КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-79-10279
НазваниеИнтеллектуальная отражающая поверхность миллиметрового волнового диапазона для систем связи нового поколения
РуководительШураков Александр Сергеевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский педагогический государственный университет", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-701 - Электронная элементная база информационных систем
Ключевые словаинтеллектуальная отражающая поверхность, миллиметровая волна, система связи, сеть 6G
Код ГРНТИ49.13.13
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
На сегодняшний день сети связи пятого поколения (5G) уже достигли стадии коммерческой реализации [1]. С целью дальнейшего увеличения скоростей и надежности передачи данных научное сообщество и промышленность сконцентрированы на разработках технологий для сетей связи шестого поколения (6G) [2]. Одной из активно развивающихся технологий является интеллектуальная отражающая поверхность (IRS) [3-6], позволяющая существенно улучшить качество связи в случае блокировки линии прямой видимости между передатчиком и приемником [7]. Использование IRS позволяет существенно снизить энергопотребление при передаче данных в сравнении с использованием технологии связи с множеством входов и множеством выходов (MIMO).
В общем случае IRS представляет собой матрицу электрически управляемых элементов, используемых для локальной подстройки фазы падающей волны. В случае 1-битного разрешения по сдвигу фазы при отражении волны, когда каждый элемент IRS имеет только два состояния +0 и +180 градусов, может наблюдаться заметное снижение направленности отраженного пучка из-за присутствия существенных фазовых ошибок [8,9]. Увеличение фазового разрешения позволяет улучшить характеристики IRS, но приводит к увеличению сложности и стоимости ее изготовления. Оптимальное сочетание цена-качество для IRS достигается при использовании в ее составе элементов с 2-битным фазовым разрешением [8,10]. На сегодняшний день в литературе представлено лишь несколько работ по IRS с 2-битным фазовым разрешением элементов [10-13], и нет работ по данным устройствам с рабочими частотами выше 30 ГГц. Таким образом, открытым остаётся вопрос о возможности использования существующих конструкций IRS с 2-битным фазовым разрешением элементов на частотах выше 100 ГГц в силу необходимости существенной миниатюризации.
Новизна настоящего проекта связана с проектированием, изготовлением и измерением характеристик IRS с центральной рабочей частотой 140 ГГц. Ключевой элемент IRS (фазовращатель) будет представлять собой патч-антенну, в металлизации экрана которой реализована крестообразная щелевая структура. Распределение токов в окрестности щелевой структуры задается конфигурацией интегрированных с ней диодных ключей и определяет сдвиг фазы при отражении миллиметровой волны. В свою очередь, угол отражения от IRS определяется конфигурацией фазовращателей в ее составе. В рамках проекта будут разработаны конструкции матриц фазовращателей с 1- и 2-битным фазовым разрешением, обеспечивающие эффективное управление профилем отраженного от IRS пучка. Будут также сформулированы требования к модификации разработанных технологий для создания 3GPP-совместимой IRS для систем и сетей связи 6G.
[1] M. Patzold, “It’s time to go big with 5G mobile radio,” IEEE Vehicular Technology Magazine, vol. 13, no. 4, pp. 4–10, 2018.
[2] W. Saad, M. Bennis, and M. Chen, “A vision of 6G wireless systems: Applications, trends, technologies, and open research problems,” arXiv preprint arXiv:1902.10265, 2019.
[3] C. Huang, A. Zappone, G. C. Alexandropoulos, M. Debbah, and C. Yuen, “Reconfigurable intelligent surfaces for energy efficiency in
wireless communication,” IEEE Transactions on Wireless Communications, 2019.
[4] S. Hu, F. Rusek, and O. Edfors, “Beyond massive MIMO: The potential of data transmission with large intelligent surfaces,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 66, no. 10, pp. 2746–2758, 2018.
[5] Sha Hu, Fredrik Rusek, and Ove Edfors, “Beyond massive MIMO: The potential of positioning with large intelligent surfaces,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 66, no. 7, pp. 1761–1774, 2018.
[6] M. Cui, G. Zhang, and R. Zhang, “Secure wireless communication via intelligent reflecting surface,” IEEE Wireless Communications Letters, 2019.
[7] Q. Wu and R. Zhang, “Towards smart and reconfigurable environment: Intelligent reflecting surface aided wireless network,” IEEE Communications Magazine, to appear, 2019 (arXiv preprint arXiv:1905.00152).
