Impressão 3D Pode Em Breve Impulsionar as Telecomunicações com Geradores de Feixe Compactos

Uma equipe de pesquisadores da Xi’an Jiaotong University, na China, apresentou recentemente protótipos de geradores de feixe vórtice de momento angular orbital (OAM) impressos em 3D. Esses dispositivos podem melhorar as transmissões de dados para redes sem fio 5G/6G, escaneamento de imagens e muito mais. Aqui está o que você precisa saber sobre geradores de feixe compactos e como eles têm o potencial de aprimorar as comunicações.

Exigências 5G/6G

A corrida para alcançar redes 5G/6G confiáveis continua em todo o mundo. Países como China e Estados Unidos continuam competindo para aprimorar esses sistemas sem fio de ondas milimétricas (mm-Wave), já que ambos buscam ser o principal provedor de rede no futuro. Notavelmente, as redes 5G utilizam ondas milimétricas para melhorar a taxa de transferência, o desempenho e reduzir a latência. Hoje, essas redes fornecem comunicação clara, eficiente e resistente a interferências onde quer que sejam usadas.

Geradores de Feixe Vórtice de Momento Angular Orbital (OAM)

Para gerar fluxos de dados de alta capacidade, os pesquisadores investigaram uma variedade de métodos. Um método particularmente interessante que continua a demonstrar potencial são os geradores de feixe vórtice de Momento Angular Orbital (OAM). Esses dispositivos geram e manipulam feixes ópticos vórtice que possuem uma fase espiral.

Para gerar feixes de luz torcidos, esses dispositivos incorporam caminhos ópticos que variam linearmente ao longo da circunferência de um dispositivo óptico. Se construídos e usados corretamente, esses dispositivos aumentam significativamente a eficiência espectral e a capacidade de comunicação.

Problemas com os Métodos Atuais de Produção de Geradores de Feixe Vórtice OAM

Embora os geradores de feixe vórtice sejam vistos por muitos como o futuro das comunicações 5G/6G, há vários problemas com os dispositivos atuais que precisam ser superados para tornar a tecnologia adequada para integrações cotidianas. Por exemplo, os geradores de feixe atuais têm baixa eficiência. As unidades de hoje não fornecem geração de feixe maximizada e apresentam limitações de largura de banda do servidor.

Custos de Fabricação dos Geradores de Feixe

Outra grande desvantagem dos geradores de feixe atuais são os altos custos de fabricação. Esses dispositivos exigem precisão extrema. Como tal, podem ter um processo de fabricação complexo que, se realizado incorretamente, pode deixar o dispositivo vulnerável a interferências indesejadas.

Estudo dos Geradores de Feixe

O estudo recente¹ publicado na revista do Optica Publishing Group Optics Express apresenta um novo método de fabricação para esses dispositivos que pode ajudar a melhorar a precisão e reduzir custos. O estudo introduz um método inovador de impressão 3D de um gerador de feixe OAM capaz de produzir feixes vórtice de alta capacidade.

Os pesquisadores criaram especificamente o dispositivo para operar como um sistema de antena para um sistema de comunicação sem fio Ka-band. O dispositivo integra várias funcionalidades, incluindo um filtro de interferência, divisor de potência, deslocador de fase, linha de transmissão e radiadores, em uma única unidade impressa.

Geradores de Feixe OAM Impressos em 3D

O gerador de feixe OAM foi impresso usando um design monolítico e a tecnologia de impressão 3D por fusão seletiva a laser (SLM). Os pesquisadores construíram o dispositivo usando liga metálica e com cavidades preenchidas com ar. Esse design garantiu que o dispositivo apresentasse perdas dielétricas mínimas durante o uso.

Tentativas anteriores de criar geradores de feixe mais eficazes integraram múltiplos dispositivos de potência e deslocadores de fase. Esses testes descobriram que essa estrutura aumentava a interferência e as perdas dielétricas. Assim, a unidade construída em uma única peça totalmente metálica foi considerada o melhor design para as tarefas.

Divisor de Potência

O novo design incorpora recursos de filtragem de ganho projetados para melhorar a precisão e a sensibilidade. A equipe criou um divisor de filtro de potência 1-para-8 sob medida, que combinou linhas de atraso de oito fases com guias de onda torcidos para separar os sinais e enviá-los por rotas designadas para eliminar a interferência.

Filtragem de Ganho Integrada

Eliminar a interferência serve a múltiplos propósitos. Primeiro, permite mais largura de banda, que pode então ser usada para transportar mais dados a partir de maior força de sinal. Além disso, permite que os pesquisadores ajustem finamente os sinais que desejam receber, eliminando sinais indesejados na fonte. A partir daí, os sinais são enviados para uma matriz de antenas circular para finalizar seu alinhamento.

Simulações Computacionais dos Geradores de Feixe

A equipe então integrou simulações computacionais avançadas para ajudar a refinar ainda mais seu gerador de feixe. As simulações permitiram que a equipe realizasse milhares de testes para descobrir o design preciso que aprimora a transmissão de sinal dentro da banda e a supressão eficaz fora da banda.

