6G是繼5G之后的第六代移動通信網(wǎng)絡(luò)，對比5G，6G頻段在100GHz-10THz，峰值傳輸速度高達100Gbps~1Tbps，通信延遲小于0.1毫秒。而與之對應(yīng)的是，該技術(shù)對于天線、半導(dǎo)體等相關(guān)材料的性能提出了嚴(yán)苛的要求。相關(guān)新材料的發(fā)展將成為制約通信頻率往毫米波、太赫茲普及的關(guān)鍵因素。

圍繞6G的技術(shù)特征，我們梳理了6G時代的7大關(guān)鍵材料，一起來看看吧。

一

 超材料

 

超材料是指自然材料通過人工手段加工設(shè)計后，具有自然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)。例如，涂敷在物體表面的結(jié)構(gòu)化材料可以使光沿銳角折射，從而有效地隱藏該表面下的物體，使其在某些波長的光下隱身。

目前研究較多的幾種超材料包括：左手材料、復(fù)合左/右手傳輸線、光子晶體、隱形衣、電磁黑洞等。

超材料在6G中的具體應(yīng)用包括但不限于天線、信號增透/屏蔽膜、信號偏轉(zhuǎn)器等。

天線

 

6G天線的研究中，在MIMO天線中引入超材料的主要是為了減小（甚至是消除）天線間的互耦影響。Baccarelli在理論上對基板的散射方程進行了數(shù)學(xué)分析，提出了以左手材料作為天線基板抑制表面波TE模、TM模的條件。他指出將左手材料作為天線基板可以減少天線的邊緣散射，提高天線的輻射效率；而將左手材料與右手材料復(fù)合作為天線基板，可抑制天線邊沿輻射，減少天線陣元間的干擾，同時提高天線方向性。

超材料結(jié)構(gòu)可以大大提高天線結(jié)構(gòu)的性能，其中包括開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、周期性結(jié)構(gòu)、分形結(jié)構(gòu)和其他超材料結(jié)構(gòu)，它們可用于設(shè)計具有具備大幅增益、更寬帶寬以及獨特方向圖的天線。值得注意的是許多超材料增強型天線可以使用低成本電子電路制造技術(shù)在平面支撐材料上制造。因此，可以利用陣列天線、蜂窩天線及DAS等現(xiàn)代平板天線設(shè)計實現(xiàn)超材料天線的低成本制造。

智能反射表面（RIS）

 

從外表上看，這只是一張平平無奇的矩形薄板，卻可以靈活部署在無線通信傳播環(huán)境中，并實現(xiàn)對反射或者折射電磁波的頻率、相位、極化等特征的操控，從而達到重塑無線信道的目的。這種技術(shù)，就叫“可重配智能表面”，也叫“智能反射表面”，英文為RIS（Reconfigurable Intelligence Surface）或者IRS（Intelligent Reflection Surface），有望在5G-Advanced協(xié)議中開始標(biāo)準(zhǔn)化，也被認(rèn)為是6G關(guān)鍵技術(shù)之一。

RIS的技術(shù)基礎(chǔ)，則是一種被叫做“信息超材料”的人工材料，這種材料可通過數(shù)字編碼實現(xiàn)對里面人工原子狀態(tài)的動態(tài)控制，從而實時操控電磁波。

日本Toppan公司開發(fā)出一種具有蝕刻超表面（RIS）結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)柔性片材，可以在特定方向反射5G和6G毫米波（具體是28GHz頻段）無線電波，通過安裝于辦公室、廠房等室內(nèi)空間的墻壁，在無線電盲區(qū)內(nèi)實現(xiàn)高速、多連接通信。

來源：Toppan

未來，Toppan表示將開發(fā)戶外使用和面向未來6G移動通信的RIS產(chǎn)品，確保創(chuàng)建超高速、超低延遲、安全可靠的多連接數(shù)據(jù)通信環(huán)境。

同樣，中國移動研究院、東南大學(xué)、杭州錢塘信息有限公司也共同研制開發(fā)了一種名為“信號增透/屏蔽膜”產(chǎn)品，這種信號增透/屏蔽膜就是一種新型的超材料，它是在透明介質(zhì)（如玻璃、塑料）表面貼附印有大量周期性排列的透明導(dǎo)電單元，通過對單元電磁結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計組成陣面，可實現(xiàn)對空間電磁環(huán)境的重構(gòu)。信號增透/屏蔽膜具有易部署、低成本及環(huán)境適用性高等特點，在提升通信覆蓋范圍、提高無線通信質(zhì)量的同時保證了較高的透光率，具有廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)悉，該技術(shù)有望在5G-Advanced（5G-A）網(wǎng)絡(luò)中提前落地，并成為未來6G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵候選技術(shù)之一。

