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Apr 26, 2023

タイル

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 2741 (2022) この記事を引用

4510 アクセス

4 引用

152 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この研究では、5G/B5G ミリ波スマート スキン用の大規模スケーラブル MIMO およびフェーズド アレイ、およびスマート シティおよび IoT アプリケーション用の大面積再構成可能なインテリジェント サーフェスをモジュール形式で構築するための、新しいタイル ベースのアプローチを紹介します。 \(2 \times 2\) 個の「8 要素サブアレイ」タイルを利用した概念実証の 29 GHz 32 要素フェーズド アレイが製造および測定され、\(+/-\) 30 ビームステアリング機能が実証されました。 提案されたタイル アプローチの独自の利点は、さまざまなユーザー容量のカバー領域に複数のサイズのアレイを使用するのではなく、同じサイズのタイルを大量に製造できるという事実を利用しています。 概念実証のフレキシブル \(2 \times 2\) タイル アレイは、半径 3.5 cm の曲率に巻き付けてもパフォーマンスが低下しないことを強調しなければなりません。 このトポロジは、タイルを追加し、実装タイル層上の給電ネットワークを拡張するだけで、大規模なアレイに簡単にスケールアップできます。 これらのタイルは、RF、DC、およびデジタル トレースを相互接続する単一のフレキシブル基板上に組み立てられており、サブ THz 周波数範囲までの実質的にあらゆる実用的なコンフォーマル プラットフォーム上で、オンデマンドの非常に大きなアンテナ アレイを簡単に実現できます。

最近、通信業界は、より高速、大容量、低遅延の通信を実現する 5G 標準への移行が急速に進んでいます。 これらの 5G および B5G (Beyond 5G) テクノロジー、特にミリ波 (mmWave) およびサブ THz 周波数の実装を成功させるための最も重要な要件の 1 つは、大規模 MIMO 構成用の大型アンテナ アレイの実現です。 ただし、これらの大型アンテナ アレイは通常、非常にかさばって重く、サイズも非常に限られているため、カスタマイズのコストが増加し、さまざまな最終用途への適応性が低下します。 5G ミリ波ネットワークの場合、本質的に通信範囲が狭いため、実装は各ホットスポットで 50 ～ 100 m2 のカバレッジを実現するスモール/ピコ セル アーキテクチャの利用に移行しました。 スモールセルの使用は、たとえばスポーツスタジアムと郊外エリアなど、さまざまな場所で使用率が大きく異なる可能性があることを意味します。 したがって、5G/B5G および IoT の実装に対する万能のアプローチはありません。

提案された大規模スケーラブルなモジュラー アンテナ アレイ アーキテクチャの (a) 単一タイルと (b) マルチタイルの概略図。 (c) 柔軟なタイル層上に配置されたタイルを示す 3D 画像。これにより、航空機の表面など、「スマート スキン」実装で使用される非常に大きなアンテナ アレイの曲面にタイルを適合させることができます (d)。 (e) 提案されたタイル ベースのアーキテクチャは、高密度または低密度の 5G/B5G カバレッジ エリア向けに再構成可能なインテリジェント サーフェス (RIS) と MIMO をスケールアップまたはスケールダウンする簡単な方法を提供し、コストを大幅に削減し、オンデマンドのモジュール性とスケーラビリティを強化します。

