6G时代, 需要什么样的天线与芯片?

6G的超高数据速率将给设备带来巨大压力。

6G有望带来超高数据速率，赋能智能手机、家居、城市和自动驾驶汽车中高度集成和响应迅速的技术，但实现这一目标还需要大量工作。未来，天线将无处不在，嵌入城镇的基础设施、基站、边缘设备以及其间的一切。它们将以不同的速度和波长发送和接收更多的信号，其中一些信号更容易受到干扰。

无处不在的新型天线

物理上，这些新天线将远不如今天巨大的蜂窝塔那么显眼。“你可以把它们建在灯柱里，”现隶属于Synopsys的Ansys公司5G/6G项目总监Shawn Carpenter说。“有几家公司一直在开发路灯与Wi-Fi中继器或蜂窝中继系统的组合，可以直接拧入螺栓插座，所以你甚至都看不到它。现有的蜂窝塔之所以如此巨大，是因为它们必须承载频率最低的频段，这些频段提供最长的覆盖范围，用于公共安全功能。当你用手机拨打911时，很可能就是在使用需要最大天线的最低频段之一。这些设施仍需保留，但这些天线不必是定向的，也不需要那么多。”

从3G到6G的演进意味着天线必须具备多频段能力，因为需要兼容较低的LTE频段以及一些新频段。“一旦政府机构协调好频谱，制造商就必须投入进去，说‘天哪，我们一直在为3.5到4 GHz设计天线，现在我们得为7、10、12 GHz设计天线了。’这将是对天线系统的彻底重新设计。”

不同的频率必须被处理并适应相同的外形尺寸，这样运营商就不必花费更多钱来建造或租赁新塔。Carpenter指出：“希望你能把它们全部装进一个仍然可以安装在同一塔上，但能操作更多、更宽频段的封装里。如今基站天线技术比过去复杂得多。”

对于手机这样的小型边缘设备，更高的频率使用更小的天线，但数量更多。仅手机本身就可能有多达16根用于毫米波频段的天线。

“一部手机必须准备好在全球范围内操作，可能需要应对10个频段，这对设计者来说将是一个巨大的挑战，”Carpenter说。“如果你使用更高介电特性的材料，就能缩小天线的尺寸，因为在这些特殊材料中波长尺寸变得更小。我们已经发展出将天线装入外壳尺寸的能力。我们现在可以印刷平面天线，或者方便地将它们折叠。我们可以使用例如移动设备内部的基板或载板，将天线印刷到系统中，然后我们还发明了可以为我们调谐天线、使其谐振的电路系统。”

天线也可以通过“孔径调谐”技术进行调谐，或者通过在天线馈电点进行阻抗匹配来最大化信号传输。

此外，还需要波束赋形天线，将辐射能量从基站天线阵列引导到终端用户，同时克服高频段下更高的路径损耗。Cadence的一份白皮书指出，更短的波长意味着更小的天线，这反过来推动了更多基于IC的天线阵列解决方案。

另一个天线挑战是交叉耦合，因为需要在更小的空间内容纳更多的天线。“我们需要非常好的仿真模型来预测天线之间以及天线与封装之间是否存在耦合，”弗劳恩霍夫集成电路研究所（Fraunhofer IIS）高效电子部门主管Andy Heinig说。

芯片设计与边缘AI计算挑战

6G的超高数据速率将给设备带来巨大压力。“关于6G新频谱的研究正在大量进行，因为它的带宽可能是5G的4到10倍，”西门子EDA的解决方案网络专家Ron Squiers说。“我们谈论的是每秒太比特（Tbps）的设备，而不是每秒20吉比特（Gbps）的设备。”

“6G的可扩展和不可预预测的部分将是物理AI，”普渡大学校长、2025年IEEE创始人奖章获得者Mung Chiang说。“对于与农业、交通和制造业或工业4.0机器人与自动化交互的AI，6G将驱动所有其他垂直行业。它不仅仅是消费电子产品。它将像电力一样——成为所有现代技术和垂直应用的基础。要做到这一点，你需要好得多的延迟和响应能力。因为只有在可靠且低延迟的响应下，你才能实现稳定的控制回路和实时决策与行动。这就是普适性边缘计算将发挥作用的地方。”

6G可能会加剧现有的5G设计挑战，影响网络中的每一个设备。Cadence指出，这些挑战包括：

5G手机：外形尺寸的巨大压力要求对RFIC/MMIC、BAW/SAW滤波器、封装和模块进行协同设计，并进行系统级的热和电磁在设计分析，以及需要紧凑的DSP。

5G射频拉远单元(Radiohead)：为对抗毫米波频率下发生的高信号衰减，5G天线系统采用电子波束成形来集中和引导信号能量。

5G基带和边缘计算：SoC设计集成了越来越多的CPU和AI处理器核心，需要进行从基带到射频的通信系统预算和杂散发射分析，以及电磁和热系统分析。

5G前传和回传：需要高速光互连和光收发器，通过集成的硅光子和电子协同设计来实现。

基站将在AI方面承担大量繁重工作，并且需要混合芯片架构。“你需要在那个接入点有多种处理类型，它们将具有不同的架构，以适应人们将在那里应用的广泛任务，”Ansys的Carpenter说。

定制芯片也将是必需的。“一些机器用例将是非常低功耗的，”普渡大学的Chiang说。“一些需要非常快速的响应，这涉及到所需的存储芯片类型和逻辑芯片的能力。一些将在不同频段运行，因此你需要新型的模拟/混合信号前端芯片。这将是GPU、TPU等的混合体，定制化将非常有用。”

新材料与新发展

网络运营商和无线电设备制造商将需要在相同的总成本下管理更高的数据能力，这需要大幅降低每比特的成本。这可以通过将频段组合在一个无线电单元中、采用更宽的频段、减小无线电设备的尺寸和重量以及降低能耗来实现。对于5G射频功率放大器（PA），这意味着需要支持更高频率、显著更宽的瞬时带宽以及高效率。能够以商业上可行的价格实现这些目标的半导体技术是碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）和硅基氮化镓（GaN-on-Si）。

结论

到2030年，普渡大学的Chiang预计，边缘计算和分散式AI将更加普遍，同时会出现更多种类的芯片定制、协议、用户和用例。“当我们到达那个阶段时，人们可能会说，‘我们错过了5G，是6G才真正实现了这一切。’另一些人可能会说，‘5G功不可没，是它开启了这一转变。’只是其他事物——商业案例和经济性、用户体验以及监管环境——成熟得慢了一些。如果你在看Netflix流媒体时丢了一个字节是一回事，但在物理对象上丢了一个字节则是另一回事。最重要的是，技术将继续发展。”

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