Em artigo anterior tratamos da utilização de lentes em lugar de antenas para a emissão e recepção das ondas T, ou ondas da faixa dos Terahertz (THz) que já estão sendo usadas na 5G e no WiFi 7 e que certamente farão parte da 6G. Essas ondas estão numa faixa intermediária entre as radiações ópticas e a faixa de rádio com um comportamento que exige novas tecnologias. É dessas ondas e da sua utilização em sistemas de comunicação que trataremos neste artigo.
À medida em que os comprimentos de onda dos sinais usados em telecom diminui, ou seja, quando a frequência aumenta, os seus comportamentos vão sofrendo modificações.
Assim, passando das ondas longas com a predominância dos sinais se propagando junto ao solo, passamos para s faixas em que reflexão ocorre na ionosfera e depois encurtando cada vez mais vamos tendo comportamento específicos de propagação retilínea com os fenômenos da refração, difração e reflexão se acentuado, chegamos a um ponto em que uma transição importante ocorre.
Os sinais das faixas de Terahertz (THz) ou ondas T como também são chamados, passam a se comportar como radiações ópticas, ou seja, infravermelho, luz, ultravioleta e até mais.
Para entender o que está ocorrendo nessa transição de comportamento que já vemos em dispositivos práticos como os que estão associados à 6ª geração de celulares e 7ª geração de WiFi, vamos partir de uma antena antiga, muito bem conhecida de muitos de nossos leitores.
Uma antena tradicional
Analisando a antena da figura 1, vemos que ela possui três tipos de elementos diferentes, formados por conjuntos de varetas metálicas.
À medida em que os comprimentos de onda dos sinais usados em telecom diminui, ou seja, quando a frequência aumenta, os seus comportamentos vão sofrendo modificações.
Assim, passando das ondas longas com a predominância dos sinais se propagando junto ao solo, passamos para s faixas em que reflexão ocorre na ionosfera e depois encurtando cada vez mais vamos tendo comportamento específicos de propagação retilínea com os fenômenos da refração, difração e reflexão se acentuado, chegamos a um ponto em que uma transição importante ocorre.
Os sinais das faixas de Terahertz (THz) ou ondas T como também são chamados, passam a se comportar como radiações ópticas, ou seja, infravermelho, luz, ultravioleta e até mais.
Para entender o que está ocorrendo nessa transição de comportamento que já vemos em dispositivos práticos como os que estão associados à 6ª geração de celulares e 7ª geração de WiFi, vamos partir de uma antena antiga, muito bem conhecida de muitos de nossos leitores.
Uma antena tradicional
Analisando a antena da figura 1, vemos que ela possui três tipos de elementos diferentes, formados por conjuntos de varetas metálicas.
O elemento ativo é a própria antena, ou seja, aquele em que os sinais incidentes vão induzir uma corrente de alta frequência que deve ser levada aos circuitos que os processam. Na parte traseira dessa antena temos os elementos refletores que refletem o excedente do sinal que passa pela antena em si, de modo que eles voltem e possam aumentar o rendimento do elemento captador.
Mas, o que nos interessa em especial são os elementos que ficam diante da antena. Esses elementos são formados por varetas com comprimento levemente menor do que as que formam a antena em si, atuando como diretores. Eles não captam os sinais, induzindo a corrente, mas interferem na propagação dos sinais, atuando em conjunto como uma lente que concentra esses sinais nos elementos que formam a antena, conforme mostra a figura 2.
Eles não apenas proporcionam uma concentração dos sinais que chegam à antena sobre o elemento principal captador que é a antena em si, como fazem isso agregando uma diretividade. É exatamente como uma lente em relação a um sinal óptico, ou seja, à luz
A lente, não apenas concentra a luz sobre um determinando ponto, o seu foco, como também proporcionar características de diretividade fazendo isso com a luz de uma determinada direção. Veja que isso é válido tanto em relação aos sinais que chegam como aos que são transmitidos, tanto para a antena como para a lente.
Isso proporciona aos dois tipos de elemento o que denominamos diretividade ou ganho.
O ganho é um termo que designa a capacidade de captar ou emitir sinais em determinada direção, já que as antenas são elementos passivos. Assim, se tomarmos como exemplo uma antena que irradie sinais em todas as direções com a mesma intensidade ou os receba da mesma forma de todas as direções, dizemos que o ganho dessa antena e unitário, conforme mostra a figura 4.
