6G通信系统在天线设计领域的应用

　　随着全球移动数据流量急剧增加，3G/4G/WiFi 无线通信系统的容量和性能已经无法满足人们的需求，但目前通信设备的性能还不足以满足蜂窝、环境监测、远程医疗等新型应用的要求，因此亟需研究出具有高速率、低能耗和大规模连接等特点的新一代通信系统与可穿戴技术。来自澳大利亚昆士兰大学的 Muhammad Ikram、Kamel Sultan 和 Abdulrahman S. M. Alqadami 教授与阿塞拜疆哈扎尔大学的 Muhammad Faisal Lateef 教授在 Electronics 发表了文章，总结讨论了 6G 通信系统的潜力与特点以及 5G 天线技术的最新进展 （图1），综述了目前在天线设计领域的方法和技术，并提出了新型应用对于新一代可穿戴天线的性能要求。

　　图1. 5G/卫星 6G 综合通信系统视觉示意图。

　　针对 5G 的大规模天线技术 （Massive-MIMO） 和毫米波频段是近年来的研究热点，目前主要的挑战是研发多波段与更加紧凑的天线。5G 无线通信包括微波和毫米波频段，在毫米波通信中，由于路径损耗非常高，需要采用在传播方向上具有高定向增益辐射模式的天线；同时，由于新型的移动通信设备与基站的相对位置未知，因而需要研究出能够提供具有全波束覆盖、稳定的辐射和更高指示增益的新技术。此外，在向毫米波 5G 通信过渡的过程中，3G/4G/WiFi 和 5G 仍然存在，因此，有必要使用共享孔径天线结构的集成天线模块。另一方面，覆盖区域是近期和未来通信系统的另一个重要方面，与地面通信系统互补的空间通信系统有望与 5G 系统集成，形成完全集成的6G 通信系统。

　　面向 6G 应用的通信系统

　　人们对数据速率的巨大需求导致已经在使用的 5G 技术逐渐向 6G 通信系统过渡和升级。

　　关键特性

　　6G 通信系统需要包含以下关键特性：

　　1. 连通性：6G 通信系统将利用综合卫星和 5G 网络实现大范围的物联网相互连接。

　　2. 机动性：6G 通信系统中数据通信的超低延迟将改善传输系统性能，有望实现高速智能交通系统。

　　3. 安全性：6G 通信系统通过应用深度学习和人工智能技术，提高 6G 网络在反诈骗与资产保护等方面的安全性。

　　4. 广播：6G 技术将通过同时采用卫星、电缆和移动技术，来实现提供新型多媒体服务和基础设施服务。

　　5. 普遍性：6G 通信系统将结合使用 GEO/LEO 卫星和地面网络，实现更大的覆盖范围和更高的数据速率。

　　6. 数据速率：6G 通信系统将采用大规模天线技术和毫米波/太赫兹波段，实现比 5G 网络更高数据速率。

　　6G 通信频段

　　在向 5G 通信系统过渡的过程中，3G/4G/WiFi 通信系统仍然存在，因此 6 GHz 以下的通信将继续发挥作用，并最终成为 6G 通信的一部分。在 6G 通信中，预计还将使用 30-100 GHz 的毫米波频段以及 100-300 GHz 的太赫兹频段。因此，6G 通信系统将包括 6 GHz 以下的频段、毫米波频段和太赫兹频段。

　　5G 天线、阵列和可穿戴设备

　　5G 天线可以分为波束覆盖和工作频率两种概念：根据天线的波束覆盖区别，作者在文中分别详细介绍了波束可控天线、可切换的相控阵、双极化天线的具体特征和工作特点；还根据工作频段详细介绍了 Sub-6 GHz 天线、毫米波天线、Sub-6 GHz 和毫米双频天线。此外，作者还介绍了用于 5G 共享孔径天线以及未来将应用于 6G 通信的太赫兹频段天线。

　　可穿戴天线是可穿戴电子产品的重要组成部分之一。在设计用于 5G 应用的可穿戴天线时，需要考虑保形性，以及与人体密切接触时的高稳定性和鲁棒性等。尽管目前有大量针对 4G/3G 等提出的不同种类的技术，但并不适用于 6G 先进技术的要求。作者在文中分别详细介绍了 Sub-6 GHz 5G 可穿戴天线、毫米波 5G 可穿戴天线的研究现状，具体描述了可穿戴天线技术所涉及的材料、设计和制备技术。

　　研究总结

　　本文综述了 6G 通信系统及其主要特点，并介绍了以实现高数据速率、超高安全性、低能耗的宽带互联网和大规模的物联网连接为目标的下一代 （5G/B5G/6G） 通信系统及可穿戴技术。由于通信系统中需要同时具备多种服务，因而需要在单个设备中容纳更多的天线来实现采用多种频谱。本文总结和描述了目前最先进的 5G 天线和阵列以及未来通信系统的前进方向，并且介绍了新一代 5G 可穿戴天线的特点与需求。

　　文章原文出自 Electronics 期刊

　　作者：赖寿强 博士研究生 厦门大学 电子科学与技术学院