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Apr 26, 2023

Teja

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 2741 (2022) Citar este artículo

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Este trabajo presenta un enfoque novedoso basado en mosaicos para construir, de manera modular, matrices en fase y MIMO escalables masivamente para máscaras inteligentes de ondas milimétricas 5G/B5G y superficies inteligentes reconfigurables de área grande para ciudades inteligentes y aplicaciones de IoT. Se fabricó y midió una matriz en fase de 32 elementos de 29 GHz de prueba de concepto que utiliza \(2 \times 2\) mosaicos de "subarreglo de 8 elementos" y demuestra la capacidad de dirección de \(+/-\) 30 haces. Los beneficios únicos del enfoque de mosaicos propuesto utilizan el hecho de que los mosaicos de tamaños idénticos se pueden fabricar en grandes cantidades en lugar de tener arreglos de múltiples tamaños para varias áreas de cobertura de capacidad de usuario. Debe enfatizarse que la matriz de teselas \(2 \times 2\) flexibles de prueba de concepto no presenta degradación del rendimiento cuando se envuelve alrededor de una curvatura de radio de 3,5 cm. Esta topología se puede escalar fácilmente a arreglos masivamente grandes simplemente agregando más mosaicos y extendiendo la red de alimentación en la capa de mosaico de montaje. Los mosaicos se ensamblan en un solo sustrato flexible que interconecta las trazas de RF, CC y digitales, lo que permite la fácil realización de conjuntos de antenas muy grandes bajo demanda en prácticamente cualquier plataforma conforme práctica para frecuencias hasta el rango de frecuencia sub-THz.

Recientemente, la industria de las telecomunicaciones ha hecho una transición rápida a los estándares 5G para comunicaciones más rápidas, de mayor capacidad y de menor latencia. Uno de los requisitos más cruciales para la implementación exitosa de estas tecnologías 5G y B5G (más allá de 5G), especialmente para frecuencias de ondas milimétricas (mmWave) y sub-THz, es la realización de grandes conjuntos de antenas para configuraciones MIMO masivas1. Sin embargo, estos conjuntos de antenas grandes suelen ser bastante voluminosos y pesados ​​y vienen solo en tamaños muy limitados, lo que aumenta el costo de personalización y reduce la adaptabilidad a varios casos de uso final. Para las redes 5G mmWave, debido a su rango inherentemente reducido, las implementaciones han pasado a utilizar arquitecturas de celdas pequeñas/pico con cada punto de acceso otorgando una cobertura de 50 a 100 m2. El uso de celdas pequeñas significa que varias ubicaciones pueden variar ampliamente en términos de índices de uso, por ejemplo, un estadio deportivo versus áreas suburbanas. Por lo tanto, no existe un enfoque único para las implementaciones de 5G/B5G e IoT.

(a) Esquema de mosaico único y (b) esquema de múltiples mosaicos de la arquitectura propuesta de matriz de antena modular escalable masivamente. (c) Imagen 3D que muestra los mosaicos colocados en una capa de mosaico flexible que permite que se adapte a superficies curvas para conjuntos de antenas muy grandes utilizados en implementaciones de "Smart Skin", como la superficie de un avión (d). (e) La arquitectura basada en mosaicos propuesta otorga una manera fácil de escalar hacia arriba o hacia abajo las superficies inteligentes reconfigurables (RIS) y MIMO para áreas de cobertura 5G/B5G de alta o baja densidad, lo que reduce drásticamente el costo y mejora la modularidad y escalabilidad bajo demanda.