この研究で提案されている解決策は、アンテナ アレイ タイリングを利用してミリ波周波数でフェーズド アレイを構築することです。 この設計アーキテクチャとこのテクノロジのアプリケーションの一般的な図を図 1a、b に示します。 このタイプのテクノロジーは、柔軟な大規模 MIMO (図 1c、Smart-Skin) (d)、およびオンデマンドのモジュラーでカスタマイズ可能な非常に大規模なフェーズド アレイ アプリケーション (e) の多くのアプリケーションに利用できます。 タイルベースのフェーズドアレイアーキテクチャに関するさまざまな言及が、文献 3、4、5、6、7 などで見つけることができます。 さらに、取り外し可能なアンテナを備えたアンテナ アレイについては、8、9 で説明しました。 ただし、3 と 4 では、タイル ベースの要素は完全に単一のアンテナ要素タイルを備えたリジッド PCB 上に構築されており、設計のモジュール性を示していません 5。 ダイレベルのタイルが特徴ですが、パッケージングが必要なため組み立てが困難です。 さらに、硬質基板にも搭載されています。 7 では、柔軟な実装が導入されていますが、この実装は単一基板設計であるため、タイルはモジュール性を示しません。 8 や 9 などの作品では、モジュラー アンテナ要素に SMA ケーブル配線が必要ですが、大規模なアレイでは簡単に乱雑になりがちです。 さらに、個別のコンポーネントが必要なため、コストが増加し、統合が複雑になります。 大量のアンテナを動的に実現する方法として、メタサーフェスに in10 などのメタマテリアル コンポーネントを利用する開発も行われています。 ただし、この論文で紹介した研究では、アクティブ IC の独自の機能を利用して、位相だけでなく、個々のアンテナ要素の振幅もオンデマンドで変更できるため、ユーザーはビームフォーミングをより詳細に制御できるようになります。パターン（より複雑な変調方式11とコンフォーマル実装のための「オンザフライ」フレックス補償12の使用による）、およびさまざまなアプリケーションに合わせてアレイの物理的な開口サイズを「オンデマンド」で変更するためのモジュール性も備えています。

この取り組みでは、取り外し可能な要素、モジュール性、大規模な拡張性、柔軟性の利点が 1 つのシステムに組み合わされています。 これにより、実装が簡単なシステムが作成され、将来の 5G/IoT ネットワークだけでなく、将来のウェアラブルおよび再構成可能なインテリジェント サーフェス (RIS) アプリケーションでも実現できます。 これらのデバイスは、無線チャネルを変更するためにさまざまな表面に構築および適合させることができ13、さまざまな環境にわたって RIS をユビキタスに配置する必要があり、柔軟で適応性のあるシステムの恩恵を受けることができます。 メタサーフェスを使用して説明されている 14、15 で説明されている伝統的に定義された RIS 構造とは異なり、この研究で説明されている RIS はアクティブ IC などのアクティブ デバイスを利用しており、これにより再構成が可能になり、柔軟性と適合性という利点が追加され、あらゆる種類のものに接続できるようになります。表面の。

この作品では、柔軟でコンフォーマルなタイル アーキテクチャは 2 つの部分で構成されています。任意の数のタイルのそれぞれには、アンテナ サブアレイと統合ビームフォーミング IC が含まれています。また、タイルをシームレスに相互接続して非常に大きなアンテナ アレイにするための基礎となるタイル層も含まれています。そしてMIMO。 この実装は、大規模なフェーズド アレイ実装よりもコストが低いだけでなく、フレキシブルなベース基板上に統合されているため、タイルをさまざまな表面に適合させることができます。 個々のタイルは、小規模 PCB 基板上に 8 つのアンテナ要素が統合された 1 つのビームフォーミング IC (BFIC) で構成されます。 さまざまなサイズの複数の大きなフェーズド アレイを製造する必要がなく、規模の経済を利用して各タイルは互いに同一です。 これはモジュール方式で組み立てることができ、状況に応じてより大きなアレイを実装することができ、必要となるのは低コストのフレキシブル基板だけです。 設計のシンプルさにより、このアプローチは RF 給電ネットワークとアンテナ素子を分離することでアレイ アーキテクチャを簡素化し、設計者がレイアウトやアンテナ構造の設計ではなく、アレイを重視します。 この建築は組み立てが簡単であるだけでなく、特定のタイルが損傷した場合にタイルを交換できるため、「その場で」修理することも簡単です。 より詳細な図を図 2 に示します。タイルとタイル層の統合を示しています。 この研究では、\(2 \times 2\) タイルベース構成、つまり柔軟なタイル層上に 32 個のアンテナ素子アンテナ アレイを実現する「8 素子サブアレイ」タイル構成の概念実証プロトタイプが提示され、測定されます。一般的な 5G ミリ波周波数で。 個々のタイルは、小規模 PCB 基板上の統合ビームフォーミング IC (BFIC) を備えた 8 要素のサブアレイで構成されており、実際の 5G/B5G アプリケーションで一般的な平面トポロジおよびベント トポロジに対して非常に優れたパフォーマンスが実証されています。

