6G תשתיות: המהפכה החומרית

בעוד שרשתות 5G עדיין מופרסות ברחבי העולם, מחקר על הדור השישי (6G) הטכנולוגיה האלחוטית כבר מאיצה. 6G מבטיח תעריפים של נתונים זמניים, עצלות תת-מילות, ושילוב חלק של ארצם, אווירי ורשתות לוויין.Achieving יכולות אלה דורשות שינוי יסודי בחומרים המשמשים לבניית רכיבי רדיו (RF) ממוקדים למגוון רחב של חומרים של מרכזי של מרכזי של 2.

מדוע מדע החומרים משנה יותר עבור 6G מאשר כל דור קודם

כל דור אלחוטי נהנה מתהליכים סמי-מוליכים למחצה משופרים ועיצובי אנטנה.עם זאת, קפיצת 6G לתוך ספקטרום תת-THz (100 GHz עד 3 THz) מציגה מגבלות פיזיות שאינן ניתנות לטיפול על ידי התקדמות מצטברת.ב תדרים אלה, אותות אינטנסיביים גלי גלימות נדרש באופן דרמטי, אפקט עור במוליכים להחמיר, והפסדים דיאלקטריים ב substrates הופכים לגורם מסורתי מודפס (B) כמו חומרים חדשים, אפילו מעל 100 גרם (G) הם רק חומרים חדשים.

הנתח הכלכלי והסביבתי הוא גבוה. 6G תשתיות חייבות לתמוך בערכי מכשירים מסיביים (עד 10 מיליון מכשירים לקילומטר מרובע) תוך צמצום צריכת האנרגיה ל bit.חומרים יכולים במקביל לשפר את הביצועים, לכווץ גורמי צורה, ולאפשר ייצור בר-קיימא יותר.הבנת חומרים אלה אינה אופציונלית למהנדסים ולמחנכים – זהו הבסיס שעליו ייבנו 6G.

קטגוריות חומריות עבור 6G Components

גרפן וחומרים אחרים

Graphene - שכבה אחת של אטומי פחמן מסודרים ב hexagonal lattice - נחגג עבור התכונות החשמליות, התרמיות והמכניות יוצאת דופן שלה.עבור 6G, התכונות החזקות ביותר שלה הן ניידות גבוהה מאוד (עד 200,000 ס"מ / Vs) ואת היכולת לתמוך גלי plasmonic בתדרים thertz.

מעבר לגרף, חומרים דו-ממדיים אחרים (2D) כגון molybdenum disulfide (MoS2), hexagonal boron nitride (h-BN), ו זרחן שחור נחקרים. כל אחד מציע להקה ייחודית והתנהגות דיאלקטרית, המאפשר למהנדסים לעצב heterostructures עם תגובות אלקטרוניות ופוטוניות מותאמים.

(ב) ,0) יישומים מעשיים ב-6G רכיבים: אנדרט 1

  • (FLT:0) אנטנות אנטנות ⁇ :FLT:1 של Graphene גמישות מכנית מאפשר אנטנות להשתלב בתוך משטחים מעוקלים, מכשירים לבישים ואפילו חזיתות בנייה.זה תומך בחזון 6G של סביבות "עור חכם" שבו קישוריות היא omnipresent.
  • (FLT:0) טרההרץ מודולטורים:FreaLT:1 , Graphene's Gate-tunable מוליכות מאפשר שינוי מהיר של גלי THz, חיוני עבור beamforming וסימן coding ברשתות צפופות.
  • (FLT:0) חיבורים: 1.10LT:1 Graphene ננורביונים יכולים להחליף נחושת ב- שבב-to-chip ובחיבורי שבב, צמצום החוזק והעוצמה במרכזי נתונים ויחידות בסיס.

למרות היתרונות האלה, ייצור בקנה מידה גדול של חומרים באיכות גבוהה 2D נשאר מאתגר.כימיה vapor deposition (CVD) שיטות השתפרו, אבל השגת שכבות עקביות, ללא פגם על אזורים גדולים עדיין גבול מחקר.

