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Apr 26, 2023

Fliese

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 2741 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Diese Arbeit stellt einen neuartigen kachelbasierten Ansatz für den modularen Aufbau massiv skalierbarer MIMO- und Phased-Arrays für 5G/B5G-Millimeterwellen-Smart-Skins und großflächig rekonfigurierbare intelligente Oberflächen für Smart Cities und IoT-Anwendungen vor. Ein Proof-of-Concept-Phased-Array mit 29 GHz und 32 Elementen unter Verwendung von (2 \times 2) „8-Element-Subarray“-Kacheln wurde hergestellt und gemessen und demonstriert die Fähigkeit zur Strahlsteuerung von (+/-\). Die einzigartigen Vorteile des vorgeschlagenen Kachelansatzes nutzen die Tatsache, dass Kacheln identischer Größe in großen Mengen hergestellt werden können, anstatt dass Arrays unterschiedlicher Größe Bereiche mit unterschiedlicher Benutzerkapazität bedienen müssen. Es muss betont werden, dass die flexible \(2 \times 2\)-Kachelanordnung des Proof-of-Concept keine Leistungseinbußen aufweist, wenn sie um eine Krümmung mit einem Radius von 3,5 cm gewickelt wird. Diese Topologie kann leicht auf enorm große Arrays skaliert werden, indem einfach weitere Kacheln hinzugefügt und das Speisenetzwerk auf der Montagekachelebene erweitert werden. Die Kacheln werden auf einem einzigen flexiblen Substrat montiert, das die HF-, Gleichstrom- und digitalen Leiterbahnen miteinander verbindet, was die einfache Realisierung sehr großer Antennenarrays bei Bedarf auf praktisch jeder praktischen konformen Plattform für Frequenzen bis zum Sub-THz-Frequenzbereich ermöglicht.

In jüngster Zeit hat die Telekommunikationsbranche rasch auf 5G-Standards umgestellt, um eine schnellere Kommunikation mit höherer Kapazität und geringerer Latenz zu ermöglichen. Eine der wichtigsten Voraussetzungen für die erfolgreiche Implementierung dieser 5G- und B5G-Technologien (Beyond 5G), insbesondere für Millimeterwellen- (mmWave) und Sub-THz-Frequenzen, ist die Realisierung großer Antennenarrays für massive MIMO-Konfigurationen1. Allerdings sind diese großen Antennenarrays typischerweise recht sperrig und schwer und nur in sehr begrenzten Größen erhältlich, was die Kosten für die individuelle Anpassung erhöht und die Anpassungsfähigkeit an verschiedene Endanwendungsfälle verringert. Bei 5G-mmWave-Netzwerken sind die Implementierungen aufgrund ihrer inhärent reduzierten Reichweite auf die Verwendung kleiner/Pico-Zellenarchitekturen umgestiegen, wobei jeder Hotspot eine Abdeckung von 50–100 m2 gewährleistet. Der Einsatz kleiner Zellen bedeutet, dass die Nutzungsraten verschiedener Standorte stark variieren können, beispielsweise ein Sportstadion im Vergleich zu Vorstadtgebieten. Daher gibt es keinen einheitlichen Ansatz für 5G/B5G- und IoT-Implementierungen.

(a) Einzelkachel- und (b) Mehrkachel-Schema der vorgeschlagenen massiv skalierbaren modularen Antennenarray-Architektur. (c) 3D-Bild, das die auf einer flexiblen Kachelschicht platzierten Kacheln zeigt, die eine Anpassung an gekrümmte Oberflächen für sehr große Antennenarrays ermöglichen, die in „Smart Skin“-Implementierungen verwendet werden, wie z. B. die Oberfläche eines Flugzeugs (d). (e) Die vorgeschlagene kachelbasierte Architektur bietet eine einfache Möglichkeit, rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS) und MIMOs für 5G/B5G-Abdeckungsbereiche mit hoher oder niedriger Dichte zu vergrößern oder zu verkleinern, wodurch die Kosten drastisch gesenkt und die Modularität und Skalierbarkeit bei Bedarf verbessert werden.

Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Lösung ist die Verwendung von Antennen-Array-Kacheln zum Aufbau von Phased-Arrays bei mmWave-Frequenzen. Ein allgemeines Schema für diese Designarchitektur und Anwendungen für diese Technologie ist in Abb. 1a, b dargestellt. Diese Art von Technologie kann in vielen Anwendungen für flexible massive MIMOs, Abb. 1c, Smart-Skin (d) und für modulare und anpassbare, sehr große Phased-Array-Anwendungen bei Bedarf (e) eingesetzt werden. Verschiedene Erwähnungen kachelbasierter Phased-Array-Architekturen finden sich in der Literatur, beispielsweise3,4,5,6,7. Darüber hinaus wurden Antennenarrays mit abnehmbaren Antennen in8,9 diskutiert. In3 und 4 waren die kachelbasierten Elemente jedoch vollständig auf einer starren Leiterplatte mit einzelnen Antennenelementkacheln aufgebaut und demonstrierten nicht die Modularität des Designs5. Verfügt über Fliesen auf Matrizenebene, die aufgrund der erforderlichen Verpackung schwer zu montieren sind. Darüber hinaus ist es auch auf einem starren Substrat abgebildet. In7 wird eine flexible Implementierung eingeführt, die Kacheln weisen jedoch keine Modularität auf, da es sich bei dieser Implementierung um ein Design mit einem einzigen Substrat handelt. Bei Werken wie 8 und 9 erfordern die modularen Antennenelemente eine SMA-Verkabelung, die für große Arrays leicht zu unübersichtlich werden kann. Darüber hinaus erhöht der Bedarf an diskreten Komponenten die Kosten und die Integrationskomplexität. Es gab auch Entwicklungen bei der Verwendung von Metamaterialkomponenten wie in10 für Metaoberflächen, um riesige Mengen an Antennen auf dynamische Weise zu realisieren. Die in diesem Artikel vorgestellte Arbeit nutzt jedoch die einzigartigen Eigenschaften aktiver ICs, um die bedarfsgesteuerte Änderung nicht nur der Phase, sondern auch der Amplitude jedes einzelnen Antennenelements zu ermöglichen, was Benutzern eine viel bessere Kontrolle über die Strahlformung ermöglicht Muster (durch die Verwendung komplexerer Modulationsschemata11 und „on-the-fly“ Flex-Kompensation für konforme Implementierung12) sowie Modularität, um die physikalische Aperturgröße des Arrays „auf Abruf“ zu ändern, um sie an verschiedene Anwendungen anzupassen.

In dieser Arbeit werden die Vorteile abnehmbarer Elemente, Modularität, enorme Skalierbarkeit und Flexibilität in einem System vereint. Dadurch entsteht ein System, das einfach zu implementieren ist und nicht nur in zukünftigen 5G/IoT-Netzwerken, sondern auch in zukünftigen tragbaren und rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen (RIS)-Anwendungen realisiert werden kann. Diese Geräte können auf verschiedenen Oberflächen aufgebaut und angepasst werden, um den drahtlosen Kanal zu verändern13 und erfordern eine allgegenwärtige Platzierung der RIS in verschiedenen Umgebungen, die von flexiblen und adaptiven Systemen profitieren können. Im Gegensatz zu den traditionell definierten RIS-Strukturen, die in14,15 unter Verwendung von Metaoberflächen beschrieben werden, verwendet das in dieser Arbeit beschriebene RIS aktive Geräte, beispielsweise mit aktiven ICs, was eine Rekonfigurierbarkeit mit dem zusätzlichen Vorteil von Flexibilität und Konformität ermöglicht, sodass es an jede Art von Gerät angeschlossen werden kann der Oberfläche.

In dieser Arbeit besteht die flexible, konforme Kachelarchitektur aus zwei Teilen, einer beliebigen Anzahl von Kacheln, von denen jede ein Antennensubarray und einen integrierten Strahlformungs-IC enthält, sowie einer darunter liegenden Kachelschicht, um die Kacheln nahtlos zu sehr großen Antennenarrays zu verbinden und MIMOs. Diese Implementierung ist nicht nur kostengünstiger als große Phased-Array-Implementierungen, sie ist auch auf einem flexiblen Basissubstrat integriert, sodass sich die Fliesen an verschiedene Oberflächen anpassen können. Jede einzelne Kachel besteht aus einem Beamforming-IC (BFIC), der mit 8 Antennenelementen auf einem kleinen PCB-Substrat integriert ist. Anstatt mehrere große Phased-Array-Arrays unterschiedlicher Größe herstellen zu müssen, ist jede Kachel identisch mit der anderen, wodurch Skaleneffekte genutzt werden können. Dies kann modular aufgebaut werden, um je nach Situation größere Arrays zu implementieren, bei denen nur ein kostengünstiges flexibles Substrat erforderlich ist. Die Einfachheit des Designs macht es zu einem einzigartigen Ansatz für sehr große On-Demand-Phased-Array-, RIS- und Massive-MIMO-Implementierungen, da dieser Ansatz die Array-Architektur durch die Trennung des HF-Speisenetzwerks und der Antennenelemente vereinfacht, sodass sich Designer auf die Implementierung konzentrieren können das Array und nicht das Layout und das Design der Antennenstruktur. Diese Architektur lässt sich nicht nur einfach zusammenbauen, sondern auch „on-the-fly“ leicht reparieren, da Fliesen ausgetauscht werden können, falls bestimmte Fliesen beschädigt werden. Ein detaillierteres Diagramm ist in Abb. 2 dargestellt und zeigt die Kacheln und die Integration der Kachelebenen. In dieser Arbeit wird ein Proof-of-Concept-Prototyp einer \(2 \times 2\) kachelbasierten Konfiguration, einer „8-Element-Subarray“-Kachelkonfiguration, vorgestellt und gemessen, die ein Antennenarray mit 32 Antennenelementen auf einer flexiblen Kachelschicht realisiert bei typischen 5G-Millimeterwellenfrequenzen. Jede einzelne Kachel besteht aus einem 8-Elemente-Subarray zusammen mit einem integrierten Beamforming-IC (BFIC) auf einem kleinen PCB-Substrat und zeigt eine sehr gute Leistung für planare und gebogene Topologien, die für praktische 5G/B5G-Anwendungen typisch sind.

