分享一篇不错的关于6G天线 / 波束成形的文章！
正如我们所知道的那样，大多数射频（RF）组件的尺寸与工作频率成反比。换言之，随着工作频率的升高，RF 组件的尺寸会变小。天线元件（单个天线）是最符合这一规律的组件。
考虑到 6G 极高的工作频率，我们不难推测出天线元件的尺寸将会非常小。工作在 1 THZ 频率下的 PCB 上的单极天线元件尺寸可能仅有 150 um，而石墨烯天线或其他由等离子体材料制成的天线尺寸甚至可以更小，例如 1 um长、10 nm宽。
这种小尺寸有其益处，因为它适用于芯片级通信或可穿戴通信，但小孔径会成为传输功率的限制因素。
你真的清楚孔径效率和天线效率吗？
为克服小孔径带来的功率限制，以阵列形式存在的多个天线元件很可能会在实际通信系统中得到应用（这与我们在 5G 中使用大规模 MIMO 的逻辑相同）。
- 与电子前端结合使用的金属天线（如 PCB 天线）阵列已在 300GHz 以下的频率下展示出多达 16 个可控元件的应用。
- 结合等离子体前端，已有人提出具有多达 1024 个元件的基于石墨烯的超大型等离子体天线阵列，这可以称为超大规模 MIMO。
由于 6G 频率范围内天线元件的尺寸非常小，使得大量天线元件（阵列，例如 1024、4096 或更多）可以集成到发射（Tx）和接收（Rx）芯片组中。
有了如此多的天线元件，实现更复杂、更精确的多用户 MIMO（MU MIMO）将变得更加容易。MIMO（多输入多输出）：SU-MIMO与MU-MIMO。
正如在 5G FR2 中一样，混合波束成形技术也很可能会在 6G 中得到应用。在混合波束成形的模拟预编码器部分，通常有两种不同类型：
- Fully-Connected全连接
- Array of Subarrays子阵列阵列。
在 6G 中，由于利用了更多的天线元件，我们可以考虑另一种类型的模拟预编码器部分，称为动态子阵列阵列，它可以动态地改变子阵列的配置，如下图所示。
有哪些挑战？
- 更高的频率
THzCom 的工作频率远高于 5G，这就要求开发新的天线材料和设计，以适应这些高频工作。在较高频率下，天线所用材料的特性可能会发生显著变化。例如，材料的介电常数和损耗角正切在太赫兹频率下可能会有很大变化，这会影响太赫兹天线的性能。
我们可能需要新的设计技术，并寻找新的材料，以确保天线能够在这些高频下有效工作，并提供必要的性能特征，如高增益和方向性。
此外，在较高频率下，信号传播会受到大气吸收、散射和衍射的影响。这意味着太赫兹信号更容易受到墙壁和建筑物等障碍物的衰减和干扰。
- 更高的路径损耗
太赫兹信号的高频特性导致高路径损耗，这意味着信号强度在空气中传播时会迅速降低。这就要求太赫兹天线提供高增益和方向性，以克服这种路径损耗。
最大耦合损耗（MCL）和最大路径损耗（MPL）
- 波束控制
波束成形技术在 5G 和 THzCom 中都用于提高信号强度和质量。然而，由于太赫兹信号波长较短，在 THzCom 中波束控制更具挑战性。
我们已经在 5G 中使用了波束控制，为什么 6G（太赫兹）的波束控制被认为特别具有挑战性呢？
- 在 5G 中，波束控制通常使用相控阵天线实现，该天线由多个天线元件组成，可以单独控制以将波束转向特定方向。与太赫兹信号相比，5G 信号的波长相对较长，这意味着天线元件之间的间距可以更大。这使得更容易精确控制每个元件的相位和振幅。
- 在 THzCom 中，太赫兹信号的波长比 5G 短得多，这意味着天线元件之间的间距必须更小。这就需要更精确地控制每个元件的相位和振幅，以实现精确的波束控制。此外，由于太赫兹信号的波长较短，它们更容易受到墙壁和建筑物等障碍物的衰减和干扰。这意味着波束控制必须更加精确，以避免这些障碍。
- 封装元件
对于 6G 来说，极有可能拥有大量的天线元件。考虑到超高频（接近 THz），每个天线元件的尺寸将非常小，天线元件之间的距离（半波长）也将非常小。在实现这种类型的天线阵列时，应将一些电子电路连接到每个天线元件。这意味着电子电路应该封装在非常小的空间中，如下面的示例案例中所述：
- 在 500GHz 下使用 10000 个天线元件工作，可以将所需阵列的尺寸缩小到仅 3 cm×3 cm，元件间隔为半波长，即 0.3 mm。射频电子元件必须具有相同的尺寸，以最大限度地缩短太赫兹互连的长度，这是一项重大的研究挑战。
- 每个芯片必须具有多个收发器。例如，一个 3 mm×3 mm的芯片可以有 100 个收发器，而在 10000 个天线元件阵列中需要使用 100 个这样的芯片。天线可以在芯片上或芯片外实现，其中芯片上天线的效率通常较低，但它们消除了芯片到载波接口中的损耗。