מטא-חומרים ומבנהי אלקטרומגנטיים

מטאחומרים הם כלי תקשורת מובנים באופן מלאכותי המציגים תכונות אלקטרומגנטיות לא נמצאו בטבע – כגון אינדקס רפלקטיבי שלילי, ליד רשיונות אפס, או תגובה מגנטית גבוהה אולטרה גבוהה.עבור 6G, metamaterials מציעים שליטה חסרת תקדים על גלי teratz.הם יכולים לשמש ליצירת עדשות קומפקטיות, מסננים ו סופגנים כי יהיה בלתי אפשרי פיזית עם חומרים קונבנציונליים.

אחד מבטיח subcategory הוא metamaterials (או "metasurfaces"), שבו מרכיבים פעילים מוטבע כמו varactors, pin diodes, או microelectromechanical מערכות (MEMS) מאפשרים התחדשות דינמי של התגובה של החומר.משטחים אינטליגנטיים אלה יכולים להיות לנווט, ביטול, או אפילו לבצע משימות מחשוב-רשת - פונקציונליות כי הם קריטיים עבור פעילות ⁇ גבוהה.

(ב) ,0Key 6G רכיבים אשר ניתן על ידי metamaterials: ⁇

  • (FLT:0) עדשות פלאט ומשקפים: אנדרל 1 (Relementy dielectric עדשות, עדשות metasurface דק יכול להתמקד או להתנגש עם הפסדים מינימליים, המאפשר מודולים אנטנה קטנה יותר.
  • (FLT:0) משטחים חשמליים (Fas): FLT:1 מ- Metamaterial-based FSS ניתן להטמיע בחומרי בנייה או radomes כדי לסנן להקות ספציפיות, צמצום ההתערבות בין 6G ושירותים קיימים.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אתגר משמעותי הוא ייצור סובלנות. באורכי גל תת-תז, ממדים תכונה חייב להיות בעשרות מיקרומטרים, הדורשים לימוזינה מתקדמת.בנוסף, metasurfaces פעיל לצרוך כוח ולהציג לא לינאריות שיש לנהל בקפידה.

Superconductors (HTS)

מוליכות – התופעה של אפס התנגדות חשמלית מתחת לטמפרטורה קריטית – כבר ארוכה חלום לתמסורת ללא הפסד. עבור 6G, סופר-מוליכים בעלי-על בטמפרטורה גבוהה (HTS) כגון YBa2Cu3O7 (YBCO) ו-B2Sr2C2K2O8 (BSCCO) עלולים לחולל מהפכה במרכיבים פסיביים כמו מסננים, רסון, ועיכוב בקווים תת-TH, אפילו להפחית את גודלם משמעותי של גירוי נמוך יותר;

במקלטי תחנת בסיס, מסננים HTS יכולים להשיג מאוד חד- off ואובדן הזנת נמוך, שיפורסלקטיביות ורגישות.זה חשוב במיוחד עבור שיתוף ספקטרום וניהול התערבות בפריסה של 6G צפופה. יתר על כן, קווי שידור סופר-מוליכים יכולים לאפשר חיבורים אולטרה-נמוכים בתוך מרכזי נתונים ו בין מרכזי אנטנה מבוזרים.

אתגרים מעשיים כוללים דרישות קירור.הכובשים המודרניים הפכו קומפקטיים ויעילים יותר, אבל שילוב מערכות Cryogenic לכל 6G node הוא כלכלי ובאופן לוגיסטי מרתיעה.מרכיבים HTS אלה הם אפוא יותר סביר להופיע בתשתיות ערכיות גבוהות כגון נתבים בעמוד השדרה, משרדים מרכזיים, ומערך גדול MIMO (מסוים מרובים בקידוד) שבו הביצועים עולים על העלות הקירור.

