6G 有望帶來數據速度，為智能手機、家庭、城市和自動駕駛汽車提供高度集成和響應的技術，但實現這一目標還需要做更多的工作。

到處都會有更多的天線，嵌入到城鎮周圍的基礎設施、基站、邊緣設備以及介于兩者之間的一切中。它們將以不同的速度和波長發送和接收更多信號，包括一些更容易受到干擾的信號。

從物理上講，這些新天線將比今天的巨型手機信號塔更不明顯。“你可以把它們裝成燈柱，”Ansys（現為新思科技的一部分）5G/6G項目總監Shawn Carpenter說。“有幾家公司一直在開發路燈和 Wi-Fi 中繼器的組合，或者路燈和蜂窩中繼器系統，只需直接擰入螺栓插座，所以你甚至看不到它。這些塔之所以這么大，是因為它們必須承載最低頻段，從而為您提供最長的覆蓋范圍，而這些頻段是為了公共安全特性和功能。當您用手機撥打 911 時，很可能會訪問需要使用最大天線的最低頻段之一。這必須到位，但這些天線不必是定向的，而且你也不需要那么多天線。

從 3G 轉向 6G 意味著天線必須具有多頻段功能，因為需要適應較低的 LTE 頻段以及一些新頻段。“一旦政府機構協調了頻譜，制造商就必須深入研究并說，'哦，天哪，我們一直在設計 3.5 到 4 GHz 的天線，'”卡彭特說。“現在我們必須設計 7、10、12 GHz 的天線。”這將是對天線系統的徹底重新設計。

必須解決不同的頻率并適應相同的外形尺寸，這樣運營商就不必花費更多的錢來建造新塔或租用新塔。“希望你能把它們全部裝進一個包中，它仍然位于同一個塔上，但可以在更多頻段和更寬的頻段上運行。現在基站天線技術的內容比以前復雜得多，“他指出。

對于電話等小型邊緣設備，較高頻率使用較小的天線，但天線數量更多。毫米波頻段可能有多達 16 根天線，而這僅適用于手機。

“一部手機必須準備好在全球范圍內運行，并且能夠處理大約 10 個頻段，對于現在這樣做的人來說，這將是一個相當大的設計挑戰，”卡彭特說。“如果你有更高的介電性能材料，這使你能夠縮小天線的尺寸，因為這些奇異材料的波長尺寸會變得更小。我們已經發展了開發適合機箱外形尺寸的天線的能力。我們現在可以打印平面天線，也可以方便地折疊它們。我們可以使用基板的一部分，或移動設備內部的載波基板來打印電話或將天線打印到系統中，然后我們想出了可以為我們調整天線的電路，使其產生諧振。當您接收信號時，這并不是特別重要。接收天線不是那么靈敏。你確實需要注意你如何設計它們，但當你發射時，天線必須非常有效地輻射你給它們的東西，否則它們輻射的東西將與它們的物理尺寸成正比。

根據英飛凌的一份應用說明，天線還可以通過一種稱為“孔徑調諧”的技術進行調諧，該技術通過將天線的自然諧振轉移到所需的工作頻段來提高天線效率。“這減少了發射器側 （Tx） 天線驅動硬件的壓力，并提高了接收器側 （Rx） 的靈敏度。孔徑調諧還允許天線同時在多個頻段上進行通信，以支持載波聚合。另一種選擇是天線阻抗匹配，它在天線饋電點進行，“通過補償頻率和環境影響，有助于最大限度地提高射頻前端 （RFFE） 和天線之間的信號傳輸。

根據 Cadence 的一份白皮書，波束控制天線還需要將輻射能量從基站天線陣列引導到最終用戶，同時克服在這些頻率下發生的更高路徑損耗。“幸運的是，較短的波長轉化為更小的天線，這反過來又推動了更多基于 IC 的天線陣列解決方案。單片微波IC（MMIC）和RFIC設計將在未來毫米波頻率下運行的5G系統的波束控制技術中發揮重要作用。隨著無線通信系統的發展，將需要具有更好性能的更小設備，將基于多技術的模塊設計與不同的 IC 和印刷電路板 （PCB） 工藝技術相結合。

