Existen muchas aplicaciones de comunicaciones que requieren componentes de RF y microondas altamente configurables para permitir rendimiento de vanguardia y nuevos usos. Entre estas aplicaciones, las soluciones militares, de comunicaciones móviles y de la Internet de las cosas/Máquina a máquina (IoT/M2M) requieren capacidad sintonizable de próxima generación de dispositivos electrónicos de interfaz RF a fin de capitalizar la amplia variedad de frecuencias y protocolos disponibles.
En el caso de las aplicaciones militares inalámbricas, evitar las interferencias y garantizar la frecuencia y los protocolos de operación más confiables son fundamentales en implementaciones especialmente críticas. En el caso de las aplicaciones IoT/M2M, sintonizar un dispositivo en una banda de frecuencia menos cargada de manera rápida y confiable puede garantizar calidad a nivel de operador en un mundo inalámbrico ruidoso y congestionado. Los investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han realizado un gran avance al crear antenas de metal líquido controladas únicamente de forma electromecánica que tienen la capacidad de ajustar su frecuencia resonante en varios gigahercios.
Se requieren muchas innovaciones materiales y tecnológicas para abrirse paso en la era de las conexiones y crear conectividad inalámbrica fluida. Un enfoque principal de las labores de investigación y la industria ha sido el desarrollo de sistemas de comunicaciones RF que se puedan programar digitalmente e incluso tomar decisiones de cómo operar de mejor forma. Estos dispositivos, denominados radios cognitivas, y un componente de ellos, radios definidas por software (SDR), como ADC34J22 de Dallas Logic o ARRadio de Analog Device, utilizan técnicas informáticas avanzadas para habilitar sistemas de radio inteligentes. Aunque estos sistemas de comunicación pueden adoptar una variedad de variables ambientales de modulación y electromagnéticas (EM), los límites en el hardware ajustable finalmente limitan el rendimiento de los transceptores RF críticos en estos sistemas.
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Muchos investigadores han analizado con emoción la llegada de líquidos conductivos controlables para crear componentes y dispositivos RF que se pueden utilizar para crear sistemas extremadamente sintonizables. Aunque los filtros, las superficies selectivas en frecuencia (FSS) y las antenas desarrolladas por estos investigadores han demostrado ser configurables, la mayoría de ellos requiere sistemas neumáticos para funcionar. La incorporación de un sistema neumático aumenta la complejidad, el costo y los posibles modos de falla de un dispositivo. Sin embargo, con una antena que se puede controlar electromecánicamente, la velocidad, la precisión, la reproducibilidad y el rango de sintonización de una antena líquida podrían mejorar considerablemente. Esto lo experimentaron los investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, cuando pudieron desarrollar un prototipo de antena de metal líquido de galio-indio eutéctico (EGaIn) con una estructura capilar.
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Figura 2: la carga CC aplicada en la estructura capilar permite que el metal líquido de EGaIn fluya en el capilar cuando se aplica tensión y se retracte cuando se elimina la tensión. (Fuente: J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))
Gracias al uso de una carga CC de tensión baja simple, la antena de EGaIn se puede sintonizar de manera continua y reversible en un rango de sintonización de 5:1. Esto se realiza agregando o eliminando un óxido superficial delgado en el material de EGaIn mediante el potencial eléctrico, lo que manipula de forma variable las tensiones interfaciales en el capilar. La creación de este óxido solo es posible debido a la inclusión de un electrolito dentro del capilar que evita el desarrollo y la adhesión permanentes del óxido de EGaIn en las paredes del capilar. El potencial de CC aplicado a este sistema es lo que hace entrar o salir el EGaIn desde un depósito lleno de EGaIn.
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Figura 3: el proceso de control electromecánico permite una sintonización completamente reversible y una conducta coherente, a diferencia de muchas tecnologías de sintonización con efectos de memoria. (Fuente: J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))
La eficiencia general a 0.66 GHz fue de 41 % con eficiencias de 70 % a 3.4 GHz. Esto se compara con aproximadamente un 95 % de eficiencia de la radiación de las antenas dipolo con estructuras de metal puro.
Sin embargo, se reduce la eficiencia de la radiación cuando una antena no está sintonizada correctamente o resuena tanto a la frecuencia de transmisión como de recepción. Aunque la conductividad de la solución electrolítica (hidróxido de sodio, NaOH) en este prototipo redujo la eficiencia general de la radiación de la antena, el potencial para el desarrollo futuro de electrolitos con menos impacto en la eficiencia que el NaOH puede volverse factible según la investigación desarrollada.
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Figura 4: aunque la eficiencia de la radiación del prototipo se vio afectada por una conducta electrolítica no ideal, el desarrollo futuro podría mejorar los parámetros de eficiencia y sintonización de la antena de metal líquido. (Fuente: J. Appl. Phys. 117, 194901 (2015))
Este desarrollo y los avances futuros tienen el potencial de crear estructuras de antena (simples o altamente complejas) que se pueden usar con SDR para desarrollar hardware y software para sistemas de comunicaciones de RF y microondas altamente configurables. Por ejemplo, el prototipo desarrollado por los investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte se centraron en una antena dipolo simple, donde el potencial de un arreglo configurable de dichas antenas podría mejorar considerablemente la utilidad de la tecnología actual de arreglo de antena.
Otras posibilidades incluyen antenas que cambian considerablemente sus patrones de radiación para alojar diferentes entornos EM, como una forma de orientación de haz electromecánico que no produce consumo en los elementos de control de la antena. Dicho sistema podría reducir el costo y la complejidad de aplicaciones con orientación de haz que requieren muchos divisores/combinadores de energía y dispositivos electrónicos de amplitud/balanceo de fases.
En los diseños actuales de teléfonos inteligentes y dispositivos electrónicos portátiles, estos suelen contener varios diseños ineficientes de antena que están sujetos a limitaciones estrictas de diseño en cuanto al factor de forma y la proximidad de la antena dentro del dispositivo. Una antena reconfigurable que se puede ajustar en un rango amplio de frecuencias se puede utilizar para optimizar la frecuencia más eficiente para comunicaciones y reducir considerablemente el consumo de energía y el costo de los filtros y redes de adaptación en el dispositivo.
Aunque se ha comprobado la factibilidad de la reconfiguración digital en los sectores de la comunicación de RF y microondas, tradicionalmente el hardware reconfigurable ha sido menos accesible. El costo y la complejidad han sido factores importantes en la adopción de un hardware reconfigurable eficaz y eficiente. Las antenas de metal líquido con control electromecánico pueden ofrecer una dimensión de configurabilidad precisa y adaptar aplicaciones IoT/M2M comerciales e industriales a las exigencias más recientes de redes militares inalámbricas y guerra electrónica (EW).