La solución propuesta en este trabajo es la utilización de mosaicos de arreglos de antenas para construir arreglos en fase en frecuencias mmWave. Un esquema general para esta arquitectura de diseño y aplicaciones para esta tecnología se muestra en la Fig. 1a, b. Este tipo de tecnología se puede utilizar en muchas aplicaciones para MIMO masivos flexibles, Fig. 1c, Smart-Skin (d), y para aplicaciones de arreglos en fase muy grandes modulares y personalizables bajo demanda (e). Se pueden encontrar varias menciones de arquitecturas de matriz en fase basadas en mosaicos en literatura como 3, 4, 5, 6, 7. Además, los conjuntos de antenas con antenas extraíbles se analizaron en8,9. Sin embargo, en 3 y 4, los elementos basados ​​en mosaicos se construyeron completamente en una placa de circuito impreso rígida con mosaicos de un solo elemento de antena y no demuestran la modularidad del diseño5. Cuenta con mosaicos en un nivel de troquel, que es difícil de ensamblar debido a la necesidad de empaquetar. Además, también se ofrece en un sustrato rígido. En 7, se introduce una implementación flexible, sin embargo, las teselas no muestran ninguna modularidad ya que esta implementación es un diseño de sustrato único. Con trabajos como 8 y 9, los elementos de antena modular requieren cableado SMA, que puede volverse demasiado desordenado para arreglos grandes. Además, la necesidad de componentes discretos agrega costos y complejidad de integración. También ha habido desarrollos en la utilización de componentes de metamateriales como in10 para metasuperficies como una forma de realizar cantidades masivas de antenas de manera dinámica. Sin embargo, el trabajo presentado en este documento aprovecha las características únicas de los circuitos integrados activos para permitir la modificación a pedido no solo de la fase sino también de la amplitud de cada elemento de antena individual, lo que permite a los usuarios un control mucho mayor de la formación de haces. patrón (mediante el uso de esquemas de modulación más complejos11 y compensación flexible "sobre la marcha" para la implementación conforme12), así como la modularidad para cambiar "a pedido" el tamaño de apertura física de la matriz para adaptarse a diferentes aplicaciones.

En este trabajo, el beneficio de los elementos removibles, la modularidad, la escalabilidad masiva y la flexibilidad se combinan en un solo sistema. Esto crea un sistema que es fácil de implementar y no solo puede implementarse en futuras redes 5G/IoT, sino también en futuras aplicaciones portátiles y de superficies inteligentes reconfigurables (RIS). Estos dispositivos pueden construirse y adaptarse a varias superficies para alterar el canal inalámbrico13 y requieren la colocación omnipresente de los RIS en varios entornos, que pueden beneficiarse de sistemas flexibles y adaptables. A diferencia de las estructuras RIS definidas tradicionalmente descritas en 14,15 que usan metasuperficies, el RIS descrito en este trabajo utiliza dispositivos activos, como con IC activos, lo que permite la reconfiguración con el beneficio adicional de flexibilidad y conformidad que permite que se conecte a cualquier tipo de superficie

En este trabajo, la arquitectura de teselas conformadas y flexible consta de dos partes, un número arbitrario de teselas, cada una de las cuales incluye un subarreglo de antena y un IC de formación de haces integrado, y una capa de teselas subyacente para interconectar las teselas sin problemas en conjuntos de antenas muy grandes. y MIMO. Esta implementación no solo es más económica que las implementaciones de matriz en fase grande, sino que se integra en un sustrato de base flexible, lo que permite que las placas se adapten a varias superficies. Cada mosaico individual consta de un IC de formación de haces (BFIC) integrado con 8 elementos de antena, en un sustrato de PCB a pequeña escala. En lugar de tener que fabricar múltiples arreglos en fase grandes de diferentes tamaños, cada mosaico es idéntico entre sí y aprovecha las economías de escala. Esto se puede ensamblar de forma modular para implementar matrices más grandes según lo desee la situación, en las que solo se requiere un sustrato flexible de bajo costo. La simplicidad del diseño lo convierte en un enfoque único para arreglos en fase muy grandes bajo demanda, RIS e implementaciones masivas de MIMO, ya que este enfoque simplifica la arquitectura del arreglo al separar la red de alimentación de RF y los elementos de la antena, lo que permite a los diseñadores concentrarse en la implementación de la matriz en lugar de la distribución y el diseño de la estructura de la antena. Esta arquitectura no solo es fácil de ensamblar, sino que también es fácil de reparar "sobre la marcha", ya que los mosaicos se pueden reemplazar en caso de que ciertos mosaicos se dañen. En la Fig. 2 se muestra un diagrama más detallado que demuestra la integración de los mosaicos y la capa de mosaico. En este trabajo, se presenta y mide un prototipo de prueba de concepto de una configuración basada en mosaicos \(2 \times 2\), una configuración de mosaicos de "subconjunto de 8 elementos" que realiza un conjunto de antenas de 32 elementos de antena en una capa de mosaico flexible. en frecuencias típicas de ondas milimétricas de 5G. Cada mosaico individual consiste en un subarreglo de 8 elementos junto con un IC de formación de haces integrado (BFIC) en un sustrato de PCB a pequeña escala y se demuestra un rendimiento muy bueno para topologías planas y dobladas típicas para aplicaciones prácticas de 5G/B5G.

