面向6G:太赫兹与可重构智能表面(RIS)中的功放新机遇

分享到:

在第五代移动通信技术逐步实现规模化商用的当下,全球科研界与产业界的目光已悄然投向了更为前沿的第六代移动通信系统的技术探索与储备。6G愿景所描绘的泛在智能、数字孪生、全息通信乃至通感一体的宏伟图景,对无线通信系统的核心能力提出了前所未有的极致要求:需要达到太比特每秒级别的峰值速率、亚毫秒级的端到端时延,以及近乎百分之百的连接可靠性与覆盖确定性。这些目标迫使通信系统必须在频谱资源、网络架构和物理层硬件三个维度上实现根本性突破。正是在此背景下,太赫兹频段与可重构智能表面技术脱颖而出,成为6G潜在的核心使能技术。而作为无线发射链路的“动力心脏”——射频功率放大器,也将在支撑这两大技术实现商用的过程中,面临一系列颠覆性的挑战,并由此催生出全新的研究机遇与设计范式。
 
4
 
太赫兹频段,通常指频率范围在0.1至10 THz的电磁频谱,其蕴藏着极为宽阔的尚未被充分开发的连续频谱资源。这是实现Tbps级超高速率通信的物理基础。然而,将通信载波推向太赫兹频段,意味着信号波长进入亚毫米波甚至更短的范畴,这给射频功率放大器的设计带来了从底层物理到系统集成的全方位挑战。在基础物理层面,随着频率升高至太赫兹,传统硅基半导体工艺(如CMOS、SiGe)中晶体管的特征尺寸逐渐逼近其物理极限,导致晶体管的功率增益显著下降,本征截止频率和最大振荡频率的限制使得实现高输出功率变得异常困难。电子在半导体中的渡越时间、寄生效应以及趋肤效应导致的导体损耗都急剧恶化。因此,探索基于新型半导体材料(如氮化镓、磷化铟乃至二维材料)的高迁移率晶体管,或利用新型器件物理(如等离子体波效应)来构建能够在太赫兹频段高效工作的有源器件,成为功放设计的首要前提。这不仅涉及材料科学与器件物理的突破,更要求与之相匹配的微纳加工工艺达到前所未有的精度。
 
在电路与系统架构层面,太赫兹功放的设计理念需要革新。在较低频段行之有效的集总参数元件和传统分布式传输线结构,在太赫兹频段可能因尺寸与波长可比拟而失效,设计必须更多地依赖于基于电磁场全波分析的精确建模,采用共面波导、微带线乃至基于硅基或化合物半导体工艺的集成波导等结构。更重要的是,单个晶体管在太赫兹下的输出功率极其有限,因此,功率合成技术变得至关重要且极具挑战。如何将成百上千个微小的太赫兹放大单元在点点taptap安卓内部高效、低损耗地合成,并解决由此带来的热管理、幅度相位一致性以及稳定性问题,是决定太赫兹发射机最终有效全向辐射功率的核心。片上天线阵列与功放的一体化设计,即实现“天线上的放大器”,是减少互联损耗、提升系统效率的有效路径,这要求电路设计师与天线工程师进行前所未有的深度协同设计。
 
如果说太赫兹技术旨在通过开拓新频谱来扩展通信的“速度”边界,那么可重构智能表面则旨在通过重塑无线传播环境来突破传统覆盖和能效的“空间”边界。RIS是一种由大量亚波长尺寸、低成本无源或有源单元在二维平面上规律排布构成的人工电磁表面。每个单元都可以通过嵌入式二极管、微机电开关或变容管等可调元件,独立、实时地改变其对入射电磁波的反射(或透射)特性,包括幅度、相位乃至极化。通过编程控制所有单元的联合状态,RIS能够以可编程的方式动态塑造电磁波的波前,从而在物理层实现无线信道的智能重构。这一特性为功率放大器带来了间接却可能更为深远的影响与新角色。
 
传统网络架构中,提升边缘覆盖或小区容量往往依赖于部署更多有源射频拉远单元或微基站,这直接意味着需要更多功耗高昂的功率放大器,导致网络能耗随容量线性甚至超线性增长。RIS提供了一种革命性的替代或补充思路:通过无源反射(或低功耗的有源放大反射)构建虚拟的“智能反射链路”或“被动中继”,将基站信号精准导向用户,或抑制干扰,从而在不显著增加有源射频前端数量的前提下,增强目标信号强度,等效于提升了基站功放的有效辐射效率。此时,对功放的需求从单纯的“数量”增加,部分转变为对“质量”和“协同”的更高要求。基站侧的功放需要与RIS的反射波束图案协同优化。例如,在基于RIS的波束赋形系统中,基站功放可能工作在更接近饱和的非线性区域以提升效率,因为RIS可以通过预编码在一定程度上补偿信道非线性,或通过调整反射波束来降低对单个用户链路峰均功率比的要求,从而为功放采用更高效率的架构(如开关模式功放)创造条件。
 
