USO DE GRAFENO EM PROJETOS DE SUPERFÍCIES INTELIGENTES RECONFIGURÁVEIS APLICADAS À TECNOLOGIA 6G

Resumo

Nesses últimos anos com os avanços na indústria de tecnologia de radiofrequências houve uma mudança robusta nas características dos transmissores, como por exemplo, a inserção dos sistemas MIMOs e o uso da formação de feixe. Seguindo essas mudanças, o Instituto de Pesquisas ELDORADO vem introduzindo estrategicamente novos estudos, inclusive no desenvolvimento de hardwares para a Sexta geração de internet móvel, o 6G. Neste contexto, novas tecnologias ainda não existentes vêm sendo estudadas e, uma promissora, é o uso de dispositivos de grafeno para aplicações em Tera-hertz. Assim, apresentamos neste trabalho o estudo de uma superfície inteligente reconfigurável que é capaz de modificar o seu padrão de radiação refletido graças ao controle individual de células unitárias compostas por dispositivos de grafeno. O estudo realizou a simulação da matriz da estrutura pelo software Ansys HFSS. Os resultados simulados demonstraram que a RIS pode controlar o padrão de radiação refletido de forma anômala com a manipulação da condutividade elétrica do grafeno.

Termos: grafeno, superfícies inteligentes reconfiguráveis, Sexta Geração de redes móveis 6G

O Instituto ELDORADO é um provedor de P&D&I com histórico de 24 anos de experiência na criação de soluções inovadoras para empresas nacionais e internacionais nos segmentos de Tecnologia da Informação e Comunicação, Automotivo, Agro, Energia, Óleo & Gás, Saúde e Indústria 4.0.

Presente em Campinas, Manaus, Porto Alegre e Brasília, o ELDORADO possui laboratórios de classe mundial, sendo protagonista em inovação aberta e na catalisação de fomentos e incentivos para execução de projetos. O Instituto conta com mais de 1.800 profissionais especializados em áreas chaves como Microeletrônica, Desenvolvimento de Soluções em Hardware e Software, Testes e Certificações, além de Capacitação Tecnológica. O ELDORADO investe intensamente na geração de conhecimento e na capacitação de sua equipe para promover resultados diferenciados para seus clientes.

Introdução

O grafeno é um material em duas dimensões que tem apresentado inúmeras propriedades mecânicas, térmicas, ópticas, químicas e elétricas. Devido a sua gama de características, o material vem sendo estudado nos últimos anos para aplicações em dispositivos de radiofrequência para Tera-hertz. Em nosso trabalho, foi feito um estudo e a proposta de um metamaterial composto de silício, ouro e grafeno. Os materiais naturais não são capazes de interagir a altas frequências como na faixa aplicada à Tera-hertz, assim, os metamateriais são, portanto, projetados com o objetivo de suprir essa carência, ou seja, são capazes de interagir em frequências de Tera-hertz [1]. O trabalho faz um estudo das propriedades do grafeno para que ele trabalhe como um dispositivo de comutação, isso significa que ele irá apresentar um comportamento dinâmico ajustável, ou seja, conforme um sistema de controle, o grafeno irá modificar suas propriedades químicas, alterando a resposta em frequência da metassuperfície.

O interesse do uso do grafeno em metassuperfícies aplicadas à Tera-hertz é ocasionado em função da alteração de seu potencial químico em função da aplicação de tensão elétrica. O efeito da variação de diferença de potencial no material modifica sua condutividade elétrica. Com base nessa propriedade, a metassuperfície é capaz de criar diferentes distribuições de fase refletida, conforme a diferença de potencial sobre o grafeno. Assim, cada célula unitária da metassuperfície é capaz de trabalhar com uma fase específica e manipulada conforme uma unidade de controle.

A unidade de controle é responsável por gerenciar cada uma das células da matriz da estrutura que, assim, cria um feixe direcional variável [2]. O feixe é variável porque sua focalização é dinâmica e orientada conforme a posição geográfica do dispositivo do usuário. O sistema composto pela metassuperfície e a unidade de controle é nomeado hoje como superfície inteligente reconfigurável, do inglês “reconfigurable intelligent surface” ou RIS. Detalhes do sistema RIS são mostrados na Figura 1.

