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Apr 26, 2023

Tuile

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 2741 (2022) Citer cet article

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Ce travail présente une nouvelle approche basée sur les tuiles pour construire, de manière modulaire, des MIMO massivement évolutifs et des réseaux phasés pour des skins intelligents à ondes millimétriques 5G/B5G et des surfaces intelligentes reconfigurables à grande surface pour les applications Smart Cities et IoT. Un réseau phasé de 32 éléments à 29 GHz de preuve de concept utilisant \(2 \ fois 2\) tuiles "sous-réseaux à 8 éléments" a été fabriqué et mesuré et démontre une capacité de direction de faisceau de \(+/-\) 30. Les avantages uniques de l'approche de tuiles proposée utilisent le fait que des tuiles de tailles identiques peuvent être fabriquées en grandes quantités plutôt que d'avoir des réseaux de tailles multiples desservant diverses zones de couverture de capacité d'utilisateur. Il convient de souligner que le réseau de tuiles flexible \(2\fois 2\) de preuve de concept ne présente aucune dégradation des performances lorsqu'il est enroulé autour d'une courbure de rayon de 3,5 cm. Cette topologie peut être facilement étendue à des baies massivement grandes en ajoutant simplement plus de tuiles et en étendant le réseau d'alimentation sur la couche de tuiles de montage. Les tuiles sont assemblées sur un seul substrat flexible qui interconnecte les pistes RF, DC et numériques, permettant la réalisation facile de très grands réseaux d'antennes à la demande sur pratiquement n'importe quelle plate-forme conforme pratique pour des fréquences allant jusqu'à la gamme de fréquences inférieure à THz.

Récemment, l'industrie des télécommunications est passée rapidement aux normes 5G pour des communications plus rapides, de plus grande capacité et à plus faible latence. L'une des exigences les plus cruciales pour la réussite de la mise en œuvre de ces technologies 5G et B5G (Beyond 5G), en particulier pour les fréquences à ondes millimétriques (mmWave) et sub-THz, est la réalisation de grands réseaux d'antennes pour des configurations MIMO massives1. Cependant, ces grands réseaux d'antennes sont généralement assez volumineux et lourds et ne sont disponibles que dans des tailles très limitées, ce qui augmente le coût de la personnalisation et réduit l'adaptabilité à divers cas d'utilisation finale. Pour les réseaux 5G mmWave, en raison de leur portée intrinsèquement réduite, les implémentations sont passées à l'utilisation d'architectures de petites/picocellules, chaque hotspot accordant une couverture de 50 à 100 m2. L'utilisation de petites cellules signifie que divers emplacements peuvent varier considérablement en termes de taux d'utilisation, par exemple un stade de sport par rapport à des zones suburbaines. Par conséquent, il n'existe pas d'approche unique pour les implémentations 5G/B5G et IoT.

(a) Tuile unique et (b) schéma multi-tuile de l'architecture de réseau d'antennes modulaire massivement évolutive proposée. (c) Image 3D montrant les tuiles placées sur une couche de carrelage flexible qui lui permet d'être conformée sur des surfaces courbes pour de très grands réseaux d'antennes utilisés dans les implémentations "Smart Skin", comme la surface d'un avion (d). (e) L'architecture basée sur les tuiles proposée offre un moyen simple d'augmenter ou de réduire les surfaces intelligentes reconfigurables (RIS) et les MIMO pour les zones de couverture 5G/B5G à haute ou basse densité, ce qui réduit considérablement les coûts et améliore la modularité et l'évolutivité à la demande.

