La impresión 3D pronto podría impulsar las telecomunicaciones con generadores de haces compactos

Un equipo de investigadores de la Universidad Xi’an Jiaotong en China presentó recientemente prototipos de generadores de haces vórtice de momento angular orbital (OAM) impresos en 3D. Estos dispositivos podrían mejorar las transmisiones de datos para redes inalámbricas 5G/6G, escaneo de imágenes y mucho más. Aquí tienes lo que necesitas saber sobre los generadores de haces compactos y cómo pueden potenciar las comunicaciones.

Demandas 5G/6G

La carrera por lograr redes 5G/6G fiables continúa en todo el mundo. Países como China y EE. UU. siguen compitiendo para mejorar estos sistemas inalámbricos de ondas milimétricas (mm-Wave), ya que ambos buscan ser el principal proveedor de redes en el futuro. En particular, las redes 5G utilizan ondas milimétricas para mejorar el rendimiento, la capacidad y reducir la latencia. Hoy, estas redes ofrecen comunicaciones claras, eficientes y resistentes a interferencias dondequiera que se utilicen.

Generadores de haces vórtice de Momento Angular Orbital (OAM)

Para generar flujos de datos de alta capacidad, los investigadores han explorado una variedad de métodos. Un método particularmente interesante que sigue demostrando potencial es los generadores de haces vórtice de Momento Angular Orbital (OAM). Estos dispositivos generan y manipulan haces ópticos vórtice que poseen una fase espiral.

Para generar haces de luz retorcidos, estos dispositivos incorporan caminos ópticos que varían linealmente y que se extienden alrededor de la circunferencia de un dispositivo óptico. Si se construyen y utilizan correctamente, estos dispositivos mejoran significativamente la eficiencia espectral y la capacidad de comunicación.

Problemas con los métodos actuales de producción de generadores de haces vórtice OAM

Aunque muchos ven a los generadores de haces vórtice como el futuro de las comunicaciones 5G/6G, existen varios problemas con los dispositivos actuales que deben superarse para que la tecnología sea adecuada para integraciones cotidianas. Por un lado, los generadores de haces actuales tienen baja eficiencia. Las unidades de hoy no proporcionan una generación de haz maximizada y presentan limitaciones de ancho de banda del servidor.

Costos de fabricación de los generadores de haces

Otro gran inconveniente de los generadores de haces actuales son los altos costos de fabricación. Estos dispositivos requieren una precisión extrema. Por lo tanto, pueden tener un proceso de fabricación complejo que, si se realiza incorrectamente, deja al dispositivo vulnerable a interferencias no deseadas.

Estudio de los generadores de haces

El reciente estudio¹ publicado en la revista del Optica Publishing Group Optics Express presenta un nuevo método de fabricación para estos dispositivos que podría ayudar a mejorar la precisión y reducir los costos. El estudio introduce un método novedoso de impresión 3D de un generador de haces OAM capaz de producir haces vórtice de alta capacidad.

Los investigadores crearon específicamente el dispositivo para operar como un sistema de antena para un sistema de comunicación inalámbrica en la banda Ka. El dispositivo integra varias funciones, incluyendo un filtro de interferencias, divisor de potencia, cambiador de fase, línea de transmisión y radiadores, en una única unidad impresa.

Generadores de haces OAM impresos en 3D

El generador de haces OAM se imprimió utilizando un diseño monolítico y la tecnología de impresión 3D de fusión selectiva por láser (SLM). Los investigadores construyeron el dispositivo usando una aleación y con huecos llenos de aire. Este diseño garantizó que el dispositivo tuviera pérdidas dieléctricas mínimas durante su uso.

Intentos anteriores de crear generadores de haces más eficaces integraron múltiples dispositivos de potencia y cambiadores de fase. Estas pruebas descubrieron que esta estructura aumentaba la interferencia y las pérdidas dieléctricas. Por lo tanto, la unidad construida en una sola pieza de metal se consideró el mejor diseño para estas tareas.