当RIS单元集成有源放大功能时,即发展为有源RIS或智能反射放大器,其单元本身就包含了低噪声放大器与功率放大器的功能。这类RIS不再仅仅是无源反射器,而是能对接收到的微弱信号进行放大和再发射的主动中继节点。这为功放技术开辟了一个全新的、分布式的应用场景。集成于RIS单元中的功放,其设计约束与宏基站或终端功放截然不同:它们需要极低的静态功耗以支持大规模阵列部署的能效要求;需要高度集成化、小型化以适应亚波长尺度的单元间距;其线性度要求可能与覆盖增强模式下的中继放大特性相关联。此外,成百上千个这样的微型功放单元在RIS面板上协同工作,其功率合成是在空间中以波束赋形的形式实现的,这要求各单元功放的增益和相位具有极高的一致性,且能根据控制指令快速、精确地调整,对功放的稳定性、可重构性以及校准技术提出了新课题。
 
太赫兹技术与RIS在6G场景中存在着天然的互补与融合趋势。太赫兹通信受限于严重的路径损耗和穿透损耗,其覆盖范围极为有限,非常适合与RIS结合以解决“最后一公里”或室内覆盖难题。RIS可以部署在建筑物的表面或室内,为太赫兹信号创建可控的反射或透射路径,绕过障碍物,延伸覆盖。在这种融合场景下,对功放的挑战则更为综合:太赫兹频段的高路径损耗要求发射功放和可能存在的有源RIS中的功放具有更高的输出功率能力;而为了控制大规模RIS阵列的总功耗,每个有源单元的功放效率又必须极高。这驱动着研究者探索在太赫兹频段实现高效率、高线性度且可电调谐的功放新架构,例如,将可重构阻抗匹配网络与功放晶体管集成,使功放能动态调整其最佳工作点以适配RIS不同的反射系数设置,从而实现能效与性能的动态最优。
 
更多资讯内容,详见文章
相关资讯
通向6G与全域覆盖:毫米波高频段将扮演何种角色?

在向6G演进过程中,毫米波高频段因其巨大带宽潜力成为实现超大容量与全域覆盖的关键。它需与低频段协同构建分层网络,并通过智能超表面、超密集组网及先进波束管理技术克服传播局限。其应用将延伸至空天地一体化及垂直行业,而统一的频谱规划与标准化则是规模部署的前提。

通感一体化:6G如何实现通信与感知的信号同源与资源协同?

6G通感一体化旨在通过“信号同源”与“资源协同”实现通信与感知的深度融合。信号同源使同一波形兼顾数据传输与环境感知;资源协同则对频谱、功率等进行联合动态调度以平衡双重需求。该技术能内生高精度感知能力,赋能智能交通、工业控制等场景,是网络向智能信息基础设施演进的核心。

5G/6G中的微波与毫米波:移动通信容量提升的关键路径

从5G向6G演进,移动通信依赖微波及毫米波频段突破容量瓶颈。其核心是通过获取吉赫兹级连续带宽,并运用大规模MIMO与波束成形技术克服高频传播损耗,实现定向高容量传输。这驱动了从混合波束管理、超密集组网到智能波形设计等系统级创新,旨在将广阔频谱资源高效转化为确定性的网络能力提升。

太赫兹通信在6G中的角色:超高速率与频谱扩展的实现路径与挑战

太赫兹通信作为6G实现超高速率的核心路径,其潜力源于巨大的连续频谱带宽与高频谱效率。然而,该技术面临基础器件效率低下、信号在传播中严重衰减及复杂信道特性等根本性挑战,需依赖先进的波束成形与异构网络架构来实现从理论到实用系统的转化。

太赫兹通信如何定义6G与空天一体的未来

太赫兹通信凭借其介于毫米波与红外光之间的极高频率,拥有近乎无限的频谱资源与超大绝对带宽,是实现第六代移动通信极致速率与空天一体化网络的关键物理基础。其技术核心在于克服高频器件实现与大气衰减等挑战,利用短波长实现超大规模天线阵列与超窄波束,从而支撑通感融合与高速空间链路。

精彩活动

Baidu
map