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Scientific Reports volume 12, Artigo número: 2741 (2022) Citar este artigo

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Este trabalho apresenta uma nova abordagem baseada em blocos para a construção, de forma modular, de MIMO massivamente escalável e phased arrays para skins inteligentes de ondas milimétricas 5G/B5G e superfícies inteligentes reconfiguráveis ​​de grandes áreas para cidades inteligentes e aplicações IoT. Um phased array de 32 elementos de 29 GHz de prova de conceito utilizando \(2 \times 2\) blocos de “subarranjo de 8 elementos” foi fabricado e medido e demonstra \(+/-\) capacidade de direcionamento de 30 feixes. Os benefícios exclusivos da abordagem de ladrilho proposta utilizam o fato de que ladrilhos de tamanhos idênticos podem ser fabricados em grandes quantidades, em vez de matrizes de vários tamanhos atenderem a diversas áreas de cobertura de capacidade de usuário. Deve-se enfatizar que a matriz de blocos flexíveis \(2 \times 2\) de prova de conceito não apresenta degradação de desempenho quando é enrolada em torno de uma curvatura de raio de 3,5 cm. Essa topologia pode ser facilmente ampliada para arrays extremamente grandes simplesmente adicionando mais blocos e estendendo a rede de alimentação na camada de montagem de blocos. As placas são montadas em um único substrato flexível que interconecta os traços de RF, DC e digitais, permitindo a fácil realização de conjuntos de antenas muito grandes sob demanda em praticamente qualquer plataforma conformada prática para frequências até a faixa de frequência sub-THz.

Recentemente, a indústria de telecomunicações tem feito uma rápida transição para os padrões 5G para comunicações mais rápidas, de maior capacidade e com menor latência. Um dos requisitos mais cruciais para a implementação bem-sucedida dessas tecnologias 5G e B5G (Beyond 5G), especialmente para ondas milimétricas (mmWave) e frequências sub-THz, é a realização de grandes conjuntos de antenas para configurações MIMO massivas1. No entanto, estes grandes conjuntos de antenas são normalmente bastante volumosos e pesados ​​e vêm apenas em tamanhos muito limitados, aumentando assim o custo de personalização e reduzindo a adaptabilidade a vários casos de utilização final. Para redes 5G mmWave, devido ao seu alcance inerentemente reduzido, as implementações passaram a utilizar arquiteturas de células pequenas/pico, com cada ponto de acesso garantindo cobertura de 50 a 100 m2. A utilização de células pequenas significa que vários locais podem variar amplamente em termos de taxas de utilização, por exemplo, um estádio desportivo versus áreas suburbanas. Portanto, não existe uma abordagem única para todas as implementações de 5G/B5G e IoT.

(a) Bloco único e (b) esquema de vários blocos da arquitetura de conjunto de antenas modulares massivamente escalável proposta. (c) Imagem 3D mostrando os ladrilhos colocados em uma camada de ladrilho flexível que permite sua conformação em superfícies curvas para conjuntos de antenas muito grandes usados ​​em implementações de “Smart Skin”, como a superfície de uma aeronave (d). (e) A arquitetura proposta baseada em blocos oferece uma maneira fácil de aumentar ou diminuir superfícies inteligentes reconfiguráveis ​​(RIS) e MIMOs para áreas de cobertura 5G/B5G de alta ou baixa densidade, reduzindo drasticamente o custo e melhorando a modularidade e escalabilidade sob demanda.

A solução proposta neste trabalho é a utilização de arranjos de antenas lado a lado para construir arranjos em fases em frequências mmWave. Um esquema geral para esta arquitetura de projeto e aplicações para esta tecnologia é mostrado na Fig. Este tipo de tecnologia pode ser utilizado em muitas aplicações para MIMOs massivos flexíveis, Fig. 1c, Smart-Skin (d), e para aplicações de phased array muito grandes, modulares e personalizáveis ​​sob demanda (e). Várias menções de arquiteturas phased array baseadas em blocos podem ser encontradas na literatura como3,4,5,6,7. Além disso, conjuntos de antenas com antenas removíveis foram discutidos em 8,9. Porém em 3 e 4, os elementos baseados em ladrilhos foram inteiramente construídos em uma PCB rígida com ladrilhos de elemento de antena único e não demonstram a modularidade do design5. Apresenta ladrilhos em nível de matriz, de difícil montagem devido à necessidade de embalagem. Além disso, também é apresentado em um substrato rígido. Em7, uma implementação flexível é introduzida, porém os blocos não apresentam nenhuma modularidade, pois esta implementação é um design de substrato único. Com trabalhos como 8 e 9, os elementos modulares da antena requerem cabeamento SMA, que pode facilmente se tornar muito confuso para grandes arranjos. Além disso, a necessidade de componentes discretos aumenta o custo e a complexidade da integração. Também houve desenvolvimentos na utilização de componentes de metamateriais, como in10, para meta-superfícies, como uma forma de realizar grandes quantidades de antenas de maneira dinâmica. No entanto, o trabalho apresentado neste artigo aproveita os recursos exclusivos dos ICs ativos para permitir a modificação sob demanda não apenas da fase, mas também da amplitude de cada elemento individual da antena, o que permite aos usuários um controle muito maior da formação de feixe. padrão (através do uso de esquemas de modulação mais complexos11 e compensação flexível “on-the-fly” para implementação conforme12), bem como modularidade para alterar “sob demanda” o tamanho da abertura física do array para atender a diferentes aplicações.