毫米波技術(shù)

第五代移動(dòng)通信系統(tǒng) （5th generation mobile networks，簡(jiǎn)稱5G）離正式商用（2020年）越來越接近。5G在傳輸速率上應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)比4G快十倍以上，即5G的傳輸速率可實(shí)現(xiàn)1Gb/s。

無線傳輸增加傳輸速率大體上有兩種方法，其一是增加頻譜利用率，其二是增加頻譜帶寬。相對(duì)于提高頻譜利用率，增加頻譜帶寬的方法顯得更簡(jiǎn)單直接。現(xiàn)在常用的5GHz以下的頻段已經(jīng)非常擁擠，為了尋找新的頻譜資源，各大廠商 想到的方法就是使用毫米波技術(shù)。

毫米波的定義

微波波段包括：分米波，厘米波，毫米波和亞毫米波。其中，毫米波（millimeterwave），通常指頻段在30~300GHz，相應(yīng)波長(zhǎng)為1~10mm的電磁波，它的工作頻率介于微波與遠(yuǎn)紅外波之間，因此兼有兩種波譜的特點(diǎn)。毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。

毫米波在整個(gè)光譜之中的具體位置

毫米波工作頻率范圍示意圖

毫米波的發(fā)展

自1873年Maxwell發(fā)表《電磁學(xué)通論》以來，人們充分利用電磁資源在拓寬平鋪方面作了大量的工作。對(duì)于毫米波的研究，早在1889年就已提出，至今已有一個(gè)世紀(jì)的漫長(zhǎng)歲月。毫米波的發(fā)展一直時(shí)起時(shí)落，但對(duì)毫米波的研究總是吸引著很多的學(xué)者，從而獲得了大量的基本知識(shí)。研究毫米波必須有相應(yīng)的技術(shù)作為支撐，所以此領(lǐng)域的研究一直比較緩慢，可以說一波三折。但隨著相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展以及在一些重要場(chǎng)合下紅外和可見光技術(shù)不能提供最佳解決方案的時(shí)候，毫米波由于其區(qū)別于普通微波的特點(diǎn)，其潛在的研究和應(yīng)用價(jià)值日益突出。 

直至20世紀(jì)70年代，由于毫米波集成電路和毫米波固體器件的研制成功并獲得批量生產(chǎn)，使生產(chǎn)成本日趨下降，毫米波通信才猶如枯木逢春，蓬勃發(fā)展開來。可以預(yù)計(jì)，隨著科技的進(jìn)步，毫米波通信必將呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

毫米波的傳播特性

通常毫米波頻段是指 30GHz～300GHz, 相應(yīng)波長(zhǎng)為 1mm～10mm。毫米波通信就是指以毫米波作為傳輸信息的載體而進(jìn)行的通信。目前絕大多數(shù)的應(yīng)用研究集中在幾個(gè)“大氣窗口”頻率和三個(gè)“衰減峰”頻率上。

1、是一種典型的視距傳輸方式

毫米波屬于甚高頻段, 它以直射波的方式在空間進(jìn)行傳播，波束很窄，具有良好的方向性。一方面，由于毫米波受大氣吸收和降雨衰落影響嚴(yán)重,所以單跳通信距離較短;另一方面，由于頻段高，干擾源很少，所以傳播穩(wěn)定可靠。因此，毫米波通信是一種典型的具有高質(zhì)量、恒定參數(shù)的無線傳輸信道的通信技術(shù)。

2、具有“大氣窗口”和“衰減峰”

“大氣窗口”是指 35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、 220GHz 頻段, 在這些特殊頻段附近, 毫米波傳播受到的衰減較小。一般說來，“大氣窗口”頻段比較適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，已經(jīng)被低空空地導(dǎo)彈和地基雷達(dá)所采用。而在 60GHz、 120GHz、 180GHz 頻段附近的衰減出現(xiàn)極大值,約高達(dá) 15dB / km 以上, 被稱作“衰減峰”。通常這些“衰減峰”頻段被多路分集的隱蔽網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)優(yōu)先選用，用以滿足網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)的要求。