Se uma antena recebe os sinais de uma área que corresponda ¼ da esfera imaginária em torno dela, o que representa que essa área proporciona um concentra 4 vezes maior para os sinais, dizemos que o ganho dessa antena é 4. É claro que isso será expresso em dB (decibéis).
Podemos, evidentemente, transportar essa ideia para uma lente atribuindo-lhe não ganho, mas da mesma forma uma concentração de luz ou ampliação. Mas, onde tudo isso se encaixa nos novos dispositivos das telecomunicações que trabalham com as ondas T.
Usando lentes ou antenas de luz para receber e transmitir sinais da faixa dos Terahertz
Evidentemente, se pensarmos que as ondas de Terahertz da faixa usada nas modernas comunicações são pequenas demais para que possamos usar elementos físicos com os mesmos formatos das ondas tradicionais, podemos pensar em substitui-los por lentes.
É exatamente nisso que se está trabalhando para o desenvolvimento das novas antenas; Elas serão formadas tanto por elementos tradicionais condutores para emitir ou receber os sinais, mas terão lentes, ou recursos opticos em lugar dos elementos diretores e espelhos no lugar dos elementos refletores.
Essas antenas, conforme mostra a figura abaixo possuiriam uma estrutura mista que deve ser analisada ao se projetar dispositivos que as usem. Na verdade, já existem antenas integradas que incorporam essa tecnologia.
Ao utilizar materiais apropriados para a elaboração de lentes para radiações que se comportam como a luz o projetista deverá estar atento que eles, da mesma forma que no caso da luz, possuem propriedades que dependem do comprimento de onda considerado.
Para o desenvolvimento dessas antenas temos então recursos diferentes para sua implementação.
Num primeiro caso, aproveita-se o efeito plasmônico onde elétrons livres podem oscilar quando recebem e radiação eletromagnética incidente, no caso as ondas da faixa dos Terahertz.
Ao receber essa radiação são criadas ondas eletromagnéticas superficiais no material possibilitando a sua manipulação e obtenção de um sinal para os circuitos eletrônicos de amplificação ou detecção.
Uma outra tecnologia empregada é justamente a que se tem no caso de antenas convencionais, mas em nanoescala. Aproveita-se a ressonância de dipolos para receber os sinais e gerar as correntes elétricas correspondentes para os circuitos. Estas estruturas, entretanto, são em escala nanométricas.
Outra possibilidade este no emprego de nanomateriais que são materiais com -´índice de refração negativo. Temos no site o artigo Metametariais – Novas Perspectivas para a Eletrônica que dá informações adicionais no link abaixo.
https://www.newtoncbraga.com.br/novas-tecnologias/5262-art689.html
É possível criar estruturas extremamente pequenas ressonantes em frequências da faixa de Terahertz usando esses materiais. No artigo que citamos temos a descrição de um processo de litografia para integração dessas antenas.
A tecnologia dos microespelhos (DLP)
A ideia de se utilizar milhões de microespelhos que podem ter sua posição controlada eletricamente foi desenvolvida pela Texas Instruments (veja ART5669 no site). Originalmente criada para projetores de imagens, ela, no entanto, encontra outras aplicações dando como exemplo a recepção e transmissão de sinais na faixa dos Terahertz.
Capazes de manusear ondas eletroganéticas na faixa dos Terahertz e acima eles podem consistir numa nova fronteira para a faixas do espectro de rádio para o espectro óptico.
A ideia é se ter um chip com milhões de microespelhos cuja posição pode ser comandada por sinais elétricos. Podemos direcionar esses espelhos de modo que eles apontem para qualquer direção.
Em lugar de simples espelhos podemos substituí-los por micro antenas das tecnologias que vimos anteriormente, de modo que elas, não apenas captem o sinal da frequência desejada, como também possam apontar para a direção de onda esses sinais vêm.
Na figura abaixo temos o chip da Texas que é usado em projetores e que promete uma nova gama de aplicação em celulares que embutirão projetores de imagem.
Com a utilização de nanoantenas para a faixa dos Terahertz, o celular terá condições de procurar a fonte de sinal, direcionando suas antenas de modo a receber o melhor sinal.
Veja no nosso artigo como isso pode ser usado com luz em projetores.