La solution proposée dans ce travail est l'utilisation du pavage de réseaux d'antennes pour construire des réseaux phasés à des fréquences d'ondes millimétriques. Un schéma général de cette architecture de conception et des applications de cette technologie est illustré aux Fig. 1a, b. Ce type de technologie peut être utilisé dans de nombreuses applications pour les MIMO massifs flexibles, Fig. 1c, Smart-Skin (d), et pour les très grandes applications multiéléments modulaires et personnalisables à la demande (e). Diverses mentions d'architectures multiéléments à base de mosaïques peuvent être trouvées dans la littérature, telles que 3, 4, 5, 6, 7. De plus, les réseaux d'antennes comportant des antennes amovibles ont été discutés dans8,9. Cependant, en 3 et 4, les éléments à base de tuiles étaient entièrement construits sur un PCB rigide avec des tuiles à un seul élément d'antenne et ne démontrent pas la modularité de la conception5. Dispose de carreaux au niveau de la matrice, ce qui est difficile à assembler en raison du besoin d'emballage. De plus, il est également présenté sur un substrat rigide. Dans 7, une mise en œuvre flexible est introduite, cependant les dalles ne présentent aucune modularité car cette mise en œuvre est une conception à substrat unique. Avec des travaux tels que 8 et 9, les éléments d'antenne modulaires nécessitent un câblage SMA, qui peut facilement devenir trop encombré pour les grands réseaux. De plus, le besoin de composants discrets augmente le coût et la complexité de l'intégration. Il y a également eu des développements dans l'utilisation de composants de méta-matériaux tels que in10 pour les méta-surfaces comme moyen de réaliser des quantités massives d'antennes de manière dynamique. Cependant, le travail présenté dans cet article tire parti des caractéristiques uniques des circuits intégrés actifs pour permettre la modification à la demande non seulement de la phase mais également de l'amplitude de chaque élément d'antenne individuel, ce qui permet aux utilisateurs un contrôle beaucoup plus important de la formation de faisceau. modèle (grâce à l'utilisation de schémas de modulation plus complexes11 et d'une compensation de flexion "à la volée" pour une mise en œuvre conforme12) ainsi que la modularité pour modifier "à la demande" la taille d'ouverture physique du réseau pour s'adapter à différentes applications.

Dans ce travail, les avantages des éléments amovibles, la modularité, l'évolutivité massive et la flexibilité sont combinés en un seul système. Cela crée un système facile à mettre en œuvre et qui peut non seulement être réalisé dans les futurs réseaux 5G/IoT, mais également dans les futures applications portables et de surfaces intelligentes reconfigurables (RIS). Ces appareils peuvent être construits et conformés sur diverses surfaces pour modifier le canal sans fil13 et nécessitent un placement omniprésent du RIS dans divers environnements, qui peuvent bénéficier de systèmes flexibles et adaptatifs. Contrairement aux structures RIS traditionnellement définies décrites dans14,15 utilisant des méta-surfaces, le RIS décrit dans ce travail utilise des dispositifs actifs, tels que des circuits intégrés actifs, ce qui permet une reconfigurabilité avec l'avantage supplémentaire de la flexibilité et de la conformité lui permettant d'être attaché à n'importe quel type. de surface.

Dans ce travail, l'architecture flexible et conforme des tuiles se compose de deux parties, un nombre arbitraire de tuiles, dont chacune comprend un sous-réseau d'antennes et un circuit intégré de formation de faisceau intégré, et une couche de carrelage sous-jacente pour interconnecter sans problème les tuiles en de très grands réseaux d'antennes. et les MIMO. Non seulement cette mise en œuvre est moins coûteuse que les grandes mises en œuvre de réseau phasé, mais elle est intégrée sur un substrat de base flexible, permettant aux tuiles de se conformer à diverses surfaces. Chaque tuile individuelle se compose d'un circuit intégré de formation de faisceaux (BFIC) intégré à 8 éléments d'antenne, sur un substrat PCB à petite échelle. Plutôt que d'avoir à fabriquer plusieurs grands réseaux phasés de différentes tailles, chaque tuile est identique à l'autre en profitant des économies d'échelle. Celui-ci peut être assemblé de manière modulaire pour mettre en œuvre des réseaux plus grands selon la situation, dans laquelle seul un substrat flexible à faible coût est requis. La simplicité de la conception en fait une approche unique pour les très grands réseaux phasés à la demande, les RIS et les implémentations MIMO massives, car cette approche simplifie l'architecture du réseau en séparant le réseau d'alimentation RF et les éléments d'antenne, permettant aux concepteurs de se concentrer sur la mise en œuvre de le réseau plutôt que la disposition et la conception de la structure de l'antenne. Non seulement cette architecture est facile à assembler, mais elle est également facile à réparer "à la volée" car les tuiles peuvent être remplacées au cas où certaines tuiles seraient endommagées. Un diagramme plus détaillé est illustré à la Fig. 2 montrant les tuiles et l'intégration de la couche de tuiles. Dans ce travail, un prototype de preuve de concept d'une configuration basée sur des tuiles \ (2 \ fois 2 \), une configuration de tuiles "sous-réseau à 8 éléments" réalisant un réseau d'antennes à 32 éléments d'antenne sur une couche de carrelage flexible est présenté et mesuré à des fréquences d'ondes millimétriques typiques de la 5G. Chaque tuile individuelle se compose d'un sous-réseau à 8 éléments avec un circuit intégré de formation de faisceaux intégré (BFIC) sur un substrat PCB à petite échelle et de très bonnes performances sont démontrées pour les topologies planes et courbées typiques des applications 5G/B5G pratiques.