דיאלקטריות מתקדמות ו- Substrates

חומרים דיאלקטריים נמוכים חיוניים עבור לוחות מעגלים 6G, אריזה, אנטנה substrates. בתדרים תת-THz, אובדן טנגנטי (tan ⁇ ) חייב להיות בטווח של 0.001 או נמוך יותר. גבישים נוזליים נוזליים (LCP), פוליטרה-fluoroethylene (PT) מרוכבים, ו resins מלאים קרמיקה כיום שולט בשוק מילימטר, עבור חוקרים חדשים: 6G הם להפוך חומרים חדשים:

  • (FLT:0)Benzocyclobutene (BCB) resins:FreaLT 1: מציע קבוע דיאלקטרי נמוך ( ⁇ 2.6) והפסד נמוך, עם תכונות תכנון מצוינות עבור מעגלים מרובים RF.
  • (ב) ⁇ (אל) ו- סיליקון קרבד (SiC): ⁇ FLT:1 כחומרים תת-קרקעיים למגברי חשמל, הם משלבים מוליכות תרמית גבוהה עם תכונות דיאלקטריות בינוניות, המאפשרות חשמל תפוקה גבוה יותר וניתוק חום טוב יותר.
  • (FLT:0)Nano ⁇ dielectrics:FLT:1 , הכירו את הפורוזיות מבוקרת מפחיתה את הקבוע הדיאלקטרי תוך שמירה על שלמות מכנית, אידיאלי עבור צמצום צלב במערכות יחסים צפופות.

ייצור אדקטי (3D הדפסה) של רכיבים דיאלקטריים הוא גם צובר מתחים.זה מאפשר לפרוטוציה מהירה של צורות מורכבות עם קבועות דיאלקטרי מדורגים, המאפשר עיצובים עדשות חדשניות ואנטנות תואמים.לדוגמה, (FLT:0researchers הוכיחו עדשות דיאלקטריות בעלות 3D עבור 300 GHz מיקוד FLT:1, השגת ביצועים קרובים-timopum.

השפעה על דרישות ספציפיות 6G תשתיות

אנטנה Arrays ו-Beamformingמודולים

תחנות בסיס 6G ישתמשו במערך MIMO מסיבי עם מאות או אלפי אלמנטים אנטנה הפועלים בלהקות תת-THz. הגודל הפיזי של כל רכיב בקנה מידה הפוך עם תדירות, כך שחתונות אלמנט יכול להיות קטן כמו 0.5 מ"מ. זה יוצר דרישות קיצוניות לייצור דיוק, רשתות אכילה נמוכות, וניהול תרמי, חומרים כמו גרפן וננול מתכתי יכול להפחית את ההפסדים הומימיים באלמנטים הרדיואקטיביים עצמם, בעוד שבסיסם יכול להיות מפשטים מסבך.

חידוש נוסף הוא השימוש בטכנולוגיית גל (SIW):0 על ידי אנטנה של שבבים לתוך תת-חשמלית נמוכה או חצי-מוליכים למחצה, מעצבים לחסל חיבורים בין-מעורשים (SIW) על ידי אנטנות גירוד ישירות לתוך תת-חשמלית נמוכה או מוליכים למחצה, צפיפות למנוע צמיגים interconatives ולהפחית הפסדים פרציטיים (GaN) על SiC הוא מועדפת לפלטפורמת כוח גבוהה, כי הוא פועל על גבי מגנטית גבוהה, כי הוא פועל מגנטית גבוהה, כמו גם אנטים, כי הוא פועל מגנטית גבוהה, כי הוא פועל אנטים, כי הוא פועל אנטים, כי הוא פועל אנטים מגנטיים, כי הוא פועל אנטים גבוהים, כמו גם אנטים גבוהה, בעוד אנטנות גבוהה, כי הוא פועל אנטנות גבוהה, בעוד אנטים מגנטיים, בעוד אנטנות גבוהה, כמו גם אנטנות גבוהה, בעוד אנטנות גבוהה, כי הוא פועל אנטים מגנטית מגנטית גבוהה, כי הוא פועל אנטים, כי הוא פועל אנטים, כי הוא פועל אנטים, כי הוא פועל אנטים מגנטית גבוהה, כי הוא מעדיף פלטפורמה גבוהה, כי הוא פועל אנט

Transceivers and Front-Endמודולs

(הרדיו) לפני התדירות (RFFE) עבור 6G חייב להתמודד עם רוחב פס רחב יותר (עד כמה ג'יגההרץ לערוץ), לינאריות גבוהה יותר, ונתון רעש נמוך יותר. heterojunction bi קוטבי (HBTs) בהתבסס על מהירות נתרן phosphide (InP) הראו ip T ו fHz ערכים מעל 1 THz עבור דיגיטלי-Densive begamforming, אך ורק לאחר מכן, 000) CM2D2D) יש צורך ב-F2D.

