Una soluzione a basso costo al problema del 6G: i pannelli a metacristallo offrono un modo economico per guidare i segnali wireless intorno agli angoli.

Cantine, tunnel, grandi edifici: un segnale Wi-Fi o mobile debole in questi luoghi difficili da raggiungere è frustrante. La soluzione più comune è aggiungere altri dispositivi elettronici come router, ripetitori e stazioni base. Tuttavia, con l’avvento della rete mobile 6G, questo tipo di infrastruttura complessa può risultare insostenibile e proibitivamente costosa. I canali a frequenza più elevata delle comunicazioni 6G mirano a fornire una larghezza di banda dati di gran lunga superiore rispetto all’attuale 5G, ma questi canali sono più facilmente bloccati da muri, persone e altri ostacoli.

Per affrontare questo problema, i ricercatori dell’Università Aalto hanno sviluppato una nuova soluzione sotto forma di metacristalli: pannelli intelligenti passivi, stampati in 3D, in grado di modellare i segnali wireless senza elettronica, alimentazione o sintonizzazione attiva. L’articolo, “Metacrystals: Inversely-designed 3D-printed intelligent panels for 6G communications”, è stato pubblicato su Nature Communications .

“Quando una stanza è troppo buia, si possono aggiungere altre lampade, oppure utilizzare semplici specchi per direzionare la luce già presente. È proprio ciò che fanno questi metacristalli, ma con le onde radio”, spiega il dottorando Mahdi Asgari. “A differenza delle superfici intelligenti monostrato proposte in precedenza, questi metacristalli volumetrici possono essere progettati per controllare in modo indipendente più segnali in ingresso o bande di frequenza, un requisito fondamentale per una comunicazione wireless realistica.”

I pannelli possono essere installati su pareti, soffitti, mobili o altre superfici per reindirizzare i segnali attorno agli angoli, nelle zone d’ombra o verso utenti o dispositivi specifici.

A differenza di molte superfici intelligenti esistenti, che spesso svolgono un solo compito per una singola direzione del segnale, questi pannelli possono gestire più onde in ingresso contemporaneamente, operare su diverse bande di frequenza simultaneamente, funzionare in modalità di riflessione o trasmissione e persino assorbire completamente i segnali indesiderati.

Elementi personalizzati stampati in 3D

Le superfici intelligenti riconfigurabili convenzionali richiedono numerosi elementi regolabili e circuiti di controllo complessi, il che le rende costose e difficili da implementare su larga scala. I pannelli a metacristallo, invece, possono essere fabbricati tramite stampa 3D, riducendo il costo stimato dei materiali di consumo a poche decine di euro per pezzo. Ciò consente inoltre di creare pannelli personalizzati per ambienti specifici, anziché disporre di un unico dispositivo universale.

“Per l’industria, i casi d’uso più interessanti sono ambienti statici o a lento cambiamento come fabbriche, reti 5G/6G indoor, magazzini e lunghi corridoi”, afferma Asgari. “In tali luoghi, un pannello passivo progettato per una configurazione nota potrebbe essere molto più economico e semplice di una superficie a controllo attivo che richiede una manutenzione continua.”

Asgari afferma che ora è possibile realizzare complesse funzionalità elettromagnetiche con una struttura in plastica monoblocco a basso costo, pronta per essere installata a parete. Questi pannelli possono migliorare silenziosamente le connessioni wireless in background. Una volta installati, la geometria fa tutto il lavoro.

I metacristalli potrebbero diventare parte dell’architettura quotidiana

I ricercatori stanno ora valutando le modalità per commercializzare la scoperta e sono alla ricerca di collaboratori industriali interessati a metasuperfici programmabili, infrastrutture wireless intelligenti e tecnologie di controllo del segnale passive a basso costo.

“La speranza è che in futuro questi ambienti wireless intelligenti e scalabili possano essere applicati concretamente sia in spazi interni che in contesti urbani esterni”, afferma Asgari.

Il passo successivo è passare da pannelli statici a pannelli riconfigurabili in grado di adattarsi ai cambiamenti dell’ambiente wireless, afferma. Le attuali superfici intelligenti riconfigurabili sono spesso troppo costose e complesse per un ampio utilizzo industriale, quindi il team sta esplorando metodi più semplici per realizzare pannelli sintonizzabili, mantenendoli al contempo accessibili e pratici.

Abstract

Le metasuperfici rappresentano una piattaforma promettente per migliorare la copertura nei futuri sistemi di comunicazione. I progetti passivi sono particolarmente interessanti perché non necessitano di alimentazione e possono essere prodotti a basso costo. Tuttavia, la maggior parte delle metasuperfici passive funziona bene solo per una specifica polarizzazione, banda di frequenza o angolo di incidenza, il che ne limita l’utilizzo pratico. In questo lavoro proponiamo pannelli intelligenti passivi, denominati metacristalli, che superano queste limitazioni consentendo risposte multiplexate altamente complesse a più onde incidenti simultaneamente e indipendentemente. Questa capacità è resa possibile da un’architettura volumetrica compatta che va oltre le metasuperfici convenzionali, sfruttando uno spessore finito, ma comunque modesto, per sbloccare un numero sostanzialmente maggiore di gradi di libertà. Attraverso simulazioni ed esperimenti, dimostriamo metacristalli interamente dielettrici in grado di controllare simultaneamente la riflessione e l’assorbimento anomali, sia in regime di trasmissione che di riflessione. Progettati utilizzando l’ottimizzazione topologica inversa, questi metacristalli combinano integrità strutturale, scalabilità semplice e compatibilità con la stampa 3D a basso costo per operare fino a 100 GHz.

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