Mise en œuvre proposée d'un réseau d'antennes multi-tuiles ("modulaire") massivement évolutif. Chaque tuile contient un "sous-réseau" d'antenne ainsi qu'un circuit intégré de formation de faisceaux (BFIC). La dalle peut ensuite être assemblée sur une couche de carrelage, qui comprend les lignes d'alimentation, RF, CC et de communication pour permettre des réseaux arbitrairement grands.

Une puce Ka-Band BFIC TX disponible dans le commerce d'Anokiwave fonctionnant de 27,5 à 30 GHz a été choisie comme BFIC pour le démonstrateur de tuiles de preuve de concept \(2\fois 2\). La puce comporte 8 ports d'antenne de sortie avec une puissance de sortie saturée de 12 dBm, chacun capable d'un déphasage de 5 bits et d'un contrôle de gain variable (respectivement 11,25 ° LSB, 0,5 dB LSB), contrôlés à l'aide du protocole SPI. La puce emballée QFN mesure \(6 \fois 6\) mm. La conception doit être maintenue symétrique, avec le BFIC au centre de la tuile. De cette manière, il peut être assuré que les tuiles peuvent être mises en réseau sans espaces dans le réseau d'antennes garantissant l'uniformité. Avec le BFIC choisi, l'accent peut être déplacé sur la conception de l'élément d'antenne.

( a ) Diagramme d'empilement de l'antenne patch couplée à l'ouverture utilisée dans la conception des carreaux. (b) Résultats S11 pour l'antenne patch ciblant 29 GHz.

(a) Côté sous-réseau d'antennes (côté supérieur de la tuile), (b) CI de formation de faisceau (BFIC) et contacts RF/DC/numériques (côté inférieur de la tuile). Dans la partie supérieure, les éléments du sous-réseau d'antennes patch sont visibles, avec un élément à polarisation circulaire (CP) encerclé car il est effectivement formé par deux patchs polarisés linéairement perpendiculairement avec un déphasage de 90 °. De plus, un grand plan de masse thermique est également présent pour la gestion de la chaleur, et certains vias de masse sont présents pour une mise à la terre supplémentaire. La face inférieure comprend l'empreinte QFN pour le BFIC ainsi que les pastilles pour les connexions RF, SPI et DC, destinées à être soudées/attachées à la couche de carrelage.

(a)(Couche de carrelage) Transition microstrip-to-(Tile) Microstrip. Les connexions sont soudées/attachées ensemble via les flèches. (b) Dimensions d'une transition entre un microruban sur RO4350B et LCP. ( c ) Paramètres S de la transition sur la bande 28–32 GHz.

(a) Une couche de tuilage pour le réseau tuilé de preuve de concept \(2\fois 2\) avec les lignes SPI DC et RF. Les coussinets sur les bords extérieurs sont espacés pour les broches d'en-tête standard de 2,54 mm. (b) Une proposition de schéma de pavage \(4\times 4\), 128 éléments. La partie encerclée de cette image est une configuration de mosaïque \(2\fois 2\) similaire à celle illustrée en (a). Ces structures peuvent donc être répétables à l'infini et massivement évolutives. Lignes DC et SPI omises par souci de brièveté.