- 散热
部分是由于电子电路过于紧凑，主要是由于大多数电子电路在如此高的频率下工作效率不佳，散热也可能成为一个严重的问题，如下所述:
由于太赫兹收发器的效率较低，散热面积将非常小。如果每个收发器消耗 100 mW，则阵列的总功耗将变为 1 kW，这对系统无法持续工作有重大影响。如果散热问题变得过于严重，可能必须考虑使用更稀疏的阵列，例如，使用基于压缩传感的阵列减薄原理，使波长元件间距超过一半。
然而，这将导致需要管理的旁瓣，这反过来又可能对与现有或相邻业务的频谱共享构成限制。
- 生成相干和低噪声本振（LO）信号
为了实现超大型天线阵列（例如，10000 个元件），可以将阵列实现为多芯片解决方案。如果所需的芯片数量变多，则需要向所有芯片提供/分配相干和低噪声的 LO 信号，如下所述:
在芯片上生成一个中央 500GHz 信号以分发到所有收发器（可能是 100 个）似乎不切实际，因为它会在缓冲区中消耗非常大的功率。因此，具有局部锁相环（PLL）的分布式解决方案更具吸引力，因为可以将较低频率的参考分布在芯片上。然后，不同 PLL 的相位噪声将是不相关的；同时使用多个 PLL 信号可以实现低噪声波束。
另一方面，这样做会导致在形成凹槽时深度减小，从而限制多个同步光束的性能。为此，在选择 PLL 的数量时需要权衡。
尽管如此，考虑到 LO 信号分配的高功率，大量的 PLL 似乎是有利的。在如此高的频率下，单个振荡器难以达到高谐振器能量，这使得通过增加系统中的振荡器数量来增加总能量变得很有吸引力。使用大量 PLL 也提供了 LO 波束成形的可能性，因为可以精确控制 PLL 相位。
无论 LO 架构如何，另一个挑战是振荡器的频率调谐，因为可变电抗的品质因数与工作频率成反比。
因此，在太赫兹频率下，应研究其他调谐机制，例如使用电阻进行调谐。
如何克服挑战？
现在让我们思考如何克服上面列出的挑战？目前我们还没有任何明确的解决方案。即使我们现在有一些候选解决方案，我们也不知道该解决方案是否会被 6G 所采用。
- 更高的频率： - 超材料：这些人工工程材料具有独特的特性，可以帮助设计在更高频率下具有更好性能的天线。 - 基于石墨烯的天线：石墨烯具有出色的电气和热性能，使其适合设计紧凑高效的天线以实现更高频率的操作。
- 路径损耗： - 大规模 MIMO：在发射器和接收器处使用大量天线来提高信号强度并减少路径损耗。
- 波束控制： - 相控阵天线：这些天线使用一系列元件来创建可操纵的波束，该波束可通过电子方式控制，从而提高覆盖范围并减少干扰。 - 自适应波束成形：使用信号处理技术动态调整天线方向图，优化覆盖范围并最大限度地减少干扰。
- 封装电子产品： - 3D 集成：垂直堆叠电子元件而不是水平堆叠电子元件可以减小元件的尺寸并实现更紧密的包装。 - 系统级芯片（SoC）技术：将多个电子元件集成到单个芯片中可以减小系统的整体尺寸和复杂性。
- 散热： - 高效的热管理系统：实施先进的冷却技术，例如热管或均热板，有助于有效散热。- 选择合适的材料，具有更好的热性能或较少的热量产生，并在 6G 候选频谱范围内保持足够高的性能。 - 氮化镓（GaN）技术：与传统的硅基器件相比，基于 GaN 的电子产品具有更高的导热性，并且可以在更高的温度下运行，从而实现更好的散热。GaN 能否在亚太赫兹到太赫兹范围内表现良好仍然值得怀疑。让我们拭目以待，因为技术正在改进。 - 基于石墨烯的器件：石墨烯具有出色的导热性，明显高于大多数半导体，包括 GaN、InP 和 InGaAs。这种出色的导热性使石墨烯基器件非常适合高频应用中的散热。此外，石墨烯的高电子迁移率允许设备高效运行，从而可能降低功耗和热量产生。 - 磷化铟（InP）：与硅相比，InP 具有更高的导热性，但低于 GaN。虽然 InP 可能无法提供与 GaN 或石墨烯相同水平的散热性能，但其高电子迁移率和对高频应用的适用性使其成为亚太赫兹和太赫兹器件的有前途的候选者。 - 砷化铟镓（InGaAs）：InGaAs 的导热系数低于 GaN 和 InP。然而，与 GaN 和硅相比，它具有更高的电子迁移率，这可能会在高频应用中实现更好的整体器件性能。InGaAs 的低导热率可能是一个散热挑战，但通过实施适当的热管理技术，它仍然是高频应用的可行选择。
- 生成相干和低噪声本振（LO）信号： - 光电振荡器（OEO）：这些振荡器使用光信号产生高频、低噪声的 LO 信号，从而提高系统的整体性能。 - 锁相环（PLL）技术：PLL 可以通过使振荡器的频率与参考信号的频率同步来帮助生成稳定、低噪声的 LO 信号。
