不斷成長資料需求正推動無線網路頻寬擴張，在人工智慧(AI)、自動駕駛車、AR/VR和其他技術的推動下，這趨勢必將持續下去。雖然配置用於5G的毫米波(mmWave)頻段能夠滿足頻寬的潛力，但在經濟成本和技術實現上仍需進行取捨。

毫米波的優勢在於其更大的頻寬能力，它的頻段範圍從約30GHz~300GHz (5G毫米波則從24GHz開始)，這提供數千兆赫的頻寬，與6GHz的5G僅有數百MHz頻寬形成鮮明對比。即便如此，無線通訊產業仍在考慮將100GHz及以下的頻率納入G使用範疇，而6G研究則放在140GHz及更高的頻率。然而，這些高頻率對連接器、電纜、PCB線路和無線訊號損失方面帶來了技術挑戰。

圖1：樹木、玻璃、建築物、牆壁、雨水以及其他大多數物品都會阻擋毫米波訊號，不受阻隔對於這些毫米波頻率的訊號傳輸產生很大影響。

傳播：即訊號通過介質的傳播能力。在6GHz以下，5G頻率和毫米波頻率之間存在顯著和差異。如圖1所示，毫米波訊號在發射器和接收器之間穿過建築物、樹木、雨水和其他障礙物時，其傳播能力會受限或衰減。使用中繼器和小型蜂巢式基地台有助於緩減這些問題。

此外，毫米波無線電使用帶有波束轉向功能的大規模多重輸入多輸出(massive MIMO)天線來提高效率，並且發射功率相比全向天線低得多。毫米波訊號的傳輸距離短，這意味著可能每隔1,000公尺距離就需要安裝無線電設備，而6GHz以下無線電設備則可以相隔數英哩。這是電信行動業者要考慮的成本問題之一。

毫米波的設計挑戰

毫米波無線電的設計還有其他挑戰。隨著頻率的增加，毫米波元件、PCB材料、PCB線路和互連元件的成本要比低頻設計花費更多，才能最大限度地減少訊號損耗。請考慮圖2所示的同軸連接器，普通SMA連接器的工作頻率可達18GHz。

圖2：頻率越高，要求連接器的尺寸越小，但製造公差也減小了，因此成本更高。

在毫米波頻率下，射頻連接器需要更小的尺寸才能高效傳輸訊號。在轉向毫米波頻率時，可以使用工作頻率可達40GHz的2.92mm連接器。遺憾的是，連接器內部元件的機械公差必須比SMA連接器更加嚴格。與工作頻率低於10GHz的系統相比，這些更嚴格的公差所需要的成本要高出兩到三倍。

在5G的6GHz以下無線電系統中，通常使用板對板射頻同軸連接器在功率放大器板、濾波器和天線之間傳輸射頻訊號。隨著發射通道數量的增加，工程師更傾向於使用圖3所示的三件式連接，以便在組裝過程中實現軸向和徑向對準。

圖3：頻率增加，連接器也要更短且密度更高。

對於配備64個發射通道的主動大規模MIMO天線系統來說，這意味著每個無線電需要至少配備64個射頻板對板組。而有些大規模MIMO主動天線系統則擁有至少128個發射和128個接收通道。如果射頻連接器三件套解決方案平均每套0.6美元，那麼主動天線和無線電的連接器部分的成本便可能超過150美元。

EMI和串擾

高頻訊號為連接器和電纜設計帶來了額外的挑戰。以大規模MIMO為例，如果射頻同軸系統彼此過近，就需要盡量降低EMI和訊號串擾。這使得遮罩對於可分離介面(同軸連接器)或同軸電纜(如果使用)上變更加重要。許多射頻板對板連接器使用開槽的外部接地導體，使其配接時可滑動或扣合。這些插槽的設計和任何潛在的軸向錯位開口都必須小心管理，以最大限度地減少EMI的影響。

圖4：SMP連接器可處理高達40GHz頻率。

另一個挑戰是訊號衰減。隨著通道數量的增加，每個通道的輸出功率通常會有所降低。輸出功率的降低增加了對低衰減射頻傳輸路徑(例如板對板連接器系統)的需求。在6GHz以下應用中，許多連接器採用模製介質材料，以作為訊號衰減和成本之間的折衷方案。由於訊號衰減所造成頻率的增加，射頻連接器中使用的大多數模製介質材料對於毫米波無線電系統來說不夠有效。工作頻率在100GHz及以上的射頻連接器，通常使用空氣作為主要介質，並由小型模製支撐珠來支撐中心導體。而一些連接器，例如SMP或SMPM (圖4)則採用聚四氟乙烯(PTFE)介電材料，可能是一種合理的折衷方案。

PCB材料也能在無線電中傳遞射頻訊號。PCB材料的選擇也需考量和前述射頻同軸結構相似的難題。目前有低損耗的PCB材料，但與6GHz以下系統使用的材料相比，這些材料要昂貴一些。EMI和串擾的控制往往需要仰賴多層印刷電路板、通孔和其他隔離技術。覆蓋22GHz~39GHz毫米波頻率的5G大規模MIMO天線，可能需要使用十層或更多層印刷電路板才能達到合理的性能。考慮到每個通道的適度輸出功率和大規模MIMO訊號的波束轉向效應，實現系統所需的有效各向同性輻射功率(EIRP)可能比較困難。

6G的未來會如何？

在6G中，幾種毫米波無線電系統可能發揮作用，涵蓋範圍從介質波導到模製天線等一系列產品。這些技術將波束的入射角引導向用戶，最大限度地降低波束轉向時的EIRP。為了提高毫米波無線電性能，數位波束轉向設備和其他技術方面的發展工作正在積極進行中。如果6G進入太赫茲頻段，目前可採用工作頻率高達145GHz的同軸連接器。

隨著6G研究不斷深入，6.4GHz和15GHz之間的頻率也在考慮之中。這可能表示6G將借鑒5G RAN部署策略的某些經驗，偏向採用較低的頻段。

目前，我們還不知道6G與5G或5G-Advanced有何不同。毫米波頻率的頻寬遠大於6GHz以下頻段訊號，約為1.2GHz，而6GHz以下頻段訊號則低於600MHz。問題在於，如何開發和部署對於無線行動網路業者來說經濟意義的系統？由於理論的使用案例需要時間才能發展，6G是否會成為一種從7GHz~15GHz之間尋求最大平衡的解決方案？或許，人工智慧、自動駕駛車、VR，以及固定無線接入(FWA)的擴展將推動業界更多地使用毫米波頻段。有可能到2035年，我們都希望使用全息通話代替視訊會議。對比人們在2G和3G時代使用行動設備的方式，今日顯然技術進步的巨大飛躍。

在不久的將來，一定會有新的案例或應用繼續推動對更大頻寬的需求。因為許多無線行動網路業者已經擁有了這些寶貴的頻段資源，只要經濟合理，他們將樂意提供這些頻段。

活動簡介

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