Divers éléments d'antenne ont été initialement envisagés, mais des antennes patch couplées à une ouverture ont été choisies comme éléments de sous-réseau de tuiles pour les démonstrations de preuve de concept. Deux mécanismes d'alimentation courants pour les antennes patch sont l'alimentation microruban et sondée4,16, mais ceux-ci n'ont pas été choisis pour plusieurs facteurs. Le patch couplé à l'ouverture permet une conception plus propre, avec une antenne et les signaux numériques et CC séparés les uns des autres sur différentes couches par rapport à une conception à microruban. De plus, les conceptions d'antennes couplées à l'ouverture ne nécessitent pas de vias, contrairement à l'alimentation sondée. Aux fréquences typiques des ondes millimétriques 5G/B5G, les vias sont difficiles à réaliser et des contrôles de dimension appropriés sont nécessaires. De plus, des vias mal dimensionnés peuvent entraîner des pertes élevées et des réflexions de désadaptation d'impédance pour les signaux RF17,18, et le besoin de vias aveugles et/ou enterrés augmente le coût de la fabrication. Ainsi, le patch couplé à l'ouverture a été choisi, illustré à la Fig. 3a, b. l'élément d'antenne prototype a été construit à partir de deux cœurs RO4350B (\(\epsilon _r = 3,66, tan\delta = 0,0037\)) de Rogers 6,6 mil avec une couche de liaison RO4450F de 4 mil (\(\epsilon _r = 3,52, tan\delta = 0,004\ )) entre les deux composés de seulement 4 couches de cuivre. Ces matériaux Rogers ont démontré de bonnes performances dans les réseaux d'antennes couplées à l'ouverture en bande K19. Le prototype d'antenne patch avait une fréquence centrale de conception de 29 GHz pour cibler les bandes mmWave 5G (n257) ainsi que les applications SATCOM en bande Ka. L'élément d'antenne peut être rendu plus large bande en utilisant des éléments d'antenne large bande démontrés en 20 qui couvrent tout le spectre 5G mmWave attendu de 24 à 40 GHz. Ces éléments d'antenne patch couplés à l'ouverture ont été intégrés dans des sous-réseaux sur chaque dalle, permettant ainsi de très grands réseaux d'antennes et des configurations MIMO massives.

L'efficacité d'ouverture effective d'un seul carreau a été calculée comme étant efficace à 37 % selon l'équation. 1:

où \(A_{phys}\) et \(G_{T}\) sont respectivement la taille d'ouverture physique et le gain de l'élément de tuile. Chaque élément de tuile a un gain de 9,7 dBi avec une surface de 14,5 mm x 14,5 mm à 29 GHz. Ceci est inférieur aux antennes microruban à ouverture à haut rendement typiques telles que celles démontrées dans21,22 qui peuvent atteindre une efficacité d'ouverture > 60 %. La perte d'efficacité est principalement due à la taille du BFIC et au besoin d'un grand terrain pour la gestion thermique. Au fur et à mesure que de plus en plus de BFIC sont commercialisés, les nouveaux BFIC peuvent avoir des tailles d'empreinte considérablement plus petites, de sorte que l'efficacité peut être augmentée plus près des valeurs conventionnelles d'environ 60 %.

