Piastrella

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 2741 (2022) Citare questo articolo

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Questo lavoro presenta un nuovo approccio basato su piastrelle per costruire, in modo modulare, MIMO massivamente scalabili e array a fasi per smart skin a onde millimetriche 5G/B5G e superfici intelligenti riconfigurabili su vasta area per Smart Cities e applicazioni IoT. È stato fabbricato e misurato un proof-of-concept a 29 GHz a 32 elementi Phased Array che utilizza \(2 \times 2\) "8-element subarray" Tiles e dimostra \(+/-\) 30 capacità di beamsteering. I vantaggi unici dell'approccio delle piastrelle proposto sfruttano il fatto che piastrelle di dimensioni identiche possono essere prodotte in grandi quantità piuttosto che avere array di dimensioni multiple che servono diverse aree di copertura della capacità utente. È necessario sottolineare che l'array di riquadri flessibili \(2 \times 2\) della prova di concetto non presenta alcun degrado delle prestazioni quando è avvolto attorno a una curvatura del raggio di 3,5 cm. Questa topologia può essere facilmente ampliata fino ad arrivare ad array di grandi dimensioni semplicemente aggiungendo più piastrelle ed estendendo la rete di alimentazione sullo strato di piastrellatura di montaggio. Le piastrelle sono assemblate su un unico substrato flessibile che interconnette le tracce RF, CC e digitali, consentendo la facile realizzazione di array di antenne molto grandi su richiesta praticamente su qualsiasi piattaforma conforme pratica per frequenze fino alla gamma di frequenze sub-THz.

Recentemente, il settore delle telecomunicazioni è passato rapidamente agli standard 5G per comunicazioni più veloci, con maggiore capacità e con latenza inferiore. Uno dei requisiti più cruciali per il successo dell’implementazione di queste tecnologie 5G e B5G (Beyond 5G), in particolare per le frequenze delle onde millimetriche (mmWave) e sub-THz, è la realizzazione di grandi array di antenne per massicce configurazioni MIMO1. Tuttavia, questi grandi array di antenne sono in genere piuttosto ingombranti e pesanti e sono disponibili solo in dimensioni molto limitate, aumentando così i costi di personalizzazione e riducendo l'adattabilità a vari casi di utilizzo finale. Per le reti 5G mmWave, a causa della loro portata intrinsecamente ridotta, le implementazioni sono passate all’utilizzo di architetture di celle piccole/pico con ciascun hotspot che garantisce una copertura di 50-100 m2. L'uso di piccole celle significa che i vari luoghi possono variare ampiamente in termini di tassi di utilizzo, ad esempio uno stadio sportivo rispetto alle aree suburbane. Pertanto non esiste un approccio unico per le implementazioni 5G/B5G e IoT.

(a) Schema a riquadro singolo e (b) multi-riquadro dell'architettura proposta di un array di antenne modulari altamente scalabile. (c) Immagine 3D che mostra le piastrelle posizionate su uno strato di piastrellatura flessibile che consente di conformarsi su superfici curve per array di antenne molto grandi utilizzati nelle implementazioni "Smart Skin", come la superficie di un aereo (d). (e) L'architettura basata su piastrelle proposta garantisce un modo semplice per aumentare o ridurre le superfici intelligenti riconfigurabili (RIS) e i MIMO per aree di copertura 5G/B5G ad alta o bassa densità, riducendo drasticamente i costi e migliorando la modularità e la scalabilità su richiesta.

La soluzione proposta in questo lavoro è l'utilizzo del affiancamento di array di antenne per costruire array in fasi a frequenze di onde millimetriche. Uno schema generale di questa architettura di progettazione e delle applicazioni di questa tecnologia è mostrato nelle Figure 1a, b. Questo tipo di tecnologia può essere utilizzato in molte applicazioni per MIMO massicci flessibili, Fig. 1c, Smart-Skin (d) e per applicazioni di array di fasi molto grandi modulari e personalizzabili su richiesta (e). Vari riferimenti ad architetture Phased Array basate su piastrelle possono essere trovati in letteratura come 3,4,5,6,7. Inoltre, gli array di antenne dotati di antenne rimovibili sono stati discussi in8,9. Tuttavia, in 3 e 4, gli elementi basati su piastrelle erano interamente costruiti su un PCB rigido con piastrelle a singolo elemento antenna e non dimostrano la modularità del progetto5. Presenta piastrelle a livello di fustella, difficile da assemblare a causa della necessità di imballaggio. Inoltre è presente anche su un substrato rigido. In7 viene introdotta un'implementazione flessibile, tuttavia i riquadri non mostrano alcuna modularità poiché questa implementazione è un design a substrato singolo. Con opere come 8 e 9, gli elementi modulari dell'antenna richiedono un cablaggio SMA, che può facilmente diventare troppo ingombrante per array di grandi dimensioni. Inoltre, la necessità di componenti discreti aggiunge costi e complessità di integrazione. Ci sono stati anche sviluppi nell'utilizzo di componenti di metamateriali come in10 per metasuperfici come un modo per realizzare enormi quantità di antenne in modo dinamico. Tuttavia, il lavoro presentato in questo documento sfrutta le caratteristiche uniche dei circuiti integrati attivi per consentire la modifica su richiesta non solo della fase ma anche dell'ampiezza di ogni singolo elemento dell'antenna, consentendo agli utenti un controllo molto maggiore del beamforming modello (attraverso l'uso di schemi di modulazione più complessi11 e compensazione flessibile “al volo” per l'implementazione conforme12) nonché modularità per modificare “su richiesta” la dimensione dell'apertura fisica dell'array per adattarsi a diverse applicazioni.