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6G 有望带来数据速度，为智能手机、家庭、城市和自动驾驶汽车提供高度集成和响应的技术，但实现这一目标还需要做更多的工作。

到处都会有更多的天线，嵌入到城镇周围的基础设施、基站、边缘设备以及介于两者之间的一切中。它们将以不同的速度和波长发送和接收更多信号，包括一些更容易受到干扰的信号。

从物理上讲，这些新天线将比今天的巨型手机信号塔更不明显。“你可以把它们装成灯柱，”Ansys（现为新思科技的一部分）5G/6G项目总监Shawn Carpenter说。“有几家公司一直在开发路灯和 Wi-Fi 中继器的组合，或者路灯和蜂窝中继器系统，只需直接拧入螺栓插座，所以你甚至看不到它。这些塔之所以这么大，是因为它们必须承载最低频段，从而为您提供最长的覆盖范围，而这些频段是为了公共安全特性和功能。当您用手机拨打 911 时，很可能会访问需要使用最大天线的最低频段之一。这必须到位，但这些天线不必是定向的，而且你也不需要那么多天线。

从 3G 转向 6G 意味着天线必须具有多频段功能，因为需要适应较低的 LTE 频段以及一些新频段。“一旦政府机构协调了频谱，制造商就必须深入研究并说，'哦，天哪，我们一直在设计 3.5 到 4 GHz 的天线，'”卡彭特说。“现在我们必须设计 7、10、12 GHz 的天线。”这将是对天线系统的彻底重新设计。

必须解决不同的频率并适应相同的外形尺寸，这样运营商就不必花费更多的钱来建造新塔或租用新塔。“希望你能把它们全部装进一个包中，它仍然位于同一个塔上，但可以在更多频段和更宽的频段上运行。现在基站天线技术的内容比以前复杂得多，“他指出。

对于电话等小型边缘设备，较高频率使用较小的天线，但天线数量更多。毫米波频段可能有多达 16 根天线，而这仅适用于手机。

“一部手机必须准备好在全球范围内运行，并且能够处理大约 10 个频段，对于现在这样做的人来说，这将是一个相当大的设计挑战，”卡彭特说。“如果你有更高的介电性能材料，这使你能够缩小天线的尺寸，因为这些奇异材料的波长尺寸会变得更小。我们已经发展了开发适合机箱外形尺寸的天线的能力。我们现在可以打印平面天线，也可以方便地折叠它们。我们可以使用基板的一部分，或移动设备内部的载波基板来打印电话或将天线打印到系统中，然后我们想出了可以为我们调整天线的电路，使其产生谐振。当您接收信号时，这并不是特别重要。接收天线不是那么灵敏。你确实需要注意你如何设计它们，但当你发射时，天线必须非常有效地辐射你给它们的东西，否则它们辐射的东西将与它们的物理尺寸成正比。

根据英飞凌的一份应用说明，天线还可以通过一种称为“孔径调谐”的技术进行调谐，该技术通过将天线的自然谐振转移到所需的工作频段来提高天线效率。“这减少了发射器侧 （Tx） 天线驱动硬件的压力，并提高了接收器侧 （Rx） 的灵敏度。孔径调谐还允许天线同时在多个频段上进行通信，以支持载波聚合。另一种选择是天线阻抗匹配，它在天线馈电点进行，“通过补偿频率和环境影响，有助于最大限度地提高射频前端 （RFFE） 和天线之间的信号传输。

根据 Cadence 的一份白皮书，波束控制天线还需要将辐射能量从基站天线阵列引导到最终用户，同时克服在这些频率下发生的更高路径损耗。“幸运的是，较短的波长转化为更小的天线，这反过来又推动了更多基于 IC 的天线阵列解决方案。单片微波IC（MMIC）和RFIC设计将在未来毫米波频率下运行的5G系统的波束控制技术中发挥重要作用。随着无线通信系统的发展，将需要具有更好性能的更小设备，将基于多技术的模块设计与不同的 IC 和印刷电路板 （PCB） 工艺技术相结合。

天线的另一个挑战是交叉耦合，因为需要在更小的空间内使用更多的天线。“我们需要非常好的仿真模型来预测天线之间以及天线与封装之间是否存在某种耦合，”弗劳恩霍夫 IIS 自适应系统工程部高效电子部门负责人 Andy Heinig 说。“你真的必须小心不同天线的这种行为，以及一个天线对另一个天线的影响。”

6G将成为天线的更精细的网状配置，波长方面存在很多问题。“真正的挑战在于整个事情的电磁学，Ansys产品营销总监Marc Swinnen说。”HFSS（高频结构仿真）可以对广泛系统中的边缘节点进行建模，并评估它们的信号完整性、电源完整性、热完整性、结构完整性、天线系统和大型系统部署。