Les éléments d'antenne, et donc les tuiles d'antenne, ont été fabriqués avec des matériaux rigides par opposition aux matériaux flexibles comme le LCP ou le polyimide. En effet, il est difficile d'obtenir des substrats flexibles épais afin que les antennes aient une bande passante suffisante pour couvrir des portions importantes des bandes 5G mmWave. Ainsi, le substrat RO4350B a été choisi. De plus, des noyaux de matériaux identiques, avec une symétrie de couche (RO4350B, RO4450F, RO4350B) ont été choisis en raison de la nécessité d'un coefficient de dilatation thermique (CTE) identique afin que la soudure ne déforme pas le substrat, rendant les carreaux inutilisables. Ces facteurs combinés font des tuiles elles-mêmes une structure rigide. Sans perte de généralité et à des fins de démonstration de preuve de concept, 8 éléments d'antenne ont été placés sur une seule tuile, chaque antenne étant connectée à l'un des 8 ports de sortie du BFIC. Cela donne au BFIC le contrôle de chaque élément d'antenne individuel et permet ainsi un meilleur contrôle de la direction du réseau en phase. Les antennes sont disposées dans une configuration avec 4 en polarisation verticale linéaire et 4 en polarisations horizontale linéaire (2 en haut, 2 à gauche, 2 à droite et 2 en bas). Avec ces éléments d'antenne dans cette configuration, un réseau d'antennes CP peut être généré en décalant la polarisation horizontale ou verticale l'une de l'autre de 90° 23, ce qui est facilement réalisé en utilisant le déphaseur interne BFIC. Les 8 éléments ont été placés dans cette configuration afin qu'ils soient tous aussi proches que possible des broches du port de sortie de la puce, et les lignes d'alimentation des éléments d'antenne sont maintenues droites, comme illustré à la Fig. 4b, afin de minimiser les pertes. Avec le BFIC mesurant \(6\fois 6\) mm, des éléments d'antenne patch mesurant \(2,35\time 2,35\) mm, ainsi qu'une surface de substrat suffisante pour permettre aux antennes patch de rayonner, une seule tuile elle-même mesure \(14,5 \fois 14,5 \fois 0,52\) mm.

Chaque carreau comprend plusieurs points de contact qui s'alignent sur les plots placés sur la couche de carrelage. Sur le côté supérieur (côté antenne Fig. 4a), se trouvent les éléments d'antenne avec un plot de mise à la terre, tandis que de l'autre côté (côté puce 4b), se trouvent le BFIC et les lignes de transmission RF alimentant les éléments d'antenne et le SPI et Éléments CCV. Le plot de mise à la terre est nécessaire pour assurer une masse RF efficace à faible inductance avec plusieurs vias ainsi qu'une bonne dissipation thermique, car le BFIC consomme 1,4 W dans des conditions P1 dB.

La couche de carrelage flexible est construite sur un seul substrat ULTRALAM en polymère à cristaux liquides (LCP) de Rogers. Le LCP est un matériau haute performance flexible et résistant à l'humidité et à la température, ce qui en fait un matériau adapté à une utilisation en extérieur, comme dans les stations de base 5G extérieures. Le LCP a été caractérisé et démontre d'excellentes propriétés RF à faible perte au moins de 30 à 110 GHz24 couvrant la plupart des bandes de fréquences 5G/B5G. Une couche LCP de 4 mil a été utilisée pour le substrat de la couche de carrelage de preuve de concept. Le LCP était à double face avec une couche de distribution RF, DC et SPI, tandis que l'autre côté permettait la réalisation de la structure de masse sous ligne microruban uniquement, afin d'améliorer la flexibilité. Cela a été fait juste pour améliorer la flexibilité de la structure, mais ce n'est pas obligatoire. Des trous ont été découpés autour du centre du substrat de la couche de carrelage pour permettre un montage précis des tuiles sans bloquer leurs caractéristiques de rayonnement de sous-réseau. Les patins de montage eux-mêmes agissent comme des marqueurs d'alignement pour aligner les tuiles d'antenne sur leurs positions respectives conçues.

(a) Avant, côté antenne et (b) Arrière, côté puce. (c) Couche de carrelage flexible pliée à la main et (d) conformée en un cylindre de 3,5 cm de rayon. La couche de carrelage flexible combinée avec les tuiles facilite la flexibilité. Le système est naturellement plat, donc pour se conformer à une courbure, il doit être forcé à la courbe, soit à l'aide d'un adhésif, soit à la main comme illustré ici.

