迈向6G：选择能应对未来挑战的天线类型（原载于《Microwave Journal》24年10月号）

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迈向6G：选择能应对未来设计挑战的天线类型

摘要：天线是任何无线系统中的关键部件，在促进无线通信方面发挥着至关重要的作用。第六代（6G）和未来通信系统的天线预计将具有高指向性、超宽带宽和高效可重构性。为了满足这些不断发展的要求，人们构思并提出了各种天线设计方案。针对6G和未来通信系统，已经确定了亚太赫兹（100至300GHz）和太赫兹（0.1至10THz）频谱。这些高频段具有高路径损耗和高大气吸收的特点。本文阐述了超越5G应用的天线的先决条件，解决了相关的设计挑战，研究了适合6G和未来通信系统的各种天线类型，并提供了针对特定用例（如无处不在的移动宽带(uMBB)、超可靠和低延迟通信（uRLLC）、频谱（包括毫米波和太赫兹）和赋能技术选择天线的综合指南。三类突出的天线受到特别关注：贴片天线、超大规模多输入多输出（emMIMO）天线和可重构超材料（metamaterial，人工特异电磁材料）天线。

到2030年，无线连接领域将有超过900亿台互连设备。¹全息呈现、触觉互联网等新兴用例以及包括超高清视频应用在内的无处不在的连接需求推动了连接的激增。这些变革性模式需要前所未有的特性，如巨大的带宽、更强的数据流量处理能力、极低的延迟和更高的可靠性。^2,3

天线是这些连接设备的核心，在无线通信中发挥着根本性的作用。所有电子通信系统和无线网络设备都有天线或充当天线的元件，用于传输和接收电磁信号。⁴满足6G和未来通信系统要求的天线应具有高指向性、智能可重构、超宽带和高效率。

本文对6G进行了全面探讨，划分了6G和未来通信场景对天线性能的关键要求，回顾了适用于这些场景的各种天线类型，并概述了正在进行的未来通信系统天线设计和开发的前瞻性方向。

通往6G之路

为了提供语音服务，1980年代推出了第一代移动通信，即1G，数据传输速率为2.4kbps。然而，由于其模拟传输的性质，1G存在着容量小、传输不稳定和安全性不足等局限性。为解决这些问题，1990年代出现了利用数字调制技术的第二代（2G）网络。全球移动通信系统（GSM）的数据传输速率为64kbps，2G不仅促进了传统的语音通信，还引入了加密数据服务，如短信服务（SMS）。1G和2G系统都植根于公共交换电话网（PSTN）。⁵

第三代（3G）移动通信网络是在2000年左右开发的，以满足对各种数据服务日益增长的需求，包括互联网浏览和视频通话。为满足日益增长的需求，利用码分多址（CDMA）和频分多址（FDMA）创建了微波接入（WiMAX）、宽CDMA、CDMA-2000和同步时分多址（TD-SCDMA）的全球互操作性。⁶3G网络提供高达14Mbps的数据传输速率。⁷

第四代（4G）移动通信标准于2009年推出。它被称为长期演进（LTE），同时使用频分双工（FDD）和时分双工（TDD）模式。与早期技术相比，4G的正交频分复用（OFDM）技术提高了数据传输速率和空间效率。随着数据传输速率的不断提高，多输入多输出（MIMO）和协调多路传输/接收（CoMP）技术被引入，以支持更高的数据传输速率、更大的MBB连接和更高的传输带宽。2011年，LTE移动通信标准升级为LTE-Advanced，允许使用免授权频谱。^7,8

目前的第五代（5G）技术采用非正交多址接入（NOMA）技术，可实现近100Gbps的数据传输速率。不过，未来的6G网络预计将使用人工智能驱动的MIMO-OFDM收发器，数据传输速率可能高达1Tbps。5G网络采用大规模多输入多输出（mMIMO）和波束分割多址接入（BDMA）来提高系统容量，其中BDMA可根据用户的位置为其分配正交波束。⁹

认识到现有无线通信技术在处理激增的数据流量和新应用方面的局限性，6G网络正成为下一个前沿领域。这些网络旨在满足不断发展的用例和应用场景，有望实现可靠的超高数据速率、极低延迟、高效率和无处不在的连接。^3,6,10表1概述了从1G到6G移动通信的主要特点。

表1：1至6G通信技术的主要特点

6G关键性能指标

6G网络旨在提供无处不在的连接、超高数据速率（1Tbps）、超低延迟（<1ms）、超高可靠性、超高带宽、增强安全性和智能通信（图1）。这些关键性能指标(KPI)的数值可从Alqahtani获取。¹¹

