Réseaux d'antennes ultra-fins et haute fréquence : une révolution pour les communications sans fil flexibles

Des chercheurs ont franchi une étape vers le développement d'un type de réseau d'antennes capable de recouvrir les ailes d'un avion, de fonctionner comme un patch cutané transmettant des signaux à des implants médicaux, ou de tapisser une pièce comme du papier peint communiquant avec des objets connectés (IoT).

Une technologie basée sur l'électronique grande surface

Cette technologie, qui pourrait permettre de nombreux usages des réseaux 5G et 6G émergents, repose sur l'électronique grande surface, une méthode de fabrication de circuits électroniques sur des matériaux minces et flexibles. L'approche surmonte les limites des semi-conducteurs en silicium conventionnels, qui peuvent fonctionner aux hautes fréquences radio nécessaires pour la 5G, mais ne peuvent être fabriqués que sur quelques centimètres de large et sont difficiles à assembler en grands réseaux requis pour une communication améliorée avec des dispositifs à faible consommation.

Dépasser l'intégration discrète de micro-puces

Pour atteindre ces grandes dimensions, d'autres ont tenté l'intégration discrète de centaines de micro-puces. Mais ce n'est pas pratique : ce n'est ni peu coûteux, ni fiable, ni évolutif au niveau des systèmes sans fil. La nouvelle technologie peut nativement s'adapter à de grandes dimensions, comme les moniteurs d'ordinateur et les téléviseurs à cristaux liquides (LCD). Ceux-ci utilisent la technologie des transistors à couches minces, que l'équipe a adaptée pour la signalisation sans fil.

Antennes à réseau phasé à base de transistors en oxyde de zinc

Les chercheurs ont utilisé des transistors à couches minces d'oxyde de zinc pour créer une rangée de trois antennes sur 30 centimètres, dans une configuration appelée réseau phasé. Les réseaux d'antennes phasées peuvent transmettre des signaux à faisceau étroit, programmables numériquement pour obtenir les fréquences et directions souhaitées. Chaque antenne émet un signal avec un délai temporel spécifié par rapport à ses voisines, et l'interférence constructive et destructive entre ces signaux forme un faisceau électromagnétique focalisé. Une seule antenne diffuse un signal fixe dans toutes les directions ; un réseau phasé peut balayer électroniquement le faisceau vers différentes directions, permettant une communication sans fil point à point.

Flexibilité et nouvelles gammes de fréquences

Les antennes à réseau phasé sont utilisées depuis des décennies dans les systèmes de communication longue distance comme les radars, satellites et réseaux cellulaires, mais la nouvelle technologie pourrait apporter une nouvelle flexibilité aux réseaux phasés et leur permettre de fonctionner sur une gamme de fréquences radio différente des systèmes précédents.

Intégration monolithique sur substrat flexible

L'électronique grande surface est une technologie à couches minces, permettant de construire des circuits sur un substrat flexible sur une portée de plusieurs mètres. Tous les composants peuvent être intégrés monolithiquement dans une feuille au format d'une feuille de papier. L'équipe a fabriqué les transistors et autres composants sur un substrat en verre, mais un processus similaire pourrait créer des circuits sur du plastique flexible.

Applications potentielles : du papier peint aux satellites

Ce type de système d'antennes pourrait être installé presque partout. Utilisé comme papier peint dans une pièce, il permettrait une communication rapide, sécurisée et économe en énergie avec un réseau distribué d'objets IoT comme des capteurs de température ou de mouvement. Une antenne à surface flexible serait également bénéfique pour les satellites, lancés sous format compact et se déployant en orbite, et une grande surface serait avantageuse pour les communications longue distance avec les avions.

Gain de sensibilité pour l'aéronautique

Pour un avion, en raison de la distance, une grande partie de la puissance du signal est perdue, ainsi que la sensibilité. Les ailes offrent une surface assez grande : si un récepteur ponctuel unique sur l'aile n'aide pas, étendre la surface de capture du signal d'un facteur cent ou mille permet de réduire la puissance du signal et d'augmenter la sensibilité de la radio.