Un composant critique est la transition de microruban de couche de carrelage à microruban de mosaïque illustrée à la Fig. 5. D'autres approches d'interconnexion ont déjà été démontrées dans la littérature25,26, utilisant des sections ou vias couplés. Cependant, les topologies MIMO massivement évolutives et à réseaux phasés basées sur des tuiles proposées sont conçues pour être modulaires, il faut donc une approche qui leur permette d'être facilement assemblées ou désassemblées à la demande. Une approche simple a été mise en œuvre dans laquelle une microruban était retournée sur l'autre avec deux broches de mise à la terre de chaque côté de la microruban reliant la terre ensemble, illustrée à la Fig. 5a. Il a été observé dans la simulation que les caractéristiques de performance, perte d'insertion et de retour, sont principalement contrôlées par la distance de l'écart entre les pastilles de via et la ligne microruban, et le décalage par rapport au bord. Une transition optimisée avec ses paramètres est illustrée à la Fig. 5b. Cette conception de transition a une faible perte d'insertion inférieure à 0,5 dB sur la plage de fréquences simulée de 28 à 32 GHz Fig. 5c. Ces deux moitiés des transitions sont soudées l'une à l'autre et fournissent un support structurel supplémentaire aux tuiles dans des conditions de flexion. L'assemblage manuel et le soudage de ces transitions expliquent les pertes supplémentaires qui n'ont pas été observées dans la simulation. Les autres pastilles pour SPI et DC sont également soudées ensemble. Cela permet un assemblage et un retrait faciles, en utilisant uniquement un pistolet à air chaud pour refondre les joints soudés. Un réseau d'alimentation d'entreprise a été conçu pour les 4 tuiles ainsi que la distribution des lignes SPI et DC. Les lignes de transmission de 50 ohms avec les terminaisons de tuiles sont reliées entre elles et adaptées à une autre ligne de transmission de 50 ohms avec un transformateur d'impédance \(\lambda /4\), centré à 29 GHz, avec une impédance \(Z_{o} = \sqrt{ 50\cdot 25}\). Ce processus peut être répété pour des tableaux plus grands. La couche de tuilage pour un tableau tuilé \ (2 \ fois 2 \) est illustrée à la Fig. 6a. Notez que la couche de carrelage n'est pas exactement symétrique, car la configuration de mesure VNA nécessite un connecteur de lancement d'extrémité de 2,92 mm qui occupe une bonne partie de l'espace sur la couche de carrelage. De plus, des connecteurs à broches d'en-tête standard de 2,54 mm ont été utilisés pour les connexions CC et SPI pour faciliter le câblage et la connexion au contrôleur. Pour les implémentations réelles, le connecteur de lancement final et les broches d'en-tête peuvent ne pas être nécessaires et ainsi les tuiles peuvent former une disposition plus symétrique et peuvent être davantage miniaturisées. Une version à grande échelle \ (4 \ fois 4 \) est illustrée à la Fig. 6b. Le réseau est facile à mettre à l'échelle car la topologie 4x4 est simplement composée de 4 sections \(2\fois 2\) avec un réseau d'alimentation d'entreprise RF étendu. Ces structures peuvent donc être répétables à l'infini, uniquement limitées par des facteurs tels que les pertes diélectriques et ohmiques du réseau d'alimentation27.

Les éléments d'antenne sont symétriques les uns par rapport aux autres, ce qui signifie que l'élément d'antenne du côté opposé est déphasé de 180 °, étant effectivement déphasé avec l'élément antisymétrique, un effet qui est facilement corrigé en programmant le BFIC pour fournir un réglage de phase à 180° menant à tous les éléments en phase. En raison de la symétrie des tuiles, la puce doit être au milieu. Une seule tuile de preuve de concept à 8 éléments mesure elle-même \(14,5\fois 14,5 \fois 0,52\) mm. Dans le tableau \(2\times 2\), les tuiles sont espacées de 2 mm. Il est bien connu que l'espacement de la matrice doit être maintenu petit pour éviter les lobes de réseau28, mais dans ce travail, l'espacement supplémentaire est nécessaire pour que les tuiles ne se croisent pas et n'interfèrent pas avec la ligne d'alimentation microruban sur la couche de carrelage, d'où l'espacement de 2 mm. distance. Cela peut être atténué dans les travaux futurs en utilisant une approche de ligne triplaque, de sorte que les lignes de transmission soient recouvertes de cuivre, isolant ainsi la ligne de transmission des éléments d'antenne. Les lignes triplaques, cependant, sont plus difficiles à fabriquer que les microruban et nécessitent plus de matériau diélectrique qui introduit des coûts et des vias qui pourraient introduire plus de perte, donc une approche microruban plus simple a été adoptée pour ce travail.

