アンテナ設計には 6G システム向けの最適化が必要

Jan 11, 2024

ハンク・リー、ベンチマーク | 2023 年 7 月 31 日

初期のセルラー無線システムからの第 5 世代 (5G) 通信ネットワークの進化は世界中で実現されています。 多様な地上波通信機器と衛星通信機器（satcom）を組み合わせて、音声、映像、データ通信を伴うモバイルインターネットアクセスが提供されています。 しかし、5G の帯域幅は豊富であるにもかかわらず、ストリーミング アプリ、モノのインターネット (IoT)、センサー、家電製品などのデバイスだけでなく、人々によっても急速に消費されています。

ただし、5G ネットワーク インフラストラクチャが完成する前に、第 6 世代 (6G) テクノロジーへの応用が計画されています。 5G が占有する周波数スペクトルは 6 GHz 未満で 72 GHz に近づき、6G は 1 THz に向けて拡張されます。

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5G ワイヤレス ネットワークが約束することはすべて、IoT デバイスの一部として安全性、監視、監視のためのセンサーの使用が増加していることは、大量のデータが生成される方法の 1 つにすぎません。 5G ネットワークは帯域幅に不足することはなく、システムは FR1 (約 6 GHz)、FR2 (24.25 ～ 71.0 GHz)、FR3 (7.125 ～ 24.250 GHz) の 3 つの異なる周波数範囲 (FR) 内で動作します。

しかし、5G ネットワークに追加される IoT デバイスの数が急速に増加し、人間ユーザーの数も着実に増加しているため、セキュリティ システムの一部として低遅延のデータ転送を提供するというプレッシャーが 5G ネットワーク (帯域幅が強化されていても) にかかることになります。例として、監視、ビジネス会議などがあります。

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5G ネットワークの一般的なデータ転送遅延は約 4 ミリ秒ですが、これはわずかな遅延のように思えるかもしれません。 しかし、6G ネットワーク向けに計画されている一部のアプリケーション (電話でのホログラフィック、3 次元 (3D) イメージング、遠隔仮想現実 (VR) ビジネス会議など) では、実用的なリアルタイム応答のためにほぼゼロの遅延が必要です。

5G テクノロジーを 6G ネットワーク、または少なくとも 5G 先進システムに変換するには、これまであらゆる形式の商用通信での実用化が考慮されていなかったミリ波周波数スペクトル (30 ～ 300 GHz) 全体を含む周波数スペクトルの高度な使用が必要になります。 。 人工知能 (AI) や機械学習 (ML) などの新興電子テクノロジーの利用が拡大することで、人や物が周波数帯をめぐって競争する中、ネットワーク アクセス ポイントの管理が容易になります。

AIを活用することで、6G無線通信ネットワークは動作環境に関する感覚データを収集し、障害物の反射を検出し、高周波信号の最適な伝播経路を瞬時にマッピングします。 しかし、地上、地下、または宇宙からであっても、ユーザーの信号をセルやスイッチングポイントに届けるには、混雑した空域を通じて大量のデータを転送できる指向性エネルギーのビームを形成できるアレイアンテナなどのコンポーネントが依然として必要です。

メカニカル設計と開発は、運用エコシステムによく適合し、実用的で信頼性の高い長期運用を提供できる5G/6Gネットワ​​ークの構築に貢献します。 宇宙ベースの通信用に数千機の低軌道衛星 (LEOS) を追加することで 5G が 6G サービスに拡張されると、これまで以上に小型の衛星には軽量コンポーネントが必要になります。

LEOS および地上小型セル用の小型 PCB に含まれるコンポーネントと機能の密度が増加するにつれて、小型金属筐体内の熱の蓄積を最小限に抑えるための効果的な熱管理技術が必要になります。 また、ミリ波信号周波数の短波長をサポートする微細な回路線幅を実現するには、高解像度のフォトリソグラフィーが必要になります。

アンテナの選択と 5G/6G インフラストラクチャへのインターフェースは、アンテナ設計者をサポートする上で機械工学が重要な役割を果たす一例です。 5G/6G ネットワーク用のアンテナは、高指向性ビームフォーミング デバイス、全方向性アンテナ、複数の素子を備えたアクティブ フェーズド アレイ、基地局や携帯電話製品用のフレキシブル プリント基板 (PCB) アンテナ、大規模な複数のアンテナなど、多くの構成を利用します。 - スモールセルで大量の信号トラフィックを処理するための入力多出力 (mMIMO) アンテナ (図 1)。