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Uma equipe de pesquisa co-liderada por um cientista da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu uma nova antena que permite a manipulação da direção, frequência e amplitude do feixe irradiado, e espera-se que desempenhe um papel importante na integração de detecção e comunicações (ISAC) para comunicações sem fio de 6ª geração (6G).
A estrutura e as características das antenas tradicionais não podem ser alteradas depois de fabricadas. No entanto, a direção, a frequência e a amplitude das ondas eletromagnéticas dessa antena de nova geração, chamada de “antena de metasuperfície de codificação de espaço-tempo sem banda lateral (STC)”, podem ser alteradas por meio da codificação de espaço-tempo (ou seja, controle de software), permitindo grande flexibilidade do usuário.
A chave para esse recurso inovador é que a resposta da metasuperfície (material de folha fina artificial com espessura de subcomprimento de onda e feita de vários metaátomos de subcomprimento de onda) pode ser alterada alternando os metaátomos em sua superfície entre radiantes e estados não radiantes, como ligar e desligar interruptores, controlando a corrente elétrica. Isso permite que a antena de metasuperfície STC realize manipulação de onda complicada nos domínios do espaço e da frequência por meio de controle de software e crie um padrão de radiação desejado e um feixe altamente direcionado.
O professor Chan Chi-hou, reitor interino e professor titular de Engenharia Eletrônica no Departamento de Engenharia Elétrica da CityU, que liderou a pesquisa, destacou que a antena depende da combinação bem-sucedida de dois avanços de pesquisa, ou seja, vazamento modulado em amplitude (AM) antenas de onda e técnicas de codificação espaço-tempo.
Wu Gengbo, pós-doutorando no State Key Laboratory of Terahertz and Millimeter Waves (SKLTMW) na CityU, propôs pela primeira vez o novo conceito de antenas de ondas vazadas AM em 2020 em seus estudos de doutorado na CityU. “O conceito fornece uma abordagem analítica para sintetizar antenas com os padrões de radiação desejados para diferentes usos específicos, simplesmente alterando a forma e a estrutura das antenas”, explicou o Dr. Wu.
Mas, como acontece com outras antenas, uma vez que a antena de onda vazada AM é fabricada, suas características de radiação são fixas. Mais ou menos nessa época, o Dr. Dai Junyan, de um grupo de pesquisa liderado pelo acadêmico Cui Tiejun e pelo professor Cheng Qiang, da Southeast University em Nanjing, China, pioneiro nas tecnologias STC, juntou-se ao grupo do professor Chan na CityU. “A experiência do Dr. Dai em codificação de espaço-tempo e metasuperfícies digitais para reconfigurar dinamicamente o desempenho da antena adicionou uma nova e importante dimensão à pesquisa de antenas no SKLTMW”, disse o professor Chan, que também é diretor do SKLTMW no CityU.
Além disso, a modulação temporal de ondas eletromagnéticas em metasuperfícies geralmente gera frequências harmônicas indesejadas, chamadas de bandas laterais. Essas bandas laterais transportam parte da energia das ondas eletromagnéticas irradiadas e interferem nos canais de comunicação úteis da antena, levando à “poluição do espectro”. Mas o professor Chan e sua equipe propuseram um projeto inovador, que faz uso de um guia de onda (uma linha para transmitir ondas eletromagnéticas por reflexão sucessiva da parede interna) e suprimiu com sucesso os harmônicos indesejados, obtendo um feixe de alta diretividade e permitindo uma comunicação segura.
“Com a antena de onda vazada AM e as tecnologias de codificação de espaço-tempo, alcançamos as características de radiação designadas controlando as sequências liga-desliga e a duração dos ‘interruptores’ na antena por meio de software”, disse o professor Chan.
“Um feixe de alta diretividade pode ser gerado com a nova antena, permitindo uma ampla gama de desempenho de radiação sem ter que redesenhar a antena, exceto pelo uso de diferentes entradas STC”, acrescentou o Dr. Wu.
A energia do feixe irradiado da antena de metasuperfície STC pode ser focada em um ponto focal com comprimentos focais fixos ou variáveis, que podem ser usados para geração de imagens em tempo real e tratados como um tipo de radar para escanear o ambiente e dados de feedback. “A invenção desempenha um papel importante no ISAC para comunicações sem fio 6G”, explicou o professor Chan. “Por exemplo, o feixe irradiado pode escanear uma pessoa e criar uma imagem da pessoa, permitindo que os usuários de telefones celulares conversem entre si com imagens de holograma 3D. Ele também funciona melhor contra espionagem do que a arquitetura do transmissor convencional.”
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