Tuiles assemblées avec des fils attachés pour l'alimentation et le SPI. (a) Implémentation d'une seule tuile et (b) implémentation multi (\(2\times 2\) 32 éléments). (c) De plus, les carreaux ont été mesurés alors qu'ils étaient conformes à un rayon de courbure de 3,5 cm.

Sur les Fig. 7a, b, le prototype de réseau d'antennes assemblé \(2\fois 2\) "sous-réseau à 8 éléments" de preuve de concept 32 est illustré à l'avant et à l'arrière. Sur la figure 7b, l'arrière montre que le cuivre n'est laissé que sous les lignes de transmission à microruban. Étant donné que le LCP n'a que 4 mils d'épaisseur, le substrat est très flexible, comme le montre la figure 7c. Le réseau \ (2 \ fois 2 \) entièrement assemblé est vu sur la figure 7d conformé autour d'un coude cylindrique avec un rayon de 3,5 cm, sans délaminage ni fissures apparaissant.

Résultats de mesure d'un seul carreau démontrant à la fois les modèles de gain normalisés mesurés et simulés sur le plan H du prototype \ (2 \ fois 2 \) réseau carrelé. (a) éléments à phases égales, (b) 55° (c) déphasage progressif de 123°.

Des implémentations de prototypes à tuile unique et à tuiles multiples ont été construites et mesurées. Pour la tuile unique, aucune couche de carrelage n'était requise, mais la couche de carrelage était requise et démontrée dans le réseau de tuiles 2x2. Le logiciel de contrôle a été écrit en MATLAB pour contrôler le SPI à l'aide d'une interface NI USB-8452 I\(^{2}\)C/SPI.

Sur la figure 8, la mise en œuvre du prototype à une et plusieurs tuiles a été illustrée dans la chambre anéchoïque. Les résultats de mesure pour le modèle de gain pour le carreau unique peuvent être vus sur la Fig. 9 et multi-tuiles sur la Fig. 10. Pour réaliser des capacités de balayage de faisceau électronique, les éléments d'antenne nécessitent un déphasage progressif. Les tuiles fonctionnant en polarisation circulaire, les deux antennes, décalées de 90° l'une de l'autre, peuvent être considérées comme une seule antenne à polarisation circulaire. Ainsi, dans chaque direction de balayage (horizontal et vertical) il y a 4 éléments d'antenne "équivalents" par tuile. À des fins de démonstration, le réseau en mosaïque de 2 \ (2 \ fois 2 \) a été orienté dans les deux sens sur l'axe horizontal en utilisant un déphasage progressif de 45 ° supplémentaires par mesure jusqu'à 135 °. Les données de mesure montrent quelques écarts mineurs et du "bruit". Cela est très probablement dû au fait que le substrat étant flexible, le substrat pourrait reposer dans un état non plan contrairement à un substrat rigide. Ces micro-distorsions peuvent provoquer des fluctuations mineures dans la configuration de mesure ainsi que de petites distorsions de phase puisque les tuiles ne sont pas à leurs emplacements optimaux. Les travaux futurs peuvent utiliser des techniques de prédiction de modèle pour atténuer ces effets des substrats flexibles12,29,30.

(a) Résultats de mesure simulés pour un déphasage progressif de \(-135\) à \(+135\)° entre les éléments CP. (b) Les résultats mesurés à partir des mêmes valeurs de déphasage progressif démontrent un bon accord avec les résultats simulés. ( c ) Résultats de mesure d'un réseau \ (2 \ fois 2 \) plié sur un rayon de 3, 5 cm par rapport à la simulation.