天線的另一個挑戰是交叉耦合，因為需要在更小的空間內使用更多的天線。“我們需要非常好的仿真模型來預測天線之間以及天線與封裝之間是否存在某種耦合，”弗勞恩霍夫 IIS 自適應系統工程部高效電子部門負責人 Andy Heinig 說。“你真的必須小心不同天線的這種行為，以及一個天線對另一個天線的影響。”

6G將成為天線的更精細的網狀配置，波長方面存在很多問題。“真正的挑戰在于整個事情的電磁學，Ansys產品營銷總監Marc Swinnen說。”HFSS（高頻結構仿真）可以對廣泛系統中的邊緣節點進行建模，并評估它們的信號完整性、電源完整性、熱完整性、結構完整性、天線系統和大型系統部署。

在當今的 5G 系統中，邊緣計算節點內置了 5G NR 毫米波和 sub-6 GHz 無線連接功能，并結合了復雜的微服務器。6G 將包括所有這些以及更多。

5G/6G 增加天線數量的優勢之一是空間敏捷性。“他們利用 5G 技術開發的一件美妙事情是能夠從基站為每個用戶提供自己的特殊聚光燈，”卡彭特說。“當你四處走動時，你會得到自己的私人波束，因為他們正在用基帶處理器將其編碼到你的信號中。這需要大量的定制芯片，因為你不能只購買現成的芯片來做這種事情。愛立信、華為、諾基亞或其他設計人員必須推出能夠進行這種非常繁重處理的芯片，因為你必須弄清楚每個用戶的光束重量是多少，并在用戶通過真正的交互式環境時定期更新。他們可能會增加該陣列中天線元件的數量，因為他們已經有了基站天線表面的基線尺寸。他們會說，'嘿，我們習慣于使用這種尺寸的天線，所以當我們使用更高的頻率時，我們可以在其中添加更多元件。如果我們添加更多元素，我們就會獲得更多的敏捷性。我們可以將該用戶的功率壓縮到一個更緊密的光束中，并帶有一個更大的電陣列。如果我們能夠讓硅上的處理來唯一地處理每個用戶信號，那么我們就可以在它們四處移動時給它們自己的小聚光燈，并將能量集中在它們身上，最大限度地減少對現場其他用戶的干擾，最大限度地減少其他基站的用戶，然后我們就可以提高每個用戶獲得的帶寬。現在你可以同時以高清流式傳輸 15 個貓視頻。

弗勞恩霍夫的海尼格說，未來天線甚至可能具有雷達能力，但這也可能在天線集成方面產生問題。“雷達和通信對天線的要求略有不同。當然，我們在這兩種情況下都有波束成形。但是你如何形成波束呢？

芯片設計和邊緣人工智能計算挑戰
6G 由于其更高的數據速度，將給設備帶來很大壓力。“關于 6G 新頻譜的大量研究正在進行中，因為它的帶寬可能是 4G 的 10 到 5 倍，”西門子 EDA 解決方案網絡專家 Ron Squiers 說。“我們談論的是每秒太比特的設備，而不是每秒 20 吉比特的設備。移動性有所擴展，我們將實現每小時 500 到 600 公里，而不是每小時 400 公里。這些都在 IMT 2030 的 6G 目標文件中列出，在未來 5 到 10 年內，您將在各種 3GPP 發布標準工作組中看到這些東西受到單獨攻擊。