Vorgeschlagene massiv skalierbare Multi-Tile-Antennen-Array-Implementierung („modular“). Jede Kachel enthält ein Antennen-„Subarray“ zusammen mit einem Beamformer-IC (BFIC). Die Kachel kann dann auf einer Kachelschicht montiert werden, die die Speise-, HF-, Gleichstrom- und Kommunikationsleitungen umfasst, um beliebig große Arrays zu ermöglichen.

Als BFIC für den Proof-of-Concept \(2\times 2\)-Kacheldemonstrator wurde ein kommerziell erhältlicher Ka-Band BFIC TX-Chip von Anokiwave mit 27,5 bis 30 GHz ausgewählt. Der Chip verfügt über 8 Ausgangsantennenanschlüsse mit einer gesättigten Ausgangsleistung von 12 dBm, die jeweils eine 5-Bit-Phasenverschiebung und eine variable Verstärkungssteuerung (11,25° LSB bzw. 0,5 dB LSB) ermöglichen und über das SPI-Protokoll gesteuert werden. Der im QFN-Gehäuse verpackte Chip misst \(6 \times 6\) mm. Das Design muss symmetrisch sein, mit dem BFIC in der Mitte der Fliese. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Kacheln ohne Lücken im Antennenarray angeordnet werden können, was eine gleichmäßige Anordnung gewährleistet. Mit der Wahl des BFIC kann der Schwerpunkt auf das Antennenelementdesign verlagert werden.

(a) Stapeldiagramm der im Fliesendesign verwendeten aperturgekoppelten Patchantenne. (b) S11-Ergebnisse für die Patchantenne mit Ausrichtung auf 29 GHz.

(a) Seite des Antennensubarrays (Oberseite der Kachel), (b) Beamforming IC (BFIC) und RF/DC/Digital-Kontakte (Unterseite der Kachel). Auf der Oberseite sind die Patch-Antennen-Subarray-Elemente zu sehen, wobei ein zirkular polarisiertes (CP) Element eingekreist ist, da es effektiv aus zwei senkrecht linear polarisierten Patches mit 90° Phasenverschiebung besteht. Darüber hinaus ist eine große thermische Erdungsebene für das Wärmemanagement vorhanden, und einige Erdungsdurchkontaktierungen dienen der zusätzlichen Erdung. Auf der Unterseite befinden sich der QFN-Footprint für den BFIC sowie die Pads für die HF-, SPI- und DC-Anschlüsse, die zum Löten/Befestigen an der Kachelschicht vorgesehen sind.

(a) (Kachelschicht) Mikrostreifen-zu-(Kachel-)Mikrostreifen-Übergang. Die Anschlüsse werden über die Pfeile miteinander verlötet/befestigt. (b) Abmessungen eines Übergangs zwischen einem Mikrostreifen auf RO4350B und LCP. (c) S-Parameter des Übergangs über das 28–32-GHz-Band.

(a) Eine Kachelschicht für das Proof-of-Concept-Kachelarray \(2 \times 2\) mit den SPI-DC- und RF-Leitungen. Die Pads an den Außenkanten haben einen Abstand für standardmäßige 2,54-mm-Stiftleisten. (b) Ein vorgeschlagenes \(4\times 4\), 128-Element-Array-Kachelschema. Der eingekreiste Teil dieses Bildes ist eine \(2\times 2\)-Kachelkonfiguration ähnlich der in (a) gezeigten. Diese Strukturen können daher unendlich wiederholbar und massiv skalierbar sein. DC- und SPI-Leitungen wurden der Kürze halber weggelassen.

