频率越做越高:D 波段、W 波段会成为 6G 的关键吗?(频率越高衰减越快最简单三个公式) ypxx.net

近期,村田、东京科学大学、台湾的学界与产业界,先后在 D 波段附近放出三条消息——天线模块、相控阵收发机、低成本太赫兹 SoC(片上系统)方案,方向不同,落点都是同一段频谱:支持 D 波段、W 波段的前端模块,正成为 6G(第六代移动通信)研究里学界与产业界共同的研究重点。

为什么 6G 要把频率推向 150GHz?因为现网频段能给出的连续带宽,已经难以满足下一代业务对速率的预期。频段管带宽,前端模块管把高频信号收发做出来,光模块管把带宽从天线背后接进网络。这篇把 6G 的频率坐标讲清楚,再看三条进展各自走到哪一步,最后落到光通信产业链。

01频率坐标为何抬高

通信系统提速有两条路:把频谱用得更高效,或者把频带拉得更宽。低频段的问题是太挤:广播、卫星、Wi-Fi、运营商网络挤在同一段频谱里,能腾出来的连续带宽很有限。

国际电信联盟(ITU)2023 年批准的 IMT-2030 框架建议书 ITU-R M.2160 给出的判断是:面向 2030 年及以后的新业务将受益于数十 GHz 的连续带宽,需要考虑 92GHz 以上的更高频段;IMT-2030 预计使用的频率范围,从 1GHz 以下一直用到 100GHz 以上。

▲ 图 1 | 6G 研究相关频段坐标

抬高频率的代价很直接:频率越高、波长越短,传播损耗越大、绕射能力越弱,覆盖半径明显缩水。

工程上的补偿办法是相控阵——几十上百个天线单元协同工作,把能量聚成可用电信号转向的窄波束,用高增益把链路预算补回来。而要在手机和基站的体积与成本预算内把这套东西做出来,难点集中在前端模块:功率放大器、低噪声放大器、混频器、滤波器、天线,这些高频器件正是在 100GHz 以上频段做通信的第一道关卡,也是研究重点落在这里的原因。

02D 波段与 W 波段是什么

DIGITIMES Asia 10 月 7 日的报道把镜头对准了台湾:全球通信业迈向 2030 年前后的 6G 时代,当地学界与产业界推进的低成本太赫兹 SoC(片上系统)方案正在成形。

报道里说的太赫兹(THz),通常指0.1-10THz的频段(1THz=1000GHz)。D波段的130-150GHz 换算过来是0.13-0.15THz,刚跨过0.1THz这条线,落在太赫兹的下沿,常被称作亚太赫兹。W波段的77-95GHz还没跨过去,位置更低。

这两个波段眼下的热度,看两条新进展就知道:村田制作所10月5日公告了一款D波段天线模块——基板用自家的LTCC(低温共烧陶瓷),波束赋形IC(控制多天线波束方向的芯片)由合作方比利时微电子研究中心imec提供;东京科学大学用成熟的65nm CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺做出D波段相控阵收发机,验证速率144Gbps,面向6G终端。

这两个波段落到电路里,难度集中在工艺上:硅基工艺的晶体管增益随频率升高一路下滑,增益、功耗、成本要反复权衡。开头报道里的「低成本」,说的就是权衡之后的出路——把射频前端尽量集成进一颗SoC,用成熟的硅基工艺把成本摊薄。不管是LTCC、CMOS、还是SoC方案,三条线走的是同一条路:用成熟工艺把亚太赫兹做便宜,等标准落定。

03高频之后,压力给到光

这些进展跟光模块的关系,看数字就知道:东京科学大学验证的 144Gbps,离开射频域之后由光纤承载——基站前传(基站与机房之间的传输段)、回传、数据中心互连的带宽需求,跟着无线侧一起抬。无线空口每抬一档频率,光互连就要跟进一档带宽。

前面说过,频率越高、覆盖半径越小。D 波段、W 波段的 6G 小区只能密集部署——站址变多,拉到每个站点的光纤前传链路就变多,光模块的用量跟着站址数涨,速率跟着空口带宽提。

对做光模块的人来说,接下来值得盯三件事。第一件盯标准:ITU 框架建议书之后,什么时候 D 波段写进正式的 6G 标准文件,什么时候才谈得上投入。第二件盯成本:村田的 LTCC 基板、东京科学大学的 65nm CMOS,走的都是成熟工艺摊薄成本的路线——什么时候太赫兹器件从实验室报价降到量产报价,这条路就算走通。第三件盯配套:亚太赫兹频段的测试仪表、器件封装、互连损耗,光模块行业要提前补的功课都在这些地方。

04写在最后

数 GHz 到 28GHz 是现网的阵地,77-95GHz 的 W 波段和 130-150GHz 的 D 波段是 6G 研究当下的焦点,300GHz 的亚太赫兹实验也已经开场。6G 把频率推向 150GHz,承载这份带宽的还是光模块。对光通信从业者而言,这是一条值得持续关注的长期赛道:未来 6G 无线与光通信的边界会进一步融合,亚太赫兹相关模块,或将成为继 800G、1.6T 之后,下一代光模块产业的新故事。

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