Les modèles représentés sur la figure 10 montrent que pour le cas mesuré, un lobe latéral de 4,5 db est observé à un angle de braquage élevé. Cela peut être réduit en diminuant l'espacement séparant les tuiles et en convertissant la ligne d'alimentation à microruban en une topologie de ligne à ruban.

Pour démontrer les très bonnes caractéristiques de flexibilité de l'approche modulaire basée sur les tuiles proposée, le prototype de tuiles \(2\fois 2\) a été conformé sur un rayon de 3,5 cm. Le comportement attendu est que la courbure aplatit le modèle de gain et « sort » le modèle, ce qui est démontré dans la simulation. Les éléments d'antenne ont tous un phasage égal, c'est-à-dire. motif bordé complet. Cela a été confirmé par la mesure, car le diagramme de gain d'antenne suit le résultat simulé. Cependant, le modèle de gain présente quelques distorsions mineures par rapport aux simulations, probablement en raison de la planéité inégale du réseau. À l'arrière, le BFIC monté crée une surface inégale, ce qui rend difficile la conformité totale aux surfaces planes, ce qui entraîne des décalages de phase et donc des écarts dans le motif. Ces facteurs soulignent l'importance d'utiliser les techniques de prédiction de modèle mentionnées ci-dessus pour atténuer ces écarts, car la flexibilité du réseau peut également entraîner des effets indésirables.

Une nouvelle approche basée sur les tuiles permettant la réalisation modulaire de MIMO massivement évolutif et de réseaux phasés pour les peaux intelligentes à ondes millimétriques 5G/B5G et les RIS de grande surface pour les villes intelligentes et les applications IoT a été présentée dans cet article. Les avantages uniques de l'approche de tuiles proposée utilisent le fait que des tuiles de tailles identiques peuvent être fabriquées en grandes quantités plutôt que d'avoir à réaliser des réseaux de plusieurs tailles afin de répondre aux divers besoins d'application et aux zones de couverture de la capacité des utilisateurs. Le compromis de ce type de conception est l'utilisation d'étapes de fabrication supplémentaires, telles qu'une augmentation du temps d'assemblage et des pertes de transmission supplémentaires dues à la nécessité d'un composant de transition.

En résumé, un réseau d'antennes à 32 éléments basé sur des tuiles de 29 GHz \(2\fois 2\) a été fabriqué et mesuré et démontre une capacité de direction de faisceau \(+/-\) 30 sans dégradation des performances lorsqu'il est enroulé autour d'un Rayon de courbure de 3,5 cm. Cette topologie peut être facilement étendue à des baies massivement grandes en ajoutant simplement plus de tuiles et en étendant le réseau d'alimentation sur la couche de tuiles de montage. Les dalles sont assemblées sur un seul substrat de carrelage flexible qui interconnecte les pistes RF, DC et numériques, permettant la réalisation facile de très grands réseaux d'antennes à la demande et de MIMO massifs sur pratiquement n'importe quelle plate-forme conforme pratique pour des fréquences jusqu'à une fréquence inférieure à THz. gamme. La topologie de carrelage utilisée dans ce travail en conjonction avec les BFIC actifs permet des modulations et un contrôle de formation de faisceaux plus complexes et, avec la combinaison de capacités flexibles et conformes, permet à ce système d'améliorer considérablement non seulement la 5G et au-delà des RIS, mais également pour les villes intelligentes, autonomes voitures et applications smart skins.

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Georgia Institute of Technology, Génie électrique et informatique, Atlanta, 30309, États-Unis

Xuanke He, Yepu Cui & Manos M. Tentzeris

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XH a écrit le manuscrit et mené des expériences. YC a aidé à mener des expériences. MMT a aidé à réviser le manuscrit.

Correspondance à Xuanke He.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

He, X., Cui, Y. & Tentzeris, MM MIMO massivement évolutif basé sur des tuiles et des réseaux phasés pour les skins intelligents compatibles 5G/B5G et les surfaces intelligentes reconfigurables. Sci Rep 12, 2741 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-06096-9

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Reçu : 09 juillet 2021

Accepté : 01 décembre 2021

Publié: 17 février 2022

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

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