El circulador creado en la Escuela Cockrell. Fuente: Universidad de Texas.
Investigadores de la Escuela de Cockrell de Ingeniería, de la Universidad de Texas en Austin (EE.UU.), han logrado un hito en las telecomunicaciones inalámbricas modernas y celulares, creando un circulador de ondas de radio radicalmente más pequeño y más eficiente, que podría ser utilizado en los teléfonos móviles y otros dispositivos inalámbricos, informa el último número de Nature Physics.
Se llama circulador a un dispositivo con tres puertas, numeradas 1, 2 y 3. Las ondas de radio o microondas que entran por la puerta 1 se transmiten a través de la puerta 2; las que entran por la puerta 2 salen por la 3 y las incidentes por la puerta 3, por la 1. La transmisión en sentido inverso no se produce.
El nuevo circulador tiene el potencial para duplicar el ancho de banda útil en las comunicaciones inalámbricas al permitir la funcionalidad de dúplex completo, es decir, que los dispositivos pueden transmitir y recibir señales al mismo tiempo en la misma banda de frecuencia. La innovación clave es la creación de un dispositivo de circulación de ondas de radio libre de magnetismo.
Desde el advenimiento de la tecnología inalámbrica hace 60 años, los circuladores de base magnética han sido, en principio, capaces de proporcionar comunicaciones en dos sentidos en el mismo canal de frecuencia, pero no han sido adoptados extensamente debido al gran tamaño, peso y coste asociados con el uso de imanes y materiales magnéticos.
Liberado de la dependencia de los efectos magnéticos, el nuevo circulador es menos costosos y usa materiales más comunes. Estas eficiencias de costos y tamaño podrían conducir a la integración de los circuladores en teléfonos celulares y otros sistemas microelectrónicos, lo que daría como resultado descargas sustancialmente más rápidas, menos cortes de llamadas y comunicaciones significativamente más claras.
El equipo de investigadores, dirigido por el profesor adjunto Andrea Alu, ha desarrollado un prototipo de circulador de 2 centímetros de tamaño -más de 75 veces más pequeño que la longitud de onda de funcionamiento-. El circulador podrá hacerse aún más pequeño, a una escala de unas pocas micras, según los investigadores.
El diseño se basa en materiales ampliamente utilizados en los circuitos integrados, tales como oro, cobre y silicio, por lo que es más fácil de integrar en las placas de circuitos de los dispositivos de comunicación modernos.
Cambio de paradigma
El nuevo dispositivo trabaja mediante la imitación de la forma en que los materiales magnéticos rompen la simetría en la transmisión de ondas entre dos puntos en el espacio, una función crucial que permite a los circuladores magnéticos enviar de forma selectiva las ondas de radio. Con el nuevo circulador, los investigadores logran el mismo efecto, pero sustituyen la polarización magnética con una onda progresiva que gira alrededor del dispositivo.
Otra característica destacada es que el nuevo circulador se puede ajustar en tiempo real en una amplia gama de frecuencias, una gran ventaja respecto a los circuladores convencionales.
"Gracias a esto, podemos liberar ancho de banda para un uso más eficaz", explica en la nota de prensa de la Universidad de Texas Nicholas Estep, investigador principal, y estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación.
Para las empresas de telecomunicaciones, que pagan por licencias de uso de las frecuencias asignadas por la Comisión Federal de Comunicaciones de Estados Unidos, un uso más eficiente del limitado ancho de banda disponible significaría importantes ventajas de costes.
Se llama circulador a un dispositivo con tres puertas, numeradas 1, 2 y 3. Las ondas de radio o microondas que entran por la puerta 1 se transmiten a través de la puerta 2; las que entran por la puerta 2 salen por la 3 y las incidentes por la puerta 3, por la 1. La transmisión en sentido inverso no se produce.
El nuevo circulador tiene el potencial para duplicar el ancho de banda útil en las comunicaciones inalámbricas al permitir la funcionalidad de dúplex completo, es decir, que los dispositivos pueden transmitir y recibir señales al mismo tiempo en la misma banda de frecuencia. La innovación clave es la creación de un dispositivo de circulación de ondas de radio libre de magnetismo.
Desde el advenimiento de la tecnología inalámbrica hace 60 años, los circuladores de base magnética han sido, en principio, capaces de proporcionar comunicaciones en dos sentidos en el mismo canal de frecuencia, pero no han sido adoptados extensamente debido al gran tamaño, peso y coste asociados con el uso de imanes y materiales magnéticos.
Liberado de la dependencia de los efectos magnéticos, el nuevo circulador es menos costosos y usa materiales más comunes. Estas eficiencias de costos y tamaño podrían conducir a la integración de los circuladores en teléfonos celulares y otros sistemas microelectrónicos, lo que daría como resultado descargas sustancialmente más rápidas, menos cortes de llamadas y comunicaciones significativamente más claras.
El equipo de investigadores, dirigido por el profesor adjunto Andrea Alu, ha desarrollado un prototipo de circulador de 2 centímetros de tamaño -más de 75 veces más pequeño que la longitud de onda de funcionamiento-. El circulador podrá hacerse aún más pequeño, a una escala de unas pocas micras, según los investigadores.