Resultados do Estudo dos Geradores de Feixe

Os resultados do estudo mostram-se promissores. Por exemplo, o novo dispositivo pode ajudar a resolver problemas de sobrecarga em futuros sistemas de comunicação sem fio. A equipe descobriu que o dispositivo reduziu a interferência, aumentou o sinal principal e foi capaz de gerar feixes OAM com número de modelo l =+1.

Esses dispositivos podem ajudar a resolver problemas de sobrecarga quando integrados a torres. Eles são pequenos e podem ser instalados de forma não permanente ou permanente durante grandes aglomerações para ajudar a aliviar e prevenir a sobrecarga de dados nas redes. Essa abordagem reduziria chamadas caídas e conexões de rede lentas.

A equipe também descobriu que a estrutura totalmente metálica foi benéfica para as operações do dispositivo. Especificamente, demonstrou maior eficiência de radiação e maior capacidade de manuseio de potência em comparação com métodos tradicionais. A unidade produziu 80% de pureza de sinal, o que representa uma grande melhoria em relação aos métodos anteriores. Além disso, a supressão fora da banda excedeu 30 dB nas direções principais.

Aplicações Potenciais para Geradores de Feixe Compactos

Existem várias aplicações para essa tecnologia, incluindo a infraestrutura para sistemas de comunicação sem fio 5G/6G. Esses sistemas sem fio de ondas milimétricas precisam eliminar a interferência para garantir transmissões de dados máximas.

Sensoriamento Remoto e Imagem

Outro uso vital deste dispositivo é melhorar os sistemas de sensoriamento remoto e imagem. Esses dispositivos poderiam fornecer mais detalhes em comparação com as opções atuais, permitindo que os pesquisadores realizem varreduras mais aprofundadas de locais cobertos por densa vegetação, submersos ou enterrados em desertos.

Uso Militar

O uso de sistemas de radar de micro-ondas ajudaria a melhorar o rastreamento de múltiplos alvos. As guerras atuais continuam a depender de pequenos sistemas não tripulados que são baratos, fáceis de produzir e podem ser adaptados para uma variedade de tarefas. Rastrear esses dispositivos tornou-se uma parte crucial das operações militares. O uso de geradores de feixe OEM poderia ajudar a melhorar essa tarefa, potencialmente salvando vidas.

Benefícios que os Geradores de Feixe Compactos Trazem ao Mercado

Esta pesquisa traz vários benefícios. Primeiro, o processo de fabricação é menos caro que os métodos tradicionais que exigem que vários componentes sejam criados em diferentes locais e depois enviados a uma fábrica de montagem. O método de impressão 3D não requer etapas adicionais.

Filtragem de Ganho Integrada

Um dos principais benefícios é a filtragem de ganho integrada. Os pesquisadores foram capazes de conduzir simulações da forma exata de seu dispositivo para amplificar os sinais desejados enquanto reduziam a interferência ao longo do canal. Como não há partes móveis e todo o dispositivo é uma única unidade, essa capacidade representa um grande impulso.

Baixo Custo

É muito mais barato imprimir uma única unidade do que reunir e montar componentes externos adicionais. O uso de uma estrutura monolítica reduz os custos de montagem de elementos. Também significa que esses dispositivos podem ser criados no local, em instalações de impressão 3D, onde for necessário.

Precisão

O principal benefício do design do gerador de feixe é que ele fornece alinhamento preciso dos componentes a cada vez. Seria muito difícil e demorado alcançar esse nível de alinhamento usando múltiplas peças que precisam ser montadas. O método de fabricação aditiva por impressão 3D de liga metálica permitiu que a equipe criasse designs complexos que aprimoram a transmissão de sinal sem partes móveis.

Pesquisadores dos Geradores de Feixe

Os principais pesquisadores do projeto incluíram Jianxing Li e Yuanxi Cao da Xi’an Jiaotong University, na China. Agora, a equipe busca expandir seus testes para observar as capacidades de sua invenção em diferentes frequências e sinais. Seu objetivo é encontrar um equilíbrio direto entre a transmissão de sinal e as normas regulatórias.

Empresas que podem se Beneficiar do Estudo dos Geradores de Feixe Impressos em 3D

Várias empresas podem observar grandes impulsos em suas ofertas ao integrar a tecnologia deste estudo. Essas empresas vão desde o setor de telecomunicações até firmas de impressão 3D e forças militares. Aqui estão duas empresas prontas para aproveitar esses desenvolvimentos nos próximos meses.

1. Materialise NV

A Materialise NV, com sede na Bélgica (MTLS ), entrou no mercado em 1990. Seus fundadores, Wilfried Vancraen e Hilde Ingelaere, queriam criar um ponto único para empresas que buscam software de manufatura aditiva e soluções de impressão 3D. Hoje, opera como um fornecedor de produção de impressão 3D de rápido crescimento e sustentável.