3、降雨時(shí)衰減嚴(yán)重

與微波相比, 毫米波信號(hào)在惡劣的氣候條件下，尤其是降雨時(shí)的衰減要大許多，嚴(yán)重影響傳播效果。經(jīng)過研究得出的結(jié)論是，毫米波信號(hào)降雨時(shí)衰減的大小與降雨的瞬時(shí)強(qiáng)度、距離長(zhǎng)短和雨滴形狀密切相關(guān)。進(jìn)一步的驗(yàn)證表明: 通常情況下，降雨的瞬時(shí)強(qiáng)度越大、距離越遠(yuǎn)、雨滴越大，所引起的衰減也就越嚴(yán)重。因此，對(duì)付降雨衰減最有效的辦法是在進(jìn)行毫米波通信系統(tǒng)或通信線路設(shè)計(jì)時(shí)，留出足夠的電平衰減余量。

4、對(duì)沙塵和煙霧具有很強(qiáng)的穿透能力

大氣激光和紅外對(duì)沙塵和煙霧的穿透力很差,而毫米波在這點(diǎn)上具有明顯優(yōu)勢(shì)。大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明, 毫米波對(duì)于沙塵和煙霧具有很強(qiáng)的穿透力，幾乎能無衰減地通過沙塵和煙霧。甚至在由爆炸和金屬箔條產(chǎn)生的較高強(qiáng)度散射的條件下, 即使出現(xiàn)衰落也是短期的,很快就會(huì)恢復(fù)。隨著離子的擴(kuò)散和降落, 不會(huì)引起毫米波通信的嚴(yán)重中斷。

毫米波通信的優(yōu)點(diǎn)

1、極寬的帶寬

通常認(rèn)為毫米波頻率范圍為26.5～300GHz，帶寬高達(dá)273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時(shí)只能使用四個(gè)主要窗口，但這四個(gè)窗口的總帶寬也可達(dá)135GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

2、波束窄

在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個(gè)12cm的天線，在9.4GHz時(shí)波束寬度為18度，而94GHz時(shí)波速寬度僅1.8度。因此能分辨相距更近的小目標(biāo)或更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

3、探測(cè)能力強(qiáng)

可以利用寬帶廣譜能力來抑制多徑效應(yīng)和雜亂回波。有大量頻率可供使用，有效的消除相互干擾。在目標(biāo)徑向速度下可以獲得較大的多譜勒頻移，從而提高對(duì)低速運(yùn)動(dòng)物體或振動(dòng)物體的探測(cè)和識(shí)別能力。

4、安全保密好

毫米波通信的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)來自兩個(gè)方面: a)由于毫米波在大氣中傳播受氧、水氣和降雨的吸收衰減很大, 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直通距離很短, 超過這個(gè)距離信號(hào)就會(huì)變得十分微弱, 這就增加了敵方進(jìn)行竊聽和干擾的難度。b)毫米波的波束很窄, 且副瓣低, 這又進(jìn)一步降低了其被截獲的概率。

5、傳輸質(zhì)量高

由于頻段高毫米波通信基本上沒有什么干擾源，電磁頻譜極為干凈，因此，毫米波信道非常穩(wěn)定可靠，其誤碼率可長(zhǎng)時(shí)間保持在 10- 12 量級(jí)，可與光纜的傳輸質(zhì)量相媲美。

6、全天候通信

毫米波對(duì)降雨、沙塵、煙霧和等離子的穿透能力卻要比大氣激光和紅外強(qiáng)得多。這就使得毫米波通信具有較好的全天候通信能力，保證持續(xù)可靠工作。

7、元件尺寸小

和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化。

毫米波的獨(dú)特應(yīng)用

毫米波的潛在應(yīng)用，包括毫米波成像（mm-wave imaging）、亞太赫茲（sub-THz）化學(xué)探測(cè)器，以及在天文學(xué)、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)和安全方面的應(yīng)用。

重要頻率包括90GHz、140GHz，以及300GHz以上或者叫做THz區(qū)域。60GHz頻帶由于氧氣的吸收，使得它適合于短距離網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。而其他的頻帶，如90GHz是長(zhǎng)距離成像的理想選擇。

1、汽車?yán)走_(dá)

成像領(lǐng)域的一個(gè)很重要的應(yīng)用是工作于24GHz和77GHz的汽車?yán)走_(dá)。今天僅有非常奢侈的汽車裝備了毫米波雷達(dá)技術(shù)。該技術(shù)可以在低能見度情況下幫助汽車駕駛，尤其是大霧的天氣，以及自動(dòng)巡航控制和甚至未來高速公路的自動(dòng)駕駛。