Propuesta de implementación de matriz de antenas de mosaico múltiple ("modular") masivamente escalable. Cada mosaico contiene un "subconjunto" de antena junto con un IC formador de haces (BFIC). Luego, el mosaico se puede ensamblar en una capa de mosaico, que incluye las líneas de alimentación, RF, CC y comunicación para permitir arreglos arbitrariamente grandes.

Se eligió un chip BFIC TX de banda Ka disponible comercialmente de Anokiwave que funciona de 27,5 a 30 GHz como BFIC para el demostrador de mosaico de prueba de concepto \(2\times 2\). El chip cuenta con 8 puertos de antena de salida con salida de potencia saturada de 12 dBm, cada uno con capacidad de cambio de fase de 5 bits y control de ganancia variable (11,25° LSB, 0,5 dB LSB respectivamente), controlado mediante el protocolo SPI. El chip empaquetado QFN mide \(6 \times 6\) mm. El diseño debe mantenerse simétrico, con el BFIC en el centro de la teja. De esta manera, se puede asegurar que los mosaicos se pueden disponer sin huecos en el conjunto de antenas, lo que garantiza la uniformidad. Con el BFIC elegido, el enfoque se puede cambiar al diseño del elemento de la antena.

( a ) Diagrama de apilamiento de la antena de parche acoplada a la apertura utilizada en el diseño de mosaicos. (b) Resultados de S11 para la antena de parche dirigida a 29 GHz.

(a) Lado del subarreglo de antena (lado superior del mosaico), (b) IC de formación de haces (BFIC) y contactos RF/DC/Digital (lado inferior del mosaico). En la parte superior, se ven los elementos del subarreglo de antena de parche, con un elemento polarizado circular (CP) en un círculo, ya que está formado efectivamente por dos parches polarizados perpendicularmente linealmente con un cambio de fase de 90 °. Además, también está presente un gran plano de tierra térmica para la gestión del calor, y algunas vías de tierra están presentes para una conexión a tierra adicional. El lado inferior incluye la huella QFN para el BFIC, así como las almohadillas para las conexiones de RF, SPI y CC, que están diseñadas para soldarse/unirse a la capa de mosaico.

(a)(Capa de mosaico) Transición de Microstrip a (Tile) Microstrip. Las conexiones están soldadas/unidas entre sí mediante las flechas. (b) Dimensiones de una transición entre una microcinta en RO4350B y LCP. (c) Parámetros S de la transición en la banda de 28 a 32 GHz.

(a) Una capa de mosaico para la prueba de concepto \(2 \times 2\) matriz en mosaico con las líneas SPI DC y RF. Las almohadillas en los bordes exteriores están espaciadas para pines de cabecera estándar de 2,54 mm. (b) Un esquema de mosaico de matriz de 128 elementos \(4\times 4\) propuesto. La parte rodeada por un círculo de esta imagen es una configuración de mosaico \(2\times 2\) similar a la que se muestra en (a). Por lo tanto, estas estructuras pueden ser infinitamente repetibles y masivamente escalables. Líneas DC y SPI omitidas por brevedad.

