Nuevas antenas y dispositivos de radiofrecuencia mediante Impresión 3D

El avance de las nuevas tecnologías en el ámbito de las telecomunicaciones busca proporcionar una conexión global de muy alta velocidad de transmisión de datos. Para hacerlo posible, se hace necesaria la ocupación de franjas del espectro radioeléctrico cada vez más altas. Es el caso de la conocida como la banda de milimétricas, que abarca desde los 30 hasta los 300 Gigahercios (GHz).

A medida que se sube en frecuencia, se puede aprovechar un mayor ancho de banda, y con ello velocidades de transmisión de datos muy elevadas que hagan posible nuevos servicios tales como la emisión de video de alta definición, aplicaciones de realidad virtual, radares automovilísticos o la futura generación de comunicaciones móviles 6G, que permitirá una conectividad global no solo entre personas sino también entre dispositivos.

La implementación práctica de dispositivos electromagnéticos que funcionen a frecuencias muy elevadas requiere la miniaturización de las antenas y circuitos asociados

Desde un punto de vista tecnológico, este incremento en la frecuencia de trabajo plantea nuevos desafíos. La implementación práctica de dispositivos electromagnéticos que funcionen a frecuencias muy elevadas requiere la miniaturización de las antenas y circuitos asociados, así como de resoluciones de fabricación cada vez más elevadas y restrictivas.

Por esta razón, se ha intensificado la investigación de métodos de fabricación alternativos que puedan complementar a las técnicas tradicionales basadas en mecanizado. Un ejemplo claro es la Fabricación Aditiva o AM (Additive Manufacturing), coloquialmente conocida como Impresión 3D, que ha experimentado un crecimiento notable en los últimos años con numerosos avances para antenas y dispositivos de radiofrecuencia demostrando su viabilidad en diversas aplicaciones.

Las universidades, centros de investigación y el sector empresarial de la radiofrecuencia en España han contribuido muy significativamente a la integración de esta novedosa tecnología de fabricación por impresión 3D al diseño e implementación de dispositivos y antenas, obteniendo prestaciones mejoradas y adecuadas para su aplicación a los nuevos sistemas de comunicaciones. Desde el punto de vista práctico, la creación de estos nuevos componentes de radiofrecuencia mediante impresión 3D se ha enfocado fundamentalmente en dos categorías de materiales: plástico y metal.

Universidades, centros de investigación y el sector empresarial han contribuido a la integración de la fabricación por impresión 3D al diseño e implementación de dispositivos y antenas

Impresión 3D de plástico

La principal ventaja de la impresión 3D en plástico reside en su capacidad para facilitar un prototipado rápido de diseños, siendo particularmente beneficioso para empresas y laboratorios de investigación, agilizando los procesos de desarrollo y mejorando la eficiencia en la innovación y producción de productos. Otro de sus atractivos es el reducido coste, lo que facilita la producción a gran escala, una necesidad imperativa para satisfacer la demanda creciente de dispositivos de comunicación en diversas aplicaciones.

La tecnología de fabricación aditiva en plástico más extendida y conocida es la impresión 3D en filamento o FDM (Fused Deposition Modeling). Los investigadores del Laboratorio de Microondas de la Universidad Miguel Hernández de Elche (EMwLab-UMH) han utilizado esta tecnología para fabricar de forma rápida y económica filtros y antenas a 10 GHz, mientras que en el Instituto Universitario de Investigación en Telecomunicación de la Universidad de Málaga (TELMA-UMA) se han logrado diseños de antenas para la futura banda de 5G en 28 GHz con vistas a dotar de cobertura satelital en entornos de difícil accesibilidad. Estos avances subrayan la versatilidad y el potencial en evolución de FDM, expandiendo sus aplicaciones a campos más avanzados y especializados.

A pesar de las notables mejoras experimentadas en la tecnología FDM, las técnicas de estereolitografía o SLA (Stereolithography) son capaces de alcanzar resoluciones de fabricación más elevadas, que permiten el desarrollo de estructuras muy complejas con resultados excelentes.

En el Grupo de Radiación del Information Processing and Telecommunications Center de la Universidad Politécnica de Madrid (GR-IPTC-UPM) se han diseñado y fabricado diversos dispositivos de guiado y antenas incluso en frecuencias tan elevadas como 110 GHz.