在当今的 5G 系统中，边缘计算节点内置了 5G NR 毫米波和 sub-6 GHz 无线连接功能，并结合了复杂的微服务器。6G 将包括所有这些以及更多。

5G/6G 增加天线数量的优势之一是空间敏捷性。“他们利用 5G 技术开发的一件美妙事情是能够从基站为每个用户提供自己的特殊聚光灯，”卡彭特说。“当你四处走动时，你会得到自己的私人波束，因为他们正在用基带处理器将其编码到你的信号中。这需要大量的定制芯片，因为你不能只购买现成的芯片来做这种事情。爱立信、华为、诺基亚或其他设计人员必须推出能够进行这种非常繁重处理的芯片，因为你必须弄清楚每个用户的光束重量是多少，并在用户通过真正的交互式环境时定期更新。他们可能会增加该阵列中天线元件的数量，因为他们已经有了基站天线表面的基线尺寸。他们会说，'嘿，我们习惯于使用这种尺寸的天线，所以当我们使用更高的频率时，我们可以在其中添加更多元件。如果我们添加更多元素，我们就会获得更多的敏捷性。我们可以将该用户的功率压缩到一个更紧密的光束中，并带有一个更大的电阵列。如果我们能够让硅上的处理来唯一地处理每个用户信号，那么我们就可以在它们四处移动时给它们自己的小聚光灯，并将能量集中在它们身上，最大限度地减少对现场其他用户的干扰，最大限度地减少其他基站的用户，然后我们就可以提高每个用户获得的带宽。现在你可以同时以高清流式传输 15 个猫视频。

弗劳恩霍夫的海尼格说，未来天线甚至可能具有雷达能力，但这也可能在天线集成方面产生问题。“雷达和通信对天线的要求略有不同。当然，我们在这两种情况下都有波束成形。但是你如何形成波束呢？

芯片设计和边缘人工智能计算挑战
6G 由于其更高的数据速度，将给设备带来很大压力。“关于 6G 新频谱的大量研究正在进行中，因为它的带宽可能是 4G 的 10 到 5 倍，”西门子 EDA 解决方案网络专家 Ron Squiers 说。“我们谈论的是每秒太比特的设备，而不是每秒 20 吉比特的设备。移动性有所扩展，我们将实现每小时 500 到 600 公里，而不是每小时 400 公里。这些都在 IMT 2030 的 6G 目标文件中列出，在未来 5 到 10 年内，您将在各种 3GPP 发布标准工作组中看到这些东西受到单独攻击。

普渡大学校长、2025 年 IEEE 创始人奖章获得者 Mung Chiang 表示，虽然消费类应用将继续发展，但 6G 的可扩展性和不可预测性部分将落在物理人工智能上，以表彰他在通信网络及其应用方面的领导力和研究。“对于与农业、交通和制造业交互的人工智能，或工业 4.0 机器人和自动化，6G 将推动所有其他垂直领域。这不仅仅是消费电子产品的事情。它将像电力一样——所有现代技术和垂直应用的基础。要实现这一目标，您需要更好的延迟和响应能力。不仅仅是更高的吞吐量 — 峰值吞吐量、平均吞吐量、最坏情况吞吐量，无论您使用什么作为指标。你的响应能力有多强，因为只有在响应方面有可靠和低延迟的情况下，你才能在实时决策和行动中投入稳定的控制循环和反馈。这就是流行的边缘计算将发挥作用的地方，它允许你说，“我可能无法完全准确，但我可以在为时已晚之前将其作为学习或推理作获得。当它还及时时，它就足够好了。这就是为什么边缘计算具有许多优势的原因。一是减少延迟和减少抖动。

据 Cadence 称，6G 可能会加剧现有的 5G 设计挑战，这会影响网络中的每个设备。其中：

• 5G 手机：外形尺寸承受巨大压力，需要对 RFIC/MMIC、BAW/SAW 滤波器、封装和模块进行协同设计，并具有系统级热和电磁设计分析，以及紧凑型 DSP。

• 5G无线电头：为了应对毫米波频率下发生的高信号衰减，5G 天线系统采用电子波束成形来将信号能量集中并引导到更远的距离。组件包括混合技术射频前端芯片组、多层互连 PCB 馈电网络和一系列天线元件。

• 5G 基带和边缘计算：SoC 设计包含越来越多的 CPU 和 AI 处理器内核，需要通过射频通信系统预算和杂散发射分析、电磁和热系统分析来实现基带。

• 5G 前传和回传：需要用于远程无线电头的高速光互连和光收发器，通过光收发器的集成硅光子和电子协同设计以及 100G 以太网 IP 支持来实现。

在人工智能方面，基站将承担很多繁重的工作，并且它们需要混合芯片架构。Ansys的Carpenter说：“在该接入点上，您将需要各种处理类型，这些处理类型将具有不同的架构，这些架构将适合人们将在那里应用的各种任务。“AI/ML 就是其中之一，但有很多事情正在发生。”

还需要定制芯片。“一些机器用例将非常低功耗，”普渡大学的 Chiang 说。“有些需要在所需的存储芯片类型和逻辑芯片的功率方面非常敏感。有些将运行不同的频段，因此你需要新型的模拟/混合信号前端芯片。

