápido que a taxa de dados de transmissão 5G. No entanto, os sistemas THz convencionais usam lentes e refletores dielétricos volumosos e pesados, que podem guiar as ondas apenas para um transmissor ou detector fixo, ou transmiti-las para um único receptor localizado em uma posição fixa ou cobrindo uma área limitada. Isso dificulta o desenvolvimento de futuras aplicações 6G, que exigem posicionamento preciso e intensidade de sinal concentrada.
Os sistemas volumosos existentes dificultam as aplicações 6G
Com o esforço conjunto de duas equipes de pesquisa da CityU, lideradas pelo professor Tsai Din-Ping, professor titular do Departamento de Engenharia Elétrica, e pelo professor Chan Chi-hou, reitor interino e diretor do laboratório estadual de chaves terahertz e ondas milimétricas ( SKLTMW), um novo metadispositivo ajustável que pode controlar totalmente a direção de propagação do feixe de THz e a área de cobertura foi desenvolvido recentemente para superar esses desafios.
“O advento de um metadispositivo THz sintonizável apresenta perspectivas empolgantes para os sistemas de comunicação 6G”, disse o professor Tsai, especialista no campo de metasuperfícies e fotônica. “Nosso meta-dispositivo permite a entrega de sinal para usuários ou detectores específicos e tem a flexibilidade de ajustar a direção de propagação, conforme necessário.”
“Nossas descobertas oferecem uma série de benefícios para sistemas avançados de comunicação THz, incluindo segurança, flexibilidade, alta diretividade e concentração de sinal”, acrescentou o professor Chan, especializado em pesquisa de tecnologia terahertz.
Metasuperfície rotativa com milhares de microantenas
O meta-dispositivo consiste em duas ou três metasuperfícies rotativas (material de folha fina artificial com espessura de subcomprimento de onda), que funcionam como projetores eficientes para direcionar o ponto focal dos feixes de THz em um plano bidimensional ou tridimensional espaço. Com um diâmetro de 30 mm, cada metasuperfície possui cerca de 11.000 microantenas, que têm apenas 0,25 mm x 0,25 mm de tamanho e são diferentes umas das outras. “O segredo do sucesso do meta-dispositivo está no cálculo meticuloso e no design de cada micro-antena”, disse o professor Tsai. Simplesmente girando as metasuperfícies sem requisitos de espaço adicionais, o foco do feixe THz pode ser ajustado e direcionado para as coordenadas X, Y e Z especificadas do destino de acordo.
Com o equipamento altamente preciso e avançado do SKLTMW, a equipe de pesquisa realizou experimentos e verificou que os dois tipos de metadispositivos varifocais que desenvolveram – metadispositivos duplos e trigêmeos – podem projetar o ponto focal da onda THz em um ponto arbitrário em um plano 2D e um espaço 3D, respectivamente, com alta precisão.
Esse design inovador demonstrou a capacidade de um metadispositivo de direcionar um sinal 6G para um local específico no espaço bi e tridimensional.
Como apenas o usuário ou detector em um local específico pode receber o sinal, e o sinal altamente concentrado pode ser alternado de forma flexível para outros usuários ou detectores sem desperdiçar energia em receptores próximos ou prejudicar a privacidade, o meta-dispositivo pode aumentar a diretividade, segurança e flexibilidade nas futuras comunicações 6G com menor consumo de energia.
Fácil de aumentar a produção a baixo custo
As metasuperfícies são fabricadas com resina de alta temperatura e um método de impressão 3D desenvolvido pela equipe. Eles são leves e pequenos e podem ser facilmente produzidos em larga escala a baixo custo para aplicações práticas.
Espera-se que o novo metadispositivo sintonizável por THz tenha grande potencial de aplicação para sistemas de comunicação 6G, incluindo transferência de energia sem fio, imagem com zoom e sensoriamento remoto. A equipe de pesquisa planeja projetar outros aplicativos de meta-dispositivo com base na imagem varifocal THz.
As descobertas foram publicadas na revista científica Avanços da Ciência sob o título “Um metadispositivo 6G para varifocal 3D”.
Professor Tsai e Professor Chan são os co-autores correspondentes. Os co-primeiros autores são o Sr. Zhang Jingcheng, aluno de doutorado sob a supervisão do professor Tsai, o Dr. Wu Gengbo, pesquisador de pós-doutorado no SKLTMW, e o Dr. Chen Mu-Ku, professor assistente no Departamento de Engenharia Elétrica da CityU. Miss Liu Xiaoyuan, estudante de doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica, e Dr. Chan Ka-fai, do SKLTMW, também contribuíram para a pesquisa.
A pesquisa foi apoiada pelo Comitê de Bolsas Universitárias e pelo Conselho de Bolsas de Pesquisa de HKSAR, a Comissão de Ciência, Tecnologia e Inovação do Município de Shenzhen, o Departamento de Ciência e Tecnologia da Província de Guangdong e CityU.
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