非常にスケーラブルなマルチタイル (「モジュラー」) アンテナ アレイの実装を提案します。 すべてのタイルには、ビームフォーマ IC (BFIC) とともにアンテナ「サブアレイ」が含まれています。 次に、タイルをタイル層上に組み立てることができます。タイル層には、給電線、RF、DC、および通信線が含まれており、任意に大きなアレイを実現できます。

27.5 ～ 30 GHz で動作する Anokiwave の市販の Ka バンド BFIC TX チップが、概念実証 \(2\times 2\) タイル デモンストレーターの BFIC として選択されました。 このチップは、12 dBm 飽和電力出力を備えた 8 つの出力アンテナ ポートを備えており、それぞれが 5 ビット位相シフトと可変ゲイン制御 (それぞれ 11.25° LSB、0.5dB LSB) が可能で、SPI プロトコルを使用して制御されます。 QFN パッケージ化されたチップの寸法は \(6 \times 6\) mm です。 デザインは、BFIC がタイルの中央にあるように対称性を保つ必要があります。 このようにして、アンテナアレイ内に隙間なくタイルを配列し、均一性を確保することができる。 BFIC を選択すると、アンテナ素子の設計に焦点を移すことができます。

(a) タイル設計で使用される開口結合パッチ アンテナの積層図。 (b) 29 GHz を対象としたパッチ アンテナの S11 の結果。

(a) アンテナ サブアレイ側 (タイルの上側)、(b) ビームフォーミング IC (BFIC) および RF/DC/デジタル コンタクト (タイルの下側)。 上側には、パッチ アンテナ サブアレイ要素が表示されます。円で囲まれた 1 つの円偏波 (CP) 要素は、90° 位相シフトを持つ 2 つの垂直直線偏波パッチによって効果的に形成されます。 さらに、熱管理のために大きなサーマル グランド プレーンも存在し、追加の接地のためにいくつかのグランド ビアが存在します。 底面には、BFIC 用の QFN フットプリントと、RF、SPI、および DC 接続用のパッドが含まれており、タイル層にはんだ付け/取り付けられます。

(a)(タイリング層)マイクロストリップから(タイル)マイクロストリップへの遷移。 接続は矢印を介して半田付け/取り付けられます。 (b) RO4350B 上のマイクロストリップと LCP の間の遷移の寸法。 (c) 28 ～ 32 GHz 帯域にわたる遷移の S パラメータ。

(a) SPI DC および RF ラインを備えた概念実証 \(2 \times 2\) タイル アレイのタイル レイヤー。 外縁のパッドは、標準の 2.54 mm ヘッダー ピンに対応する間隔で配置されています。 (b) 提案された \(4\times 4\)、128 要素の配列タイル スキーム。 この画像の丸で囲まれた部分は、(a) に示したものと同様の 1 つの \(2\times 2\) タイル構成です。 したがって、これらの構造は無限に繰り返し可能であり、大規模に拡張可能です。 簡潔にするために DC および SPI ラインは省略されています。

当初はさまざまなアンテナ素子が検討されましたが、概念実証のデモンストレーション用のタイル サブアレイ素子として開口結合パッチ アンテナが選択されました。 パッチ アンテナの 2 つの一般的な給電メカニズムは、マイクロストリップ給電とプローブ給電 4,16 ですが、これらはいくつかの要因により選択されたものではありません。 アパーチャ結合パッチにより、マイクロストリップ設計と比較して、アンテナとデジタル信号および DC 信号が異なる層で互いに分離された、よりクリーンな設計が可能になります。 さらに、開口結合アンテナ設計は、プローブ付きフィードとは異なり、ビアを必要としません。 一般的な 5G/B5G ミリ波周波数では、ビアを実現するのは難しく、適切な寸法制御が必要です。 さらに、ビアのサイズが不適切であると、高損失や RF 信号のインピーダンス不整合反射が発生する可能性があり 17、18、ブラインドビアや埋め込みビアの必要性により製造コストが増加します。 したがって、図 3a、b に示すように、開口結合パッチが選択されました。 プロトタイプのアンテナ素子は、2 つの Rogers 6.6 mil RO4350B (\(\epsilon _r = 3.66, Tan\delta = 0.0037\)) コアと 4 mil RO4450F ボンドプライ (\(\epsilon _r = 3.52, Tan\delta = 0.004\) で構築されました。 )) 間には 4 つの銅層のみで構成されています。 これらのロジャース材料は、K バンド開口結合アンテナ アレイで優れた性能を実証しています 19。 プロトタイプのパッチ アンテナは、ミリ波 5G (n257) バンドおよび Ka バンド SATCOM アプリケーションをターゲットとする 29 GHz の設計中心周波数を持っていました。 アンテナ素子は、24 から 40 GHz までの予想される 5G ミリ波スペクトルのすべてをカバーする 20 で実証された広帯域アンテナ素子を利用することで、より広帯域にすることができます。 これらの開口結合パッチ アンテナ要素は、各タイルのサブアレイに統合され、非常に大規模なアンテナ アレイと大規模な MIMO 構成を効果的に可能にしました。

