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6G時代，需要什么樣的天線與芯片？

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6G時代，需要什么樣的天線與芯片？

6G的超高數據速率將給設備帶來巨大壓力 。
6G有望帶來超高數據速率 ， 賦能智能手機、家居、城市和自動駕駛汽車中高度集成和響應迅速的技術 ， 但實現這一目標還需要大量工作 。 未來 ， 天線將無處不在 ， 嵌入城鎮的基礎設施、基站、邊緣設備以及其間的一切 。 它們將以不同的速度和波長發送和接收更多的信號 ， 其中一些信號更容易受到干擾 。
無處不在的新型天線物理上 ， 這些新天線將遠不如今天巨大的蜂窩塔那么顯眼 。 “你可以把它們建在燈柱里 ， ”現隸屬于Synopsys的Ansys公司5G/6G項目總監Shawn Carpenter說 。 “有幾家公司一直在開發路燈與Wi-Fi中繼器或蜂窩中繼系統的組合 ， 可以直接擰入螺栓插座 ， 所以你甚至都看不到它 。 現有的蜂窩塔之所以如此巨大 ， 是因為它們必須承載頻率最低的頻段 ， 這些頻段提供最長的覆蓋范圍 ， 用于公共安全功能 。 當你用手機撥打911時 ， 很可能就是在使用需要最大天線的最低頻段之一 。 這些設施仍需保留 ， 但這些天線不必是定向的 ， 也不需要那么多 。 ”
從3G到6G的演進意味著天線必須具備多頻段能力 ， 因為需要兼容較低的LTE頻段以及一些新頻段 。 “一旦政府機構協調好頻譜 ， 制造商就必須投入進去 ， 說‘天哪 ， 我們一直在為3.5到4 GHz設計天線 ， 現在我們得為7、10、12 GHz設計天線了 。 ’這將是對天線系統的徹底重新設計 。 ”
不同的頻率必須被處理并適應相同的外形尺寸 ， 這樣運營商就不必花費更多錢來建造或租賃新塔 。 Carpenter指出：“希望你能把它們全部裝進一個仍然可以安裝在同一塔上 ， 但能操作更多、更寬頻段的封裝里 。 如今基站天線技術比過去復雜得多 。 ”
對于手機這樣的小型邊緣設備 ， 更高的頻率使用更小的天線 ， 但數量更多 。 僅手機本身就可能有多達16根用于毫米波頻段的天線 。
“一部手機必須準備好在全球范圍內操作 ， 可能需要應對10個頻段 ， 這對設計者來說將是一個巨大的挑戰 ， ”Carpenter說 。 “如果你使用更高介電特性的材料 ， 就能縮小天線的尺寸 ， 因為在這些特殊材料中波長尺寸變得更小 。 我們已經發展出將天線裝入外殼尺寸的能力 。 我們現在可以印刷平面天線 ， 或者方便地將它們折疊 。 我們可以使用例如移動設備內部的基板或載板 ， 將天線印刷到系統中 ， 然后我們還發明了可以為我們調諧天線、使其諧振的電路系統 。 ”
天線也可以通過“孔徑調諧”技術進行調諧 ， 或者通過在天線饋電點進行阻抗匹配來最大化信號傳輸 。
此外 ， 還需要波束賦形天線 ， 將輻射能量從基站天線陣列引導到終端用戶 ， 同時克服高頻段下更高的路徑損耗 。 Cadence的一份白皮書指出 ， 更短的波長意味著更小的天線 ， 這反過來推動了更多基于IC的天線陣列解決方案 。
另一個天線挑戰是交叉耦合 ， 因為需要在更小的空間內容納更多的天線 。 “我們需要非常好的仿真模型來預測天線之間以及天線與封裝之間是否存在耦合 ， ”弗勞恩霍夫集成電路研究所（Fraunhofer IIS）高效電子部門主管Andy Heinig說 。
芯片設計與邊緣AI計算挑戰6G的超高數據速率將給設備帶來巨大壓力 。 “關于6G新頻譜的研究正在大量進行 ， 因為它的帶寬可能是5G的4到10倍 ， ”西門子EDA的解決方案網絡專家Ron Squiers說 。 “我們談論的是每秒太比特（Tbps）的設備 ， 而不是每秒20吉比特（Gbps）的設備 。 ”
【6G時代，需要什么樣的天線與芯片？】“6G的可擴展和不可預預測的部分將是物理AI ， ”普渡大學校長、2025年IEEE創始人獎章獲得者Mung Chiang說 。 “對于與農業、交通和制造業或工業4.0機器人與自動化交互的AI ， 6G將驅動所有其他垂直行業 。 它不僅僅是消費電子產品 。 它將像電力一樣——成為所有現代技術和垂直應用的基礎 。 要做到這一點 ， 你需要好得多的延遲和響應能力 。 因為只有在可靠且低延遲的響應下 ， 你才能實現穩定的控制回路和實時決策與行動 。 這就是普適性邊緣計算將發揮作用的地方 。 ”
6G可能會加劇現有的5G設計挑戰 ， 影響網絡中的每一個設備 。 Cadence指出 ， 這些挑戰包括：

