6G超高頻無線通訊應用關鍵材料之需求與挑戰

 

刊登日期:2021/7/5
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盧俊安/工研院材化所
 
5G行動通訊技術帶給人類高頻寬、巨量傳輸的新體驗,特別是新冠肺炎在全球蔓延之際,各國對人群的移動都有相當程度的限制,使得遠距會議、居家上班的人越來越多,在此數據化的需求之下,已能感受到通訊頻寬的不足,同時加劇人類對於頻寬需求的渴望,也推升高頻寬通訊技術的發展速度。因此,太赫茲頻段通訊成為6G通訊的主要候選技術,相關應用於太赫茲頻段之材料已非現行材料可以負荷,新材料的研究與開發投入,將成為後續通訊產業發展的一大重點。
 
【內文精選】
前 言
6G通訊潛在的挑戰以解決5G通訊存在的問題為其優先目標,技術主軸重點前期將落於改善5G網路通訊傳輸的不穩定、無線訊號的普及與增強性、落實廣域布建所需成本降低等問題。根據NTT Docomo 6G白皮書內容指出,6G通訊應用場域將著重於四大應用領域發展,包括:解決社會問題、人與物的溝通連結、建構更廣闊的通訊環境,以及實現複雜的虛實融合。根據2020年InterDigital發表指出,因應未來政策端需求下,相關政府單位需要以更快速、更具智慧的網路連結,使政府對於人民需求可以即時並快速地反應;在社會條件需求下,因應聯合國決議,17項全球穩定發展目標將於2030年達成,更快速、智慧化及穩定的通訊網路將成為這些目標達成的關鍵因子;而因應智慧經濟與保持穩定的全球經濟成長率,將大幅促成6G通訊布局的到來。
 
6G行動通訊技術指標
依據相關應用服務需求指標,進而思考整體通訊網路需求規格指標,其中因應服務端所需,Peak Data Rate需達1 Tbps,體驗傳輸速率需提高到1 Gbps以上,這部分將使得頻段頻寬需要需達100 GHz以上,加上Latency需達100 μs及體驗的頻譜效率需達3 bps/Hz等條件需求。如圖二電磁波頻率與大氣吸收關聯圖顯示,系統上定義,小於1 dB/km之條件可作為無線通訊應用需求,從圖上可以發現,大於100 GHz之操作頻率,可於140 GHz~170 GHz間與220 GHz~330 GHz間各有一個較大之頻寬可作為使用,其中220 GHz~330 GHz間存在100GHz頻寬範圍,預計可產生遠超於100 Gbps之資料傳輸率應用空間,故在6G通訊規劃中,被列為潛在發展技術之一。由於THz被稱為兆赫茲,亦可稱為太赫茲(Terahertz),而使用220~500 GHz作為頻譜操作範圍之通訊技術亦被稱為Sub-THz(次兆赫茲或次太赫茲)通訊。
 
圖二、電磁波頻率與大氣吸收關聯圖
圖二、電磁波頻率與大氣吸收關聯圖
 
超高頻下材料所面臨的問題
依據電磁波的基礎特性,可以了解因為電磁波通過材料時,其電場部分會引發材料產生極化特性。如圖四所示:當頻率提高到太赫茲頻段,材料的極化機制轉成以電子極化為主,這與較低頻率下材料採Dipolar跟原子極化不同。當材料極化機制轉為電子極化,代表電子軌域對於電磁波產生一定程度的影響,空的電子軌域會使得電磁波產生干擾,致使電磁波產生損耗或延遲。因此,可得知在過往較低頻率如4G LTE或WiFi等條件下使用的材料,將不再適用於超高頻的通訊應用,這也意味著當通訊頻段拉到太赫茲或次太赫茲時,材料將成為整體通訊可否運作的主要因子。
 
超高頻應用所需材料基礎
應用於超高頻段下,材料主要物理特性取決於其介電特性,因應波長的大幅縮短,介電損耗成為在高頻條件下極為重要的物理特性。由於電磁波行進的距離減少,代表電磁波傳遞時的能量,除了要避免大氣條件產生的環境,運作時周邊材料與乘載用基板電路等,都需要具有低介電損耗的特性。
 
而天線種類與材料部分也是眾所關切的議題。天線的增益是主要的評價因子,目前在太赫茲頻段上,採用Horn Antenna與Reflector Antenna在天線的增益上都可以達到40 dBi以上,然由於Reflector Antenna體積過大,模組化配置不容易,故目前發展技術朝向使用Horn Antenna為主。HornAntenna對製作與材料工藝之要求屬於高工藝水準之需求,基板的疊層數與對位,材料的介電常數、介電損耗與強度等要求極高,後續包含陣列化與次模組化等應用,將大幅提高整體製作難度。使用HornAntenna在陣列化會有技術與工藝上達成的困難度,根據文獻指出,採用一個Horn Antenna做為Focal Source,對應一個Transmitting Layer的方式,如圖六所示,此技術在實體應用上較…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖六、Transmitting Layer被動陣列式天線技術
圖六、Transmitting Layer被動陣列式天線技術
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》415期,更多資料請見下方附檔。
 
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