単一タイルの有効開口効率は、式 1 に従って 37% と計算されました。 1:

ここで、\(A_{phys}\) と \(G_{T}\) はそれぞれ、タイル要素の物理的な開口サイズとゲインです。 各タイル要素は、29 GHz で 14.5 mm x 14.5 mm の領域で 9.7 dBi のゲインを持ちます。 これは、60% を超える開口効率を達成できる 21、22 で実証されているような、一般的な高効率開口マイクロストリップ アンテナよりも低くなります。 効率の低下は、主に BFIC のサイズと、熱管理のための広いグランドの必要性によるものです。 ますます多くのBFICが商品化されるにつれ、新しいBFICは設置面積が大幅に小さくなり、効率が従来の約60%の値に近づく可能性があります。

アンテナ要素、つまりアンテナ タイルは、LCP やポリイミドなどの柔軟な材料ではなく、硬い材料で製造されています。 これは、5G ミリ波帯域のかなりの部分をカバーするのに十分な帯域幅をアンテナに持たせるために、厚いフレキシブル基板を入手するのが難しいためです。 したがって、RO4350B 基板が選択されました。 さらに、はんだ付けによって基板が歪んでタイルが使用できなくなることがないように、同一の熱膨張係数 (CTE) を一致させる必要があるため、層対称の同一材料コア (RO4350B、RO4450F、RO4350B) が選択されました。 これらの要素が組み合わさって、タイル自体が強固な構造になります。 一般性を失うことなく、概念実証のデモンストレーションを目的として、8 つのアンテナ要素が 1 つのタイル上に配置され、各アンテナが BFIC の 8 つの出力ポートの 1 つに接続されました。 これにより、BFIC が各アンテナ要素を個別に制御できるようになり、フェーズド アレイの方向をより詳細に制御できるようになります。 アンテナは、垂直直線偏波の 4 つと直線水平偏波の 4 つ（上部 2 つ、左 2 つ、右 2 つ、下部 2 つ）の構成で配置されます。 この構成のこれらのアンテナ要素を使用すると、水平偏波または垂直偏波を互いに 90° 23 遅らせることによって CP アンテナ アレイを生成できます。これは、BFIC 内部移相器を使用して簡単に実現できます。 8 つの素子がこの構成で配置されたのは、すべての素子がチップの出力ポート ピンにできるだけ近くなるようにするためであり、損失を最小限に抑えるために、図 4b に示すように、アンテナ素子の給電線は真っ直ぐに保たれます。 BFIC の寸法が \(6\× 6\) mm、パッチ アンテナ要素の寸法が \(2.35\× 2.35\) mm、およびパッチ アンテナの放射を可能にする十分な基板面積がある場合、単一タイル自体の寸法は \(14.5 \times 14.5 \times 0.52\) mm。

各タイルには、タイル層上に配置されたパッドに位置合わせされる複数の接触点が含まれています。 上側 (図 4a のアンテナ側) には接地パッドを備えたアンテナ素子があり、反対側 (チップ側 4b) には BFIC と、アンテナ素子と SPI に給電する RF 伝送線路があり、 VCC 要素。 BFIC は P1 dB 条件下で 1.4 W を消費するため、複数のビアによる効果的な低インダクタンスの RF グランドと良好な放熱を確保するには、グランド パッドが必要です。