Zunächst wurden verschiedene Antennenelemente in Betracht gezogen, für die Machbarkeitsnachweisdemonstrationen wurden jedoch aperturgekoppelte Patchantennen als Kachel-Subarray-Elemente ausgewählt. Zwei gängige Speisemechanismen für Patchantennen sind Mikrostreifen- und Sondenspeisung4,16, diese wurden jedoch aus mehreren Gründen nicht ausgewählt. Der Apertur-gekoppelte Patch ermöglicht im Vergleich zu einem Mikrostreifendesign ein saubereres Design, bei dem die Antenne sowie die Digital- und Gleichstromsignale auf unterschiedlichen Schichten voneinander getrennt sind. Darüber hinaus erfordern die aperturgekoppelten Antennendesigns im Gegensatz zur Sondenspeisung keine Durchkontaktierungen. Bei typischen 5G/B5G-mmWave-Frequenzen sind Durchkontaktierungen schwierig zu realisieren und es sind geeignete Maßkontrollen erforderlich. Darüber hinaus können Durchkontaktierungen mit falscher Größe zu hohen Verlusten und Impedanzfehlanpassungsreflexionen für HF-Signale führen17,18, und die Notwendigkeit blinder und/oder vergrabener Durchkontaktierungen erhöht die Herstellungskosten. Daher wurde das aperturgekoppelte Patch gewählt, wie in Abb. 3a, b dargestellt. Das Prototyp-Antennenelement wurde aus zwei Rogers 6,6 mil RO4350B (\(\epsilon _r = 3,66, tan\delta = 0,0037\)) Kernen mit einer 4 mil RO4450F Bondply (\(\epsilon _r = 3,52, tan\delta = 0,004\) gebaut. )) dazwischen nur aus 4 Kupferschichten. Diese Rogers-Materialien haben in aperaturgekoppelten K-Band-Antennenarrays eine gute Leistung gezeigt19. Der Prototyp der Patch-Antenne hatte eine Design-Mittenfrequenz von 29 GHz, um auf mmWave-5G-Bänder (n257) sowie Ka-Band-SATCOM-Anwendungen abzuzielen. Das Antennenelement kann breitbandiger gemacht werden, indem die in20 gezeigten Breitbandantennenelemente verwendet werden, die das gesamte erwartete 5G-mmWave-Spektrum von 24 bis 40 GHz abdecken. Diese aperaturgekoppelten Patch-Antennenelemente wurden in Subarrays auf jeder Kachel integriert und ermöglichten so sehr große Antennenarrays und massive MIMO-Konfigurationen.

Der effektive Öffnungswirkungsgrad einer einzelnen Kachel wurde gemäß Gl. mit einem Wirkungsgrad von 37 % berechnet. 1:

wobei \(A_{phys}\) und \(G_{T}\) die physikalische Aperturgröße bzw. die Verstärkung des Kachelelements sind. Jedes Kachelelement hat einen Gewinn von 9,7 dBi bei einer Fläche von 14,5 mm x 14,5 mm bei 29 GHz. Dies ist weniger als bei typischen Mikrostreifenantennen mit hoher Apertur, wie sie in21,22 gezeigt wurden, die einen Aperturwirkungsgrad von >60 % erreichen können. Der Effizienzverlust ist hauptsächlich auf die Größe des BFIC und die Notwendigkeit einer großen Fläche für das Wärmemanagement zurückzuführen. Da immer mehr BFICs kommerzialisiert werden, können neuere BFICs deutlich kleinere Stellflächen haben, sodass die Effizienz um etwa 60 % gegenüber herkömmlichen Werten gesteigert werden kann.

