發(fā)布時(shí)間：2022-09-17作者來(lái)源：金航標(biāo)瀏覽：3041
1.前言
全球首屆6G峰會(huì)于2019年3月在芬蘭舉辦，來(lái)自各國(guó)的通信專家，商議擬定了全球首份6G白皮書，明確6G發(fā)展的基本方向；中國(guó)在“十四五”規(guī)劃綱要中也明確提出布局6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)儲(chǔ)備，并成立IMT-2030（6G）推進(jìn)組，推進(jìn)6G各項(xiàng)工作。2021年6月，推進(jìn)組正式發(fā)布《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)》白皮書，揭示了6G潛在的架構(gòu)與應(yīng)用場(chǎng)景。然而，制作可以實(shí)現(xiàn)這些愿景的基本器件，在技術(shù)層面上仍充滿了挑戰(zhàn)。尤其當(dāng)6G頻率達(dá)到太赫茲(Terahertz)波段，無(wú)論是材料或是器件結(jié)構(gòu)都有許多瓶頸，這些瓶頸在近十年中已有部分方案正在開發(fā)中。本文從白皮書所揭露的愿景與技術(shù)指標(biāo)中分析高頻波段對(duì)材料分子結(jié)構(gòu)之影響，并從6G通信的各個(gè)功能環(huán)節(jié)剖析各器件在材料方面的技術(shù)瓶頸與解決方案，期盼能拋磚引玉為2030年6G的發(fā)展奠定健全的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。
通信技術(shù)的發(fā)展是近代生活形態(tài)產(chǎn)生巨大改變的技術(shù)之一。從1G到5G的技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，把通信從語(yǔ)音傳遞、數(shù)字傳遞、因特網(wǎng)帶到云端、寬帶，進(jìn)而進(jìn)展到物聯(lián)網(wǎng)。6G的愿景則是在改變社會(huì)形態(tài)、發(fā)展高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)與永續(xù)環(huán)境三大理念下，達(dá)到智能、沉浸與全面涵蓋的目標(biāo)，并開拓沉浸式云XR、全息通信、感官互聯(lián)、智慧交互、通信感知、普惠智能、數(shù)字孿生、全局覆蓋等八大應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)智能城市、智慧交通、自動(dòng)駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療，AR/VR大視頻等愿景。而這些愿景則架構(gòu)在大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、低延遲信號(hào)的可靠傳遞與增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶等基礎(chǔ)上。6G通信關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)如圖1所示。其中峰值傳輸速度高達(dá)100Gbps~1Tbps；通信延遲小于0.1毫秒，終端鏈接密度高達(dá)107/km2。這些指標(biāo)勢(shì)必驅(qū)動(dòng)通信頻率往毫米波、太赫茲的高頻率頻譜推進(jìn)。
△圖1：6G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與其效能提升比較
太赫茲通信是6G核心關(guān)鍵技術(shù)之一。其中，太赫茲的頻段是電學(xué)與光學(xué)的交界過(guò)渡波段，而且一直以來(lái)，太赫茲間隙(Terahertz gap)就是科學(xué)與工程挑戰(zhàn)與拓荒頻譜段。近十年來(lái)在此波段的研發(fā)成果或?qū)⒔逵?G通信的需求而大放異彩。
根據(jù)電磁波光子能量為普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積(E=hv)可知，當(dāng)通信頻譜從微波到毫米波，進(jìn)而靠近太赫茲甚至到可見光波長(zhǎng)，其能量逐漸增大，并逐漸達(dá)到影響分子的能力，如在微波范圍極性分子會(huì)受微波影響而轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)通信頻譜進(jìn)入到太赫茲范圍，其能量就足以使氫鍵甚至共價(jià)鍵發(fā)生分子間的振動(dòng)，進(jìn)而影響材料的介電常數(shù)(如圖2所示)。因此，相較于過(guò)去低頻時(shí)代，在6G通信開發(fā)時(shí)對(duì)于材料的選用需及早關(guān)注與發(fā)展。[敏感詞]就剖析通信機(jī)制的各環(huán)節(jié)，討論6G高頻通信下材料技術(shù)瓶頸與目前可能的解決方案。
△圖2：6G頻譜段在光譜位置與電磁波能量影響分子型態(tài)
