基於矽的動態變形校正技術應用於增材製造的柔性天線陣列

Belangrijkste concepten

本文提出了一種基於矽的動態變形校正技術，用於解決柔性天線陣列在運動過程中產生的動態變形問題，並採用新型銅分子分解墨水進行增材製造，以提高天線陣列的靈活性、環保性和成本效益。

Samenvatting

可變形天線陣列的優勢與挑戰

可變形相控陣為掃描角度提供了多重自由度，而傳統剛性陣列的掃描角度通常受限於天線孔徑。然而，可變形陣列的輕量化、緊湊性和形狀變化特性雖然吸引人，但也導致陣列在運動過程中產生動態變形，從而導致顯著的動態波束指向誤差。

銅分子分解墨水的優勢

增材製造技術，如噴霧噴射、噴墨打印、直接寫入和絲網印刷，已顯示出增強的可擴展性、減少的材料浪費產生和具有成本效益的製造工藝。然而，增材製造方法的功效在很大程度上取決於應用中使用的導電油墨的質量和性能。導電油墨增材製造中的常見挑戰圍繞著可印刷性和電氣性能。諸如添加劑、油墨粘度、均勻性、微/納米材料結構和尺寸等因素直接影響著潛在的印刷方法、基板材料、燒結條件和走線的電氣性能。印刷導電走線的電氣性能也通常在反復暴露於高溫、腐蝕性環境以及機械彎曲和扭轉的情況下進行評估，以反映使用過程中的長期可靠性。

與現有的金屬基、聚合物基和碳基油墨相比，銅分子分解墨水具有更便宜、性能更高的優勢。基於金屬的油墨由於其固有的更高電導率、熱導率以及適用於各種增材製造方法，始終在射頻電子產品中表現出優異的性能。在考慮導電油墨時，銀基油墨因其低電阻率（1.59 µΩ.cm）而在印刷電子產品中的應用受到廣泛讚賞，但其高成本使得銅成為一種更具成本效益的替代品，並且具有可比擬的電阻率性能（1.72 µΩ.cm）。

基於矽的動態變形校正技術

本文提出了一種基於矽的低功耗、小面積自校準技術，其靈感來自無模型技術，如擾動和觀察以及極值搜索原理。該技術利用一個集成式自校準迴路，通過對每個天線單元的相位進行動態調整，以補償陣列變形引起的波束指向誤差。

模組化分塊式陣列結構

為了克服大規模陣列的設計和校準挑戰，本文採用了一種模組化分塊式方法。每個分塊由一個 2x2 可變形天線陣列和一個 4 通道波束賦形積體電路 (BFIC) 組成。這種模組化結構簡化了校準過程，並允許通過組合多個分塊來輕鬆擴展陣列尺寸。

實驗結果

實驗結果表明，該技術能夠有效地校正由陣列變形引起的波束指向誤差，並在 2.1 GHz 的工作頻率下實現了良好的波束賦形性能。此外，所提出的銅分子分解墨水也表現出優異的電氣和射頻特性，證明了其在柔性天線陣列增材製造中的適用性。

總結

本文提出的基於矽的動態變形校正技術和銅分子分解墨水為柔性天線陣列的設計和製造提供了一種有前景的解決方案。該技術有望應用於各種需要可變形天線陣列的領域，例如衛星通信、無人機和可穿戴設備。

Statistieken

該技術能夠將波束指向誤差從 7° 降低到小於 1.5°。
原型 BFIC 佔用 2.56 平方毫米的面積，每個分塊消耗 78.5 毫瓦的功率。
所提出的陣列重量輕，易於部署，面密度為 0.464 克/平方厘米，厚度約為 8 毫米。
該接收器陣列支持 16-QAM 調製，誤差向量幅度 (EVM) 為 7.2%，同時支持 160 Mbps 的數據速率。

Citaten

"Conformal phased arrays provide multiple degrees of freedom to the scan angle, which is typically limited by antenna aperture in rigid arrays."
"While the lightweight, compactness, and shape-changing properties of the conformal phased arrays are attractive, these features result in dynamic deformation of the array during motion leading to significant dynamic beam pointing errors."
"This work uses a low-cost molecular copper decomposition ink with reliable RF properties at different temperature and strain to print the proposed intelligent conformal phased array operating at 2.1 GHz."