Die Antennenelemente und damit die Antennenkacheln wurden aus starren Materialien im Gegensatz zu flexiblen Materialien wie LCP oder Polyimid hergestellt. Dies liegt daran, dass es schwierig ist, dicke flexible Substrate zu erhalten, damit die Antennen über eine ausreichende Bandbreite verfügen, um erhebliche Teile der 5G-mmWave-Bänder abzudecken. Daher wurde das Substrat RO4350B ausgewählt. Darüber hinaus wurden identische Materialkerne mit Schichtsymmetrie (RO4350B, RO4450F, RO4350B) ausgewählt, da eine identische Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) erforderlich ist, damit das Löten das Substrat nicht verzieht und die Fliesen unbrauchbar macht. Die Kombination dieser Faktoren macht die Fliesen selbst zu einer starren Struktur. Ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit und zu Demonstrationszwecken wurden acht Antennenelemente auf einer einzelnen Kachel platziert, wobei jede Antenne mit einem der acht Ausgangsanschlüsse des BFIC verbunden war. Dies gibt dem BFIC die Kontrolle über jedes einzelne Antennenelement und ermöglicht somit eine bessere Kontrolle der Phased-Array-Richtung. Die Antennen sind in einer Konfiguration mit 4 in linearer vertikaler Polarisation und 4 in linearer horizontaler Polarisation angeordnet (2 oben, 2 links, 2 rechts und 2 unten). Mit diesen Antennenelementen in dieser Konfiguration kann ein CP-Antennenarray erzeugt werden, indem entweder die horizontale oder die vertikale Polarisation um 90° zueinander verschoben werden 23, was mit dem internen Phasenschieber des BFIC leicht erreicht werden kann. Die 8 Elemente wurden in dieser Konfiguration platziert, damit sie alle so nah wie möglich an den Ausgangsport-Pins des Chips liegen, und die Zuleitungen der Antennenelemente werden gerade gehalten, wie in Abb. 4b gezeigt, um etwaige Verluste zu minimieren. Da der BFIC \(6\times 6\) mm misst, Patch-Antennenelemente \(2,35\times 2,35\) mm messen und genügend Substratfläche vorhanden ist, um die Strahlung der Patch-Antennen zu ermöglichen, misst eine einzelne Kachel selbst \(14,5 \times 14,5 \times 0,52\) mm.

Jede Fliese verfügt über mehrere Kontaktpunkte, die sich an den auf der Fliesenschicht platzierten Pads ausrichten. Auf der Oberseite (der Antennenseite Abb. 4a) befinden sich die Antennenelemente mit einem Erdungspad, während auf der anderen Seite (der Chipseite 4b) der BFIC und die HF-Übertragungsleitungen liegen, die die Antennenelemente und den SPI versorgen VCC-Elemente. Das Erdungspad ist erforderlich, um eine effektive HF-Erdung mit niedriger Induktivität und mehreren Durchkontaktierungen sowie eine gute Wärmeableitung zu gewährleisten, da der BFIC unter P1-dB-Bedingungen 1,4 W verbraucht.

Die flexible Fliesenschicht ist auf einem einzelnen ULTRALAM-Substrat aus Rogers-Flüssigkristallpolymer (LCP) aufgebaut. LCP ist ein Hochleistungsmaterial, das flexibel sowie feuchtigkeits- und temperaturbeständig ist und sich daher für den Einsatz im Freien eignet, beispielsweise in 5G-Basisstationen im Freien. LCP wurde charakterisiert und weist hervorragende verlustarme HF-Eigenschaften von mindestens 30 bis 110 GHz24 auf, die die meisten 5G/B5G-Frequenzbänder abdecken. Für das Proof-of-Concept-Fliesenschichtsubstrat wurde eine 4 mil dicke LCP-Schicht verwendet. Das LCP war doppelseitig mit einer RF-, DC- und SPI-Verteilungsschicht strukturiert, während das Muster auf der anderen Seite die Realisierung der Erdungsstruktur nur unter Mikrostreifenleitung ermöglichte, um die Flexibilität zu erhöhen. Dies geschah lediglich, um die Flexibilität der Struktur zu erhöhen, es ist jedoch nicht erforderlich. Um die Mitte des Fliesenschichtsubstrats herum wurden Löcher geschnitten, um eine genaue Montage der Fliesen zu ermöglichen, ohne ihre Subarray-Strahlungseigenschaften zu blockieren. Die Montagepads selbst fungieren als Ausrichtungsmarkierungen, um die Antennenkacheln an ihren jeweiligen vorgesehenen Positionen auszurichten.

(a) Vorderseite, Antennenseite und (b) Rückseite, Chipseite. (c) Die flexible Fliesenschicht wird von Hand gebogen und (d) an einen Zylinder mit einem Radius von 3,5 cm angepasst. Die flexible Fliesenschicht in Kombination mit den Fliesen erleichtert die Flexibilität. Das System ist von Natur aus flach. Um sich einer Krümmung anzupassen, muss es entweder mit Klebstoff oder von Hand in die Krümmung gezwungen werden, wie hier gezeigt.