靠近太赫茲甚至到可見光波長(zhǎng)，其能量逐漸增大，并逐漸達(dá)到影響分子的能力，如在微波范圍極性分子會(huì)受微波影響而轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)通信頻譜進(jìn)入到太赫茲范圍，其能量就足以使氫鍵甚至共價(jià)鍵發(fā)生分子間的振動(dòng)，進(jìn)而影響材料的介電常數(shù)(如圖2所示)。因此，相較于過(guò)去低頻時(shí)代，在6G通信開發(fā)時(shí)對(duì)于材料的選用需及早關(guān)注與發(fā)展。[敏感詞]就剖析通信機(jī)制的各環(huán)節(jié)，討論6G高頻通信下材料技術(shù)瓶頸與目前可能的解決方案。
通信機(jī)制的主要環(huán)節(jié)是終端器件(如手機(jī))與中樞(如基地臺(tái))透過(guò)天線收發(fā)進(jìn)行信號(hào)傳遞，這些動(dòng)作由多個(gè)模塊集合而成的系統(tǒng)完成，而模塊則是由芯片、被動(dòng)組件、電路板所構(gòu)成（如圖3所示）。6G通信器件材料會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)高頻化、微小化與集成化所帶來(lái)的散熱、電磁干擾等問題，進(jìn)而產(chǎn)生新材料與新結(jié)構(gòu)的需求。
△圖3：6G通信機(jī)制之硬件環(huán)節(jié)在高頻化、集成化與微小化對(duì)材料之挑戰(zhàn)
數(shù)字通信架構(gòu)是由數(shù)字基帶芯片的調(diào)制解調(diào)功能，進(jìn)行固定編碼、波束賦形控制等數(shù)字處理，然后經(jīng)由AD/DA、中頻信號(hào)、混頻模塊、信號(hào)放大和波束賦形系統(tǒng)中的幅相控制等射頻收發(fā)系統(tǒng)芯片傳送到功率芯片，如圖4所示。
△圖4：各通信芯片功能與分工
其中，功率芯片包括功率放大器、低噪聲放大器、開關(guān)等功能，是毫米波與高頻通信的核心器件。對(duì)于6G高速與高功率需求，化合物半導(dǎo)體擁有比硅基半導(dǎo)體更適合高頻組件的先天特性(圖5)，如砷化鎵的電子遷移率是硅的6倍，因此比硅更適合做高頻組件。因此，可預(yù)見的是在毫米波范圍，化合物半導(dǎo)體組件如砷化鎵高電子遷移率晶體管(GaAs pHEMT)、氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)和磷化銦異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（InP HBT）等將會(huì)是主流。然而目前產(chǎn)生太赫茲以上頻率的芯片，是6G高頻段目前的瓶頸之一。
△圖5：化合物半導(dǎo)體特性比硅基更適合高頻、高壓組件，而太赫茲段芯片則有待開發(fā)
傳統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲波段電磁波方式是利用速度極快的飛秒激光經(jīng)過(guò)光導(dǎo)天線(photoconductive antenna)激發(fā)砷化鎵產(chǎn)生光電流，進(jìn)而藉由電磁感應(yīng)可以產(chǎn)生太赫茲波段電磁波。雖然目前藉由微機(jī)電的技術(shù)可以把透鏡、光導(dǎo)天線等組件微型化，但是整合激光光源仍有一定的難度。通過(guò)電子在量子阱導(dǎo)帶中子能級(jí)之間的躍遷實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射的量子級(jí)聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)是產(chǎn)生太赫茲波的另一途徑。與傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器原理不同，固態(tài)的量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)光波長(zhǎng)不是由半導(dǎo)體能隙來(lái)決定的。QCL激方案是利用在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)單電子注入的多光子輸出，并可以通過(guò)改變量子阱層的厚度來(lái)改變發(fā)光波長(zhǎng)。目前中紅外區(qū)域（2.75-25μm）激光器已經(jīng)成熟商品化并應(yīng)用于氣體偵測(cè)，是6G通信太赫茲波段具有潛力的技術(shù)(圖6)。
△圖6：利用太赫茲光導(dǎo)天線與量子級(jí)聯(lián)激光器可以產(chǎn)生太赫茲波段電磁波
芯片與許多被動(dòng)組件被固定到電路板組成模塊，其中電路板是由介質(zhì)層與金屬導(dǎo)電層組成。在6G高頻段下，介質(zhì)層極性分子結(jié)構(gòu)容易吸收能量造成訊號(hào)傳遞的損失與延遲。訊號(hào)在電路板傳遞速度/損失與介質(zhì)層的介電常數(shù)(dielectric constant,Dk)、介電損耗(tand)的關(guān)系如圖7所示。
△圖7：高頻訊號(hào)傳遞速度與損耗需要低較電常數(shù)與介電損耗材料，目前PTFE、LCP適用于6G應(yīng)用