Inicialmente se consideraron varios elementos de antena, pero se eligieron antenas de parche acopladas a una apertura como los elementos del subarreglo de mosaicos para las demostraciones de prueba de concepto. Dos mecanismos de alimentación comunes para las antenas de parche son la microcinta y la alimentación por sonda4,16, sin embargo, no se eligieron por varios factores. El parche de apertura acoplada permite un diseño más limpio, con la antena y las señales digitales y de CC separadas entre sí en diferentes capas en comparación con un diseño de microcinta. Además, los diseños de antena acoplada a la apertura no requieren vías, a diferencia de la alimentación con sonda. En las frecuencias típicas de onda milimétrica 5G/B5G, las vías son difíciles de realizar y se necesitan controles de dimensión adecuados. Además, las vías con un tamaño inadecuado pueden provocar grandes pérdidas y reflejos de desajuste de impedancia para las señales de RF17,18, y la necesidad de vías ocultas o enterradas agrega costos a la fabricación. Por lo tanto, se eligió el parche acoplado a la apertura, que se muestra en la Fig. 3a, b. El elemento de antena prototipo se construyó a partir de dos núcleos Rogers de 6,6 mil RO4350B (\(\epsilon _r = 3,66, tan\delta = 0,0037\)) con una capa de unión RO4450F de 4 mil (\(\epsilon _r = 3,52, tan\delta = 0,004\ )) en el medio compuesto por solo 4 capas de cobre. Estos materiales de Rogers han demostrado un buen rendimiento en conjuntos de antenas acopladas de apertura de banda K19. La antena de parche prototipo tenía una frecuencia central de diseño de 29 GHz para apuntar a las bandas mmWave 5G (n257), así como a las aplicaciones SATCOM de banda Ka. El elemento de antena se puede hacer más ancho de banda utilizando elementos de antena de banda ancha demostrados en 20 que cubren todo el espectro esperado de 5G mmWave de 24 a 40 GHz. Estos elementos de antena de parche de apertura acoplada se integraron en subarreglos en cada mosaico, lo que permitió de manera efectiva arreglos de antenas muy grandes y configuraciones MIMO masivas.

Se calculó que la eficiencia de apertura efectiva de una sola teja era del 37 % de acuerdo con la ecuación. 1:

donde \(A_{phys}\) y \(G_{T}\) son el tamaño de apertura física y la ganancia del elemento mosaico respectivamente. Cada elemento de mosaico tiene una ganancia de 9,7 dBi con un área de 14,5 mm x 14,5 mm a 29 GHz. Esto es más bajo que las típicas antenas microstrip de apertura de alta eficiencia, como las demostradas en 21,22, que pueden alcanzar una eficiencia de apertura >60 %. La pérdida de eficiencia se debe principalmente al tamaño del BFIC y la necesidad de un gran terreno para la gestión térmica. A medida que se comercializan cada vez más BFIC, los BFIC más nuevos pueden tener tamaños de huella drásticamente más pequeños, por lo que la eficiencia se puede aumentar más cerca de los valores convencionales alrededor del 60%.