עבור רכיבים פסיביים, מערכות מיקרו-אלקטרוניקה (MEMS) מתגים ו-varactors באמצעות חומרים כמו אלומיניום nitride (AlN) או להוביל Zirconate titanate (PZT) יכול לספק מעבר נמוך להפסדים עבור רשתות התאמה מחדש וסינון בנקים.

כוח מגביר ואנרגיה

מגברי חשמל (PAs) הם המרכיבים האנרגטיים ביותר בכל מערכת אלחוטית.עבור 6G, יעילות היעד חייבת לעלות על 50% אפילו ברמות כוח אחוריות.רחב-bandgap Semiconductors כגון GaN ו-GRAium oxide (Ga2O3) נמצאים בחוד החנית של GaN-on-SC PAPA כבר השיגו יותר מ- 60% יעילות מופחתת כוח (PA) ו-C, אפילו יותר מ-Ricercst, כלומר, יותר מ-R.

מעבר למוליכים למחצה, התקדמות בחומרי ממשק תרמיים (TIM) הם קריטיים.יהלומים-reinforced מרוכבים, צינורות פחמן ננוtube, ו כריות תרמיות מבוססות גרפן יכולים לחלץ חום ביעילות רבה יותר מאזורים קטנים חמים.ללא חומרים כאלה, את תנודות הכוח הקיצוניות ב -6G מערךים יגרום בריחה תרמית.

מרכזי נתונים ו-Backhaul Networks

(ב) ידרוש יכולת גיבוי מסיבית, ככל הנראה באמצעות קישורים אופטיים מרחביים (FSO) וגשרים אלחוטיים THz. עבור קישורים אלה, מודולים אופטיים ו photodetecators חייב לפעול במהירויות גבוהות יותר מ -100 חומרים Gbaud. כגון Lithium niobate (LiNbO3) על sulator, סיליקון, חומרים pmonic הם לפתח אלקטרו-אופטימיים עבור מודולריים (T) עבור נוגדנים חזקים מעל 100 LThaphiG3.

במרכזי נתונים, חיבורים על-מוליכים יכולים לקצץ את צריכת החשמל להעברת נתונים ב-90% בהשוואה לנחושת.בעוד קירור Cryogenic מוסיף מעל הראש, תקציב האנרגיה הכולל של מחשוב אולטרה-ממדי עשוי עדיין לתמוך בקישורים סופר-מוליכים.בנוסף, חומרים מגנטיים כמו ytrium ברזל garnet (YIG) משמשים עבור ממריצים ומפיצים כי אותות המונעים השתקפות של משדרים כוח גבוה.

אתגרים ייצור ו Scalability

מעבר לפריצות דרך מעבדה לרכיבי 6G ברמת הייצור דורש פתרון לאתגרים בייצור עצום.

  • (FLT:0) אינטגרציה בקנה מידה בקנה מידה של חומרים 2D: ⁇ FLT ( 1:1 שיטות קורות חיים נוכחי לייצר גרפן על סיחוש נחושת, אשר חייב להיות מועבר למטרה substrates - תהליך נוטה לקמטים ו contamination. צמיחה ישירה על SiC wfers הוכיחה הבטחה עבור גרפן-on-SiC, אבל קמטים עדיין מוגבלים.
  • (FLT:0) ייצור חומרי בקנה מידה: FIRLT:1 , טכניקות ננופיוט כמו אלקטרון-באם ליתוגרפיה איטיות מדי לייצור המוני. , לימוזינה ננומטרית ושיטות הערכה עצמית מפותחות כדי לעצב metasurfaces על פני אזורים גדולים.
  • (FLT:0) אמינות והזדקנות:FLT:1hil חומרים מתקדמים רבים (למשל, halide perovskites עבור פוטוניקה) מחלחל במהירות בתנאים נוחים.
  • (FLT:0) Cost:BuildFLT:1 , אימוץ של תת-שכבות אקזוטיות (InP, GaN-on-diamond) יהיה בתחילה מוגבל לתשתיות מתקדמות.