Eine entscheidende Komponente ist der in Abb. 5 gezeigte Übergang von Mikrostreifen zu Kachelschicht. Andere Verbindungsansätze wurden bereits in der Literatur25,26 unter Verwendung gekoppelter Abschnitte oder Durchkontaktierungen demonstriert. Allerdings sind die vorgeschlagenen, kachelbasierten, massiv skalierbaren MIMO- und Phased-Array-Topologien modular aufgebaut, sodass ein Ansatz erforderlich ist, der es ermöglicht, sie bei Bedarf einfach zusammenzubauen oder zu demontieren. Es wurde ein unkomplizierter Ansatz implementiert, bei dem ein Mikrostreifen auf den anderen umgedreht wurde und zwei Erdungsstifte auf beiden Seiten des Mikrostreifens die Erde miteinander verbanden, wie in Abb. 5a dargestellt. Bei der Simulation wurde beobachtet, dass die Leistungsmerkmale, Einfügungs- und Rückflussdämpfung, hauptsächlich durch den Abstand der Lücke zwischen den Via-Pads und der Mikrostreifenleitung sowie den Versatz vom Rand gesteuert werden. Ein optimierter Übergang mit seinen Parametern ist in Abb. 5b dargestellt. Dieses Übergangsdesign weist einen geringen Einfügungsverlust von weniger als 0,5 dB im simulierten Frequenzbereich von 28–32 GHz auf, Abb. 5c. Diese beiden Hälften der Übergänge sind miteinander verlötet und bieten den Fliesen unter Biegebedingungen zusätzlichen strukturellen Halt. Die manuelle Montage und Lötung dieser Übergänge verursacht die zusätzlichen Verluste, die in der Simulation nicht sichtbar waren. Die anderen Pads für SPI und DC sind ebenfalls miteinander verlötet. Dies ermöglicht eine einfache Montage und Demontage, wobei zum Aufschmelzen der Lötstellen lediglich eine Heißluftpistole verwendet werden muss. Für die 4 Kacheln wurde ein unternehmensweites Einspeisenetzwerk sowie die Verzweigung der SPI- und DC-Leitungen konzipiert. Die 50-Ohm-Übertragungsleitungen mit den Kachelabschlüssen werden miteinander verbunden und mit einem \(\lambda/4\)-Impedanztransformator, zentriert bei 29 GHz, mit der Impedanz \(Z_{o} = \sqrt{ 50\cdot 25}\). Dieser Vorgang kann für größere Arrays wiederholt werden. Die Kachelschicht für ein \(2\times 2\)-Kachelarray ist in Abb. 6a dargestellt. Beachten Sie, dass die Kachelschicht nicht genau symmetrisch ist, da für den VNA-Messaufbau ein 2,92-mm-End-Launch-Anschluss erforderlich ist, der ziemlich viel Platz auf der Kachelschicht einnimmt. Darüber hinaus wurden für die DC- und SPI-Anschlüsse standardmäßige 2,54-mm-Stiftleistenanschlüsse verwendet, um die Verkabelung und den Anschluss an den Controller zu vereinfachen. Für tatsächliche Implementierungen sind der End-Launch-Anschluss und die Header-Pins möglicherweise nicht erforderlich, sodass die Kacheln ein symmetrischeres Layout bilden und weiter miniaturisiert werden können. Eine \(4\times 4\)-Scale-Up-Version ist in Abb. 6b dargestellt. Das Array lässt sich leicht skalieren, da die 4x4-Topologie einfach aus 4 \(2\times 2\) Abschnitten mit einem erweiterten HF-Unternehmensspeisenetzwerk besteht. Diese Strukturen können daher unendlich wiederholbar sein und werden nur durch Faktoren wie dielektrische und ohmsche Verluste des Speisenetzwerks begrenzt27.

Die Antennenelemente sind symmetrisch zueinander, was bedeutet, dass das Antennenelement auf der gegenüberliegenden Seite um 180° phasenverschoben ist und somit effektiv phasenverschoben zum antisymmetrischen Element ist, ein Effekt, der leicht durch Programmierung des BFIC korrigiert werden kann sorgen für eine 180°-Phasenanpassung, die zu allen gleichphasigen Elementen führt. Aufgrund der Symmetrie der Kacheln muss der Chip in der Mitte liegen. Eine einzelne 8-Elemente-Proof-of-Concept-Fliese selbst misst (14,5 x 14,5 x 0,52) mm. Im \(2\times 2\)-Array haben die Kacheln einen Abstand von 2 mm. Es ist allgemein bekannt, dass der Array-Abstand klein gehalten werden sollte, um Gitterkeulen zu vermeiden28, aber in dieser Arbeit ist der zusätzliche Abstand notwendig, damit sich die Kacheln nicht überkreuzen und die Mikrostreifen-Zuleitung auf der Kachelschicht stören, daher der Abstand von 2 mm Distanz. Dies kann in zukünftigen Arbeiten durch die Verwendung eines Streifenleitungsansatzes abgemildert werden, bei dem die Übertragungsleitungen mit Kupfer abgedeckt werden und so die Übertragungsleitung von den Antennenelementen isoliert wird. Streifenleitungen sind jedoch schwieriger herzustellen als Mikrostreifenleitungen und erfordern mehr dielektrisches Material, was Kosten mit sich bringt, und Durchkontaktierungen, die zu mehr Verlusten führen können. Daher wurde für diese Arbeit ein einfacherer Mikrostreifen-Ansatz gewählt.

