타일

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 2741(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 작업은 스마트 시티 및 IoT 애플리케이션을 위한 5G/B5G 밀리미터파 스마트 스킨과 대면적 재구성 가능한 지능형 표면을 위한 대규모 확장 가능한 MIMO 및 위상 배열을 모듈식 방식으로 구축하기 위한 새로운 타일 기반 접근 방식을 제시합니다. \(2 \times 2\) "8요소 하위 배열" 타일을 활용하는 개념 증명 29GHz 32 요소 위상 배열이 제작 및 측정되었으며 \(+/-\) 30빔 스티어링 기능을 보여줍니다. 제안된 타일 접근 방식의 고유한 이점은 다양한 크기의 어레이가 다양한 사용자 용량 범위 영역에 서비스를 제공하는 대신 동일한 크기의 타일을 대량으로 제조할 수 있다는 사실을 활용합니다. 개념 증명 유연한 \(2 \times 2\) 타일 배열은 3.5cm 반경 곡률을 감싸도 성능 저하가 없다는 점을 강조해야 합니다. 이 토폴로지는 단순히 더 많은 타일을 추가하고 장착 타일링 레이어에서 공급 네트워크를 확장함으로써 대규모 어레이로 쉽게 확장될 수 있습니다. 타일은 RF, DC 및 디지털 트레이스를 상호 연결하는 유연한 단일 기판에 조립되어 THz 미만 주파수 범위까지의 주파수에 대해 거의 모든 실용적인 컨포멀 플랫폼에서 주문형 초대형 안테나 어레이를 쉽게 실현할 수 있습니다.

최근 통신 업계는 더 빠르고, 더 높은 용량, 더 짧은 대기 시간 통신을 위해 5G 표준으로 빠르게 전환하고 있습니다. 이러한 5G 및 B5G(Beyond 5G) 기술, 특히 밀리미터파(mmWave) 및 THz 미만 주파수의 성공적인 구현을 위한 가장 중요한 요구 사항 중 하나는 대규모 MIMO 구성을 위한 대형 안테나 어레이의 실현입니다1. 그러나 이러한 대형 안테나 어레이는 일반적으로 부피가 크고 무겁고 크기가 매우 제한되어 있으므로 맞춤화 비용이 증가하고 다양한 최종 사용 사례에 대한 적응성이 감소합니다. 5G mmWave 네트워크의 경우 본질적으로 감소된 범위로 인해 구현은 각 핫스팟이 50~100m2의 적용 범위를 허용하는 소형/피코 셀 아키텍처를 활용하는 방향으로 전환되었습니다. 소형 셀을 사용한다는 것은 스포츠 경기장과 교외 지역 등 다양한 위치에서 사용률이 크게 달라질 수 있음을 의미합니다. 따라서 5G/B5G 및 IoT 구현에 대한 일률적인 접근 방식은 없습니다.

(a) 단일 타일 및 (b) 제안된 대규모 확장형 모듈형 안테나 어레이 아키텍처의 다중 타일 개략도. (c) 항공기 표면과 같은 "스마트 스킨" 구현에 사용되는 매우 큰 안테나 어레이의 곡면에 타일을 맞출 수 있는 유연한 타일링 레이어에 배치된 타일을 보여주는 3D 이미지(d). (e) 제안된 타일 기반 아키텍처는 고밀도 또는 저밀도 5G/B5G 적용 범위 영역에 대해 재구성 가능한 지능형 표면(RIS) 및 MIMO를 쉽게 확장 또는 축소할 수 있는 방법을 제공하여 비용을 획기적으로 절감하고 주문형 모듈성과 확장성을 향상시킵니다.

이 연구에서 제안된 솔루션은 mmWave 주파수에서 위상 배열을 구축하기 위해 안테나 배열 타일링을 활용하는 것입니다. 이 설계 아키텍처와 이 기술의 응용에 대한 일반적인 개략도는 그림 1a, b에 나와 있습니다. 이러한 유형의 기술은 유연한 대규모 MIMO(그림 1c, Smart-Skin(d))를 위한 많은 애플리케이션과 주문형 모듈식 및 사용자 정의 가능한 초대형 위상 배열 애플리케이션(e)에 활용될 수 있습니다. 타일 ​​기반 위상 배열 아키텍처에 대한 다양한 언급은 3,4,5,6,7과 같은 문헌에서 찾을 수 있습니다. 또한 탈착식 안테나를 갖춘 안테나 어레이에 대해서도8,9에서 논의했습니다. 그러나 3과 4에서는 타일 기반 요소가 단일 안테나 요소 타일이 있는 견고한 PCB에 완전히 구축되었으며 디자인의 모듈성을 보여주지 않습니다5. 패키징이 필요하기 때문에 조립이 어려운 다이 레벨의 타일이 특징입니다. 또한 견고한 기판에도 적용됩니다. 7에서는 유연한 구현이 도입되었지만 이 구현은 단일 기판 설계이므로 타일은 모듈성을 나타내지 않습니다. 8 및 9와 같은 작업의 경우 모듈형 안테나 요소에는 SMA 케이블 연결이 필요하며 이는 대규모 어레이에 비해 너무 복잡해지기 쉽습니다. 또한 개별 구성요소가 필요하므로 비용과 통합이 복잡해집니다. 또한 엄청난 양의 안테나를 동적으로 구현하는 방법으로 in10과 같은 메타물질 구성 요소를 메타 표면에 활용하는 기술도 개발되었습니다. 그러나 이 백서에 제시된 작업은 능동형 IC의 고유한 기능을 활용하여 위상뿐만 아니라 각 개별 안테나 요소의 진폭에 대한 온디맨드 수정을 가능하게 하여 사용자가 빔형성을 훨씬 더 효과적으로 제어할 수 있게 해줍니다. 패턴(보다 복잡한 변조 방식11 및 컨포멀 구현을 위한 "즉석" 플렉스 보상12 사용)과 다양한 응용 분야에 맞게 어레이의 물리적 조리개 크기를 "요청 시" 변경할 수 있는 모듈성을 제공합니다.