Paneles de metacristal impresos en 3D podrían mejorar cobertura inalámbrica sin electrónica adicional

Los paneles funcionan como espejos pasivos para ondas de radio, redirigiendo señales inalámbricas hacia áreas donde normalmente no llegarían debido a paredes, muebles u otros obstáculos, según explicó el investigador doctoral Mahdi Asgari de la Universidad Aalto. "Cuando una habitación está demasiado oscura, puedes traer más lámparas o usar espejos simples para guiar la luz ya disponible", dijo Asgari. "Esto es lo que hacen estos metacristales, pero con ondas de radio".

La tecnología surge como respuesta a un desafío crítico para las futuras redes 6G, que dependerán más intensamente de frecuencias de ondas milimétricas y sub-terahercios (sub-THz), según el estudio. Estas frecuencias ofrecen un ancho de banda enorme pero son mucho más fáciles de bloquear que las señales de menor frecuencia. Las redes 6G se espera que alcancen una velocidad máxima teórica de hasta 1 Terabit por segundo (Tbps), entre 50 y 100 veces más rápido que el máximo teórico de 5G, según los investigadores.

El problema es que cuanto mayor es la frecuencia, más se comporta la señal como un haz de luz: excelente cuando tiene un camino despejado, menos útil cuando un obstáculo como una pared o una persona se interpone en el camino, según el equipo de investigación. Actualmente, la solución convencional implica instalar más estaciones base, enrutadores, repetidores, relés y antenas alimentadas para densificar la red o transportar señales alrededor de obstáculos, pero esto significa más hardware, más consumo de energía, más mantenimiento y mayor costo, según los investigadores.

Los paneles de metacristal representan una solución de menor tecnología pero viable. En lugar de generar una nueva señal o amplificar la antigua, el panel remodela la trayectoria de las ondas de radio ya presentes en el entorno, según el estudio publicado en Nature Communications. Los paneles podrían colocarse en paredes, techos, muebles, corredores u otras superficies para dirigir una señal alrededor de una esquina, hacia un área sombreada o hacia un usuario o dispositivo particular, según los investigadores.

La clave está en la estructura interna del metacristal. Los metamateriales son materiales diseñados cuyo comportamiento útil proviene no solo de qué están hechos, sino de cómo están formados a pequeñas escalas, según el equipo. En este caso, los investigadores crearon una estructura totalmente dieléctrica hecha de material de baja permitividad y espacios de aire. La geometría 3D del panel determina cómo las ondas de radio entrantes se dispersan, reflejan, transmiten o se absorben, según el estudio.

Los investigadores diseñaron las estructuras utilizando optimización topológica inversa. En lugar de dibujar manualmente cada característica interna, definieron el trabajo electromagnético que querían que realizara el panel, y el software generó una geometría capaz de hacerlo, según Asgari. Los metacristales resultantes fueron diseñados para manejar múltiples ondas entrantes, diferentes ángulos, dos polarizaciones y múltiples funciones, incluyendo reflexión anómala, transmisión y absorción, según el estudio.

Este último aspecto es importante porque define uno de los aspectos de "innovación" del proyecto, según los investigadores. Las superficies inteligentes no son nuevas. Existen metasuperficies pasivas, pero a menudo funcionan bien solo para una banda de frecuencia, polarización o ángulo de llegada. Los metacristales de los investigadores buscan cerrar esa brecha utilizando una estructura 3D volumétrica moderadamente gruesa en lugar de una sola capa con patrón, lo que le da al panel mayor libertad de diseño sin agregar electrónica, según el equipo.

Las superficies inteligentes reconfigurables se han propuesto durante mucho tiempo como un medio para mejorar la cobertura inalámbrica futura. Sin embargo, muchas requieren componentes electrónicos y energía, según los investigadores. Debido a que los paneles pueden imprimirse en 3D, los investigadores estiman que el costo del material consumible podría ser solo unas pocas decenas de euros por pieza, según el estudio.

También existe el beneficio de la personalización: cada panel podría adaptarse a un entorno conocido en lugar de producirse en masa como una caja universal, según los investigadores. Una red y un espacio podrían tener paneles diseñados para su transceptor exacto y disposición de obstáculos, respectivamente, según el equipo.

"Para la industria, los casos de uso más atractivos son entornos estáticos o que cambian lentamente como fábricas, redes 5G/6G interiores, almacenes y corredores largos", dijo Asgari. "En tales lugares, un panel pasivo diseñado para un diseño conocido podría ser mucho más barato y simple que una superficie controlada activamente que requiere mantenimiento continuo".

Sin embargo, existen límites. Un panel pasivo no puede crear energía de la nada, y cada trayectoria redirigida aún enfrenta física real, según los investigadores. La distancia, absorción, dispersión, reflexión y pérdidas de inserción reducen la intensidad de la señal. En teoría, se podría seguir rebotando un haz con múltiples paneles hacia un destino lejano, pero en la práctica, cada curva y cada metro adicional consume el presupuesto del enlace, según el equipo. A frecuencias sub-THz, la atmósfera misma agrega pérdida con la distancia, según el estudio.

Los investigadores ahora quieren pasar de paneles fijos a versiones reconfigurables más simples que se adapten a los cambios en el entorno inalámbrico, según Asgari. También están buscando comercialización y participación de colaboradores industriales, según la Universidad Aalto.

La tecnología podría tener aplicaciones inmediatas en la mejora de la cobertura 5G en edificios y áreas urbanas densas, donde ya es un problema, según los investigadores. Con 6G, el desafío se intensifica debido a las frecuencias más altas que se comportan de manera más similar a la luz que a las ondas de radio tradicionales, según el estudio.

Los paneles no son enrutadores ni amplificadores de señal en el sentido electrónico normal. Son más como directores de tráfico pasivos para energía inalámbrica, según los investigadores. Esta característica pasiva elimina la necesidad de cableado, fuentes de alimentación y el mantenimiento continuo asociado con soluciones electrónicas activas, según el equipo de la Universidad Aalto.