图1：6G关键性能指标。

6G的新颠覆性用例（图2）将带来巨大的带宽，从而消耗更多能源。²为了降低能耗并增加云无线接入，人们提出了高效的网络规划和分配方案。6G预计将提供无处不在的连接。这将通过结合地面和卫星通信、无人驾驶飞行器（UAV）、高空平台（HAP）和异构网络来实现。6G通信系统将提供超可靠和高度安全的数据传输。为此，它将利用人工智能、区块链技术和量子通信来提供超安全可靠的连接。

图2：6G颠覆性用例。³

6G发展有三大驱动力（图3）：移动流量的爆炸式增长、新的使用场景和颠覆性用例。预计到2030年，机器对机器（M2M）连接数将超过900亿。^1,12目前，对超高清视频应用、增强屏幕分辨率、M2M通信、车对车(V2V)通信和移动云服务的需求很高。5G将无法有效满足这些需求。6G的功能将使其能够用于这些应用以及全息型通信(HTC)、扩展现实、全球泛在连接、智能交通、远程医疗和触觉互联网等其他应用。^13,14

图3：6G技术的驱动因素。

5G最初是为满足三种服务场景而开发的：大规模机器类通信（mMTC）、uRLLC和增强型MBB（eMBB）。这些5G服务场景无法满足未来通信用例（图2）的需求。6G的新用例包括uMBB（在整个地球表面提供移动通信）和海量URLLC（mURLLC）。¹⁵

6G赋能技术

6G推动因素和新技术如图4和表2所示。新兴无线技术将依靠新的空中接口、新的频谱、新的模式、新的网络和新的架构来提供超可靠的数据传输。

图4：6G推动因素

表2：未来的通信赋能技术

新的空中接口

有源多输入多输出天线阵列已广泛应用于4G和5G。然而，快速衰减、高传播损耗、低衍射和低非视线路径分集¹⁶是我们迈向极高频率时面临的挑战。6G和未来的通信将从小型MIMO和有源天线发展到mMIMO和可重配置的智能表面。¹⁷这些新的空中接口有望提高系统容量、频谱/空间效率和复用增益，同时允许传入的电磁波向所需方向反射。

新频谱

随着联网设备数量的不断增加，广泛使用的毫米波频谱将不足以适应新的使用场景。预计未来的通信技术将通过使用太赫兹频谱（0.1至10太赫兹）、¹⁸可见光通信（VLC）（400至800太赫兹）和光无线通信（OWC）来满足宽带和高数据速率的需求。¹⁹目前正在开展大量工作，以确定与新频谱相关的使用参数、挑战和部署方案。

新范例

人工智能将是6G最重要的推动因素之一。²⁰可以预见，6G将从目前的传统计算转变为集处理、存储、传感、分布式通信和资源控制于一体的大规模计算机，从而提供普适计算服务。^21,22人工智能、边缘计算、区块链和数字孪生将实现网络架构的智能重构，提供安全的端到端数据传输和网络资源的高效利用。²³

新联网

目前部署的5G核心网络无法满足未来通信系统的互联网工作需求。软件定义无线电（SDR）和网络功能虚拟化（NFV）²⁴，以改善6G及以后的无线接入网（RAN），而使用软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的RAN切片²⁵和开放式RAN26是提供集中、高效网络资源分配的潜在方法。然而，虚拟网络数量的增加、SDR控制器的放置和流量管理都是令人担忧的问题。²⁷

新架构

过去和现在使用的网络技术都是为了实现网络接入点与地面用户设备之间的二维（2D）连接。然而，在6G和未来的通信系统中，我们设想的是一个空间与地面集成网络（ISTN）。ISTN由三层组成：空中层（由无人机和HAP提供动力）、太空层（由卫星实现）和地面层（地面基站）。²⁸这些层将协同工作，以实现6G和未来通信系统无所不在的连接承诺。

用于6G和未来通信系统的天线

在6G以数据为中心和大带宽要求的推动下，30至300GHz的毫米波频率和0.1至10THz的太赫兹频率将被用于6G及未来通信系统。³⁰本节将讨论满足6G和未来通信系统要求的天线。

6G天线要求

未来通信的天线尺寸预计会很小，从微米到毫米不等。³¹这归因于高工作频率（频率越高，波长越小）。因此，首先要考虑的是尺寸问题。制造和测量微型天线是一项关键任务，需要适当的材料、技术、设施和设备。

下一个考虑因素是增益。6G预计将提供极高的频谱/空间效率。为实现这一目标，需要高增益、高指向性的天线。这可以减少高大气吸收和高路径损耗。³²6G所连接设备的方向和位置并不固定，因此，天线应可智能地重新配置，以提供全面的天线波束覆盖、高指向性和稳定的辐射方向图。表3总结了天线在5G之后的最佳性能要求。