[8] B. Wu, A. Sutinjo, M. E. Potter, and M. Okoniewski, ``On the selection of the number of bits to control a dynamic digital MEMS reflectarray,'' IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 7, pp. 183-186, Mar. 2008.
[9] H. Yang, F. Yang, S. Xu, M. Li, X. Cao, J. Gao, and Y. Zheng, ``A study of phase quantization effects for reconfigurable reflectarray antennas,'' IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 16, pp. 302-305, 2017.
[10] R. Pereira, R. Gillard, R. Sauleau, P. Potier, T. Dousset, and X. Delestre, ``Four-state dual polarisation unit-cells for reflectarray applications,'' Electron. Lett., vol. 46, no. 11, p. 742, 2010.
[11] R. Pereira, R. Gillard, R. Sauleau, P. Potier, T. Dousset, and X. Delestre, ``Dual linearly-polarized unit-cells with nearly 2-Bit resolution for reflectarray applications in X-Band,'' IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 12, pp. 6042-6048, Dec. 2012.
[12] P. Nayeri, F. Yang, and A. Z. Elsherbeni, Reflectarray Antennas: Theory, Designs, and Applications. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2018.
[13] X. Yang, S. Xu, F. Yang, and M. Li, ``A novel 2-bit reconfigurable reflectarray element for both linear and circular polarizations,'' in Proc. IEEE Int. Symp. Antennas Propag. USNC/URSI Nat. Radio Sci. Meeting, Jul. 2017, pp. 2083-2084.
Ожидаемые результаты
По итогам выполнения проекта запланировано получение следующих основных результатов:
1) Конструкции матриц электрически управляемых фазовращателей, обеспечивающих 1- и 2-битное разрешение по сдвигу фазы при отражении миллиметровой волны.
2) Технология изготовления интеллектуальной отражающей поверхности (IRS) с центральной рабочей частотой 140 ГГц, обеспечивающая развязку оптической системы и управляющих электрических линий на чипе IRS.
3) Прототипы IRS в двух исполнениях матриц: 8 х 8 элементов, элемент - 1-битный фазовращатель и 4 х 4 элемента, элемент - 2-битный фазовращатель (будут охарактеризованы в диапазоне входных частот 130-160 ГГц).
4) Набор требований к модификации разработанных технологий для создания 3GPP-совместимой IRS для систем и сетей связи 6G.
Анализ научно-технических публикаций по тематике проекта позволяет заключить, что ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню и обладают высокой практической значимостью в части создания элементной базы для для систем и сетей связи 6G.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В отчетном периоде были выполнены следующие работы:
1) Проектирование электрически управляемых элементов интеллектуальной отражающей поверхности (IRS), обеспечивающих 1- и 2-битное разрешение по сдвигу фазы при отражении миллиметровой волны.
2) Макетирование IRS с 1- и 2-битным фазовым разрешением элементов, включая изготовление IRS в масштабе 10:1 с верификацией расчетных характеристик посредством измерения в диапазоне частот 13-16 ГГц.
3) Отработка технологии изготовления IRS с центральной рабочей частотой 140 ГГц, обеспечивающей развязку оптической системы и управляющих электрических линий на чипе IRS.
4) Подготовка текстов и публикация научных статей, представление полученных результатов на международных научных конференциях и семинарах, патентные исследования, подготовка промежуточного отчета об исследованиях.
В отчетном периоде были получены следующие научные результаты:
1) Конструкции матриц электрически управляемых фазовращателей, обеспечивающих 1- и 2-битное разрешение по сдвигу фазы при отражении миллиметровой волны.
2) Технология изготовления IRS с центральной рабочей частотой 140 ГГц, обеспечивающая развязку оптической системы и управляющих электрических линий на чипе IRS.
3) Охарактеризованные макеты IRS с 1- и 2-битным фазовым разрешением элементов в масштабе 10:1.
4) Научные статьи и тезисы докладов конференций, отчет о патентных исследованиях по тематике работ проекта, промежуточный отчет об исследованиях.