El diseño se basa en materiales ampliamente utilizados en los circuitos integrados, tales como oro, cobre y silicio, por lo que es más fácil de integrar en las placas de circuitos de los dispositivos de comunicación modernos.
Cambio de paradigma
El nuevo dispositivo trabaja mediante la imitación de la forma en que los materiales magnéticos rompen la simetría en la transmisión de ondas entre dos puntos en el espacio, una función crucial que permite a los circuladores magnéticos enviar de forma selectiva las ondas de radio. Con el nuevo circulador, los investigadores logran el mismo efecto, pero sustituyen la polarización magnética con una onda progresiva que gira alrededor del dispositivo.
Otra característica destacada es que el nuevo circulador se puede ajustar en tiempo real en una amplia gama de frecuencias, una gran ventaja respecto a los circuladores convencionales.
"Gracias a esto, podemos liberar ancho de banda para un uso más eficaz", explica en la nota de prensa de la Universidad de Texas Nicholas Estep, investigador principal, y estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación.
Para las empresas de telecomunicaciones, que pagan por licencias de uso de las frecuencias asignadas por la Comisión Federal de Comunicaciones de Estados Unidos, un uso más eficiente del limitado ancho de banda disponible significaría importantes ventajas de costes.
Integración en dispositivos inalámbricos
Además, debido a que el diseño del circulador es escalable y permite integración de circuitos, puede potencialmente ser colocado en dispositivos inalámbricos.
"Nuestra idea es conseguir circuladores de tamaño micrométrico incrustados en la tecnología móvil. Durante eventos de gran demanda, como un partido de fútbol o un concierto, nuestra tecnología puede mejorar las comunicaciones notablemente", afirma Estep.
El circulador también podría beneficiar a otras industrias que utilizan actualmente los circuladores de base magnética. Por ejemplo, los circuladores utilizados en antenas en fase y en sistemas de radar para aviones, barcos y satélites pueden ser extremadamente pesados y grandes, por lo que minimizar el tamaño de estos sistemas podría proporcionar ahorros significativos.
"También estamos trayendo este paradigma a otras áreas de la ciencia y la tecnología", señala Andrea Alu. "Nuestro equipo de investigación está trabajando en el uso de este concepto para proteger los láseres y crear circuitos integrados nano-fotónicos que envíen señales de luz en lugar de ondas de radio en las direcciones deseadas."
La investigación fue apoyada por la Agencia de Reducción de Amenazas de la Defensa y por la Oficina de la Fuerza Aérea para la Investigación Científica.
El circulador
El circulador fue inventado por Lester Hogan, en los Laboratorios Bell, al final de la Segunda Guerra Mundial. Estudiando las ecuaciones de Maxwell, un matemático de los laboratorios había llegado a la conclusión de que si las ecuaciones eran correctas y completas, tendrían que existir dispositivos no recíprocos. El personal de Bell se lanzó a la búsqueda de dichos dispositivos, pero no fue hasta la llegada de Hogan que produjeron el primer circuito real.
Además, debido a que el diseño del circulador es escalable y permite integración de circuitos, puede potencialmente ser colocado en dispositivos inalámbricos.
"Nuestra idea es conseguir circuladores de tamaño micrométrico incrustados en la tecnología móvil. Durante eventos de gran demanda, como un partido de fútbol o un concierto, nuestra tecnología puede mejorar las comunicaciones notablemente", afirma Estep.
El circulador también podría beneficiar a otras industrias que utilizan actualmente los circuladores de base magnética. Por ejemplo, los circuladores utilizados en antenas en fase y en sistemas de radar para aviones, barcos y satélites pueden ser extremadamente pesados y grandes, por lo que minimizar el tamaño de estos sistemas podría proporcionar ahorros significativos.
"También estamos trayendo este paradigma a otras áreas de la ciencia y la tecnología", señala Andrea Alu. "Nuestro equipo de investigación está trabajando en el uso de este concepto para proteger los láseres y crear circuitos integrados nano-fotónicos que envíen señales de luz en lugar de ondas de radio en las direcciones deseadas."
La investigación fue apoyada por la Agencia de Reducción de Amenazas de la Defensa y por la Oficina de la Fuerza Aérea para la Investigación Científica.
El circulador
El circulador fue inventado por Lester Hogan, en los Laboratorios Bell, al final de la Segunda Guerra Mundial. Estudiando las ecuaciones de Maxwell, un matemático de los laboratorios había llegado a la conclusión de que si las ecuaciones eran correctas y completas, tendrían que existir dispositivos no recíprocos. El personal de Bell se lanzó a la búsqueda de dichos dispositivos, pero no fue hasta la llegada de Hogan que produjeron el primer circuito real.
Referencia bibliográfica:
Nicholas A. Estep, Dimitrios L. Sounas, Jason Soric, Andrea Al. Magnetic-free non-reciprocity and isolation based on parametrically modulated coupled-resonator loops. Nature Physics (2014). DOI: 10.1038/nphys3134.
Nicholas A. Estep, Dimitrios L. Sounas, Jason Soric, Andrea Al. Magnetic-free non-reciprocity and isolation based on parametrically modulated coupled-resonator loops. Nature Physics (2014). DOI: 10.1038/nphys3134.