Belangrijkste Inzichten Gedestilleerd Uit

Real-time Deformation Correction in Additively Printed Flexible Antenna Arrays

by Sreeni Poola... om arxiv.org 11-18-2024

https://arxiv.org/pdf/2406.07797.pdf

Diepere vragen

除了衛星通信、無人機和可穿戴設備，這項技術還可以用於哪些其他新興應用？

除了衛星通信、無人機和可穿戴設備之外，這項動態變形校正技術在其他新興應用中也具有巨大的潛力，特別是在需要天線陣列靈活性和可靠性的領域：

車聯網 (V2X) 和自動駕駛： 自動駕駛汽車需要可靠且穩定的無線通信，以實現車輛間 (V2V) 和車輛與基礎設施間 (V2I) 的通信。將天線陣列整合到車身設計中可以增強信號覆蓋範圍，而動態變形校正可以彌補車輛移動和震動造成的影響，確保通信的穩定性。
智慧城市和物聯網 (IoT)： 智慧城市應用，例如環境監測、交通管理和公共安全，依賴於廣泛部署的感測器和設備。柔性天線陣列可以無縫地整合到建築物、路燈和其他城市基礎設施中，而動態變形校正可以確保在各種環境條件下數據收集的準確性和可靠性。
醫療保健和穿戴式生物感測器： 柔性天線陣列可以整合到可穿戴設備和植入式醫療設備中，用於監測生命體徵、傳輸醫療數據和實現遠程醫療。動態變形校正可以解決人體運動和體型變化帶來的挑戰，確保醫療數據的準確性和可靠性。
工業自動化和機器人技術： 在工業環境中，柔性天線陣列可以部署在機器人和自動化系統上，以實現無線控制、數據收集和機器間通信。動態變形校正可以解決機器人運動和工業環境中潛在干擾造成的影響，提高操作的精度和效率。
總之，這項技術在需要天線陣列靈活性和可靠性的廣泛應用中具有巨大的潛力，從自動駕駛汽車和智慧城市到醫療保健和工業自動化。

如果環境條件（如溫度、濕度）發生劇烈變化，這種動態變形校正技術的性能會如何受到影響？

雖然文中提出的動態變形校正技術在處理物理形變方面表現出色，但劇烈的環境條件變化，如溫度和濕度，的確會對其性能造成一定影響。以下分析這些影響及其應對方案：

溫度變化： 溫度變化會影響天線材料的介電常數和導電性，進而影響天線的諧振頻率、阻抗匹配和輻射特性。此外，溫度變化還會影響矽基電路，例如 BFIC 的性能，導致增益和相位偏移。

應對方案： 採用對溫度變化不敏感的天線材料和設計，例如使用低熱膨脹係數的基板材料。此外，可以通過溫度補償電路和算法來減輕溫度對 BFIC 性能的影響。

濕度變化： 濕度變化會影響天線材料的介電常數，進而影響天線的阻抗匹配和輻射特性。高濕度環境還可能導致天線表面結露，影響天線性能，甚至造成短路。

應對方案： 對天線進行防水封裝，防止濕氣進入天線內部。此外，可以採用濕度傳感器監測環境濕度，並通過算法對天線性能進行相應的補償。
總之，環境條件的劇烈變化會對動態變形校正技術的性能造成一定影響。然而，通過採用適當的材料、設計和補償技術，可以有效減輕這些影響，確保系統在各種環境條件下都能穩定可靠地運行。

未來如何將基於機器學習的技術與這種基於矽的校準技術相結合，以進一步提高柔性天線陣列的性能和可靠性？

將基於機器學習的技術與現有的基於矽的校準技術相結合，可以進一步提高柔性天線陣列的性能和可靠性。以下是一些可能的發展方向：

機器學習輔助的變形預測： 利用機器學習算法，可以根據環境條件（如溫度、濕度）、天線陣列的形變狀態以及歷史校準數據，預測天線陣列的未來形變趨勢。這種預測可以讓校準系統提前調整，提高校準速度和精度。
基於機器學習的快速校準算法： 傳統的校準算法需要遍历大量的相位組合，耗时较长。而機器學習算法可以學習天線陣列的特性和變形模式，建立快速校準模型，根據輸入的少量數據快速找到最佳的相位校準值，縮短校準時間，提高系統響應速度。
機器學習增強的環境適應性： 訓練機器學習模型，學習環境因素（如溫度、濕度）對天線陣列性能的影響，並根據環境變化動態調整校準參數，提高系統在不同環境條件下的適應性和魯棒性。
總之，將機器學習技術與基於矽的校準技術相結合，可以實現更快速、更精確、更智能的動態變形校正，進一步提高柔性天線陣列的性能和可靠性，滿足未來無線通信系統的需求。