喷墨打印的大规模可扩展柔性5G陶瓷阵列

[导读]：

佐治亚理工大学研究人员团队展示了他们新颖的支持 5G的大规模可扩展柔性陶瓷阵列。本文介绍的基于瓦片的方法，能够模块化实现用于 5G/B5G 毫米波智能皮肤的大规模可扩展 MIMO 和相控阵，以及用于智能城市和物联网应用的大面积 RIS。

两个制造的概念验证陶瓷阵列与两个喷墨打印的陶瓷阵列一起展示，该团队将在 6 月即将举行的国际微波研讨会上展示。

根据 Gartner的最新预测，5G+（5G/Beyond 5G）是无线网络基础设施市场增长最快的领域，也是唯一重要的投资增长机会。但目前 5G+ 技术依赖于大型天线阵列，而这些天线阵列通常体积庞大，尺寸非常有限，因此难以运输且定制成本高昂。

佐治亚理工大学工程大学的研究人员开发了一种新颖而柔性的解决方案来解决这个问题。他们基于陶瓷的增材制造方法可以构建按需、大规模可扩展的 5G+（5G/Beyond 5G）智能皮肤阵列，并有可能在几乎任何表面或物体上实现智能。最近发表在《Scientific Reports》上的这项研究描述了这种方法，该方法不仅比当前的做法更容易扩展和定制，而且无论何时弯曲或扩展到大量陶瓷时，性能都不会下降。

( a ) 单瓦和 ( b ) 所提出的大规模可扩展模块化天线阵列架构的多瓦示意图。( c ) 3D 图像显示放置在柔性瓷砖层上的瓷砖，该瓷砖使其能够适应曲面，用于“智能皮肤”实施中使用的非常大的天线阵列，例如飞机表面 ( d )。( e ) 所提出的基于瓦片的架构提供了一种简单的方法来扩展或缩减高或低密度 5G/B5G 覆盖区域的可重构智能表面 (RIS) 和 MIMO，从而显着降低成本并增强按需模块化和可扩展性。

“通常，有许多较小的无线网络系统协同工作，但它们不可扩展。使用当前技术，您无法增加、减少或直接带宽，尤其是对于非常大的区域，”Tentzeris 说。“能够利用和扩展这种新颖的基于图块的方法使这成为可能。”

Tentzeris 表示，随着电信行业继续快速过渡到更快、更高容量和更低延迟通信的标准，他的团队配备 5G+ 功能的模块化应用程序有可能产生直接的大规模影响。

增材制造的陶瓷天线

在佐治亚理工大学的新方法中，柔性和增材制造的陶瓷被组装到一个单一的、柔性的基底上。这允许将瓦片阵列附加到多个表面。该架构还允许即时安装超大型 5G+ 相控/电子可控天线阵列网络。根据 Tentzeris 的说法，将瓦片阵列连接到无人机 (UAV) 甚至有可能在低覆盖区域增加宽带容量。

( a ) 正面，天线侧和 ( b ) 背面，芯片侧。( c ) 柔性平铺层用手弯曲和 ( d ) 符合 3.5 厘米半径的圆柱体。与瓷砖相结合的柔性瓷砖层促进了灵活性。该系统自然是平坦的，因此要符合曲率，需要使用粘合剂或用手将其强制到曲线上。

在这项研究中，该团队制作了一个概念验证、灵活的 5×5 厘米陶瓷阵列，并将其包裹在半径为 3.5 厘米的曲率周围。每个瓦片包括一个天线子阵列和一个位于底层瓦片层上的集成波束成形集成电路，以创建一个智能皮肤，可以将瓦片无缝互连成非常大的天线阵列和大规模多输入多输出 (MIMO) — 住房实践单个无线设备内的两个或多个天线。之前已经研究过具有单个天线元件的刚性表面上的基于瓦片的阵列架构，但不包括乔治亚理工大学设计的模块化、增材制造或灵活实施。

提议的模块化陶瓷方法意味着相同尺寸的陶瓷可以大量制造并且易于更换，从而降低了定制和维修成本。从本质上讲，这种方法将可移动元素、模块化、大规模可扩展性、低成本和灵活性结合到一个系统中。

5G+只是开始

佐治亚理工大学团队表示，虽然平铺架构已证明能够大大增强 5G+ 技术，但其灵活和保形能力的结合有可能应用于许多不同的环境。

“每个瓦片的形状和特征可以是单一的，可以适应不同的频段和功率水平，”Tentzeris 说。“一个可以具有通信功能，另一个可以具有传感功能，另一个可以是用于太阳能、热能或环境射频能量的能量收集器瓦片。瓦片框架的应用不限于通信。”

物联网、虚拟现实以及智能制造/工业 4.0（一种利用互联网连接的“智能”机器来监控和完全自动化生产过程的技术驱动方法）是团队乐于探索的其他应用领域。

“陶瓷架构的大规模可扩展性使其应用特别多样化，几乎无处不在。从水坝和建筑物大小的结构，到机械或汽车，再到个人健康监测可穿戴设备，”Tentzeris 说。“我们正朝着这样一个方向前进，即一切都将被某种类型的无线保形智能皮肤覆盖，其中包含允许有效监控的通信系统或天线。”

该团队现在期待在实验室外在大型真实世界结构上测试该方法。他们目前正致力于制造更大的、完全喷墨打印的陶瓷阵列（256 多个元素），这些阵列将在即将举行的国际微波研讨会 (IEEE IMS 2022) 上展出，这是 IEEE 射频和微波工程的旗舰会议。IMS 演示将介绍一种新的基于瓦片的大面积架构版本，该版本将允许以快速和低成本的方式为众多保形平台和支持 5G+ 的应用程序组装可定制的瓦片阵列。

总结：

佐治亚理工大学制造和测量了一个基于 29 GHz瓦片的概念验证 32 单元天线阵列，并展示了2 × 22×2+ / -+/-30 束转向能力，当它缠绕在 3.5 厘米半径的曲率上时，性能不会下降。通过简单地添加更多瓷砖并在安装瓷砖层上扩展馈电网络，这种拓扑结构可以轻松扩展到大型阵列。瓦片组装在单个柔性瓦片基板上，该基板互连射频、直流和数字迹线，允许在几乎任何实用的共形平台上轻松实现按需超大天线阵列和大规模 MIMO，频率高达THz级 频率范围。这项工作中使用的平铺拓扑与有源 BFIC 相结合，可以实现更复杂的调制和波束成形控制，并结合了柔性和保形能力。