6G与毫米波通信对材料之挑战

作者: 陈来成 博士, 浙江清华柔性电子技术研究院首席科学家

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1.前言

全球首届6G峰会于2019年3月在芬兰举办，来自各国的通信专家，商议拟定了全球首份6G白皮书，明确6G发展的基本方向；中国在“十四五”规划纲要中也明确提出布局6G网络技术储备，并成立IMT-2030（6G）推进组，推进6G各项工作。2021年6月，推进组正式发布《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书，揭示了6G潜在的架构与应用场景。然而，制作可以实现这些愿景的基本器件，在技术层面上仍充满了挑战。尤其当6G频率达到太赫兹(Terahertz)波段，无论是材料或是器件结构都有许多瓶颈，这些瓶颈在近十年中已有部分方案正在开发中。本文从白皮书所揭露的愿景与技术指标中分析高频波段对材料分子结构之影响，并从6G通信的各个功能环节剖析各器件在材料方面的技术瓶颈与解决方案，期盼能抛砖引玉为2030年6G的发展奠定健全的产业基础。

通信技术的发展是近代生活形态产生巨大改变的技术之一。从1G到5G的技术发展过程中，把通信从语音传递、数字传递、因特网带到云端、宽带，进而进展到物联网。6G的愿景则是在改变社会形态、发展高质量经济与永续环境三大理念下，达到智能、沉浸与全面涵盖的目标，并开拓沉浸式云XR、全息通信、感官互联、智慧交互、通信感知、普惠智能、数字孪生、全局覆盖等八大应用场景，实现智能城市、智慧交通、自动驾驶、车联网、工业物联网、远程医疗，AR/VR大视频等愿景。而这些愿景则架构在大规模物联网、低延迟信号的可靠传递与增强型移动宽带等基础上。6G通信关键的技术指标如图1所示。其中峰值传输速度高达100Gbps~1Tbps；通信延迟小于0.1毫秒，终端链接密度高达107/km2。这些指标势必驱动通信频率往毫米波、太赫兹的高频率频谱推进。

△图1：6G关键技术指标与其效能提升比较

太赫兹通信是6G核心关键技术之一。其中，太赫兹的频段是电学与光学的交界过渡波段，而且一直以来，太赫兹间隙(Terahertz gap)就是科学与工程挑战与拓荒频谱段。近十年来在此波段的研发成果或将藉由6G通信的需求而大放异彩。

根据电磁波光子能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积(E=hv)可知，当通信频谱从微波到毫米波，进而靠近太赫兹甚至到可见光波长，其能量逐渐增大，并逐渐达到影响分子的能力，如在微波范围极性分子会受微波影响而转动；当通信频谱进入到太赫兹范围，其能量就足以使氢键甚至共价键发生分子间的振动，进而影响材料的介电常数(如图2所示)。因此，相较于过去低频时代，在6G通信开发时对于材料的选用需及早关注与发展。下面就剖析通信机制的各环节，讨论6G高频通信下材料技术瓶颈与目前可能的解决方案。

△图2：6G频谱段在光谱位置与电磁波能量影响分子型态

靠近太赫兹甚至到可见光波长，其能量逐渐增大，并逐渐达到影响分子的能力，如在微波范围极性分子会受微波影响而转动；当通信频谱进入到太赫兹范围，其能量就足以使氢键甚至共价键发生分子间的振动，进而影响材料的介电常数(如图2所示)。因此，相较于过去低频时代，在6G通信开发时对于材料的选用需及早关注与发展。下面就剖析通信机制的各环节，讨论6G高频通信下材料技术瓶颈与目前可能的解决方案。

通信机制的主要环节是终端器件(如手机)与中枢(如基地台)透过天线收发进行信号传递，这些动作由多个模块集合而成的系统完成，而模块则是由芯片、被动组件、电路板所构成（如图3所示）。6G通信器件材料会因为系统高频化、微小化与集成化所带来的散热、电磁干扰等问题，进而产生新材料与新结构的需求。