普渡大學校長、2025 年 IEEE 創始人獎章獲得者 Mung Chiang 表示，雖然消費類應用將繼續發展，但 6G 的可擴展性和不可預測性部分將落在物理人工智能上，以表彰他在通信網絡及其應用方面的領導力和研究。“對于與農業、交通和制造業交互的人工智能，或工業 4.0 機器人和自動化，6G 將推動所有其他垂直領域。這不僅僅是消費電子產品的事情。它將像電力一樣——所有現代技術和垂直應用的基礎。要實現這一目標，您需要更好的延遲和響應能力。不僅僅是更高的吞吐量 — 峰值吞吐量、平均吞吐量、最壞情況吞吐量，無論您使用什么作為指標。你的響應能力有多強，因為只有在響應方面有可靠和低延遲的情況下，你才能在實時決策和行動中投入穩定的控制循環和反饋。這就是流行的邊緣計算將發揮作用的地方，它允許你說，“我可能無法完全準確，但我可以在為時已晚之前將其作為學習或推理作獲得。當它還及時時，它就足夠好了。這就是為什么邊緣計算具有許多優勢的原因。一是減少延遲和減少抖動。

據 Cadence 稱，6G 可能會加劇現有的 5G 設計挑戰，這會影響網絡中的每個設備。其中：

• 5G 手機：外形尺寸承受巨大壓力，需要對 RFIC/MMIC、BAW/SAW 濾波器、封裝和模塊進行協同設計，并具有系統級熱和電磁設計分析，以及緊湊型 DSP。

• 5G無線電頭：為了應對毫米波頻率下發生的高信號衰減，5G 天線系統采用電子波束成形來將信號能量集中并引導到更遠的距離。組件包括混合技術射頻前端芯片組、多層互連 PCB 饋電網絡和一系列天線元件。

• 5G 基帶和邊緣計算：SoC 設計包含越來越多的 CPU 和 AI 處理器內核，需要通過射頻通信系統預算和雜散發射分析、電磁和熱系統分析來實現基帶。

• 5G 前傳和回傳：需要用于遠程無線電頭的高速光互連和光收發器，通過光收發器的集成硅光子和電子協同設計以及 100G 以太網 IP 支持來實現。

在人工智能方面，基站將承擔很多繁重的工作，并且它們需要混合芯片架構。Ansys的Carpenter說：“在該接入點上，您將需要各種處理類型，這些處理類型將具有不同的架構，這些架構將適合人們將在那里應用的各種任務。“AI/ML 就是其中之一，但有很多事情正在發生。”

還需要定制芯片。“一些機器用例將非常低功耗，”普渡大學的 Chiang 說。“有些需要在所需的存儲芯片類型和邏輯芯片的功率方面非常敏感。有些將運行不同的頻段，因此你需要新型的模擬/混合信號前端芯片。

對于 6G 邊緣設備，公司是否能夠設計出滿足所有條件的芯片還有待觀察。“我不確定是否有一個答案可以滿足你想要的一切——低功耗、高性能、高帶寬、小外形——一切，”蔣說。“但你將擁有一個可以定制的套件。在該選擇范圍內，您可能會獲得不同類型的選擇。它將是 GPU、TPU 等的混合體，定制將很有用。它們必須協同工作，因為邊緣設備的激增以及從云到邊緣的連續體——整個迷霧——將為您提供如此多不同的配置。沒有一種方法適合所有人。

圖1：按協議層和技術準備情況劃分的6G技術重點領域。資料來源：普渡大學

新思科技移動、汽車和消費類IP產品管理執行董事兼MIPI聯盟主席Hezi Saar表示，公司可以通過在基礎芯片上啟用一個網絡（例如3G、4G或5G）來瞄準多個市場，然后為高端產品提供6G和更強大的人工智能的第二個芯片。“一位供應商說，'我將瞄準功能手機市場和高端智能手機市場。我該怎么做？如果是 2nm，我將花費數百萬美元購買它。因此，他們可能會決定做一個可以用于功能手機的基本單片芯片。它有足夠的功能——比方說，三個攝像頭，一個中距離顯示器，一個不需要轉到 6G 的調制解調器，只需 5G，存儲空間有限，因此它符合他們將要追求的價格點考慮到多芯片。這意味著他們可以使用該底座，然后添加 AI 加速器，因此現在它可以做更多的 AI。有了這個額外的芯片，具有額外的 I/O，或更高的存儲容量，或更高的計算 DDR 連接，與調制解調器的更高連接，現在它成為高端引擎。它是多芯片的，它可以追趕那個市場。