Los elementos de la antena y, por lo tanto, las placas de la antena, se fabricaron con materiales rígidos en lugar de materiales flexibles como LCP o poliimida. Esto se debe a que es difícil obtener sustratos gruesos y flexibles para que las antenas tengan suficiente ancho de banda para cubrir porciones significativas de las bandas de 5G mmWave. Por lo tanto, se eligió el sustrato RO4350B. Además, se eligieron núcleos de material idéntico, con simetría de capa (RO4350B, RO4450F, RO4350B) debido a la necesidad de igualar el coeficiente de expansión térmica (CTE) idéntico para que la soldadura no deforme el sustrato, lo que hace que las placas queden inutilizables. Estos factores combinados hacen que las tejas en sí mismas sean una estructura rígida. Sin pérdida de generalidad y con fines de demostración de prueba de concepto, se colocaron 8 elementos de antena en un solo mosaico, con cada antena conectada a uno de los 8 puertos de salida en el BFIC. Esto le da al BFIC el control de cada elemento de antena individual y, por lo tanto, permite un mayor control de la dirección de la matriz en fase. Las antenas están dispuestas en una configuración con 4 en polarización vertical lineal y 4 en polarización horizontal lineal (2 superiores, 2 izquierdas, 2 derechas y 2 inferiores). Con estos elementos de antena en esta configuración, se puede generar un conjunto de antenas CP retrasando la polarización horizontal o vertical entre sí en 90° 23, lo que se logra fácilmente utilizando el cambiador de fase interno BFIC. Los 8 elementos se colocaron en esta configuración para que todos estuvieran lo más cerca posible de los pines del puerto de salida del chip, y las líneas de alimentación del elemento de la antena se mantienen rectas, como se muestra en la Fig. 4b, para minimizar las pérdidas. Con el BFIC midiendo \(6\times 6\) mm, los elementos de la antena de parche midiendo \(2,35\times 2,35\) mm, así como un área de sustrato suficiente para permitir que las antenas de parche irradien, una sola teja mide \(14,5 \times 14.5 \times 0.52\) mm.

Cada mosaico incluye múltiples puntos de contacto que se alinean con las almohadillas colocadas en la capa de mosaico. En el lado superior (el lado de la antena Fig. 4a), están los elementos de la antena con una almohadilla de conexión a tierra, mientras que en el otro lado (el lado del chip 4b), se encuentran el BFIC y las líneas de transmisión de RF que alimentan los elementos de la antena y el SPI y elementos CCV. La plataforma de conexión a tierra es necesaria para garantizar una conexión a tierra de RF de baja inductancia eficaz con múltiples vías, así como una buena disipación de calor, ya que el BFIC consume 1,4 W en condiciones de P1 dB.

La capa de mosaico flexible se construye sobre un único sustrato ULTRALAM de polímero de cristal líquido (LCP) de Rogers. LCP es un material de alto rendimiento que es flexible y resistente a la humedad y la temperatura, lo que lo convierte en un material adecuado para uso en exteriores, como en estaciones base 5G al aire libre. LCP se ha caracterizado y demuestra excelentes propiedades de RF de baja pérdida al menos de 30 a 110 GHz24 que cubre la mayoría de las bandas de frecuencia 5G/B5G. Se utilizó una capa LCP de 4 mil para el sustrato de la capa de mosaico de prueba de concepto. El LCP tenía un patrón de doble cara con una capa de distribución de RF, CC y SPI, mientras que el patrón del otro lado permitía la realización de la estructura de tierra solo bajo la línea de microstrip, para mejorar la flexibilidad. Esto se hizo solo para mejorar la flexibilidad de la estructura, sin embargo, no es necesario. Se cortaron agujeros alrededor del centro del sustrato de la capa de mosaico para permitir un montaje preciso de los mosaicos sin bloquear sus características de radiación de subarreglo. Las propias almohadillas de montaje actúan como marcadores de alineación para alinear las placas de antena en sus respectivas posiciones diseñadas.

(a) Delantero, lado de la antena y (b) Detrás, lado del chip. (c) La capa de mosaico flexible se dobla con la mano y (d) se conforma con un cilindro de 3,5 cm de radio. La capa de mosaico flexible combinada con las tejas facilita la flexibilidad. El sistema es naturalmente plano, por lo que para adaptarse a una curvatura, debe forzarse a la curva, ya sea con adhesivo o a mano, como se muestra aquí.