△图3：6G通信机制之硬件环节在高频化、集成化与微小化对材料之挑战

数字通信架构是由数字基带芯片的调制解调功能，进行固定编码、波束赋形控制等数字处理，然后经由AD/DA、中频信号、混频模块、信号放大和波束赋形系统中的幅相控制等射频收发系统芯片传送到功率芯片，如图4所示。

△图4：各通信芯片功能与分工

其中，功率芯片包括功率放大器、低噪声放大器、开关等功能，是毫米波与高频通信的核心器件。对于6G高速与高功率需求，化合物半导体拥有比硅基半导体更适合高频组件的先天特性(图5)，如砷化镓的电子迁移率是硅的6倍，因此比硅更适合做高频组件。因此，可预见的是在毫米波范围，化合物半导体组件如砷化镓高电子迁移率晶体管(GaAs pHEMT)、氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)和磷化铟异质结双极型晶体管（InP HBT）等将会是主流。然而目前产生太赫兹以上频率的芯片，是6G高频段目前的瓶颈之一。

△图5：化合物半导体特性比硅基更适合高频、高压组件，而太赫兹段芯片则有待开发

传统产生太赫兹波段电磁波方式是利用速度极快的飞秒激光经过光导天线(photoconductive antenna)激发砷化镓产生光电流，进而藉由电磁感应可以产生太赫兹波段电磁波。虽然目前藉由微机电的技术可以把透镜、光导天线等组件微型化，但是整合激光光源仍有一定的难度。通过电子在量子阱导带中子能级之间的跃迁实现激光发射的量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)是产生太赫兹波的另一途径。与传统p-n结型半导体激光器原理不同，固态的量子级联激光器的发光波长不是由半导体能隙来决定的。QCL激方案是利用在半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态之间产生粒子数反转，从而实现单电子注入的多光子输出，并可以通过改变量子阱层的厚度来改变发光波长。目前中红外区域（2.75-25µm）激光器已经成熟商品化并应用于气体侦测，是6G通信太赫兹波段具有潜力的技术(图6)。

△图6：利用太赫兹光导天线与量子级联激光器可以产生太赫兹波段电磁波

芯片与许多被动组件被固定到电路板组成模块，其中电路板是由介质层与金属导电层组成。在6G高频段下，介质层极性分子结构容易吸收能量造成讯号传递的损失与延迟。讯号在电路板传递速度/损失与介质层的介电常数(dielectric constant,Dk)、介电损耗(tand)的关系如图7所示。

△图7：高频讯号传递速度与损耗需要低较电常数与介电损耗材料，目前PTFE、LCP适用于6G应用

由以上的公式可以看出低介电常数与低介电损耗是6G高频电路板的必要条件。在高频下能够维持低介电常数与介电损耗的介质首推极性极低的氟系高分子(PTFE)与液晶高分子(LCP)材料。惟这两种材料活性极低，成膜加工困难，是应用的瓶颈。

交流讯号在铜箔传递时，讯号深度(趋肤深度)与频率有关，即所谓的趋肤效应。当频率高达100 GHz时，趋肤深度为0.21µm，到1THz则为0.06µm(图8)。因此，在6G应用时，恐怕得表面粗糙度极低的无轮廓铜箔方能满足需求。

△图8：6G高频讯号传递的趋肤效应带来极低表面粗糙度的铜箔规格

无轮廓铜箔所衍生的问题是铜箔与介电层键合的问题，尤其高频使用的PTFE/LCP与无轮廓铜箔靠机械投锚效果的键合难以实现，浙江清华柔性电子技术研究院开发的表面分子化学修饰键合的方式，在LCP覆铜板开发找到解决方案。