柔軟なタイル層は、単一​​の Rogers 液晶ポリマー (LCP) ULTRALAM 基板上に構築されます。 LCP は、柔軟性があり、湿気や温度に強い高性能素材であるため、屋外の 5G 基地局などの屋外での使用に適した素材です。 LCP は特性評価されており、ほとんどの 5G/B5G 周波数帯域をカバーする、少なくとも 30 ～ 110 GHz24 の優れた低損失 RF 特性を示しています。 4 ミルの LCP 層が概念実証のタイル層基板に利用されました。 LCP は、RF、DC、SPI 分配層の 1 つで両面パターン化され、柔軟性を高めるために、もう一方の面のパターンはマイクロストリップ ラインの下のみのグランド構造の実現を可能にしました。 これは構造の柔軟性を高めるためだけに行われていますが、必須ではありません。 サブアレイの放射特性を妨げることなくタイルを正確に取り付けることができるように、タイル層基板の中心の周囲に穴が開けられました。 取り付けパッド自体は、アンテナ タイルをそれぞれの設計位置に位置合わせするための位置合わせマーカーとして機能します。

(a) 前面、アンテナ側、(b) 背面、チップ側。 (c) 柔軟なタイル層を手で曲げ、(d) 半径 3.5 cm の円柱に適合させます。 タイルと組み合わされた柔軟なタイル層により、柔軟性が促進されます。 このシステムは本来平らであるため、曲率に合わせるには、接着剤を使用するか、ここに示すように手作業で強制的に曲面に合わせる必要があります。

重要なコンポーネントは、図 5 に示すタイル層マイクロストリップからタイル マイクロストリップへの移行です。他の相互接続アプローチは、結合セクションまたはビアを利用する文献 25、26 で以前に実証されています。 ただし、提案されているタイルベースの大規模スケーラブル MIMO およびフェーズド アレイ トポロジはモジュール式に設計されているため、オンデマンドで簡単に組み立てたり分解したりできるアプローチが必要です。 図 5a に示すように、一方のマイクロストリップをもう一方のマイクロストリップに裏返し、マイクロストリップの両側にある 2 つのアース ピンでアースを接続するという単純なアプローチが実装されました。 シミュレーションでは、挿入損失と反射損失の性能特性が主にビア パッドとマイクロストリップ ライン間のギャップの距離とエッジからのオフセットによって制御されることが観察されました。 最適化された遷移とそのパラメータを図 5b に示します。 この遷移設計は、シミュレートされた 28 ～ 32 GHz の周波数範囲全体で 0.5dB 未満の低い挿入損失を実現します（図 5c）。 トランジションのこれら 2 つの半分は互いにはんだ付けされており、曲げ条件下でタイルに追加の構造的サポートを提供します。 これらのトランジションの手動による組み立てとはんだ付けにより、シミュレーションでは見られなかった追加の損失が考慮されます。 SPI および DC 用の他のパッドも一緒にはんだ付けされます。 これにより、ホットエアガンのみを使用してはんだ接合部をリフローするだけで、簡単に組み立てと取り外しが可能になります。 企業の給電ネットワークは、SPI および DC ラインのファンアウトとともに 4 つのタイル用に設計されました。 タイル終端を備えた 50 オームの伝送線路は結合され、29 GHz を中心とする \(\lambda /4\) インピーダンス変成器を備えた別の 50 オームの伝送線路と整合されます。インピーダンスは \(Z_{o} = \sqrt{ 50\cdot 25}\)。 このプロセスは、より大きな配列に対して繰り返すことができます。 \(2\times 2\) タイル配列のタイル層を図 6a に示します。 VNA 測定セットアップには 2.92 mm のエンドラウンチ コネクタが必要であり、タイル レイヤー上のかなりの面積を占めるため、タイル レイヤーは正確に対称ではないことに注意してください。 さらに、標準の 2.54 mm ヘッダ ピン コネクタが DC および SPI 接続に利用され、コントローラへの配線と接続が容易になりました。 実際の実装では、エンドラウンチ コネクタとヘッダー ピンは必要ない可能性があるため、タイルはより対称的なレイアウトを形成でき、さらに小型化できます。 \(4\times 4\) のスケールアップ バージョンを図 6b に示します。 4x4 トポロジは、拡張 RF 企業給電ネットワークを備えた 4 つの \(2\times 2\) セクションで単純に構成されているため、アレイの拡張は簡単です。 したがって、これらの構造は無限に繰り返し可能であり、給電ネットワークの誘電損失や抵抗損失などの要因によってのみ制限されます27。