2、用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用的毫米波成像

毫米波技術(shù)的另一個(gè)潛在應(yīng)用是無源毫米波成像（passivemm-wave imaging）。僅通過檢測(cè)物體在毫米波頻帶的熱量輻射，物體的圖像就可以像光學(xué)系統(tǒng)一樣呈現(xiàn)出來。需要或者是一組接收機(jī)或者是移動(dòng)的終端天線來不停地掃描感興趣的區(qū)域。

3、高清視頻的無線傳輸

NEC、三星、松下和LG等消費(fèi)類電子廠商共同成立了WirelessHD聯(lián)盟來推動(dòng)60GHz技術(shù)在無壓縮高清視頻傳輸中的應(yīng)用。

4、在電子對(duì)抗中的應(yīng)用

軍事上的需要是推動(dòng)毫米波系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。目前, 毫米波在雷達(dá)、制導(dǎo)、戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略通信、電子對(duì)抗、遙感、輻射測(cè)量等方面得到了廣泛應(yīng)用。其中戰(zhàn)略通信與電子對(duì)抗是非常重要的應(yīng)用方向。 

電子對(duì)抗中要求通信設(shè)備必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力, 而毫米波在這方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。例如, 選擇 60GHz、 120GHz、 200GHz 三個(gè)“衰減峰”頻段上的艦對(duì)艦的毫米波通信, 利用這些頻段上信號(hào)嚴(yán)重衰減的特點(diǎn), 可極大提高艦對(duì)艦之間通信的抗干擾和抗截獲能力。 

現(xiàn)役的多數(shù)雷達(dá)偵察、告警系統(tǒng)的頻率覆蓋范圍均已擴(kuò)展到0.5GHz～40GHz。據(jù)報(bào)道, 美國(guó)的電子對(duì)抗設(shè)備中部分雷達(dá)偵察設(shè)備頻率可達(dá)到110GHz, 正在向 300GHz 發(fā)展。雷達(dá)告警設(shè)備頻率已擴(kuò)展到 40GHz～60GHz, 北約正研制一種車載毫米波告警設(shè)備, 頻段為 40GHz～140GHz。此外, 通信偵察頻段覆蓋10GHz 毫米波段, 通信干擾部分40GHz以下已實(shí)用化, 正在向 110GHz 發(fā)展。在毫米波段還可以利用隱身技術(shù)。在對(duì)付有源毫米波雷達(dá)時(shí), 同在微波波段一樣, 可以采用減小雷達(dá)截面的外形設(shè)計(jì), 或者在表面涂敷鐵氧體等毫米波吸收材料, 以減小反射波的強(qiáng)度。對(duì)于通過檢測(cè)金屬目標(biāo)的低毫米波輻射與背景輻射之間的反差來跟蹤目標(biāo)的無源雷達(dá), 則要在目標(biāo)表面涂敷毫米波輻射較強(qiáng)的偽裝物, 使其輻射和背景輻射基本相等, 從而使目標(biāo)融合于背景中。

總之，毫米波通信應(yīng)用于軍事上是非常必要和有重大意義的, 是很有發(fā)展前途的通信手段，具有波束窄、數(shù)據(jù)率高、電波隱蔽、保密和抗干擾性能好、開設(shè)迅速、使用方便靈活以及全天候工作的特點(diǎn)。 

其他的毫米波技術(shù)應(yīng)用還包括腫瘤檢測(cè)的醫(yī)學(xué)成像，溫度測(cè)量，血液循環(huán)和水分、氧分測(cè)量。在過去的二十年里，這些應(yīng)用都被強(qiáng)烈地探索著，但是，大部分研究停止或放棄了，原因在于這些傳統(tǒng)的系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)不過已經(jīng)存在的MRI或者X射線CAT掃描系統(tǒng)。由于波長(zhǎng)太長(zhǎng)，這些系統(tǒng)的精度很差。隨著硅技術(shù)允許大量的接收機(jī)陣列被低成本地實(shí)現(xiàn)在一塊小面積上，我們相信這些應(yīng)用會(huì)重新出現(xiàn)。而且隨著頻率被推到更高頻點(diǎn)，如100GHz以上，波長(zhǎng)變得更小，還將出現(xiàn)新的應(yīng)用領(lǐng)域。