天线是通信收发的重要组件，可以预见在6G高频、短波长的情境下，无论是移动终端还是基地台的天线材料与结构都将有革命性的改变。

移动终端天线

天线尺寸与频率成反比，到毫米波时天线尺寸可以低到毫米尺度，因此移动终端天线已经可以从独立天线整合到模块。随着频率从毫米波推进到太赫兹范围，天线也从电路板发展到5G的封装天线(Antenna in package, AiP)、片上天线（Antenna on chip, AoC）。到了6G，为了降低传输距离与尺寸微小化，天线阵列势必与其他芯片高度整合，形成系统封装(System on package, SoP)，结构如图9所示。

△图9：移动终端天线从电路板、AiP、AoP到SoP的演进

在太赫兹波段，天线接收电磁波后需要探测器将电磁波转为电讯号。目前在0.1 THz到10THz的范围内并没有适用商品化的探测器。近几年除了量子阱探测器(Quantum well photodetectors, QWP)外，如石墨烯、纳米碳管等纳米材料也被证实对太赫兹波段有高效率的探测能力，具有商品化的潜力，如图10所示。

△图10：QWP与纳米材料太赫兹波侦测器

基地台天线

在6G无远弗届、普惠智能的愿景与短波通信容易被屏障的限制下，具有低成本、低功耗、涵盖大量频率范围、主动波束赋形的超大规模多进多出(ExtremeMIMO)天线技术是6G发展的关键技术之一，而可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface, RIS)通过对无线传播环境的主动定制，可根据所需无线功能，如减小电磁污染和辅助定位感知等，对无线信号进行灵活调控。可重构智能表面RIS是实现6G全局覆盖、无缝立体超级连接的关键。6G可重构智能表面的功能需求为自然界不存在的超材料(metamaterials)开创了一个非常庞大的应用空间(图11)。

△图11：6G可利用超材料对电磁波的调控性构建RIS基地台天线

通信技术从1980年代的1G发展至今40余年，以每十年一个世代估算，物物互联的6G时代大约在2030年。6G白皮书揭露了许多未来发展的愿景与指标，但是这些愿景与指针却需要物理层面的系统、模块与器件来实现，而材料则是构成这些物理层面器件的基本元素。在6G高频太赫兹波段，电磁波已经达到可影响材料分子极性的能量。这对材料工程来说，是一个值得开拓的荒芜区域。从太赫兹射频发射与接收、低介电常数介质、无轮廓铜箔、到可重构智能表面的超材料等都是新材料开发的范畴。此外，因微型化带来高度集成系统所衍生的散热与电磁干扰问题，也需要有别于目前应用的新结构与新材料来解决。毫米波与6G通信对材料的挑战无疑是巨大的，然此挑战背后也隐含巨大的商机，值得现在就发掘与布局。

参考文献

1. IMT-2030(6G)推进组,“6G总体愿景与潜在关键技术”,2021.6

2.M. H. Alsharif, et al.,“Sixth Generation (6G)Wireless Networks: Vision, Research Activities, Challenges and Potential Solutions”, Symmetry 2020, 12, 676; doi:10.3390/sym12040676

3. S. Alraih, et al., “Revolution or Evolution? Technical Requirements and Considerations towards 6G Mobile Communications”, Sensors 2022, 22, 762

4. Z. Li, et al., “Recent Advances in New Materials for 6G Communications”, Adv. Electron. Mater. 2022, 8, 2100978

5. P. Chen, et al., “An Integrated Germanium-Based THz Impulse Radiator with an Optical Waveguide Coupled Photoconductive Switch in Silicon”, Micromachines 2019, 10, 367

6. 5G 微波毫米波特别工作组, “FuTURE 论坛2020 5G 毫米波技术 白皮书”, 2020.11

7. E Pickwell and V P Wallace, “Biomedical applications of terahertz technology”, J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006) R301–R310

8. X. Yang, et al., “A flexible graphene terahertz detector”, APPLIED PHYSICS LETTERS 111, 021102 (2017)

9. Atom O. Watanabe, et al., “A Review of 5G Front-End Systems Package Integration”, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology ( Volume: 11, Issue: 1, Jan. 2021)

10. Fengyuan Yang, et al., “Terahertz Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs) for 6G Communication Links”, Micromachines 2022, 13, 285

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