Un componente crítico es la transición de la microbanda de la capa de mosaico a la microbanda de mosaico que se muestra en la Fig. 5. Otros enfoques de interconexión se han demostrado previamente en la literatura25,26, utilizando secciones o vías acopladas. Sin embargo, las topologías MIMO y de matrices en fase escalables masivamente basadas en mosaicos propuestas están diseñadas para ser modulares, por lo que se necesita un enfoque que permita ensamblarlas o desarmarlas fácilmente bajo demanda. Se implementó un enfoque directo en el que una microcinta se volteaba sobre la otra con dos clavijas de conexión a tierra a cada lado de la microcinta que conectaban la tierra entre sí, como se muestra en la Fig. 5a. Se observó en la simulación que las características de rendimiento, la inserción y la pérdida de retorno, están controladas principalmente por la distancia del espacio entre los pads de vía y la línea de microstrip, y el desplazamiento desde el borde. Una transiciones optimizadas con sus parámetros se muestra en la Fig. 5b. Este diseño de transición tiene una pérdida de inserción baja de menos de 0,5 dB en el rango de frecuencia simulado de 28 a 32 GHz, Fig. 5c. Estas dos mitades de las transiciones están soldadas entre sí y brindan soporte estructural adicional a las tejas en condiciones de flexión. El ensamblaje manual y la soldadura de estas transiciones representan las pérdidas adicionales que no se observaron en la simulación. Las otras almohadillas para SPI y DC también se sueldan entre sí. Esto permite un fácil montaje y desmontaje, utilizando solo una pistola de aire caliente para refluir las uniones soldadas. Se diseñó una red de alimentación corporativa para las 4 tejas junto con el fan-out de las líneas SPI y DC. Las líneas de transmisión de 50 ohm con las terminaciones de mosaico se unen y se acoplan a otra línea de transmisión de 50 ohm con un transformador de impedancia \(\lambda /4\), centrado en 29 GHz, con impedancia \(Z_{o} = \sqrt{ 50\cpunto 25}\). Este proceso se puede repetir para arreglos más grandes. La capa de mosaico para una matriz en mosaico \(2\times 2\) se muestra en la Fig. 6a. Tenga en cuenta que la capa de mosaico no es exactamente simétrica, ya que la configuración de medición VNA requiere un conector de lanzamiento final de 2,92 mm que ocupa una buena cantidad de espacio en la capa de mosaico. Además, se utilizaron conectores pin de cabezal estándar de 2,54 mm para las conexiones de CC y SPI para facilitar el cableado y la conexión al controlador. Para las implementaciones reales, el conector de lanzamiento final y los pines del encabezado pueden no ser necesarios y, por lo tanto, los mosaicos pueden formar un diseño más simétrico y pueden miniaturizarse aún más. Una versión \(4\times 4\) a mayor escala se muestra en la Fig. 6b. La matriz es fácil de escalar, ya que la topología 4x4 se compone simplemente de 4 \(2\times 2\) secciones con una red de alimentación corporativa de RF extendida. Por lo tanto, estas estructuras pueden ser infinitamente repetibles, solo limitadas por factores como las pérdidas dieléctricas y óhmicas de la red de alimentación27.

Los elementos de la antena son simétricos entre sí, lo que significa que el elemento de la antena en el lado opuesto está desfasado 180°, estando efectivamente fuera de fase con el elemento antisimétrico, un efecto que se corrige fácilmente programando el BFIC para proporcionar un ajuste de fase de 180° que conduzca a todos los elementos en fase. Debido a la simetría de los mosaicos, el chip debe estar en el medio. Una sola loseta de prueba de concepto de 8 elementos mide \(14,5\times 14,5 \times 0,52\) mm. En la matriz \(2\times 2\), las fichas están separadas 2 mm. Es ampliamente conocido que el espaciado de la matriz debe mantenerse pequeño para evitar los lóbulos enrejados28, pero en este trabajo, el espaciado adicional es necesario para que las losetas no se crucen e interfieran con la línea de alimentación de la microcinta en la capa de mosaico, de ahí el espaciado de 2 mm. distancia. Esto se puede mitigar en trabajos futuros utilizando un enfoque de línea de banda, de modo que las líneas de transmisión estén cubiertas con cobre, aislando así la línea de transmisión de los elementos de la antena. Sin embargo, las líneas de banda son más difíciles de fabricar que las microbandas y requieren más material dieléctrico, lo que genera costos y vías que podrían generar más pérdidas, por lo que se tomó un enfoque de microbanda más simple para este trabajo.