表3：6G及更高版本的天线要求

面向6G及更高频率的天线设计

高路径损耗和大气吸收是亚太赫兹和太赫兹通信面临的挑战。^12,33本文将用于6G和未来通信的天线分为三种类型：贴片天线、大型阵列天线（emMIMO）和超材料天线。

贴片天线

贴片天线的应用最为广泛。在6G中，贴片天线的设计频率分别为亚太赫兹和太赫兹频段的下半部分，需要集成多个元件以提高其性能。例如，图5所示的是齿形插入式馈电贴片天线。该天线基于罗杰斯5880衬底制造，工作在0.19太赫兹谐振频率下的亚太赫兹频段。³²回波损耗为47.71dB，增益为9.58dB。

图5：齿形嵌入式馈电贴片天线。³²

另一个例子是超宽带(UWB)共面波导馈电微带贴片天线，它也是在Rodgers 5880衬底上制造的，并使用ANSYS HFSS进行设计，工作频率为23至150GHz（图6）。³⁴其增益随频率逐渐增加，在150GHz时达到峰值14.8dB，在90GHz时效率最高。

图6：CPW馈电UWB微带贴片天线。³⁴

贴片天线的带宽相对较小。^35,36然而，Hedayatullah等人³⁷为6G sub-THz频段推出了一种宽带孔径耦合贴片天线。在90至128.5GHz的宽频率范围内，峰值增益为7.95dBi，|S₁₁|≤-10dB。此外，Jeyakumar等人的研究成果³⁸还描述了一个由石墨烯制成的微带贴片，其工作频率为0.1THz，该贴片的设计和建模使用了CST和ANSYS。其回波损耗为27.7dBi，辐射效率为98.30%，带宽为10.4GHz。

在相关工作中³⁹，为6G认知无线电应用开发了一种可重新配置的圆形贴片天线（图7）。该天线尺寸为30x22x1.6mm³，设计简单，通过使用PIN二极管改变其方形环直径，可轻松重新配置到其他所需的频率。该天线的工作频率为3至11GHz，峰值增益为4.8dBi。

图7：UWB频率可重构天线。³⁹

大型阵列（emMIMO）

mMIMO是一种蜂窝技术，在这种技术中，接入点配备了大量的天线阵列³³，以改善波束赋形和覆盖范围。mMIMO技术目前用于5G网络；然而，人们设想在6G网络中使用数百甚至数千个阵列天线，以实现超高频谱分辨率、广覆盖和高指向性信号。^40,41这种新技术就是超大规模多输入多输出（emMIMO）。MIMO是一、二百个阵元，mMIMO是数百个阵元，而emMIMO是一个新名词。预计6G emMIMO天线将由数千个阵元组成。这一发展仍处于初步阶段。

用于确定emMIMO天线性能的参数包括包络相关系数(ECC)，它定义了相邻天线阵元之间的相关性；分集增益，它表示天线的质量和可靠性；信道容量损耗(CCL)，它定义了在通信信道损耗几乎为零的情况下可传输数据的最大限度；平均有效增益(MEG)，它是MIMO天线功率与天线各向同性接收功率之比。³⁰

以下是有关MIMO构建模块研究的几个例子，这些研究可能会带来有效的mMIMO和emMIMO解决方案：

图8是在0.4毫米FR4基板上紧密间隔的16端口2×2模块阵列MIMO天线。⁴²该天线的工作频率为7.025至8.4GHz。为了实现56bps/Hz的高频谱效率，模块阵列是一个16×8 MIMO系统，由16个接收天线和8个空间流组成。

图8：16端口2×2模块阵列天线。⁴²

Khaleel等人的研究⁴³描述了在130×85μm²聚四氟乙烯衬底上由石墨烯等离子体制成的双端口THz MIMO天线。它具有0.006的低CCL、一致的辐射方向图、紧凑的尺寸、0.000168的低包络ECC、7.23dB的高增益和0.6THz的宽阻抗带宽。

Wu和Zhang⁴⁴在厚度为10μm的二氧化硅衬底上设计了一个7.1至13THz的石墨烯基天线（图9），尺寸为100x100μm²。在11THz频率下实现了8.3dB的高增益，回波损耗为30dB。该天线的ECC小于0.005dB，分集增益为9.97dB，能够在太赫兹点对点无线通信的mMIMO应用中发挥作用。

图9：基于石墨烯的THz MIMO天线。⁴⁴

超材料(MM)天线和可重构智能表面(RIS)