アンテナ素子は互いに対称です。つまり、反対側のアンテナ素子は 180 度位相がシフトし、事実上、反対称素子とは位相がずれています。この影響は、BFIC を次のようにプログラムすることで簡単に修正できます。すべての同相要素につながる 180 度の位相調整を提供します。 タイルは対称であるため、チップは中央にある必要があります。 1 つの 8 要素の概念実証タイル自体のサイズは \(14.5\times 14.5 \times 0.52\) mm です。 \(2\times 2\) 配列では、タイルの間隔は 2 mm です。 グレーティング ローブ 28 を避けるためにアレイ間隔を小さく保つ必要があることは広く知られていますが、この作業では、タイルがタイル層上のマイクロストリップ給電線を越えて干渉しないように追加の間隔が必要であるため、2 mm の間隔となっています。距離。 これは、伝送線路を銅で覆い、伝送線路をアンテナ素子から分離するストリップライン手法を利用することで、将来の作業で軽減できます。 ただし、ストリップラインはマイクロストリップよりも製造が難しく、より多くの誘電体材料が必要となるため、コストが発生し、ビアも必要となり、より多くの損失が発生する可能性があるため、この作業ではより単純なマイクロストリップのアプローチが採用されました。

電源と SPI 用のワイヤーが取り付けられた組み立てられたタイル。 (a) 単一タイルの実装と (b) マルチ (\(2\times 2\) 32 要素) の実装。 (c) さらに、タイルは 3.5 cm の曲げ半径に合わせて測定されました。

図 7a、b では、組み立てられた \(2\times 2\) 「8 要素サブアレイ」タイルの概念実証用の 32 アンテナ アレイ プロトタイプが前面と背面に示されています。 図 7b の裏面では、銅がマイクロストリップ伝送線路の下にのみ残されていることがわかります。 LCP の厚さはわずか 4 ミルなので、図 7c に示すように基板は非常に柔軟です。 完全に組み立てられた \(2\times 2\) アレイは図 7d に見られますが、半径 3.5 cm の円筒形の曲がりの周囲に適合しており、剥離や亀裂は見られません。

単一タイルの測定結果は、プロトタイプ \(2\times 2\) タイル アレイの H 平面全体にわたる測定およびシミュレーションの両方の正規化ゲイン パターンを示しています。 (a) 等位相要素、(b) 55°、(c) 123° の漸進的な位相シフト。

単一タイルとマルチタイルの両方のプロトタイプ実装が構築され、測定されました。 単一タイルの場合、タイル レイヤーは必要ありませんでしたが、タイル レイヤーが必要であり、2x2 タイル アレイで実証されました。 制御ソフトウェアは、NI USB-8452 I\(^{2}\)C/SPI インターフェイスを使用して SPI を制御するために MATLAB で作成されました。

図 8 では、単一タイルとマルチタイルの両方のプロトタイプの実装が電波暗室で示されています。 単一タイルの利得パターンの測定結果を図 9 に、マルチタイルの利得パターンの測定結果を図 10 に示します。電子ビーム走査機能を実現するには、アンテナ素子に漸進的な位相シフトが必要です。 タイルは円偏波で動作するため、互いに 90° オフセットされた 2 つのアンテナは 1 つの円偏波アンテナとみなすことができます。 このようにして、各スキャン方向 (水平および垂直) で、タイルごとに 4 つの「同等の」アンテナ要素が存在します。 デモンストレーションの目的で、2 \(2\times 2\) タイル アレイは、最大 135 ° までの測定ごとに追加 45 ° の漸進的な位相シフトを使用して、水平軸の両方向に操縦されました。 測定データには若干の誤差と「ノイズ」が含まれています。 これは、基板が柔軟であるため、基板が剛性基板とは異なり、非平面状態で静止する可能性があるという事実による可能性が最も高いです。 これらのマイクロ歪みは、タイルが最適な位置にないため、測定セットアップに小さな変動を引き起こす可能性があるだけでなく、小さな位相歪みを引き起こす可能性があります。 将来の研究では、パターン予測技術を利用して、フレキシブル基板のこれらの影響を軽減することができます12、29、30。