由以上的公式可以看出低介電常數(shù)與低介電損耗是6G高頻電路板的必要條件。在高頻下能夠維持低介電常數(shù)與介電損耗的介質(zhì)首推極性極低的氟系高分子(PTFE)與液晶高分子(LCP)材料。惟這兩種材料活性極低，成膜加工困難，是應(yīng)用的瓶頸。
交流訊號(hào)在銅箔傳遞時(shí)，訊號(hào)深度(趨膚深度)與頻率有關(guān)，即所謂的趨膚效應(yīng)。當(dāng)頻率高達(dá)100 GHz時(shí)，趨膚深度為0.21μm，到1THz則為0.06μm(圖8)。因此，在6G應(yīng)用時(shí)，恐怕得表面粗糙度極低的無(wú)輪廓銅箔方能滿足需求。
△圖8：6G高頻訊號(hào)傳遞的趨膚效應(yīng)帶來(lái)極低表面粗糙度的銅箔規(guī)格
無(wú)輪廓銅箔所衍生的問題是銅箔與介電層鍵合的問題，尤其高頻使用的PTFE/LCP與無(wú)輪廓銅箔靠機(jī)械投錨效果的鍵合難以實(shí)現(xiàn)，浙江清華柔性電子技術(shù)研究院開發(fā)的表面分子化學(xué)修飾鍵合的方式，在LCP覆銅板開發(fā)找到解決方案。
天線是通信收發(fā)的重要組件，可以預(yù)見在6G高頻、短波長(zhǎng)的情境下，無(wú)論是移動(dòng)終端還是基地臺(tái)的天線材料與結(jié)構(gòu)都將有革命性的改變。
移動(dòng)終端天線
天線尺寸與頻率成反比，到毫米波時(shí)天線尺寸可以低到毫米尺度，因此移動(dòng)終端天線已經(jīng)可以從獨(dú)立天線整合到模塊。隨著頻率從毫米波推進(jìn)到太赫茲范圍，天線也從電路板發(fā)展到5G的封裝天線(Antenna in package, AiP)、片上天線（Antenna on chip, AoC）。到了6G，為了降低傳輸距離與尺寸微小化，天線陣列勢(shì)必與其他芯片高度整合，形成系統(tǒng)封裝(System on package, SoP)，結(jié)構(gòu)如圖9所示。
△圖9：移動(dòng)終端天線從電路板、AiP、AoP到SoP的演進(jìn)
在太赫茲波段，天線接收電磁波后需要探測(cè)器將電磁波轉(zhuǎn)為電訊號(hào)。目前在0.1 THz到10THz的范圍內(nèi)并沒有適用商品化的探測(cè)器。近幾年除了量子阱探測(cè)器(Quantum well photodetectors, QWP)外，如石墨烯、納米碳管等納米材料也被證實(shí)對(duì)太赫茲波段有高效率的探測(cè)能力，具有商品化的潛力，如圖10所示。
△圖10：QWP與納米材料太赫茲波偵測(cè)器
基地臺(tái)天線
在6G無(wú)遠(yuǎn)弗屆、普惠智能的愿景與短波通信容易被屏障的限制下，具有低成本、低功耗、涵蓋大量頻率范圍、主動(dòng)波束賦形的超大規(guī)模多進(jìn)多出(ExtremeMIMO)天線技術(shù)是6G發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，而可重構(gòu)智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)通過(guò)對(duì)無(wú)線傳播環(huán)境的主動(dòng)定制，可根據(jù)所需無(wú)線功能，如減小電磁污染和輔助定位感知等，對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行靈活調(diào)控。可重構(gòu)智能表面RIS是實(shí)現(xiàn)6G全局覆蓋、無(wú)縫立體超級(jí)連接的關(guān)鍵。6G可重構(gòu)智能表面的功能需求為自然界不存在的超材料(metamaterials)開創(chuàng)了一個(gè)非常龐大的應(yīng)用空間(圖11)。
△圖11：6G可利用超材料對(duì)電磁波的調(diào)控性構(gòu)建RIS基地臺(tái)天線
通信技術(shù)從1980年代的1G發(fā)展至今40余年，以每十年一個(gè)世代估算，物物互聯(lián)的6G時(shí)代大約在2030年。6G白皮書揭露了許多未來(lái)發(fā)展的愿景與指標(biāo)，但是這些愿景與指針卻需要物理層面的系統(tǒng)、模塊與器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而材料則是構(gòu)成這些物理層面器件的基本元素。在6G高頻太赫茲波段，電磁波已經(jīng)達(dá)到可影響材料分子極性的能量。這對(duì)材料工程來(lái)說(shuō)，是一個(gè)值得開拓的荒蕪區(qū)域。從太赫茲射頻發(fā)射與接收、低介電常數(shù)介質(zhì)、無(wú)輪廓銅箔、到可重構(gòu)智能表面的超材料等都是新材料開發(fā)的范疇。此外，因微型化帶來(lái)高度集成系統(tǒng)所衍生的散熱與電磁干擾問題，也需要有別于目前應(yīng)用的新結(jié)構(gòu)與新材料來(lái)解決。毫米波與6G通信對(duì)材料的挑戰(zhàn)無(wú)疑是巨大的，然此挑戰(zhàn)背后也隱含巨大的商機(jī)，值得現(xiàn)在就發(fā)掘與布局。
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