Divisor de potencia

El nuevo diseño incorpora características de filtrado de ganancia diseñadas para mejorar la precisión y la sensibilidad. El equipo creó un divisor de potencia y filtro de 1 a 8 construido a medida que combina ocho líneas de retardo de fase con guías de ondas retorcidas para separar señales y enviarlas a rutas designadas que eliminan la interferencia.

Filtrado de ganancia integrado

Eliminar la interferencia sirve para varios propósitos. Por un lado, permite más ancho de banda, que luego puede usarse para transportar más datos con mayor fuerza de señal. Además, permite a los investigadores afinar las señales que desean recibir, eliminando señales no deseadas en la fuente. A partir de ahí, las señales se envían a una matriz de antenas circular para finalizar su alineación.

Simulaciones por computadora de los generadores de haces

El equipo luego integró simulaciones avanzadas por computadora para afinar aún más su generador de haces. Las simulaciones permitieron al equipo ejecutar miles de pruebas para descubrir el diseño preciso que mejore la transmisión de señal dentro de la banda y la supresión eficaz fuera de banda.

Resultados del estudio de los generadores de haces

Los resultados del estudio son prometedores. Por un lado, el nuevo dispositivo podría ayudar a resolver problemas de sobrecarga en futuros sistemas de comunicaciones inalámbricas. El equipo descubrió que el dispositivo redujo la interferencia, potenció la señal principal y fue capaz de generar haces OAM con el número de modelo l =+1.

Estos dispositivos pueden ayudar a resolver problemas de sobrecarga cuando se integran en torres. Son pequeños y pueden instalarse de manera no permanente o permanente durante grandes concentraciones de público para ayudar a aliviar y prevenir la sobrecarga de datos en las redes. Este enfoque reduciría las llamadas caídas y las conexiones lentas de la red.

El equipo también descubrió que la estructura totalmente metálica era beneficiosa para el funcionamiento del dispositivo. Específicamente, demostró una mayor eficiencia de radiación y una mayor capacidad de manejo de potencia que los métodos tradicionales. La unidad produjo un 80 % de pureza de señal, lo que representa una gran mejora respecto a los métodos anteriores. Además, la supresión fuera de banda superó los 30 dB en las direcciones principales.

Aplicaciones potenciales de los generadores de haces compactos

Existen varias aplicaciones para esta tecnología, incluida la infraestructura para sistemas de comunicación inalámbrica 5G/6G. Estos sistemas inalámbricos de ondas milimétricas necesitan eliminar la interferencia para garantizar transmisiones de datos máximas.

Sensado remoto e imágenes

Otro uso vital de este dispositivo es mejorar los sistemas de sensado remoto e imágenes. Estos dispositivos podrían ofrecer más detalle en comparación con las opciones actuales, permitiendo a los investigadores realizar escaneos más exhaustivos de ubicaciones bajo densa cobertura de selva, bajo el agua o enterradas en desiertos.

Uso militar

El uso de sistemas de radar de microondas ayudaría a mejorar el seguimiento de múltiples objetivos. La guerra actual sigue dependiendo de pequeños sistemas no tripulados que son económicos, fáciles de producir y pueden adaptarse a una variedad de tareas. El seguimiento de estos dispositivos se ha convertido en una parte crucial de las operaciones militares. El uso de generadores de haces OEM podría ayudar a mejorar esta tarea, potencialmente salvando vidas.

Beneficios que los generadores de haces compactos aportan al mercado

Esta investigación aporta varios beneficios. Por un lado, el proceso de fabricación es menos costoso que los métodos tradicionales que requieren que varios componentes se creen en diferentes ubicaciones y luego se envíen a una planta de ensamblaje. El método de impresión 3D no requiere pasos adicionales.

Filtrado de ganancia integrado

Uno de los principales beneficios es el filtrado de ganancia integrado. Los investigadores pudieron realizar simulaciones de la forma exacta de su dispositivo para amplificar las señales deseadas mientras reducían la interferencia en todo el canal. Dado que no hay partes móviles y todo el dispositivo es una sola unidad, esta capacidad representa un gran impulso.