(a) CP 要素間の \(-135\) から \(+135\)° の進行位相シフトのシミュレーション測定結果。 (b) 同じ進行位相シフト値からの測定結果は、シミュレーション結果とよく一致していることを示しています。 (c) シミュレーションと比較した、半径 3.5 cm で曲げられた \(2\times 2\) アレイの測定結果。

図10に示すパターンは、測定されたケースでは、高いステアリング角で4.5dbのサイドローブが観察されることを示しています。 これは、タイルを分離する間隔を減らし、マイクロストリップ給電線をストリップライン トポロジに変換することによって減らすことができます。

提案されたタイルベースのモジュラーアプローチの非常に優れた柔軟性特性を実証するために、\(2\times 2\) タイルのプロトタイプを半径 3.5 cm に適合させました。 予想される動作は、曲げによってゲイン パターンが平坦になり、パターンが「ファンアウト」されることです。これはシミュレーションで実証されています。 アンテナ要素はすべて等しい位相を持っています。 フルブロードサイドパターン。 アンテナ利得パターンがシミュレーション結果に従っていることから、これは測定でも確認されました。 ただし、ゲイン パターンにはシミュレーションと比較して若干の歪みが見られますが、これはおそらくアレイの不均一な平面性によるものです。 裏面では、実装された BFIC によって凹凸のある表面が作成され、平らな表面に完全に一致させることが困難になり、位相オフセットが発生し、パターンの偏差が発生します。 これらの要因は、アレイの柔軟性が望ましくない影響をもたらす可能性があるため、これらの偏差を軽減するために上記のパターン予測技術を利用することの重要性を強調します。

このペーパーでは、スマート シティおよび IoT アプリケーション向けに、5G/B5G ミリ波スマート スキンおよび大面積 RIS 向けの大規模スケーラブル MIMO およびフェーズド アレイのモジュール式実現を可能にする新しいタイル ベースのアプローチを紹介しました。 提案されたタイル アプローチの独自の利点は、さまざまなアプリケーション ニーズとユーザー容量のカバー領域に対応するために、複数のサイズのアレイを実現する必要がなく、同じサイズのタイルを大量に製造できるという事実を利用しています。 このタイプの設計のトレードオフは、組み立て時間の増加などの追加の製造ステップの利用や、移行コンポーネントの必要性による追加の伝送損失です。

要約すると、概念実証用の 29 GHz \(2\times 2\) タイル ベースの 32 素子アンテナ アレイが製造および測定され、\(+/-\) 30 ビーム ステアリング機能が実証され、アンテナに巻き付けてもパフォーマンスが低下しないことがわかりました。曲率半径3.5cm。 このトポロジは、タイルを追加し、実装タイル層上の給電ネットワークを拡張するだけで、大規模なアレイに簡単にスケールアップできます。 タイルは、RF、DC、デジタル トレースを相互接続する単一のフレキシブル タイル基板上に組み立てられ、サブ THz 周波数までの実質的にあらゆる実用的なコンフォーマル プラットフォーム上でオンデマンドの非常に大きなアンテナ アレイと大規模 MIMO を簡単に実現できます。範囲。 この作業でアクティブ BFIC と組み合わせて使用​​されているタイリング トポロジは、より複雑な変調とビームフォーミング制御を可能にし、柔軟でコンフォーマルな機能の組み合わせにより、このシステムが 5G 以降の RIS だけでなく、スマート シティ、自律型システムの大幅な強化を可能にします。車とスマート スキン アプリケーション。

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ジョージア工科大学、電気およびコンピュータ工学、アトランタ、30309、米国

Xuanke He、Yepu Cui、マノス M. テンツェリス

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XH は原稿を書き、実験を行いました。 YC は実験の実施を支援しました。 MMT は原稿のレビューに協力しました。

Xuanke He への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

He、X.、Cui、Y.、Tentzeris、MM 5G/B5G 対応のスマート スキンと再構成可能なインテリジェント サーフェス向けの、タイルベースの大規模スケーラブル MIMO およびフェーズド アレイ。 Sci Rep 12、2741 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-06096-9

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受信日: 2021 年 7 月 9 日

受理日: 2021 年 12 月 1 日

公開日: 2022 年 2 月 17 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-06096-9

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