信號偏轉(zhuǎn)器

 

8月，日本東北大學(xué)工學(xué)研究生院的一個研究小組開發(fā)出了可以在廣角范圍內(nèi)控制太赫茲波方向的技術(shù)，其預(yù)計將在包括第六代移動通信（6G）無線接入系統(tǒng)在內(nèi)的很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

6G移動系統(tǒng)用到的太赫茲頻段波長很短，很容易被障礙物阻擋，因此需要一種控制傳播方向并高效傳輸它們的新技術(shù)。

來源：日本東北大學(xué)

這個研究小組開發(fā)的這種由硅亞波長結(jié)構(gòu)組成的新型透射超材料，并制造了太赫茲波無線電信號偏轉(zhuǎn)器用以將太赫茲無線電波的傳播方向改變到所需的方向。其采用半導(dǎo)體微加工技術(shù)制造，具有體積小、量產(chǎn)性優(yōu)異的特點。

 

二

 第三代半導(dǎo)體材料

 

以GaN、SiC、AlN為代表的第三代半導(dǎo)體材料在5G建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用。為進一步減小器件尺寸、提高電路集成度、降低功耗等，6G的發(fā)展離不開微納電子技術(shù)的革新和半導(dǎo)體材料的發(fā)展。例如，將量子材料和半導(dǎo)體材料結(jié)合，可以大幅度減小材料的尺寸，通過降低維度使材料中的量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)和量子遂穿效應(yīng)更加顯著。基于超材料的太赫茲功能器件，如太赫茲調(diào)制器、太赫茲波導(dǎo)、太赫茲濾波器等的發(fā)展同樣離不開第三代半導(dǎo)體材料。隨著數(shù)據(jù)流量增加、寬帶升級與頻率提高，通信組件與電子器件需要更高頻、更耐高溫、更高功率的半導(dǎo)體材料。

半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程

生產(chǎn)太赫茲以上頻率的芯片是6G高頻段目前的瓶頸之一。其中功率芯片是高頻通信的核心器件，在這一領(lǐng)域如砷化鎵、氮化鎵、磷化銦異質(zhì)結(jié)等化合物半導(dǎo)體由于擁有比硅基半導(dǎo)體更適合高頻組件的高電子遷移率等優(yōu)勢受到了廣泛關(guān)注，這一類材料作為高電子遷移率晶體管具備很大的潛力，對此未來lll-V族化合物的應(yīng)用將變得更廣泛。

國內(nèi)外都對氮化鎵材料展開了研究，例如德國基于氮化鎵實現(xiàn)了芯片性能的突破，100GHz以上的連續(xù)輸出，且位于更高的頻段。各類研究進展說明，氮化鎵未來在100GHz以上甚至300GHz頻段，都會保持一定優(yōu)勢。

教育部長江學(xué)者特聘教授、西安電子科技大學(xué)教授馬曉華表示，硅基可能是一個新的體系挑戰(zhàn)。面向未來的研究方向，一是繼續(xù)找更強表面極化的材料，比如氮化鎵以及氮面材料，再就是繼續(xù)優(yōu)化低的界面結(jié)構(gòu)和工藝，進一步減小柵的尺寸。基于這一系列提升，未來可以形成硅基的功率以及處理器，和有源無源的集成系統(tǒng)，應(yīng)用場景就會有出現(xiàn)明顯擴展。業(yè)界需要從結(jié)構(gòu)和架構(gòu)上努力，硅基氮化鎵以及毫米波器件一定會取得新突破。

 

三

聚四氟乙烯（PTFE）

 

PTFE具有低損耗、小介電常數(shù)和較好的絕緣性，PTFE薄膜是制造電容器、無線電絕緣襯墊、絕緣電纜、馬達及變壓器的理想材料，也是航空航天、軍工、5G通訊等工業(yè)電子部件不可缺少的材料，PTFE優(yōu)異的介電性也使其成為6G高頻覆銅板基材的重要備選材料之一。