Azulejos ensamblados con cables conectados para alimentación y SPI. (a) Implementación de mosaico único y (b) implementación de múltiples (\(2\times 2\) 32 elementos). (c) Además, las baldosas se midieron mientras se ajustaban a un radio de curvatura de 3,5 cm.

En la Fig. 7a, b, el prototipo ensamblado de \(2\times 2\) "subarreglo de 8 elementos" mosaicos de prueba de concepto 32 conjunto de antenas se muestra en los lados frontal y posterior. En la Fig. 7b, la parte trasera muestra que el cobre se queda atrás solo debajo de las líneas de transmisión de microcinta. Dado que el LCP tiene solo 4 milésimas de pulgada de espesor, el sustrato es muy flexible, como se muestra en la Fig. 7c. La matriz \(2\times 2\) completamente ensamblada se ve en la Fig. 7d conformada alrededor de una curva cilíndrica con un radio de 3,5 cm, sin que aparezcan delaminación ni grietas.

Resultados de medición de un solo mosaico que demuestran patrones de ganancia normalizados medidos y simulados en el plano H del prototipo \(2\times 2\) matriz en mosaico. (a) elementos de igual fase, (b) 55° (c) 123° desfase progresivo.

Se construyeron y midieron implementaciones de prototipos de mosaico único y mosaico múltiple. Para el mosaico único no se requirió una capa de mosaico, pero se requirió la capa de mosaico y se demostró en la matriz de mosaicos de 2x2. El software de control se escribió en MATLAB para controlar el SPI usando una interfaz NI USB-8452 I\(^{2}\)C/SPI.

En la Fig. 8, se muestra la implementación del prototipo de mosaico simple y múltiple en la cámara anecoica. Los resultados de la medición del patrón de ganancia para el mosaico único se pueden ver en la Fig. 9 y el mosaico múltiple en la Fig. 10. Para realizar capacidades de escaneo de haz electrónico, los elementos de la antena requieren un cambio de fase progresivo. Dado que las placas funcionan con polarización circular, las dos antenas, que están desplazadas 90° entre sí, pueden considerarse como una única antena con polarización circular. De esta forma, en cada sentido de exploración (horizontal y vertical) hay 4 elementos de antena "equivalentes" por teja. Para fines de demostración, la matriz de mosaicos de 2 \(2\times 2\) se dirigió en ambas direcciones en el eje horizontal utilizando un cambio de fase progresivo de 45° adicionales por medición hasta 135°. Los datos de medición muestran algunas desviaciones menores y "ruido". Lo más probable es que esto se deba al hecho de que debido a que el sustrato es flexible, el sustrato podría estar descansando en un estado no plano a diferencia de un sustrato rígido. Estas microdistorsiones pueden causar pequeñas fluctuaciones en la configuración de la medición, así como también introducir pequeñas distorsiones de fase, ya que los mosaicos no se encuentran en sus ubicaciones óptimas. Los trabajos futuros pueden utilizar técnicas de predicción de patrones para mitigar estos efectos de sustratos flexibles12,29,30.

(a) Resultados de medición simulados para el cambio de fase progresivo de \(-135\) a \(+135\)° entre elementos CP. (b) Los resultados medidos de los mismos valores de cambio de fase progresiva demuestran una buena concordancia con los resultados simulados. (c) Resultados de la medición de una matriz \(2\times 2\) doblada en un radio de 3,5 cm en comparación con la simulación.

Los patrones que se muestran en la Fig. 10 muestran que para el caso medido, se observa un lóbulo lateral de 4,5 db en un ángulo de dirección alto. Esto se puede reducir disminuyendo el espacio que separa las placas y convirtiendo la línea de alimentación de microcinta en una topología de línea de cinta.