El Grupo de Tecnologías Radio y Aplicaciones de la Universidad Carlos III de Madrid (GEA-UC3M), en colaboración con el Departamento de Tecnología de Computadores y Comunicaciones de la Universidad de Extremadura (TCO-UEX) para el modelado electromagnético, han desarrollado antenas de lente dieléctrica impresas en 3D en la banda de 34 GHz. Para estas aplicaciones, la caracterización precisa de las propiedades de estos materiales es fundamental. Tanto el Centro de Investigación Tecnologías de Información y Comunicaciones de la Universidad de Granada (CITIC-UGR) como el EMwLab-UMH han llevado a cabo con éxito esta labor.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los dispositivos y antenas de radiofrecuencia generalmente son estructuras casi completamente metálicas. Por tanto, la fabricación aditiva en plástico implica, en la mayoría de sus aplicaciones, la necesidad de un metalizado posterior para garantizar su funcionalidad.

Para ello se recurre a procesos basados en el galvanizado electrolítico o electroplating, que se basa en un proceso electroquímico muy común en la industria para recubrir objetos con metales como oro, plata, cobre, níquel o cromo. Estos procesos han sido ampliamente optimizados para el diseño de dispositivos de radiofrecuencia por instituciones tales como el departamento de Electrónica e Ingeniería Biomédica de la Universidad de Barcelona (IEB-UB), el departamento de Ingeniería Industrial y Construcción de la Universidad de las Islas Baleares (IIC-UIB), el Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia de la Universidad Politécnica de Valencia (ITEAM-UPV) o el GR-IPTC-UPM, en el desarrollo de inductores, filtros, redes divisoras de potencia y antenas en rangos de frecuencias desde 2 hasta 100 GHz.

Impresión 3D de metal

Como alternativa a los procesos de fabricación aditiva en materiales plásticos con metalización posterior, surge la fabricación aditiva directa en metal. Al eliminar la etapa de metalización se simplifica significativamente el proceso y amplía las posibilidades de aplicaciones a diseños más intrincados y complejos en los que no sea necesario tener acceso a todos los recovecos del interior de la estructura.

Aunque la fabricación aditiva en metal puede no ofrecer la misma ligereza y bajo coste que la fabricación en plástico, sigue siendo una opción competitiva en comparación con el mecanizado tradicional, especialmente en escenarios donde la complejidad geométrica y la eficiencia en la producción son prioritarias.

Las tecnologías de fabricación aditiva han añadido un gran abanico de posibilidades al diseño e implementación de dispositivos de radiofrecuencia

Los métodos de fabricación aditiva en metal más conocidos son la sinterización directa por láser de metal o DMLS (Direct Metal Laser Sintering) y la fusión selectiva por láser o SLM (Selective Laser Melting). Estas técnicas están basadas en el sinterizado por láser, que permite fusionar partículas de polvo metálico en zonas específicas para así crear las capas que componen la estructura deseada. 

Los grupos de investigación del área de radiofrecuencia del ITEAM – UPV, que han desarrollado antenas a 30 GHz para aplicaciones SatCom, el Grupo de RadioFrecuencia, Circuitos, Antenas y Sistemas de la Universidad Autónoma de Madrid (RFCAS-UAM), con antenas para los futuros sistemas de ultra-alta velocidad de datos 5G en 38 GHz y WiFi a 60 GHz, y el GR-IPTC-UPM, capaces de implementar antenas a 90 GHz para la detección de basura espacial, han demostrado que la fabricación aditiva en metal es la elección ideal cuando se trata de dispositivos de mayor tamaño y elevada complejidad.

Un futuro brillante

Las tecnologías de fabricación aditiva han añadido un gran abanico de posibilidades al diseño e implementación de dispositivos de radiofrecuencia que complementan a las técnicas más tradicionales. En el ámbito de la investigación en España, se ha observado una firme apuesta por estas tecnologías, lo que ha llevado a un rápido desarrollo en su aplicación a dispositivos de radiofrecuencia.

Esta convergencia ha abierto nuevas posibilidades para la creación de componentes más eficientes y especializados, jugando un papel fundamental en el despliegue de los nuevos sistemas de comunicaciones globales de muy alta velocidad, los cuales, incorporan tanto despliegue terrestre como satelital para asegurar cobertura total, e interconexión completa entre los usuarios y su entorno.

A pesar de los avances notables, aún hay un camino considerable por recorrer en el aprovechamiento completo de las capacidades de la fabricación aditiva. Para continuar con su desarrollo, la colaboración entre investigadores, instituciones y la industria debe jugar un papel fundamental. A la vista de los resultados obtenidos y las vías abiertas a futuro, la radio-ciencia española, sin duda, ha apostado firmemente por ser protagonista en este sector tecnológico.