其他公司將專注于下一代 Wi-Fi、藍牙和 Zigbee 芯片，并將 5G/6G 留給老牌企業。“蜂窩市場由非常強大的現有企業主導，例如高通和其他一些公司，”Synaptics 低功耗邊緣人工智能高級產品經理 Ananda Roy 說。“他們必須做出很大的變化來選擇新供應商，而新參與者的機會相對較低。我們希望非常專注于物聯網技術，而不是更多的基礎設施方面，即 5G/6G 基帶技術。

砷化鎵、氮化鎵、硅和其他所需的發展網絡
運營商和無線電制造商將需要以相同的總成本管理更高的數據能力，因此需要顯著降低每比特成本。這可以通過將頻段組合在一個無線電單元中來實現;采用更寬的頻帶以減少所需的無線電數量;減小收音機的尺寸和重量以降低塔的租賃成本;并減少每臺無線電消耗的能量，以降低運營商的能源費用。為了細分 5G 無線電的這些要求，射頻功率放大器 （PA） 需要支持更高的頻率、顯著更寬的瞬時帶寬以及在寬回退范圍內的高效率。這些無線電還必須能夠在低于 50 dBc 的電平下進行線性化，并具有數字預失真。據英飛凌稱，能夠以商業上可行的價格提供這些目標的半導體技術是 RF GaN-on-SiC（碳化硅上的氮化鎵）和 RF GaN-on-Si（在 Si 襯底上生長的 GaN）。

對氮化鎵的需求也得到了廣泛的討論。手掌大小的天線陣列可能覆蓋無線電頭模塊的一側，波束控制 RFIC、收發器和 PA 從 PCB 的反面驅動它們。這種緊湊的高頻模塊需要具有技術意識的設計平臺，這些平臺支持分立和嵌入式射頻元件設計和系統集成，包括設計中的電磁 （EM） 和熱分析、射頻電路仿真，以及工作流程支持，以使用 GaAs、砷化鎵、GaN 和 Si 技術共同設計 IC、IC 封裝和模塊。

最近的 6G 發展：

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

• GaN 的鎖存效應為 6G 解鎖了更高的射頻器件性能（布里斯托大學）

• 專為 6G 無線信號處理 （MIT） 設計的光子 AI 硬件加速器

• 低成本、可擴展的 3D 芯片，將高速 GaN 晶體管集成到標準 Si 芯片上，是下一代高速通信系統 （MIT） 的理想選擇

• 6G 片上基站：RISC-V 矢量處理器上的無線通信內核（德累斯頓工業大學，CeTI）

• 使用 Nordic 的小型蜂窩物聯網模塊與 Omnispace 和 Gatehouse Satcom 進行 5G 窄帶物聯網非地球靜止軌道衛星演示。

正如上述 Nordic/Omnispace/Gatehouse Satcom 5G 試驗所表明的那樣，衛星將成為 6G 革命的關鍵部分。下面顯示了一個示例。

圖 2：與最終用戶設備的直接衛星連接。資料來源：普渡大學 6G 全球路線圖分類報告

結論
到 2030 年，普渡大學的 Chiang 預計邊緣計算和分散式人工智能將更加普遍，以及不同類型的芯片定制、協議、用戶和用例。“當我們到達那里時，人們可能會說，'我們錯過了 5G。需要 6G 才能實現這一目標。其他人可能會說，'我會在應得的信用處給予 5G 信用。5G 開啟了這一轉變。只是其他事情需要更長的時間才能成熟——商業案例和經濟性、用戶體驗和監管環境。如果我們談論的是物理對象，如果您在 Netflix 流媒體上錯過一個字節是一回事。如果您錯過了物理對象上的一個字節，那就另當別論了。最重要的是技術將繼續發展。