Para demostrar las muy buenas características de flexibilidad del enfoque modular basado en mosaicos propuesto, el prototipo de mosaicos \(2\times 2\) se conformó en un radio de 3,5 cm. El comportamiento esperado es que la flexión aplanará el patrón de ganancia y "desplegará" el patrón, lo cual se demuestra en la simulación. Todos los elementos de la antena tienen la misma fase, es decir. patrón de costado completo. Esto se confirmó en la medición, ya que el patrón de ganancia de la antena sigue el resultado simulado. Sin embargo, el patrón de ganancia presenta algunas distorsiones menores en comparación con las simulaciones, probablemente debido a la planitud desigual de la matriz. En la parte trasera, el BFIC montado crea una superficie irregular que dificulta la adaptación total a las superficies planas, lo que provoca desfases y, por lo tanto, desviaciones en el patrón. Estos factores enfatizan la importancia de utilizar las técnicas de predicción de patrones mencionadas anteriormente para mitigar estas desviaciones, ya que la flexibilidad de la matriz también puede generar algunos efectos no deseados.

En este documento se presentó un enfoque novedoso basado en mosaicos que permite la realización modular de MIMO masivamente escalable y arreglos en fase para máscaras inteligentes de ondas milimétricas 5G/B5G y RIS de área grande para ciudades inteligentes y aplicaciones IoT. Los beneficios únicos del enfoque de mosaico propuesto utilizan el hecho de que los mosaicos de tamaños idénticos se pueden fabricar en grandes cantidades en lugar de tener que realizar conjuntos de múltiples tamaños para satisfacer diversas necesidades de aplicaciones y áreas de cobertura de capacidad de usuario. La compensación de este tipo de diseño es la utilización de pasos de fabricación adicionales, como un aumento en el tiempo de ensamblaje y pérdidas de transmisión adicionales debido a la necesidad de un componente de transición.

En resumen, se fabricó y midió un conjunto de antenas de 32 elementos basado en mosaicos de 29 GHz \(2\times 2\) de prueba de concepto y demuestra \(+/-\) la capacidad de dirección de 30 haces sin degradación del rendimiento cuando se envuelve alrededor de un Curvatura de 3,5 cm de radio. Esta topología se puede escalar fácilmente a arreglos masivamente grandes simplemente agregando más mosaicos y extendiendo la red de alimentación en la capa de mosaico de montaje. Los mosaicos se ensamblan en un solo sustrato de mosaico flexible que interconecta las trazas de RF, CC y digitales, lo que permite la fácil realización de conjuntos de antenas muy grandes bajo demanda y MIMO masivos en prácticamente cualquier plataforma conforme práctica para frecuencias de hasta frecuencias inferiores a THz. rango. La topología de mosaico utilizada en este trabajo junto con BFIC activos permite modulaciones más complejas y control de formación de haces y, con la combinación de capacidades flexibles y conformes, permite que este sistema mejore en gran medida no solo 5G y más allá de RIS, sino también para ciudades inteligentes, autónomos Coches y aplicaciones de pieles inteligentes.

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Instituto de Tecnología de Georgia, Ingeniería Eléctrica e Informática, Atlanta, 30309, EE. UU.

Xuanke He, Yepu Cui y Manos M. Tentzeris

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XH escribió el manuscrito y realizó experimentos. YC ayudó a realizar experimentos. MMT ayudó a revisar el manuscrito.

Correspondencia a Xuanke He.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

He, X., Cui, Y. & Tentzeris, MM MIMO escalable masivamente basado en mosaicos y matrices en fase para máscaras inteligentes habilitadas para 5G/B5G y superficies inteligentes reconfigurables. Informe científico 12, 2741 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-06096-9

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Recibido: 09 julio 2021

Aceptado: 01 diciembre 2021

Publicado: 17 febrero 2022

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

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