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Apr 26, 2023

Telha

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 2741 (2022) Citar este artigo

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Este trabalho apresenta uma nova abordagem baseada em blocos para construir, de maneira modular, MIMO massivamente escalável e phased arrays para peles inteligentes de ondas milimétricas 5G/B5G e superfícies inteligentes reconfiguráveis ​​de grande área para aplicações de Cidades Inteligentes e IoT. Um Phased Array de 29 GHz e 32 elementos de prova de conceito utilizando \(2 \times 2\) blocos "8-element subarray" foi fabricado e medido e demonstra \(+/-\) 30beamsteering capacidade. Os benefícios exclusivos da abordagem de ladrilho proposta utilizam o fato de que ladrilhos de tamanhos idênticos podem ser fabricados em grandes quantidades, em vez de ter matrizes de vários tamanhos que atendem a várias áreas de cobertura de capacidade do usuário. Deve-se enfatizar que a matriz de ladrilhos \(2 \times 2\) flexível de prova de conceito não apresenta degradação de desempenho quando é enrolada em torno de uma curvatura de raio de 3,5 cm. Essa topologia pode ser facilmente ampliada para matrizes massivamente grandes, simplesmente adicionando mais blocos e estendendo a rede de alimentação na camada de montagem de blocos. Os ladrilhos são montados em um único substrato flexível que interconecta os traços de RF, DC e digitais, permitindo a fácil realização de arranjos de antenas muito grandes sob demanda em praticamente qualquer plataforma conformal prática para frequências até a faixa de frequência sub-THz.

Recentemente, o setor de telecomunicações tem feito uma transição rápida para os padrões 5G para comunicações mais rápidas, de maior capacidade e menor latência. Um dos requisitos mais cruciais para a implementação bem-sucedida dessas tecnologias 5G e B5G (Beyond 5G), especialmente para ondas milimétricas (mmWave) e frequências sub-THz, é a realização de grandes conjuntos de antenas para configurações MIMO massivas1. No entanto, esses grandes arranjos de antenas são normalmente bastante volumosos e pesados ​​e vêm apenas em tamanhos muito limitados, aumentando assim o custo de personalização e reduzindo a adaptabilidade a vários casos de uso final. Para redes 5G mmWave, devido ao seu alcance inerentemente reduzido, as implementações mudaram para a utilização de arquiteturas de célula pequena/pico com cada ponto de acesso garantindo cobertura de 50 a 100 m2. O uso de pequenas células significa que vários locais podem variar amplamente em termos de taxas de uso, por exemplo, um estádio esportivo versus áreas suburbanas. Portanto, não há uma abordagem única para implementações de 5G/B5G e IoT.

(a) Bloco único e (b) esquema de vários blocos da arquitetura de arranjo de antena modular massivamente escalável proposta. (c) Imagem 3D mostrando os ladrilhos colocados em uma camada de ladrilhos flexível que permite que sejam conformados em superfícies curvas para arranjos de antenas muito grandes usados ​​em implementações de "Smart Skin", como a superfície de uma aeronave (d). (e) A arquitetura baseada em blocos proposta oferece uma maneira fácil de aumentar ou diminuir superfícies inteligentes reconfiguráveis ​​(RIS) e MIMOs para áreas de cobertura 5G/B5G de alta ou baixa densidade, reduzindo drasticamente o custo e aprimorando a modularidade e escalabilidade sob demanda.

A solução proposta neste trabalho é a utilização de arranjos de antenas lado a lado para construir arranjos faseados em frequências de ondas milimétricas. Um esquema geral para esta arquitetura de projeto e aplicações para esta tecnologia é mostrado na Fig. 1a, b. Este tipo de tecnologia pode ser utilizado em muitas aplicações para MIMOs massivos flexíveis, Fig. 1c, Smart-Skin (d), e para aplicações modulares sob demanda e customizáveis ​​de Phased Array muito grandes (e). Várias menções de arquiteturas phased array baseadas em blocos podem ser encontradas na literatura, como 3,4,5,6,7. Além disso, arranjos de antenas com antenas removíveis foram discutidos em 8,9. No entanto, em 3 e 4, os elementos baseados em ladrilhos foram inteiramente construídos em um PCB rígido com ladrilhos de elemento de antena única e não demonstram a modularidade do design5. Apresenta ladrilhos em nível de matriz, de difícil montagem devido à necessidade de embalagem. Além disso, também é apresentado em um substrato rígido. In7, uma implementação flexível é introduzida, no entanto, os ladrilhos não exibem nenhuma modularidade, pois essa implementação é um design de substrato único. Com obras como 8 e 9, os elementos modulares da antena requerem cabeamento SMA, que pode ficar muito confuso para grandes matrizes. Além disso, a necessidade de componentes discretos aumenta o custo e a complexidade da integração. Também houve desenvolvimentos na utilização de componentes de metamateriais, como in10 para metasuperfícies, como uma forma de realizar grandes quantidades de antenas de maneira dinâmica. No entanto, o trabalho apresentado neste artigo tira proveito dos recursos exclusivos dos CIs ativos para permitir a modificação sob demanda não apenas da fase, mas também da amplitude de cada elemento de antena individual, o que permite aos usuários um controle muito maior do beamforming padrão (através do uso de esquemas de modulação mais complexos11 e compensação flexível "on-the-fly" para implementação conforme12), bem como modularidade para alterar "sob demanda" o tamanho da abertura física da matriz para atender a diferentes aplicações.