MM是一种具有不同于自然界材料特性的材料，其电磁特性可用电导率（ε）和磁导率（μ）来描述。^45,46MM能够吸收不需要的辐射，只允许需要的辐射，提高天线增益，控制散射，提高带宽，并智能地将信号导向所需的用户。^47-49

Muqdad等人⁵⁰描述了一种用于6G的新型超表面可重构天线。超表面是在FR4环氧树脂基板上制造的，它集中了天线的主波束，从而增强了指向性。该天线的谐振频率为1.35GHz，不需要任何机械运动，因此具有智能性。

Xie等人⁵¹提出了一种工作频率在50至102GHz之间的超宽带消色差金属天线。该天线由一个凸状金属膜和一个凹状金属膜组成。该天线在68GHz时的增益为23.27dBi，回波损耗大于15dB。

Muqdad等人⁵⁰建议使用PIN光电二极管创建一个超表面天线，其辐射特性可通过光学控制实现，用于6G移动通信应用（图10）。该天线的工作频率为0.978-1.73GHz，回波损耗大于10dB，在1.35GHz时的峰值增益为9dBi。该天线是一个矩形贴片，包含一个三阶H树分形槽。辐射器位于超表面层之上，超表面层与辐射器之间有一个小气隙。超表面层是由单元格组成的晶格结构，单元格之间通过PIN光电二极管连接，从而实现天线的重新配置。

图10：用于6G的光子控制超表面天线。⁵⁰

Ghzaoui等人⁴⁸提出了一种高增益圆极化天线，该天线采用μ负MM板，折射率接近零。为了实现高增益和圆极化，该天线采用了基底集成波导（SIW）方法，装载了一个紧凑的方形分裂环谐振器，并以六边形结构作为unit cell。该天线在100-280GHz的宽频率范围内进行了仿真，在223GHz时记录到11.3dBi的峰值增益。虽然实现了高增益和良好的交叉极化，但该天线无法重新配置。

为了提高线性馈电天线阵列发射的许多波束的增益，同时考虑到多层传输，Lee和Kim⁵²开发了一种大孔径超材料透镜天线(MLA)。该天线由28×28个单元组成，由一个1.6dBi的偶极子天线馈电。MLA在共振频率为28GHz时可获得14dBi增益。获得高增益的原因是他们提出了一个新颖的信道模型，该模型考虑了辐射方向图、方位辐射方向图和超材料馈电（meta feed）。

贴片天线、大型阵列和超材料天线的比较见表4。

表4：用于6G和未来通信的贴片天线、大型阵列和超材料天线的比较

研究方向

6G和未来通信系统将需要极大的带宽来提供所承诺的超高数据传输速率。这就需要一种指向性强、可智能重新配置并具有宽带宽的天线。以下是为6G及未来通信系统设计天线的重要方向：

• 可重构天线的智能调谐技术：未来的工作应深入研究专为可重构天线量身定制的智能调谐技术。智能调谐机制可大大提高天线在动态通信场景中的适应性和性能。

• 低参数（介电常数和磁导率）超材料设计：随着我们向智能可重构表面迈进，开发接近零或负介电常数和磁导率的超材料是一个开放的研究领域。此类材料的设计将减轻色散效应，有助于提高天线在信号传播和传输方面的性能。

• emMIMO天线的阵列耦合和信道建模：研究emMIMO天线的阵列耦合和综合信道建模的复杂性，有可能优化其功能。了解和优化这些方面对于充分利用其功能至关重要。

• emMIMO的带宽优化技术：关注emMIMO天线的带宽优化是未来天线设计的一个重要方面。研究工作应探索创新技术，最大限度地利用可用带宽，确保高效和高容量的通信网络。

这些建议的方向不仅符合6G和未来通信系统不断发展的要求，还为天线设计的创新和突破开辟了新途径。通过应对这些挑战，研究人员可以为天线的开发做出贡献，这些天线不仅能够满足未来通信系统的需求，还能推动无线技术的发展。

结论

6G网络旨在提供超高数据传输速率（>100Gbps）、超低延迟（<1ms）、无处不在的宽带连接、超高安全性、超高可靠性并实现智能通信。为实现这些目标，预计将使用亚太赫兹和太赫兹频谱。高路径损耗和大气吸收是此类高频率通信所面临的关键挑战。为了减轻这些挑战，需要高指向性、超宽带和智能可重构的天线。目前已提出了几种类型的天线，并将其分为三类：贴片天线、超大阵列天线（emMIMO）和超材料天线。本文旨在为设计和选择天线提供指导，以满足6G和未来通信的复杂要求。

参考文献（略，见英文原文）