שיקולים של כלכלה מעגלית

בחירת החומרים עבור תשתיות 6G חייבת גם לקחת בחשבון את ההשפעה הסביבתית.אלמנטים נדירים-earth בשימוש בחלק מהחומרים HTS ומגנטיים, כמו גם את עיבוד האנרגיה של יהלום סינתטי, להעלות חששות קיימות.חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חומרים חלופיים: תרכובות פחמן המבוססות על אנטנה, דיאלקטריות ממוחזרות, ומכשירים בעלי יכולת קיבולת ביולוגית עבור מכשירים קצרים של IoT:0-אירופה השיקה יוזמות אלה.

יתר על כן, יעילות האנרגיה עולה מחומרים מתקדמים יכולה להפחית את טביעת הרגל של פחמן הייצור שלהם במהלך חיי הרשת.לדוגמה, קרן גאן הפועלת ב 60% יעילות במקום 40% צורכת 33% פחות כוח, אשר מעל עשור של פעולה מתורגמת לחיסכון משמעותי של CO2.

הדרך קדימה: אינטגרציה, חינוך ושיתוף פעולה

הפריסה המוצלחת של תשתיות 6G תהיה תלויה בשילוב חלקה של פלטפורמות חומריות מגוונות.אין חומר אחד יכול לספק את כל הדרישות - דיאלקטריות איטיות, מוליכים למחצה בעלי יכולת גבוהה, חיבורים סופר-מוליכים, ו metasurfaces ניתן להגדרה מחדש במערכת heterogeneous.זה קורא לכלים מודלים מרובים שיכולה לדמות מכשירים אלקטרומגנטיים, תרמיים, מכניים בו זמנית.

מחנכים ממלאים תפקיד מכריע בהכנת הדור הבא של מהנדסים.קליקום צריך לכלול לא רק אלקטרומגנטיים קלאסיים ופיסיקה מוליכים למחצה, אלא גם חשיפה מעשית לטכניקות של אפיון חומרים (למשל, terahertz זמן-דומיין-דומיין ספקטרום, מיקרוסקופית כוח אטומי) ועיצוב של מטבוליות.

כיוונים למחקר כדי לצפות

  • (FLT:0) ממריצים טופולוגיים: FLT:1 חומרים אלה פועלים רק על פני השטח שלהם, עם מצבים קצה כי הם חסינים פגמים.הם יכולים לאפשר חיבורים אולטרה-יעילות ומושגים אנטנה חדשנית.
  • חומרים (PCMs): ההרחבה 1 (GeSbTe) יכולים לעבור בין מדינות amorphous ו גבישיות, המציעות תצורה לא-וולת עבור מסננים ומשמרות שלב.
  • חומרים של LT:0 (Quantum: FLT:1 Exploiting קוונטית סבך תקשורת בטוחה עשוי בסופו של דבר לדרוש חומרים ששומרים על קוהרנטיות בטמפרטורת החדר, שדה מחקר פעיל.
  • (FLT:0) חומרים בהשראת ביולוגיה: FLT:1 מבנים Composite לחקות כנפיים פרפרים או עיניים מותי הראו תכונות צבע אנטי-פריבית ומבניות שיכולים לשפר את יעילות ההמרה אופטית אל-THz.

מסקנה

חידושים מדעיים חומריים אינם רק מאפשר עבור 6G - הם הבסיס שעליו יינתנו הבטחותיו הנועזות.מגרפן ומטא-חומרים ועד למוליכים העל-מדומים בעלי-על ו dielectrics מתקדמים, כל קטגוריה מתייחסת למגבלות ספציפיות המוטלות על ידי ניתוח תת-טרחרץ.הנתיב ממעבדה לייצור המוני הוא ארוך ומאתגר, אבל התגמולים – מהירים, אמינים, בר-קיימא, יציבים, וידידות אלחוטית וחדשת.

עבור מחנכים וסטודנטים, להישאר רוח של התפתחויות אלה חיוני.הם מגדירים את הגבול בין אפשרות תיאורטית לבין הנדסה מעשית. על ידי שילוב מדעי החומר לתוך תוכניות תקשורת, טיפוח מחקר בינתחומי, וקידום שיטות בר קיימא, הדור הבא יכול להבטיח כי תשתיות 6G לא רק מתקדם יותר, אלא גם אחראי יותר.