Uma motivação importante para o estudo das RIS é originado de sua capacidade de concorrer com sistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas, do inglês Massive multiple-input multiple-output (MIMO). Os MIMOs são hardwares promissores de transmissão de sinal sem fio para as telecomunicações atuais, como as redes móveis de quinta geração (5G). Os sistemas MIMO fornecem um novo conceito de emissão de ondas eletromagnéticas por formação de feixe, conhecidos do inglês como “beamforming”. A técnica fornece um sinal de alta eficiência espectral, com um feixe dinâmico que é direcionado ao usuário independente de seu posicionamento geográfico, garantindo desempenho superior aos sistemas de antenas tradicionais [3]. Apesar da grande vantagem espectral que a técnica possui, sua implantação requer altos investimentos [4] e, portanto, um retorno ainda maior. Desta maneira, a tecnologia de superfícies inteligentes reconfiguráveis, que ainda está na fase de estudo e desenvolvimento é uma alternativa capaz de gerar o feixe direcional dinâmico de maneira semelhante ao MIMO, porém no RIS o sinal é baseado em uma reflexão controlada, ou reflexão anômala [5]. Cada elemento da estrutura é manipulado por um sistema de controle. O projeto de uma RIS possui um custo inferior aos dos MIMOs tradicionais e seu objetivo é modificar as propriedades de reflexão da estrutura, criando então um foco dinâmico direcional, que se adapta e irradia conforme a posição de seu usuário. As RIS serão implantadas comercialmente ainda nesta década, se mostrando uma promissora tecnologia para futuras gerações de tecnologia de radiofrequência, principalmente para a Sexta geração de redes móveis, o 6G [6].

Um dos principais estudos do desenvolvimento das RIS tem ori- gem nas superfícies seletivas de frequência reconfigurável (RFSS) [7]. As RFSS originam-se de superfícies seletivas de frequência estáticas (FSS), que possuem um único comportamento. FSSs têm sido estudadas desde o século passado para aplicações com compatibilidade eletromagnética [8]. Entretanto, o efeito dinâmico das FSSs tornou-se necessário, surgindo o RFSS, o filtro de reflexão ou transmissão que antes apresentava um único comportamento agora pode ser programado no tempo para responder quando necessário, recurso que ampliou as possibilidades de uso da estrutura em suas respectivas projeções. As aplicações das metassuperfícies na faixa de frequência sub seis Giga-hertz e ondas milimétricas são realizadas com o uso de dispositivos comutadores comerciais, podemos citar os diodos PIN, diodos varactor e MEMS. Entretanto, na faixa de frequência de Tera-hertz esses dispositivos perdem a propriedade de comutação, se tornando vão à aplicação. Assim, novas soluções foram surgindo, uma delas é o processo de fabricação da metassuperfície ser realizado inteiramente em uma única placa, utilizando o processo planar e a litografia. Assim, o padrão da célula unitária é construído junto com o dos dispositivos, esses que podem ser feitos por semicondutores ópticos, como óxido de gálio e o grafeno [9], assim como proposto neste trabalho. Neste contexto, o presente trabalho apresenta um estudo e as simulações de uma metassuperfície para o desenvolvimento promissor de uma futura RIS para aplicações em Tera-hertz. A metassuperfície possui uma célula unitária composta por um braço de grafeno depositado sobre uma modificação da espira quadrada. O braço de grafeno irá atuar como dispositivo de comutação em função da variação do potencial químico controlado por tensão elétrica, os valores de condutividade elétrica do grafeno foram baseados no trabalho de [10]. A metassuperfície gerou três características diferentes de reflexão e mudança de fase da onda eletromagnética em 0,106 THz.

Estudo da RIS de 0,106 THz Como citado anteriormente, as RIS aplicadas à Tera-hertz devem ser desenvolvidas com a integração da estrutura da célula unitária e dos dispositivos de comutação já no processo de fabricação, a estrutura de estudo é mostrada na íntegra na Figura 2. A estrutura foi baseada em uma matriz de 900 células. Cada célula unitária é constituída por um substrato de silício com espessura padrão de uma bolacha comercial de 300 micrômetros, uma tira de ouro de espessura de 10 micrômetros depositada na parte superior da bolacha. O plano terra, responsável por aumentar o coeficiente de reflexão da célula, ficou posicionado a 0,5 mm abaixo da bolacha. Foi depositado sobre o substrato uma micro fita de grafeno em padrão paralelo que será ligada de uma ponta da fita de ouro à outra. Para realizar a comutação do grafeno, seus terminais foram ligados a uma trilha de polarização que atuará como controle de estados de cada célula unitária. Este trabalho fez o estudo da mudança de fase de reflexão para diferentes valores da diferença potencial aplicado sobre o grafeno e mostra a modificação do padrão de radiação originado de uma antena de abertura refletida de forma controlada pela estrutura.

