Antenas a base de grafeno para beamforming em bandas THz - Fiuza, Vinícius Soares (2023)
A rápida evolução do poder de processamento de computadores e dispositivos móveis, com o crescimento de usuários e consumo de conteúdo de alta definição, criam a necessidade de taxas de transferência e larguras de banda cada vez mais altas. Junto disto, o aumento da confiabilidade e de redução nos atrasos da comunicação tem se tornado essencial com o crescimento de casos de uso como o atendimento médico remoto e redes industriais inteligentes. O passo natural a ser realizado para possibilitar estes benefícios é o aumento das frequências de operação das redes móveis, e com o 5G de ondas milimétricas cada vez mais próximo da região dos terahertz (THz), a exploração desta faixa se torna inevitável. Porém, perdas por absorção e difração aumentam com a redução do comprimento de onda, o que causa demanda para uso de técnicas para concentrar a irradiação e direcioná-la para espaços que resultem em menos perdas, como o beamforming e beam steering. Além do uso de materiais que possibilitem flexibilidade e eficiência na região, como o grafeno, que tem sido amplamente estudado devido a sua condutividade controlável eletricamente, permitindo uma ampla faixa de operação. Com isto, neste trabalho foram estudados diferentes modelos de antena a base de grafeno para avaliar suas capacidades de radiação e configurabilidade da banda ressonante. Foi elaborado um modelo inovador de antena patch híbrida, com uma linha de alimentação de cobre separando duas placas de grafeno empilhado. Através da excitação do grafeno via efeito capacitivo é possível controlar os seus níveis de Fermi, que possibilitam a variação da impedância da antena, alterando assim sua frequência ressonante e característica de radiação. Com o ajuste minucioso do nível de Fermi das duas placas de grafeno controladas individualmente, foi possível atingir uma largura de banda de 350 GHz e foi observado um leve direcionamento de 4º do lóbulo principal para o lado do grafeno menos excitado. Ao ser aplicada em arranjos de 4 e 8 antenas, foram atingidos valores de ganho máximo de 11,4 dBi e 13,4 dBi respectivamente, enquanto foi mantida a extensa largura de banda sintonizável cobrindo todas as janelas de propagação entre a região de 1,24 e 1,59 THz. Foi observada a capacidade de redirecionamento do feixe principal de até 68º e calculada a eficiência total máxima de ambos os arranjos chegando a 76%.