Zusammengebaute Kacheln mit angeschlossenen Drähten für Strom und SPI. (a) Einzelkachel-Implementierung und (b) Multi-Implementierung (\(2\times 2\) 32 Elemente). (c) Zusätzlich wurden die Fliesen gemessen, während sie einem Biegeradius von 3,5 cm folgten.

In Abb. 7a, b ist der zusammengebaute \(2\times 2\) „8-Element-Subarray“-Kachel-Prototyp mit 32 Antennen-Arrays als Proof-of-Concept auf der Vorder- und Rückseite dargestellt. In Abb. 7b zeigt die Rückseite, dass das Kupfer nur unter den Mikrostreifen-Übertragungsleitungen zurückbleibt. Da das LCP nur 4 mil dick ist, ist das Substrat sehr flexibel, wie in Abb. 7c gezeigt. In Abb. 7d ist zu sehen, dass das vollständig zusammengebaute \(2\times 2\)-Array um eine zylindrische Biegung mit einem Radius von 3,5 cm herum geformt ist, ohne dass Delaminierung oder Risse auftreten.

Einzelkachel-Messergebnisse, die sowohl gemessene als auch simulierte normalisierte Verstärkungsmuster über die H-Ebene des gekachelten Prototyp-Arrays \(2\times 2\) veranschaulichen. (a) gleichphasige Elemente, (b) 55° (c) 123° progressive Phasenverschiebung.

Es wurden sowohl Einzelkachel- als auch Mehrkachel-Prototypimplementierungen gebaut und gemessen. Für die einzelne Kachel war keine Kachelschicht erforderlich, aber die Kachelschicht war erforderlich und wurde in der 2x2-Kachelanordnung demonstriert. Die Steuerungssoftware wurde in MATLAB geschrieben, um das SPI über eine NI USB-8452 I\(^{2}\)C/SPI-Schnittstelle zu steuern.

In Abb. 8 wurden sowohl die Einzel- als auch die Mehrkachel-Prototypimplementierung in der reflexionsarmen Kammer gezeigt. Die Messergebnisse für das Verstärkungsmuster für die einzelne Kachel sind in Abb. 9 und für mehrere Kacheln in Abb. 10 zu sehen. Um elektronische Strahlabtastfunktionen zu realisieren, benötigen die Antennenelemente eine progressive Phasenverschiebung. Da die Kacheln zirkular polarisiert arbeiten, können die beiden um 90° zueinander versetzten Antennen als eine einzige zirkular polarisierte Antenne betrachtet werden. Auf diese Weise gibt es in jeder Scanrichtung (horizontal und vertikal) 4 „äquivalente“ Antennenelemente pro Kachel. Zu Demonstrationszwecken wurde das 2 \(2\times 2\) gekachelte Array in beide Richtungen in der horizontalen Achse gesteuert, wobei eine progressive Phasenverschiebung von zusätzlichen 45° pro Messung bis zu 135° verwendet wurde. Die Messdaten weisen teilweise geringfügige Abweichungen und „Rauschen“ auf. Dies ist höchstwahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass das Substrat, da es flexibel ist, im Gegensatz zu einem starren Substrat in einem nicht ebenen Zustand ruhen kann. Diese Mikroverzerrungen können zu geringfügigen Schwankungen im Messaufbau sowie zu kleinen Phasenverzerrungen führen, da sich die Kacheln nicht an ihren optimalen Standorten befinden. Zukünftige Arbeiten können Mustervorhersagetechniken nutzen, um diese Auswirkungen flexibler Substrate abzuschwächen12,29,30.

(a) Simulierte Messergebnisse für eine progressive Phasenverschiebung von \(-135\) bis \(+135\)° zwischen CP-Elementen. (b) Die gemessenen Ergebnisse der gleichen progressiven Phasenverschiebungswerte zeigen eine gute Übereinstimmung mit den simulierten Ergebnissen. (c) Messergebnisse eines auf einen Radius von 3,5 cm gebogenen \(2\times 2\)-Arrays im Vergleich zur Simulation.