  • 5G手機：外形尺寸的巨大壓力要求對RFIC/MMIC、BAW/SAW濾波器、封裝和模塊進行協同設計 ， 并進行系統級的熱和電磁在設計分析 ， 以及需要緊湊的DSP 。
  • 5G射頻拉遠單元(Radiohead)：為對抗毫米波頻率下發生的高信號衰減 ， 5G天線系統采用電子波束成形來集中和引導信號能量 。
  • 5G基帶和邊緣計算：SoC設計集成了越來越多的CPU和AI處理器核心 ， 需要進行從基帶到射頻的通信系統預算和雜散發射分析 ， 以及電磁和熱系統分析 。
  • 5G前傳和回傳：需要高速光互連和光收發器 ， 通過集成的硅光子和電子協同設計來實現 。
基站將在AI方面承擔大量繁重工作 ， 并且需要混合芯片架構 。 “你需要在那個接入點有多種處理類型 ， 它們將具有不同的架構 ， 以適應人們將在那里應用的廣泛任務 ， ”Ansys的Carpenter說 。
定制芯片也將是必需的 。 “一些機器用例將是非常低功耗的 ， ”普渡大學的Chiang說 。 “一些需要非常快速的響應 ， 這涉及到所需的存儲芯片類型和邏輯芯片的能力 。 一些將在不同頻段運行 ， 因此你需要新型的模擬/混合信號前端芯片 。 這將是GPU、TPU等的混合體 ， 定制化將非常有用 。 ”
新材料與新發展網絡運營商和無線電設備制造商將需要在相同的總成本下管理更高的數據能力 ， 這需要大幅降低每比特的成本 。 這可以通過將頻段組合在一個無線電單元中、采用更寬的頻段、減小無線電設備的尺寸和重量以及降低能耗來實現 。 對于5G射頻功率放大器（PA） ， 這意味著需要支持更高頻率、顯著更寬的瞬時帶寬以及高效率 。 能夠以商業上可行的價格實現這些目標的半導體技術是碳化硅基氮化鎵（GaN-on-SiC）和硅基氮化鎵（GaN-on-Si） 。
結論到2030年 ， 普渡大學的Chiang預計 ， 邊緣計算和分散式AI將更加普遍 ， 同時會出現更多種類的芯片定制、協議、用戶和用例 。 “當我們到達那個階段時 ， 人們可能會說 ， ‘我們錯過了5G ， 是6G才真正實現了這一切 。 ’另一些人可能會說 ， ‘5G功不可沒 ， 是它開啟了這一轉變 。 ’只是其他事物——商業案例和經濟性、用戶體驗以及監管環境——成熟得慢了一些 。 如果你在看Netflix流媒體時丟了一個字節是一回事 ， 但在物理對象上丟了一個字節則是另一回事 。 最重要的是 ， 技術將繼續發展 。 ”
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