隨著全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量急劇增加，3G/4G/WiFi 無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量和性能已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求，但目前通信設(shè)備的性能還不足以滿(mǎn)足蜂窩、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等新型應(yīng)用的要求，因此亟需研究出具有高速率、低能耗和大規(guī)模連接等特點(diǎn)的新一代通信系統(tǒng)與可穿戴技術(shù)。來(lái)自澳大利亞昆士蘭大學(xué)的 Muhammad Ikram、Kamel Sultan 和 Abdulrahman S. M. Alqadami 教授與阿塞拜疆哈扎爾大學(xué)的 Muhammad Faisal Lateef 教授在 Electronics 發(fā)表了文章，總結(jié)討論了 6G 通信系統(tǒng)的潛力與特點(diǎn)以及 5G 天線(xiàn)技術(shù)的最新進(jìn)展 （圖1），綜述了目前在天線(xiàn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的方法和技術(shù)，并提出了新型應(yīng)用對(duì)于新一代可穿戴天線(xiàn)的性能要求。

　　圖1. 5G/衛(wèi)星 6G 綜合通信系統(tǒng)視覺(jué)示意圖。

　　針對(duì) 5G 的大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù) （Massive-MIMO） 和毫米波頻段是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，目前主要的挑戰(zhàn)是研發(fā)多波段與更加緊湊的天線(xiàn)。5G 無(wú)線(xiàn)通信包括微波和毫米波頻段，在毫米波通信中，由于路徑損耗非常高，需要采用在傳播方向上具有高定向增益輻射模式的天線(xiàn)；同時(shí)，由于新型的移動(dòng)通信設(shè)備與基站的相對(duì)位置未知，因而需要研究出能夠提供具有全波束覆蓋、穩(wěn)定的輻射和更高指示增益的新技術(shù)。此外，在向毫米波 5G 通信過(guò)渡的過(guò)程中，3G/4G/WiFi 和 5G 仍然存在，因此，有必要使用共享孔徑天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的集成天線(xiàn)模塊。另一方面，覆蓋區(qū)域是近期和未來(lái)通信系統(tǒng)的另一個(gè)重要方面，與地面通信系統(tǒng)互補(bǔ)的空間通信系統(tǒng)有望與 5G 系統(tǒng)集成，形成完全集成的6G 通信系統(tǒng)。

　　面向 6G 應(yīng)用的通信系統(tǒng)

　　人們對(duì)數(shù)據(jù)速率的巨大需求導(dǎo)致已經(jīng)在使用的 5G 技術(shù)逐漸向 6G 通信系統(tǒng)過(guò)渡和升級(jí)。

　　關(guān)鍵特性

　　6G 通信系統(tǒng)需要包含以下關(guān)鍵特性：

　　1. 連通性：6G 通信系統(tǒng)將利用綜合衛(wèi)星和 5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大范圍的物聯(lián)網(wǎng)相互連接。

　　2. 機(jī)動(dòng)性：6G 通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信的超低延遲將改善傳輸系統(tǒng)性能，有望實(shí)現(xiàn)高速智能交通系統(tǒng)。

　　3. 安全性：6G 通信系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，提高 6G 網(wǎng)絡(luò)在反詐騙與資產(chǎn)保護(hù)等方面的安全性。

　　4. 廣播：6G 技術(shù)將通過(guò)同時(shí)采用衛(wèi)星、電纜和移動(dòng)技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)提供新型多媒體服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。

　　5. 普遍性：6G 通信系統(tǒng)將結(jié)合使用 GEO/LEO 衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍和更高的數(shù)據(jù)速率。

　　6. 數(shù)據(jù)速率：6G 通信系統(tǒng)將采用大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)和毫米波/太赫茲波段，實(shí)現(xiàn)比 5G 網(wǎng)絡(luò)更高數(shù)據(jù)速率。

　　6G 通信頻段

　　在向 5G 通信系統(tǒng)過(guò)渡的過(guò)程中，3G/4G/WiFi 通信系統(tǒng)仍然存在，因此 6 GHz 以下的通信將繼續(xù)發(fā)揮作用，并最終成為 6G 通信的一部分。在 6G 通信中，預(yù)計(jì)還將使用 30-100 GHz 的毫米波頻段以及 100-300 GHz 的太赫茲頻段。因此，6G 通信系統(tǒng)將包括 6 GHz 以下的頻段、毫米波頻段和太赫茲頻段。

　　5G 天線(xiàn)、陣列和可穿戴設(shè)備

　　5G 天線(xiàn)可以分為波束覆蓋和工作頻率兩種概念：根據(jù)天線(xiàn)的波束覆蓋區(qū)別，作者在文中分別詳細(xì)介紹了波束可控天線(xiàn)、可切換的相控陣、雙極化天線(xiàn)的具體特征和工作特點(diǎn)；還根據(jù)工作頻段詳細(xì)介紹了 Sub-6 GHz 天線(xiàn)、毫米波天線(xiàn)、Sub-6 GHz 和毫米雙頻天線(xiàn)。此外，作者還介紹了用于 5G 共享孔徑天線(xiàn)以及未來(lái)將應(yīng)用于 6G 通信的太赫茲頻段天線(xiàn)。

　　可穿戴天線(xiàn)是可穿戴電子產(chǎn)品的重要組成部分之一。在設(shè)計(jì)用于 5G 應(yīng)用的可穿戴天線(xiàn)時(shí)，需要考慮保形性，以及與人體密切接觸時(shí)的高穩(wěn)定性和魯棒性等。盡管目前有大量針對(duì) 4G/3G 等提出的不同種類(lèi)的技術(shù)，但并不適用于 6G 先進(jìn)技術(shù)的要求。作者在文中分別詳細(xì)介紹了 Sub-6 GHz 5G 可穿戴天線(xiàn)、毫米波 5G 可穿戴天線(xiàn)的研究現(xiàn)狀，具體描述了可穿戴天線(xiàn)技術(shù)所涉及的材料、設(shè)計(jì)和制備技術(shù)。

　　研究總結(jié)

　　本文綜述了 6G 通信系統(tǒng)及其主要特點(diǎn)，并介紹了以實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、超高安全性、低能耗的寬帶互聯(lián)網(wǎng)和大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)連接為目標(biāo)的下一代 （5G/B5G/6G） 通信系統(tǒng)及可穿戴技術(shù)。由于通信系統(tǒng)中需要同時(shí)具備多種服務(wù)，因而需要在單個(gè)設(shè)備中容納更多的天線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)采用多種頻譜。本文總結(jié)和描述了目前最先進(jìn)的 5G 天線(xiàn)和陣列以及未來(lái)通信系統(tǒng)的前進(jìn)方向，并且介紹了新一代 5G 可穿戴天線(xiàn)的特點(diǎn)與需求。

　　文章原文出自 Electronics 期刊

　　作者：賴(lài)壽強(qiáng) 博士研究生 廈門(mén)大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院