Die in Abb. 10 dargestellten Muster zeigen, dass für den gemessenen Fall eine Nebenkeule von 4,5 dB bei hohem Lenkwinkel beobachtet wird. Dies kann reduziert werden, indem der Abstand zwischen den Kacheln verringert und die Mikrostreifen-Zuleitung in eine Streifenleitungstopologie umgewandelt wird.

Um die sehr guten Flexibilitätseigenschaften des vorgeschlagenen kachelbasierten modularen Ansatzes zu demonstrieren, wurde der \(2\times 2\)-Kacheln-Prototyp an einen Radius von 3,5 cm angepasst. Das erwartete Verhalten besteht darin, dass die Biegung das Verstärkungsmuster abflacht und das Muster „auffächert“, was in der Simulation demonstriert wird. Die Antennenelemente haben alle die gleiche Phasenlage, d. h. Vollständiges Breitseitenmuster. Dies wurde in der Messung bestätigt, da das Antennengewinnmuster dem simulierten Ergebnis folgt. Allerdings weist das Verstärkungsmuster im Vergleich zu den Simulationen einige geringfügige Verzerrungen auf, die wahrscheinlich auf die ungleichmäßige Planarität des Arrays zurückzuführen sind. Auf der Rückseite erzeugt der montierte BFIC eine unebene Oberfläche, die eine vollständige Anpassung an flache Oberflächen erschwert, was zu Phasenversätzen und damit zu Abweichungen im Muster führt. Diese Faktoren unterstreichen, wie wichtig es ist, die oben genannten Mustervorhersagetechniken zu verwenden, um diese Abweichungen abzuschwächen, da die Flexibilität des Arrays auch zu einigen unerwünschten Effekten führen kann.

In diesem Artikel wurde ein neuartiger kachelbasierter Ansatz vorgestellt, der die modulare Realisierung massiv skalierbarer MIMO- und Phased-Arrays für 5G/B5G-Millimeterwellen-Smart-Skins und großflächige RIS für Smart Cities und IoT-Anwendungen ermöglicht. Die einzigartigen Vorteile des vorgeschlagenen Kachelansatzes nutzen die Tatsache, dass Kacheln identischer Größe in großen Mengen hergestellt werden können, anstatt Arrays mehrerer Größen realisieren zu müssen, um verschiedene Anwendungsanforderungen und Abdeckungsbereiche der Benutzerkapazität zu erfüllen. Der Nachteil dieser Art von Konstruktion besteht in der Nutzung zusätzlicher Fertigungsschritte, wie z. B. einer Verlängerung der Montagezeit und zusätzlichen Übertragungsverlusten aufgrund der Notwendigkeit einer Übergangskomponente.

Zusammenfassend wurde ein Proof-of-Concept-Antennenarray mit 32 Elementen auf der Basis von 29 GHz \(2\times 2\)-Kacheln hergestellt und gemessen und weist die Fähigkeit zur Strahlsteuerung von (+/-\) 30 auf, ohne dass es zu Leistungseinbußen kommt, wenn es um ein gewickelt wird 3,5 cm Radiuskrümmung. Diese Topologie kann leicht auf enorm große Arrays skaliert werden, indem einfach weitere Kacheln hinzugefügt und das Speisenetzwerk auf der Montagekachelebene erweitert werden. Die Kacheln werden auf einem einzigen flexiblen Kachelsubstrat montiert, das die HF-, Gleichstrom- und digitalen Leiterbahnen miteinander verbindet, was die einfache Realisierung von sehr großen Antennenarrays und massiven MIMOs bei Bedarf auf praktisch jeder praktischen konformen Plattform für Frequenzen bis zur Sub-THz-Frequenz ermöglicht Reichweite. Die in dieser Arbeit verwendete Kacheltopologie in Verbindung mit aktiven BFICs ermöglicht komplexere Modulationen und Strahlformungssteuerung und ermöglicht mit der Kombination aus flexiblen und konformen Fähigkeiten, dass dieses System nicht nur 5G und darüber hinaus RIS, sondern auch autonome, intelligente Städte erheblich verbessert Autos und Smart-Skins-Anwendungen.

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Georgia Institute of Technology, Elektrotechnik und Informationstechnik, Atlanta, 30309, USA

Xuanke He, Yepu Cui & Manos M. Tentzeris

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XH schrieb das Manuskript und führte Experimente durch. YC half bei der Durchführung von Experimenten. MMT half bei der Überprüfung des Manuskripts.

Korrespondenz mit Xuanke He.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

He, Sci Rep 12, 2741 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-06096-9

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Eingegangen: 09. Juli 2021

Angenommen: 01. Dezember 2021

Veröffentlicht: 17. Februar 2022

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

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