Un système pour permettre des communications multikilométriques et sous-térahertz à des bandes de fréquences extrêmement élevées

Après l’introduction de la norme technologique de cinquième génération pour les réseaux cellulaires à large bande (5G), les ingénieurs du monde entier travaillent désormais sur des systèmes qui pourraient encore accélérer les communications. Les réseaux de communication sans fil de nouvelle génération, à partir de la 6G, nécessiteront des technologies permettant des communications dans des bandes de fréquences inférieures au térahertz et au térahertz (c’est-à-dire de 100 GHz à 10 THz).

Bien que plusieurs systèmes aient été proposés pour permettre la communication dans ces bandes de fréquences spécifiquement pour un usage personnel et des réseaux locaux, certaines applications bénéficieraient de distances de communication plus longues. Jusqu’à présent, la génération de signaux ultra large bande à haute puissance contenant des informations et pouvant parcourir de longues distances a été un défi.

Des chercheurs du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA, de la Northeastern University et du Air Force Research Laboratory (AFRL) ont récemment mis au point un système qui pourrait permettre des communications multi-gigabits par seconde (Gbps) dans la bande de fréquences inférieure au térahertz sur plusieurs kilomètres. Ce système, présenté dans un article de Électronique naturelleutilise des conceptions de multiplicateur de fréquence à combinaison de puissance sur puce basées sur des diodes Schottky, des diodes semi-conductrices formées par la jonction d’un semi-conducteur et d’un métal, développées au JPL de la NASA.

“Les fréquences supérieures à 100 GHz ne sont traditionnellement pas prises en compte pour les applications de communication en raison des propriétés de canal défavorables et du manque d’appareils à haute puissance”, a déclaré à Tech Xplore le Dr Ngwe Thawdar, chercheur de l’AFRL qui a mené l’étude.

“Nous avons construit une équipe unique ici où la NASA JPL a apporté l’expertise unique en matière d’appareils, Northeastern a apporté le traitement du signal et les communications, et AFRL a apporté des tests et une évaluation rigoureux à grande échelle dans des environnements pertinents. Dans cet article, nous avons prouvé la viabilité de ces fréquences pour applications de communication de nouvelle génération et a fait passer la technologie de communication térahertz de la vision à la réalité.”

L’objectif principal des travaux récents du Dr Thawdar et de ses collègues était de démontrer la faisabilité de liaisons de communication à des fréquences supérieures à 100 GHz, pour des portées supérieures à 1 km et à des débits de données supérieurs à 1 Gbps. Le système qu’ils ont proposé a dépassé leurs attentes, permettant des communications à une distance de plus de 2 km et avec un débit de données supérieur à 1 Gbps.

“La principale nouveauté de notre système est la manière dont nous modulons le signal porteur térahertz avec les informations que nous voulons transmettre”, a déclaré le Dr Josep Jornet de la Northeastern University à Tech Xplore. “Dans les systèmes traditionnels, un mélangeur (l’appareil que nous utilisons pour ajouter les informations au signal) est présent à l’émetteur juste après les multiplicateurs de fréquence qui convertissent un signal à basse fréquence dans la bande térahertz et avant l’antenne. Dans notre cas, nous avons tellement de puissance après les multiplicateurs de fréquence que le mélangeur exploserait tout simplement.”

Pour surmonter les défis liés au pouvoir associés au problème auquel ils s’attaquaient, le Dr Thawdar, le Dr Jornet et leurs collègues ont testé deux solutions plausibles. Le premier impliquait de moduler l’oscillateur local dans leur système, puis de le convertir en fréquences térahertz, tandis que le second impliquait la modulation alors que les signaux étaient à mi-chemin, via un processus dit de multiplication de fréquence.

Ces deux stratégies leur ont permis d’ajouter des informations et de conserver leur puissance de sortie maximale souhaitée. Leur seule exigence supplémentaire était d’effectuer un traitement supplémentaire du signal pour pré-compenser la distorsion introduite par les multiplicateurs de fréquence.

“Pendant de nombreuses années, on croyait généralement que les communications térahertz n’étaient réalisables que sur de courtes distances de communication (des dizaines de mètres au plus)”, a déclaré le Dr Priyangshu Sen de l’Université du Nord-Est à Tech Xplore.

“Ici, nous montrons qu’avec les technologies innovantes dont nous disposons actuellement, une combinaison intelligente des différents blocs de construction matériels et un traitement du signal sur mesure, nous pouvons communiquer à des fréquences térahertz sur plusieurs kilomètres. Cela ouvre la porte à des communications térahertz remplaçant potentiellement de coûteux et des déploiements de fibre optique parfois difficiles sur le plan technique, facilitant l’accès à la connectivité Internet ultra large bande aux communautés qui ne l’ont pas aujourd’hui.”

Les résultats très prometteurs obtenus par cette équipe de chercheurs pourraient ouvrir de nouvelles possibilités passionnantes pour les communications dans des bandes de fréquences extrêmement élevées. À l’avenir, ces travaux pourraient inspirer l’étude d’applications encore plus difficiles, telles que l’utilisation des communications térahertz pour les liaisons satellitaires et spatiales.

“Maintenant que nous avons montré l’art du possible aux fréquences térahertz, la prochaine étape consiste à élargir nos partenariats à travers la base industrielle pour activer les systèmes de communication de nouvelle génération pour les applications de défense et commerciales”, a ajouté le Dr Thawdar.

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