Группа Сеульского национального университета (SNU) под руководством профессора Чонсока О (Jungsuek Oh) разработала STARE — технологию формирования луча для 6G, в которой антенны и управляющие направлением радиоволн RF-переключатели изготавливаются одновременно на одной полупроводниковой пластине. Авторы называют её первой в мире 6G-антенной такого типа. Подход рассчитан на серийное производство плотных антенных решёток по технологии, близкой к выпуску полупроводниковых приборов.
Обычно антенны и RF-микросхемы производят отдельно, а затем собирают в одном устройстве. Интеграция обеих функций на пластине должна упростить изготовление компактных решёток для 6G и спутниковой связи. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
В системах 6G и спутниковой связи требуется больше антенных элементов, которые одновременно направляют радиоволны в заданные области. Один из рассматриваемых вариантов — реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS), работающие как управляемые «умные зеркала». Однако в обычных RIS антенны и управляющие компоненты приходится выпускать отдельно и соединять при сборке. Жидкие кристаллы медленно переключаются и сложны в изготовлении, а PIN-диоды и варикапы дают потери на высоких частотах и увеличивают объём навесных компонентов. С ростом решётки прибавляются детали, соединения и сборочные операции.
Объединить антенну и полупроводник в одном процессе мешает и разница масштабов: элементы микросхем проектируют в нанометровом диапазоне, а размеры 6G-антенн определяет миллиметровая длина волны. Для них применяются разные средства проектирования, прежде не позволявшие одновременно работать с обеими областями. Исследователям также пришлось учитывать высокую диэлектрическую проницаемость и RF-потери кремния, а также стоимость сквозных межсоединений в пластине.
Антенная решётка как полупроводниковое устройство
Архитектура STARE (Semiconductor Transmit Array with Reconfigurable Elements) заменяет сборную конструкцию полупроводниково-интегрированным антенным устройством: металлический рисунок антенн и RF-переключатели формируются на одной пластине. Поэтому увеличение числа элементов не требует пропорционального роста количества дискретных компонентов. Команда оптимизировала структуру переключателя и разработала совместную методику проектирования, в которой результаты измерений реальных полупроводниковых приборов используются в электромагнитной модели антенны.
Для связи металлических структур на противоположных сторонах пластины применили магнитную связь. Она позволила обойтись без дорогих сквозных переходов, уменьшить потери энергии и получить плоское устройство без выступающих полупроводниковых элементов. В прототипе исследователи прошли весь цикл — от проектирования и изготовления до электронного управления и реального формирования луча.
Положение металлических структур и встроенных переключателей задаётся ещё на этапе проектирования, поэтому геометрию и конфигурацию решётки можно подбирать под рабочую частоту и доступное место. По оценке авторов, платформу можно распространить на активные антенны, проходные антенные решётки и RIS. Увеличение числа каналов переключения в дальнейших версиях может обеспечить более точное многоуровневое управление фазой.
Разработчики также отмечают небольшое число технологических операций, отсутствие выступающих компонентов, низкое энергопотребление и время отклика порядка наносекунд. Они ожидают, что эти свойства помогут одновременно уменьшить габариты, массу, потребление энергии и стоимость устройств формирования луча для 6G с низкой задержкой.
Возможные применения включают антенны базовых станций и спутников для наземных и нетерриториальных сетей (NTN), тонкие панели формирования луча для дополнения или частичной замены обычных ретрансляторов, системы интеграции связи и зондирования (ISAC), управление связью групп роботов и автономных мобильных систем на умных фабриках, связь с низкоорбитальными спутниками, беспроводную передачу энергии и высокоскоростные беспроводные соединения в центрах обработки данных ИИ.
«Мы отказались от обычной схемы, при которой сначала изготавливают антенну, а затем устанавливают на неё перестраиваемые компоненты. Вместо этого полупроводниковые переключатели и антенны с самого начала проектировались и изготавливались вместе на одной пластине. Особенно важно, что нам удалось связать полупроводниковое производство с радиочастотными системами, возвращая измеренные характеристики изготовленных приборов в процесс проектирования антенны».
Профессор Чонсок О (Jungsuek Oh), Сеульский национальный университет
По его словам, при одновременном формировании большого числа устройств на пластине затраты на сборку не растут с той же скоростью, что и размер решётки. Команда планирует вместе с полупроводниковыми фабриками перенести технологию на пластины большей площади, реализовать многоуровневое управление фазой и развить STARE в универсальную 6G-платформу для наземной и спутниковой связи, ISAC и промышленных беспроводных систем.
Первый автор статьи Чинхён Ким (Jinhyun Kim) сейчас работает постдоком в Калифорнийском университете в Сан-Диего и исследует RIS и системы формирования луча. Он планирует продолжить разработку таких систем, объединяя RFIC и RIS. Работу поддержал Институт планирования и оценки информационных и коммуникационных технологий (IITP) при финансировании Министерства науки и ИКТ Республики Корея по программе, запущенной в 2021 году.