Los metamateriales son materiales innovadores fabricados por el hombre con propiedades únicas que rara vez se encuentran en la naturaleza. Formados por materiales compuestos como metales y plásticos dispuestos en patrones precisos y repetitivos, los metamateriales derivan sus extraordinarias capacidades de sus estructuras meticulosamente diseñadas más que de sus materiales de base. Mediante la manipulación de la forma, la geometría, el tamaño, la orientación y la disposición, los metamateriales pueden controlar las ondas entrantes -bloqueándolas, absorbiéndolas, mejorándolas o curvándolas- de maneras que los materiales convencionales no pueden lograr.

Este innovador enfoque de diseño permite a los metamateriales influir en las ondas electromagnéticas, acústicas y de otros tipos, abriendo nuevas posibilidades en campos que van desde la óptica a las telecomunicaciones. El informe de IDTechEx «Metamaterials Markets 2024-2034: Optical and Radio-Frequency» ofrece un análisis en profundidad del cambiante campo de los metamateriales electromagnéticos. El informe prevé que el mercado combinado de metamateriales ópticos y de radiofrecuencia alcanzará los 15.000 millones de dólares en 2034. Este artículo profundiza en las aplicaciones clave que impulsan la expansión del mercado de metamateriales de radiofrecuencia (RF).

¿Cuál será la dimensión del mercado de metamateriales de radiofrecuencia en 2034 y cuál será su aplicación estrella?

Los metamateriales de radiofrecuencia están diseñados para interactuar con ondas electromagnéticas en la gama de frecuencias de 600 MHz a 1 THz. Sus aplicaciones potenciales abarcan los sectores de telecomunicaciones, seguridad, aeroespacial, automoción y sanidad. El análisis de IDTechEx destaca las principales aplicaciones de cada categoría, como las superficies inteligentes reconfigurables (RIS), la formación de haces de radar, el blindaje contra interferencias electromagnéticas y la detección médica. IDTechEx prevé que el mercado de metamateriales de RF alcance los 2.000 millones de dólares en 2034, y que las superficies inteligentes reconfigurables (RIS) impulsen el 98% de este crecimiento.

¿Qué son las superficies inteligentes reconfigurables (RIS)?

RIS, acrónimo de Reconfigurable Intelligent Surfaces (superficies inteligentes reconfigurables), comprende una matriz 2D de metasuperficies que pueden ajustarse dinámicamente para manipular la propagación de ondas de radiofrecuencia en tiempo real mediante control programable, lo que permite una interacción precisa con las ondas de señal y las guía hacia los usuarios o receptores previstos. Estas superficies ofrecen un método rentable y de bajo consumo para mejorar significativamente la eficiencia energética (EE) y espectral (SE) de los sistemas de comunicaciones inalámbricas.

Un RIS típico consta de tres capas. La capa exterior presenta numerosos parches metálicos impresos sobre un sustrato dieléctrico para interactuar directamente con las ondas entrantes. Una placa de cobre actúa como capa intermedia, impidiendo la fuga de energía de la señal. La capa interior alberga la placa de circuitos de control, que gestiona el ajuste de la amplitud de reflexión y el desplazamiento de fase de cada elemento. Estos ajustes se controlan mediante un controlador inteligente conectado a la RIS, que utiliza componentes como FPGA, diodos PIN, resistencias y otros circuitos integrados.

Aplicaciones de los RIS en diversos entornos

Los RIS pueden emplearse en diversos entornos para mejorar las capacidades de comunicación inalámbrica. Por ejemplo, en las estaciones base, la tecnología RIS facilita la emisión de múltiples haces, lo que reduce la necesidad de numerosas antenas y aumenta la capacidad de la estación base al multiplexar las señales de varios usuarios. Además, los RIS pueden instalarse en torres centrales de formación de haces en zonas urbanas al aire libre para dirigir con precisión las señales celulares a usuarios específicos, mejorando así la intensidad y la seguridad de la señal gracias a una radiación electromagnética más focalizada. Las variantes transparentes de los RIS, cuando se montan en ventanas y paredes, dirigen eficazmente los haces alrededor de los obstáculos, mejorando la propagación de la señal. En interiores, la integración de los RIS en paredes y techos mejora la cobertura de la señal, elimina las zonas muertas y mejora la calidad general de la señal redirigiendo los haces hacia los usuarios, lo que garantiza una conectividad fiable. La tecnología RIS ofrece así una solución versátil para optimizar el rendimiento de las comunicaciones inalámbricas en diversos entornos.

¿Por qué la tecnología RIS es la aplicación estrella?

Las comunicaciones de alta frecuencia, como las redes 5G mmWave y las próximas redes 6G, ofrecen velocidades inmensas de transferencia de datos y baja latencia, pero tienen problemas de propagación a grandes distancias y de penetración a través de obstáculos como edificios y follaje. Mantener la intensidad y la calidad de la señal es crucial para aprovechar todo el potencial de estas tecnologías inalámbricas avanzadas.

Los RIS se perfilan como una tecnología fundamental para superar estos retos. Mediante el despliegue estratégico de los RIS es posible redirigir las señales alrededor de los obstáculos, eliminando eficazmente las lagunas de cobertura y mejorando la penetración de la señal a través de los edificios de una manera rentable y de bajo coste.

Entre las ventajas de los RIS está la posibilidad de ajustar dinámicamente las fases y amplitudes de la señal, compensando las pérdidas por propagación a grandes distancias, lo que mejora la eficiencia y fiabilidad de la transmisión de señales en bandas de alta frecuencia. Además, los SIF contribuyen a mejorar la relación señal/interferencia más ruido (SINR), con lo que aumentan la potencia de la señal, amplían el alcance de la cobertura e incrementan el rendimiento global de la red. Su capacidad para manipular la propagación de la señal los convierte en instrumentos fundamentales para optimizar el rendimiento de las redes de comunicación de alta frecuencia.

Además de sus ventajas técnicas, los SIF funcionan con un bajo consumo de energía, ya que requieren un mínimo de componentes activos, lo que los convierte en alternativas energéticamente eficientes a los sistemas de retransmisión tradicionales. Su integración en infraestructuras ya existentes, como las superficies de los edificios, simplifica aún más su despliegue y reduce el coste de establecer redes de telecomunicaciones de alta frecuencia robustas.

En conclusión, los RIS representan una tecnología facilitadora clave para las comunicaciones de alta frecuencia en las redes 5G y 6G, ya que resuelven los problemas de propagación y optimizan el rendimiento de la señal para liberar todo el potencial de las tecnologías inalámbricas avanzadas en términos de velocidad, capacidad y fiabilidad.

Autor: Yu-Han Chang, analista tecnológico principal de IDTechEx