PTFE乳液和細(xì)粉應(yīng)用于高頻覆銅板的制作

 

四

聚苯醚（PPO）

 

聚苯醚（PPO），又稱聚 2,6-二甲基-1,4-苯醚，是一種耐高溫的非結(jié)晶性的熱塑性塑料，最早是由美國通用電氣在1959 年通過氧化偶聯(lián) 2,6-二甲基苯酚（DMP）所制備的。氧化偶聯(lián)的原理是含有活潑氫的單體在催化劑的氧化作用下發(fā)生脫氫與偶聯(lián)反應(yīng)生成直鏈型聚合物PPO。

PPO分子結(jié)構(gòu)中無強極性基團，使其具有低介電常數(shù)和介電損耗，且在一個寬的溫度和頻率的變化范圍內(nèi)其介電性幾乎不受影響。其分子鏈中含有大量的苯環(huán)結(jié)構(gòu)致使分子具備較強的剛性。PPO分子中無可水解的基團，在各種環(huán)境中耐水性都很優(yōu)秀，且PPO阻燃性和耐熱性良好，具有可自熄性。更重要的是，作為覆銅板基體樹脂可沿用傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂基材的成型工藝及設(shè)備。因此PPO被是較為理想的M6（極低損耗，Df：0.002-0.005）、M7等級的覆銅板樹脂材料

PPO樹脂的合成與結(jié)構(gòu)

 

五

液晶聚合物L(fēng)CP

 

LCP作為一種液晶高分子化合物，具有高強度、高耐熱性、極小的線膨脹系數(shù)極小、阻燃性和介電性質(zhì)優(yōu)良等特點。

LCP的分子主鏈上存在大量的剛性苯環(huán)，這決定了LCP獨特的加工性質(zhì)，LCP加熱到一定溫度時，只要稍微給一點剪切力就會擁有水一樣的流動性，這一特性使LCP更容易成型薄壁或薄膜產(chǎn)品。

電子電氣是LCP的主要市場，除了柔性覆銅板以外，LCP還可應(yīng)用于制造天線。這是因為在高頻階段，MPI的傳輸將受到限制，該波段LCP優(yōu)勢明顯，更高頻率的信號傳輸要求以及生產(chǎn)成本降低將促使LCP材料加快替代進程。

 

六

 石墨烯

 

石墨烯是已知的導(dǎo)熱系數(shù)最高的物質(zhì)，理論導(dǎo)熱率達到5300W/（m*K），遠高于石墨，它是由單層碳原子經(jīng)電子軌道雜化后形成的蜂巢狀二維晶體，厚度僅為0.335nm，又稱為單層石墨，是碳納米管、富勒烯的同素異形體。

石墨烯的快速導(dǎo)熱特性與快速散熱特性，使其成為傳統(tǒng)石墨散熱膜的理想替代材料，成為6G行業(yè)中廣泛應(yīng)用的導(dǎo)熱散熱材料。除此之外，石墨烯還可以用于核心的半導(dǎo)體領(lǐng)域以及6G相關(guān)的輔助器件（超級電容器、散熱元件和天線等）。

石墨烯散熱示意圖（華為P40 Pro）

由于6G設(shè)備需要的能量將比現(xiàn)在的4G和5G手機更少，可以使用超級電容器來取代鋰電池。超級電容器雖然容量不如鋰電池，但擁有比鋰離子電池更高的能量密度、更長的使用壽命和更快的充放電速度，因此在對容量需求較低時是更好的儲能選擇。石墨烯卓越的導(dǎo)電性、比表面積以及與新電解質(zhì)材料的兼容性使其成為超級電容器的首選材料之一。同時，石墨烯基贗電容也得到了廣泛的研究，根據(jù)預(yù)測其甚至具有比超級電容器更加廣闊的發(fā)展前景。

七

七. 電磁屏蔽材料（導(dǎo)電布、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電泡棉、導(dǎo)電涂料、吸波材料、導(dǎo)電屏蔽膠帶等）

太赫茲波段的電磁波比穿透力差，衰減大，覆蓋能力會大幅度減弱，因此6G對信號的抗干擾能力要求很高，需要大量的電磁屏蔽器件。目前，廣泛應(yīng)用的電磁屏蔽材料主要有導(dǎo)電布、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電泡棉、導(dǎo)電涂料、吸波材料、導(dǎo)電屏蔽膠帶等。