[논문 리뷰] Flexible Phased Array Sheets: A Techno-Economic Analysis

Oren S. Mizrahi, Austin Fikes외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 07.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 우주 및 통신, 무선 전력 전송 응용 분야를 위한 경량, 저비용, 설치 가능한 시스템을 가능하게 하는 유연한 위상 배열(FPA) 시트의 대량 생산을 위한 기술경제 모델을 제시한다. 중간 수준의 규모 확대 가정 하에 제곱미터당 비용이 88.75달러에 도달할 수 있음을 입증한다. FPA는 RFIC, 유연한 PCB 및 얇은 방사체를 통합하여 제작된다.

ABSTRACT

Phased arrays have enabled advances in communications, sensing, imaging, and wireless power transfer. In all these applications, large apertures enable higher power, higher data rates, higher resolution, and complex functionalities, but are elusive owing to a correspondingly large cost, mass, and physical size. Flexible phased arrays (FPAs) show potential in breaking this trade-off. Their thinness and extremely low mass allow FPAs to be folded, rolled, or otherwise compressed into smaller sizes, thus enabling new regimes of transport and entirely new applications currently not possible. Though a number laboratory prototypes of FPAs have been constructed, the economics of large-scale FPA production has yet to be explored. This paper presents a model FPA architecture and a cost model for producing it at large-scale. The estimate of the per-unit-area cost is bounded by a three-tiered approach. The cost model projects a "middle" estimate for FPA production at $89 per square meter. Estimates for aerial mass density and startup cost are also discussed. This cost model demonstrates that an FPA can be produced at an efficient price point and can potentially replace existing solutions for space, communications, and vehicular applications that demand lightweight, portability, and durability in extreme conditions.

연구 동기 및 목표

• 대규모 생산을 위한 유연한 위상 배열(FPA)에 대한 기술경제 분석의 부족을 해결하기 위해.
• 우주 및 극한 환경 응용을 대상으로 하는 확장 가능한 FPA 아키텍처의 비용, 질량, 창업 투자 비용을 모델링하기 위해.
• 주요 시장에서 기존의 경직된 위상 배열 솔루션과 비교해 FPA의 경제적 타당성을 평가하기 위해.
• 규모 확대 및 기술 발전을 통해 비용과 질량 밀도의 감소를 예측하기 위해.
• 기존의 경직된 시스템과 경쟁하거나 슈퍼어리어블한 비용 및 질량 성능을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• RFIC, 유연한 PCB, 방사체 및 조립을 포함한 네 가지 제조 레이어를 기반으로, 현재, 중간, 점점 더 이상의 수준의 세 단계 비용 모델을 개발하였다.
• 노동(시간당 50달러), 전기료(킬로와트시당 8.05센트), 인플레이션(연 3.8%) 등의 현실적인 시장 가정을 사용하여 생산 비용을 추정하였다.
• 재료 두께와 밀도를 기반으로 공중 질량 밀도를 예측하였으며, 값은 현재 수준에서 195.22g/m²에서 점점 더 이상의 수준에서 77.71g/m²까지 변동하였다.
• 설비의 자본지출(capex)를 연간 생산량에 따라 정규화하여, 연간 10,000m² 생산 라인에 대해 약 100만 달러의 초기 자본 투자 비용을 추정하였다.
• IC 공정(Si CMOS 대비 GaAs), 주파수, PCB 층 수, 보호 코팅 등의 설계 변수에 대한 비용 민감도를 평가하였다.
• 기존의 경직된 위상 배열 트랜시iever와의 비교를 통해 약 75%의 비용 절감 가능성을 입증하였다.

Figure 1: Center: Envisioning the ideal FPA: thin, low mass, durable, low cost, with integrated electronics. Outside, clockwise from the top right: (a) A wireless power transfer tile with photovoltaic concentrators on one side, a FPA in the middle, and 10GHz flexible patch antennas on the other side

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 기술 및 규모 확대 가정 하에 대량 생산 시 유연한 위상 배열의 제곱미터당 예상 비용은 얼마이며, 어떻게 변동되는가?
• RQ2 FPA의 공중 질량 밀도는 현재의 경직된 위상 배열과 비교해 어떻게 되며, 이는 우주 및 항공 응용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고성능 FPA 제조 시설을 구축하기 위해 필요한 최초의 자본 투자(capex)는 얼마인가?
• RQ4 운영 주파수, IC 공정, PCB 층 수와 같은 핵심 설계 매개변수에 대해 최종 비용이 얼마나 민감하게 반응하는가?
• RQ5 제곱미터당 가격과 성능 트레이드오프 측면에서 기존의 경직된 위상 배열 솔루션과 비교해 FPA의 비용은 어떻게 되는가?

주요 결과

• 대규모 FPA 생산에 대한 중간 수준의 비용 예측은 제곱미터당 88.75달러이며, 현재 수준의 추정치 566.21달러/제곱미터보다 크게 낮다.
• 이deal 규모 확대 및 기술 발전 조건 하에서 점점 더 이상의 비용 예측은 45.37달러/제곱미터에 도달하여 장기적인 비용 절감 잠재력이 높음을 시사한다.
• 공중 질량 밀도는 현재 수준에서 195.22g/m²에서 점점 더 이상의 수준에서 77.71g/m²까지 예측되며, 이는 경직된 대비 50~90% 감소를 의미한다.
• 연간 10,000m²의 FPA 시트를 생산할 수 있는 창업 시설은 약 100만 달러의 초기 자본 투자 비용이 필요하다.
• Si CMOS에서 GaAs IC로 전환할 경우 비용이 170% 증가(239.50달러/제곱미터)하여 공정 선택의 중요성을 강조한다.
• 운영 주파수가 강한 비선형적 영향을 미치며, 40GHz에서 총 비용은 761.35달러/제곱미터로 증가(758% 증가)하여 고주파에서의 비용 도전 과제를 부각시킨다.

Figure 2: FPA cost [$/m 2 ] at different projection tiers: (a) Current ($566.21/m 2 ), (b) Middle ($88.75/m 2 ), and (c) Asymptotic ($45.37/m 2 ).