Bajo costo

Es mucho más barato imprimir una sola unidad que reunir y ensamblar componentes externos adicionales. El uso de una estructura monolítica reduce los costos de ensamblaje. También significa que estos dispositivos pueden crearse in situ en instalaciones de impresión 3D donde sea necesario.

Precisión

El principal beneficio del diseño del generador de haces es que proporciona una alineación precisa de los componentes en cada ocasión. Sería muy difícil y llevaría mucho tiempo lograr este nivel de alineación usando múltiples piezas que deben ensamblarse. El método de fabricación aditiva de aleación mediante impresión 3D permitió al equipo crear diseños complejos que mejoran la transmisión de señal sin partes móviles.

Investigadores de los generadores de haces

Los principales investigadores del proyecto fueron Jianxing Li y Yuanxi Cao de la Universidad Xi’an Jiaotong en China. Ahora, el equipo busca ampliar sus pruebas para observar las capacidades de su invención en diferentes frecuencias y señales. Su objetivo es encontrar un equilibrio directo entre la transmisión de señal y las normas regulatorias.

Empresas que pueden beneficiarse del estudio de generadores de haces impresos en 3D

Varias empresas podrían experimentar importantes mejoras en sus ofertas al integrar la tecnología de este estudio. Estas empresas van desde el sector de telecomunicaciones hasta firmas de impresión 3D y fuerzas militares. A continuación, se presentan dos compañías preparadas para aprovechar estos desarrollos en los próximos meses.

1. Materialise NV

Materialise NV, con sede en Bélgica (MTLS ), ingresó al mercado en 1990. Sus fundadores, Wilfried Vancraen y Hilde Ingelaere, querían crear una tienda única para empresas que buscan software de fabricación aditiva y soluciones de impresión 3D. Hoy, opera como un proveedor de producción de impresión 3D de rápido crecimiento y sostenible.

Desde su lanzamiento, Materialise ha incursionado en múltiples sectores de fabricación aditiva. La empresa ofrece guías quirúrgicas e implantes impresos en 3D junto con prototipado rápido. La firma también añadió recientemente una plataforma dirigida al consumidor para servicios de impresión 3D, abriendo la puerta a ingresos adicionales.

Las acciones de Materialise NV han experimentado una caída constante durante los últimos 5 años mientras la empresa afinaba sus productos y prototipos. Sin embargo, se espera que esta tendencia a la baja se revierta, ya que varios analistas han publicado un pronóstico de precios a 3 meses que muestra un posible aumento del 60,67 % con una probabilidad del 90 %. Por lo tanto, Materialise continúa atrayendo a nuevos inversores.

2. Frontier Communications Parent Inc

Frontier Communications Parent Inc (FYBR ) ingresó al mercado en 1935. Este proveedor de telecomunicaciones con sede en Texas amplió rápidamente sus operaciones para incluir una variedad de opciones de transmisión de datos, incluyendo datos, internet, video, voz, hardware y soluciones de red.

La compañía tiene una capitalización de mercado actual de 8,66 mil millones de dólares y continúa mostrando fuertes señales de impulso alcista. Actualmente, las acciones FYBR aparecen en varias listas de recomendaciones debido a su potencial de alza y al sólido posicionamiento de la empresa.

Generadores de haces compactos – El futuro de las telecomunicaciones

Aunque aún queda mucho por probar antes de que veas generadores de haces compactos impresos en 3D en tu vecindario, la tecnología ha demostrado ser fiable. Por lo tanto, no pasará mucho tiempo antes de que estos dispositivos ayuden a sintonizar tus sistemas inalámbricos, mejorando su alcance y capacidades. Por ahora, estos investigadores merecen reconocimiento por su enfoque único a un problema de larga data en el mercado de sistemas inalámbricos.

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Referencia del estudio:

^{1. Li, J., Wu, S., Li, Z., Cao, Y., & Xu, K.-D. (2024). Generador de haces OAM impreso en 3D con una característica de filtrado de ganancia fuera de banda mejorada. Optics Express, 32(26), 47285–47295. https://doi.org/10.1364/OE.542046}