对于 6G 边缘设备，公司是否能够设计出满足所有条件的芯片还有待观察。“我不确定是否有一个答案可以满足你想要的一切——低功耗、高性能、高带宽、小外形——一切，”蒋说。“但你将拥有一个可以定制的套件。在该选择范围内，您可能会获得不同类型的选择。它将是 GPU、TPU 等的混合体，定制将很有用。它们必须协同工作，因为边缘设备的激增以及从云到边缘的连续体——整个迷雾——将为您提供如此多不同的配置。没有一种方法适合所有人。

图1：按协议层和技术准备情况划分的6G技术重点领域。资料来源：普渡大学

新思科技移动、汽车和消费类IP产品管理执行董事兼MIPI联盟主席Hezi Saar表示，公司可以通过在基础芯片上启用一个网络（例如3G、4G或5G）来瞄准多个市场，然后为高端产品提供6G和更强大的人工智能的第二个芯片。“一位供应商说，'我将瞄准功能手机市场和高端智能手机市场。我该怎么做？如果是 2nm，我将花费数百万美元购买它。因此，他们可能会决定做一个可以用于功能手机的基本单片芯片。它有足够的功能——比方说，三个摄像头，一个中距离显示器，一个不需要转到 6G 的调制解调器，只需 5G，存储空间有限，因此它符合他们将要追求的价格点考虑到多芯片。这意味着他们可以使用该底座，然后添加 AI 加速器，因此现在它可以做更多的 AI。有了这个额外的芯片，具有额外的 I/O，或更高的存储容量，或更高的计算 DDR 连接，与调制解调器的更高连接，现在它成为高端引擎。它是多芯片的，它可以追赶那个市场。

其他公司将专注于下一代 Wi-Fi、蓝牙和 Zigbee 芯片，并将 5G/6G 留给老牌企业。“蜂窝市场由非常强大的现有企业主导，例如高通和其他一些公司，”Synaptics 低功耗边缘人工智能高级产品经理 Ananda Roy 说。“他们必须做出很大的变化来选择新供应商，而新参与者的机会相对较低。我们希望非常专注于物联网技术，而不是更多的基础设施方面，即 5G/6G 基带技术。

砷化镓、氮化镓、硅和其他所需的发展网络
运营商和无线电制造商将需要以相同的总成本管理更高的数据能力，因此需要显着降低每比特成本。这可以通过将频段组合在一个无线电单元中来实现;采用更宽的频带以减少所需的无线电数量;减小收音机的尺寸和重量以降低塔的租赁成本;并减少每台无线电消耗的能量，以降低运营商的能源费用。为了细分 5G 无线电的这些要求，射频功率放大器 （PA） 需要支持更高的频率、显着更宽的瞬时带宽以及在宽回退范围内的高效率。这些无线电还必须能够在低于 50 dBc 的电平下进行线性化，并具有数字预失真。据英飞凌称，能够以商业上可行的价格提供这些目标的半导体技术是 RF GaN-on-SiC（碳化硅上的氮化镓）和 RF GaN-on-Si（在 Si 衬底上生长的 GaN）。

对氮化镓的需求也得到了广泛的讨论。手掌大小的天线阵列可能覆盖无线电头模块的一侧，波束控制 RFIC、收发器和 PA 从 PCB 的反面驱动它们。这种紧凑的高频模块需要具有技术意识的设计平台，这些平台支持分立和嵌入式射频元件设计和系统集成，包括设计中的电磁 （EM） 和热分析、射频电路仿真，以及工作流程支持，以使用 GaAs、砷化镓、GaN 和 Si 技术共同设计 IC、IC 封装和模块。

最近的 6G 发展：

• 用于高效 6G 功率放大器 （imec） 的 RF GaN-on-Si 晶体管

• GaN 的锁存效应为 6G 解锁了更高的射频器件性能（布里斯托大学）

• 专为 6G 无线信号处理 （MIT） 设计的光子 AI 硬件加速器

• 低成本、可扩展的 3D 芯片，将高速 GaN 晶体管集成到标准 Si 芯片上，是下一代高速通信系统 （MIT） 的理想选择

• 6G 片上基站：RISC-V 矢量处理器上的无线通信内核（德累斯顿工业大学，CeTI）

• 使用 Nordic 的小型蜂窝物联网模块与 Omnispace 和 Gatehouse Satcom 进行 5G 窄带物联网非地球静止轨道卫星演示。

正如上述 Nordic/Omnispace/Gatehouse Satcom 5G 试验所表明的那样，卫星将成为 6G 革命的关键部分。下面显示了一个示例。

图 2：与最终用户设备的直接卫星连接。资料来源：普渡大学 6G 全球路线图分类报告

结论
到 2030 年，普渡大学的 Chiang 预计边缘计算和分散式人工智能将更加普遍，以及不同类型的芯片定制、协议、用户和用例。“当我们到达那里时，人们可能会说，'我们错过了 5G。需要 6G 才能实现这一目标。其他人可能会说，'我会在应得的信用处给予 5G 信用。5G 开启了这一转变。只是其他事情需要更长的时间才能成熟——商业案例和经济性、用户体验和监管环境。如果我们谈论的是物理对象，如果您在 Netflix 流媒体上错过一个字节是一回事。如果您错过了物理对象上的一个字节，那就另当别论了。最重要的是技术将继续发展。

关键词： 6G 新天线 先进IC