Tuile

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 2741 (2022) Citer cet article

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Ce travail présente une nouvelle approche basée sur des tuiles pour construire, de manière modulaire, des réseaux MIMO et multiéléments massivement évolutifs pour les skins intelligents à ondes millimétriques 5G/B5G et les surfaces intelligentes reconfigurables de grande surface pour les villes intelligentes et les applications IoT. Un réseau de validation de principe de 29 GHz à 32 éléments utilisant \(2 \times 2\) tuiles « sous-réseau à 8 éléments » a été fabriqué et mesuré et démontre la capacité de \(+/-\) 30 faisceaux. Les avantages uniques de l'approche de tuile proposée tirent parti du fait que des tuiles de tailles identiques peuvent être fabriquées en grandes quantités plutôt que de disposer de rangées de tailles multiples servant diverses zones de couverture de capacité d'utilisateur. Il convient de souligner que le réseau de tuiles flexibles \(2 \times 2\) de preuve de concept ne présente aucune dégradation des performances lorsqu'il est enroulé autour d'un rayon de courbure de 3,5 cm. Cette topologie peut être facilement étendue à des réseaux de très grande taille en ajoutant simplement plus de tuiles et en étendant le réseau d'alimentation sur la couche de tuile de montage. Les tuiles sont assemblées sur un seul substrat flexible qui interconnecte les traces RF, DC et numériques, permettant la réalisation facile de très grands réseaux d'antennes à la demande sur pratiquement n'importe quelle plate-forme conforme pratique pour des fréquences allant jusqu'à la gamme de fréquences inférieures au THz.

Récemment, le secteur des télécommunications a rapidement évolué vers les normes 5G pour des communications plus rapides, de plus grande capacité et avec une latence plus faible. L’une des exigences les plus cruciales pour la mise en œuvre réussie de ces technologies 5G et B5G (Au-delà de la 5G), en particulier pour les fréquences à ondes millimétriques (mmWave) et sub-THz, est la réalisation de grands réseaux d’antennes pour des configurations MIMO massives1. Cependant, ces grands réseaux d'antennes sont généralement assez volumineux et lourds et ne sont disponibles que dans des tailles très limitées, ce qui augmente le coût de personnalisation et réduit l'adaptabilité à divers cas d'utilisation finale. Pour les réseaux 5G mmWave, en raison de leur portée intrinsèquement réduite, les implémentations ont évolué vers l'utilisation d'architectures de petites/picocellules, chaque hotspot accordant une couverture de 50 à 100 m2. L'utilisation de petites cellules signifie que les taux d'utilisation peuvent varier considérablement selon les emplacements, par exemple un stade sportif par rapport aux zones suburbaines. Il n’existe donc pas d’approche unique pour les mises en œuvre de la 5G/B5G et de l’IoT.

(a) Schéma à tuile unique et (b) à tuiles multiples de l'architecture de réseau d'antennes modulaires massivement évolutive proposée. (c) Image 3D montrant les tuiles placées sur une couche de carrelage flexible qui permet de les conformer sur des surfaces courbes pour de très grands réseaux d'antennes utilisés dans les implémentations « Smart Skin », comme la surface d'un avion (d). (e) L'architecture basée sur les tuiles proposée offre un moyen simple d'augmenter ou de réduire les surfaces intelligentes reconfigurables (RIS) et les MIMO pour les zones de couverture 5G/B5G à haute ou basse densité, réduisant considérablement les coûts et améliorant la modularité et l'évolutivité à la demande.

La solution proposée dans ce travail est l'utilisation du pavage de réseaux d'antennes pour construire des réseaux multiéléments à des fréquences mmWave. Un schéma général de cette architecture de conception et des applications de cette technologie est présenté sur les figures 1a, b. Ce type de technologie peut être utilisé dans de nombreuses applications pour les MIMO massifs flexibles, Fig. 1c, Smart-Skin (d), et pour les applications multiéléments modulaires et personnalisables à la demande de très grande taille (e). Diverses mentions d'architectures multiéléments basées sur des tuiles peuvent être trouvées dans la littérature telle que3,4,5,6,7. De plus, les réseaux d'antennes comportant des antennes amovibles ont été abordés dans8,9. Cependant, dans les modèles 3 et 4, les éléments à base de tuiles étaient entièrement construits sur un PCB rigide avec des tuiles à élément d'antenne unique et ne démontrent pas la modularité de la conception5. Comprend des carreaux au niveau de la matrice, difficiles à assembler en raison de la nécessité d'un emballage. De plus, il est également présenté sur un substrat rigide. En 7, une implémentation flexible est introduite, cependant les dalles ne présentent aucune modularité car cette implémentation est une conception à substrat unique. Avec des travaux tels que 8 et 9, les éléments d'antenne modulaires nécessitent un câblage SMA, qui peut facilement devenir trop encombré pour les grands réseaux. De plus, le besoin de composants discrets augmente les coûts et la complexité de l'intégration. Des progrès ont également été réalisés dans l'utilisation de composants méta-matériaux tels que l'in10 pour les méta-surfaces afin de réaliser des quantités massives d'antennes de manière dynamique. Cependant, les travaux présentés dans cet article tirent parti des caractéristiques uniques des circuits intégrés actifs pour permettre la modification à la demande non seulement de la phase mais également de l'amplitude de chaque élément d'antenne individuel, ce qui permet aux utilisateurs un contrôle bien plus important de la formation de faisceau. modèle (grâce à l'utilisation de schémas de modulation plus complexes11 et d'une compensation flexible « à la volée » pour une mise en œuvre conforme12) ainsi que la modularité pour modifier « à la demande » la taille de l'ouverture physique du réseau pour l'adapter à différentes applications.