タイル

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

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

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

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

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