Como mostrado na Figura 2, a RIS simulada foi composta de 30 x 30 elementos, e podemos ver também o destaque de uma de suas células e o seus componentes constituintes, incluindo o grafeno. Foi simulado o padrão de radiação de uma antena tipo abertura WR10 incidindo na direção normal à matriz e refletindo de forma anômala. A Figura 3 mostra o padrão de radiação refletido para três diferentes casos. No primeiro caso, é mostrada a simulação das células unitárias organizadas de forma a gerar um foco na direção normal à superfície. No segundo caso, as fases estão distribuídas com a focalização para o lado direito e, no terceiro e último caso, com a focalização para o lado esquerdo. Apesar de ser verificada a modificação do padrão de radiação refletido horizontalmente para ± 30 graus, as direções apontadas ainda são limitadas e devem ser estudadas com maior cautela. Assim, com a Figura 3, foi possível verificar que o padrão de radiação refletido pela FSS sofreu variações de acordo com a configuração dos dispositivos, demonstrando que é possível controlar a formação e direção do feixe incidente em uma RIS utilizando dispositivos comutadores de grafeno.

Conclusões

Este trabalho apresenta um estudo de uma superfície inteligente reconfigurável aplicada ao 6G com o uso de dispositivos de grafeno. O projeto tem o objetivo de desenvolver uma RIS que demonstre a formação de feixe refletida anômala contro- lada por dispositivos comutadores compostos por grafeno na faixa de frequência de Tera-hertz. As RIS para Tera-hertz são promessas importantes para a redução dos custos dos novos sistemas de redes sem fios e que apresentam desafios tecnológicos que necessitam ser contornados. O trabalho demonstrou que o padrão de radiação obtido pela reflexão na estrutura obteve variações em seu direcionamento, conforme controle da diferença de potencial elétrico sobre os dispositivos de grafeno, demonstrando assim, que esse material é capaz de trabalhar em Tera-hertz como um promissor candidato a dispositivo de comutação. intelligent surfaces: Three myths and two critical questions,” IEEE Communica- tions Magazine, vol. 58, no. 12, pp. 90–96, 2020 .

[7] K. Katoch, N. Jaglan, and S. D. Gupta, “A review on frequen cy selective surfaces and its applications,” in 2019 International Conference on Signal Processing and Communication (ICSC), pp. 75–81, 2019.

[8] Y. Hu, G. Shi, Y. Chen, F. Wei, and Y. Liao, “Design and simu lation of an x-band bandpass energy selection surface,” in 2020 6th Global Electromagnetic Compatibility Conference (GEMC CON), pp. 1–3, 2020.

[9] “Metasuperf´ıcie hologra´fica terahertz programa´vel dina micamente us- ando cmos ic tiling.”

[10] F. C. Rufino, A. M. Pascon, L. C. Espindola, F. H. Cioldin, D. R. Larrude´, and J. A. Diniz, “Definition of cvd graphene micro ribbons with lithography and oxygen plasma ashing,” Carbon Trends, vol. 4, p. 100056, 2021.

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F. H. S. Fonseca, Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação (FEEC) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Instituto de Pesquisas ELDORADO (ELDORADO), Campinas (SP), Brasil, ffonseca@dsif.fee.unicamp.br

Gustavo Morais, Instituto de Pesquisas ELDORADO (ELDORADO), Campinas (SP), Brasil, gustavo.morais@eldorado.org.br

Gabriel Clemente, Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação (FEEC), Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Instituto de Pesquisas ELDORADO (ELDORADO), Campinas (SP), Brasil, gcclemente.rs@gmail.com

Cesar Pagan, Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação (FEEC) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) ,Campinas (SP), Brasil, pagan@unicamp.br