毫米波技術

第五代移動通信系統 （5th generation mobile networks，簡稱5G）離正式商用（2020年）越來越接近。5G在傳輸速率上應當實現比4G快十倍以上，即5G的傳輸速率可實現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。相對于提高頻譜利用率，增加頻譜帶寬的方法顯得更簡單直接。現在常用的5GHz以下的頻段已經非常擁擠，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。

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，相應波長為1~10mm的電磁波，它的工作頻率介于微波與遠紅外波之間，因此兼有兩種波譜的特點。毫米波的理論和技術分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發展。

毫米波在整個光譜之中的具體位置

毫米波工作頻率范圍示意圖

毫米波的發展

自1873年Maxwell發表《電磁學通論》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。對于毫米波的研究，早在1889年就已提出，至今已有一個世紀的漫長歲月。毫米波的發展一直時起時落，但對毫米波的研究總是吸引著很多的學者，從而獲得了大量的基本知識。研究毫米波必須有相應的技術作為支撐，所以此領域的研究一直比較緩慢，可以說一波三折。但隨著相應技術的發展以及在一些重要場合下紅外和可見光技術不能提供最佳解決方案的時候，毫米波由于其區別于普通微波的特點，其潛在的研究和應用價值日益突出。?

直至20世紀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，使生產成本日趨下降，毫米波通信才猶如枯木逢春，蓬勃發展開來。可以預計，隨著科技的進步，毫米波通信必將呈現出廣闊的應用前景。

毫米波的傳播特性

通常毫米波頻段是指 30GHz～300GHz, 相應波長為 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行的通信。目前絕大多數的應用研究集中在幾個“大氣窗口”頻率和三個“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，所以傳播穩定可靠。因此，毫米波通信是一種典型的具有高質量、恒定參數的無線傳輸信道的通信技術。

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”頻段比較適用于點對點通信，已經被低空空地導彈和地基雷達所采用。而在 60GHz、 120GHz、 180GHz 頻段附近的衰減出現極大值,約高達 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絡和系統優先選用，用以滿足網絡安全系數的要求。

3、降雨時衰減嚴重

與微波相比, 毫米波信號在惡劣的氣候條件下，尤其是降雨時的衰減要大許多，嚴重影響傳播效果。經過研究得出的結論是，毫米波信號降雨時衰減的大小與降雨的瞬時強度、距離長短和雨滴形狀密切相關。進一步的驗證表明:?通常情況下，降雨的瞬時強度越大、距離越遠、雨滴越大，所引起的衰減也就越嚴重。因此，對付降雨衰減最有效的辦法是在進行毫米波通信系統或通信線路設計時，留出足夠的電平衰減余量。

4、對沙塵和煙霧具有很強的穿透能力

大氣激光和紅外對沙塵和煙霧的穿透力很差,而毫米波在這點上具有明顯優勢。大量現場試驗結果表明, 毫米波對于沙塵和煙霧具有很強的穿透力，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生的較高強度散射的條件下, 即使出現衰落也是短期的,很快就會恢復。隨著離子的擴散和降落, 不會引起毫米波通信的嚴重中斷。

毫米波通信的優點

1、極寬的帶寬

通常認為毫米波頻率范圍為26.5～300GHz，帶寬高達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，在大氣中傳播時只能使用四個主要窗口，但這四個窗口的總帶寬也可達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12cm的天線，在9.4GHz時波束寬度為18度，而94GHz時波速寬度僅1.8度。因此能分辨相距更近的小目標或更為清晰地觀察目標的細節。

3、探測能力強

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

4、安全保密好

毫米波通信的這個優點來自兩個方面: 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, 點對點的直通距離很短, 超過這個距離信號就會變得十分微弱, 這就增加了敵方進行竊聽和干擾的難度。b)毫米波的波束很窄, 且副瓣低, 這又進一步降低了其被截獲的概率。

5、傳輸質量高

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，毫米波信道非常穩定可靠，其誤碼率可長時間保持在 10- 12 量級，可與光纜的傳輸質量相媲美。

6、全天候通信

毫米波對降雨、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。因此毫米波系統更容易小型化。

毫米波的獨特應用

毫米波的潛在應用，包括毫米波成像（mm-wave imaging）、亞太赫茲（sub-THz）化學探測器，以及在天文學、化學、物理、醫學和安全方面的應用。

重要頻率包括90GHz、140GHz，以及300GHz以上或者叫做THz區域。60GHz頻帶由于氧氣的吸收，使得它適合于短距離網絡應用。而其他的頻帶，如90GHz是長距離成像的理想選擇。

1、汽車雷達

成像領域的一個很重要的應用是工作于24GHz和77GHz的汽車雷達。今天僅有非常奢侈的汽車裝備了毫米波雷達技術。該技術可以在低能見度情況下幫助汽車駕駛，尤其是大霧的天氣，以及自動巡航控制和甚至未來高速公路的自動駕駛。

2、用于醫學應用的毫米波成像

毫米波技術的另一個潛在應用是無源毫米波成像（passivemm-wave imaging）。僅通過檢測物體在毫米波頻帶的熱量輻射，物體的圖像就可以像光學系統一樣呈現出來。需要或者是一組接收機或者是移動的終端天線來不停地掃描感興趣的區域。

3、高清視頻的無線傳輸

NEC、三星、松下和LG等消費類電子廠商共同成立了WirelessHD聯盟來推動60GHz技術在無壓縮高清視頻傳輸中的應用。

4、在電子對抗中的應用

軍事上的需要是推動毫米波系統發展的重要因素。目前, 毫米波在雷達、制導、戰術和戰略通信、電子對抗、遙感、輻射測量等方面得到了廣泛應用。其中戰略通信與電子對抗是非常重要的應用方向。?

電子對抗中要求通信設備必須具有很強的抗干擾能力, 而毫米波在這方面表現出明顯的優勢。例如, 選擇 60GHz、 120GHz、 200GHz 三個“衰減峰”頻段上的艦對艦的毫米波通信, 利用這些頻段上信號嚴重衰減的特點, 可極大提高艦對艦之間通信的抗干擾和抗截獲能力。?

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現役的多數雷達偵察、告警系統的頻率覆蓋范圍均已擴展到0.5GHz～40GHz。據報道, 美國的電子對抗設備中部分雷達偵察設備頻率可達到110GHz, 正在向 300GHz 發展。雷達告警設備頻率已擴展到 40GHz～60GHz, 北約正研制一種車載毫米波告警設備, 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以下已實用化, 正在向 110GHz 發展。在毫米波段還可以利用隱身技術。在對付有源毫米波雷達時, 同在微波波段一樣, 可以采用減小雷達截面的外形設計, 或者在表面涂敷鐵氧體等毫米波吸收材料, 以減小反射波的強度。對于通過檢測金屬目標的低毫米波輻射與背景輻射之間的反差來跟蹤目標的無源雷達, 則要在目標表面涂敷毫米波輻射較強的偽裝物, 使其輻射和背景輻射基本相等, 從而使目標融合于背景中。

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

其他的毫米波技術應用還包括腫瘤檢測的醫學成像，溫度測量，血液循環和水分、氧分測量。在過去的二十年里，這些應用都被強烈地探索著，但是，大部分研究停止或放棄了，原因在于這些傳統的系統競爭不過已經存在的MRI或者X射線CAT掃描系統。由于波長太長，這些系統的精度很差。隨著硅技術允許大量的接收機陣列被低成本地實現在一塊小面積上，我們相信這些應用會重新出現。而且隨著頻率被推到更高頻點，如100GHz以上，波長變得更小，還將出現新的應用領域。