Публикации
1. Приходько А.Н., Ярополов Т.А., Шураков А.С., Гольцман Г.Н. Parametric Model of a Dielectric Rod Antenna Array for Terahertz Applications Proceedings of the 34th European Modeling and Simulation Symposium (EMSS 2022), 031 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.46354/i3m.2022.emss.031
2. Шураков А.С., Беликов И.И., Приходько А.Н., Ершова М.И., Гольцман Г.Н. Superconducting Electronic-Photonic Platform for HEB-based Terahertz Spectrometers Applied Sciences, Vol. 13, No. 10, 5892 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/app13105892
3. Шураков А.С., Каурова Н.С., Беликов И.И., Зильберлей Т.Л., Приходько А.Н., Воронов Б.М., Гольцман Г.Н. Nondestructive KPFM-assisted Quality Control in Fabrication of GaAs High-Speed Electronics arXiv, arXiv:2212.01474 [physics.ins-det] (год публикации - 2022) https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.01474
4. Шураков А.С., Приходько А.Н., Беликов И.И., Разакова А.А., Гольцман Г.Н. Integrated Circuit of an Intelligent Reflecting Surface for sub-THz Wireless Communication 2023 IEEE 18th International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS), - (год публикации - 2023)
5. Беликов И.И., Шураков А.С., Приходько А.Н., Гольцман Г.Н. Ultra-Deep Wet Chemical Etching of GaAs Upon Fabrication of mmWave Sensors Proceedings of the 5-th International Conference "Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection and Applications" (TERA-2023), P. 82 (год публикации - 2023)
6. Шураков А.С., Львов А.В., Приходько А.Н., Гольцман Г.Н. Digital Phase Shifter Arrays for Beamforming in sub-THz Communications Proceedings of the 5-th International Conference "Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection and Applications" (TERA-2023), Pp. 91-92 (год публикации - 2023)
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В отчетном периоде были выполнены следующие работы:
1) Отладка технологии и изготовление прототипа интеллектуальной отражающей поверхности (IRS) с центральной рабочей частотой 140 ГГц: размер матрицы - 8×8 элементов, элемент матрицы - 1-битный фазовращатель.
2) Создание экспериментальной установки для измерения пространственного распределения интенсивности при формировании различных профилей отраженного от IRS пучка.
3) Экспериментальное изучение характеристик прототипа IRS в диапазоне частот 130-160 ГГц.
4) Публикация научных статей, представление полученных результатов на конференциях, подготовка заявки на получение патента и промежуточного отчета об исследованиях.
В отчетном периоде были получены следующие научные результаты:
1) Технология изготовления интеллектуальной отражающей поверхности (IRS) с центральной рабочей частотой 140 ГГц: размер матрицы - 8×8 элементов, элемент матрицы - 1-битный фазовращатель.
2) Экспериментальная установка для измерения пространственного распределения интенсивности при формировании различных профилей отраженного от IRS пучка.
3) Охарактеризованный прототип IRS с центральной рабочей частотой 140 ГГц: размер матрицы - 8×8 элементов, элемент матрицы - 1-битный фазовращатель.
4) Научные статьи и тезисы докладов конференций, заявка на патент по тематике работ проекта, промежуточный отчет об исследованиях.
Публикации
1. Львов А.В., Приходько А.Н., Шураков А.С., Гольцман Г.Н. Reconfigurable reflectarrays for 5/6G wireless systems with linear polarization St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, 16, S3.2, 372–376 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18721/JPM.163.265
2. Приходько А.Н., Ярополов Т.А., Шураков А.С., Гольцман Г.Н. Unit cell model of a terahertz intelligent reflecting surface with Schottky microcontacts Proceedings of the 35th European Modeling and Simulation Symposium, EMSS 2023, статья № 019 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.46354/i3m.2023.emss.019
3. Шураков А.С., Приходько А.Н., Беликов И.И., Гольцман Г.Н. Wafer-Thick GaAs Photonic-Electronic Platform for Fast Terahertz Beam Steerers 2024 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), - (год публикации - 2024)
4. Шураков А.С., Рожкова П.В., Хакимов А.А., Мокров Е.В., Приходько А.Н., Бегишев В.О., Кучерявый Е.А., Комаров М.М., Гольцман Г.Н. Dynamic Blockage in Indoor Reflection-Aided Sub-Terahertz Wireless Communications IEEE Access, vol. 11, pp. 134677-134689 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3337050
5. Ярополов Т.А., Приходько А.Н., Рожкова П.В., Шураков А.С., Гольцман Г.Н. Hardware- and user-induced micromobility effects in in-door radio access at 140 GHz St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, 16, S3.2, 411–416 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18721/JPM.163.272