毫米波技术

第五代移动通信系统 （5th generation mobile networks，简称5G）离正式商用（2020年）越来越接近。5G在传输速率上应当实现比4G快十倍以上，即5G的传输速率可实现1Gb/s。

无线传输增加传输速率大体上有两种方法，其一是增加频谱利用率，其二是增加频谱带宽。相对于提高频谱利用率，增加频谱带宽的方法显得更简单直接。现在常用的5GHz以下的频段已经非常拥挤，为了寻找新的频谱资源，各大厂商 想到的方法就是使用毫米波技术。

毫米波的定义

微波波段包括：分米波，厘米波，毫米波和亚毫米波。其中，毫米波（millimeterwave），通常指频段在30~300GHz，相应波长为1~10mm的电磁波，它的工作频率介于微波与远红外波之间，因此兼有两种波谱的特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。

毫米波在整个光谱之中的具体位置

毫米波工作频率范围示意图

毫米波的发展

自1873年Maxwell发表《电磁学通论》以来，人们充分利用电磁资源在拓宽平铺方面作了大量的工作。对于毫米波的研究，早在1889年就已提出，至今已有一个世纪的漫长岁月。毫米波的发展一直时起时落，但对毫米波的研究总是吸引着很多的学者，从而获得了大量的基本知识。研究毫米波必须有相应的技术作为支撑，所以此领域的研究一直比较缓慢，可以说一波三折。但随着相应技术的发展以及在一些重要场合下红外和可见光技术不能提供最佳解决方案的时候，毫米波由于其区别于普通微波的特点，其潜在的研究和应用价值日益突出。 

直至20世纪70年代，由于毫米波集成电路和毫米波固体器件的研制成功并获得批量生产，使生产成本日趋下降，毫米波通信才犹如枯木逢春，蓬勃发展开来。可以预计，随着科技的进步，毫米波通信必将呈现出广阔的应用前景。

毫米波的传播特性

通常毫米波频段是指 30GHz～300GHz, 相应波长为 1mm～10mm。毫米波通信就是指以毫米波作为传输信息的载体而进行的通信。目前绝大多数的应用研究集中在几个“大气窗口”频率和三个“衰减峰”频率上。

1、是一种典型的视距传输方式

毫米波属于甚高频段, 它以直射波的方式在空间进行传播，波束很窄，具有良好的方向性。一方面，由于毫米波受大气吸收和降雨衰落影响严重,所以单跳通信距离较短;另一方面，由于频段高，干扰源很少，所以传播稳定可靠。因此，毫米波通信是一种典型的具有高质量、恒定参数的无线传输信道的通信技术。

2、具有“大气窗口”和“衰减峰”

“大气窗口”是指 35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、 220GHz 频段, 在这些特殊频段附近, 毫米波传播受到的衰减较小。一般说来，“大气窗口”频段比较适用于点对点通信，已经被低空空地导弹和地基雷达所采用。而在 60GHz、 120GHz、 180GHz 频段附近的衰减出现极大值,约高达 15dB / km 以上, 被称作“衰减峰”。通常这些“衰减峰”频段被多路分集的隐蔽网络和系统优先选用，用以满足网络安全系数的要求。

3、降雨时衰减严重

与微波相比, 毫米波信号在恶劣的气候条件下，尤其是降雨时的衰减要大许多，严重影响传播效果。经过研究得出的结论是，毫米波信号降雨时衰减的大小与降雨的瞬时强度、距离长短和雨滴形状密切相关。进一步的验证表明: 通常情况下，降雨的瞬时强度越大、距离越远、雨滴越大，所引起的衰减也就越严重。因此，对付降雨衰减最有效的办法是在进行毫米波通信系统或通信线路设计时，留出足够的电平衰减余量。

4、对沙尘和烟雾具有很强的穿透能力

大气激光和红外对沙尘和烟雾的穿透力很差,而毫米波在这点上具有明显优势。大量现场试验结果表明, 毫米波对于沙尘和烟雾具有很强的穿透力，几乎能无衰减地通过沙尘和烟雾。甚至在由爆炸和金属箔条产生的较高强度散射的条件下, 即使出现衰落也是短期的,很快就会恢复。随着离子的扩散和降落, 不会引起毫米波通信的严重中断。

毫米波通信的优点

1、极宽的带宽

通常认为毫米波频率范围为26.5～300GHz，带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收，在大气中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135GHz，为微波以下各波段带宽之和的5倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。

2、波束窄

在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个12cm的天线，在9.4GHz时波束宽度为18度，而94GHz时波速宽度仅1.8度。因此能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节。

3、探测能力强

可以利用宽带广谱能力来抑制多径效应和杂乱回波。有大量频率可供使用，有效的消除相互干扰。在目标径向速度下可以获得较大的多谱勒频移，从而提高对低速运动物体或振动物体的探测和识别能力。

4、安全保密好

毫米波通信的这个优点来自两个方面: a)由于毫米波在大气中传播受氧、水气和降雨的吸收衰减很大, 点对点的直通距离很短, 超过这个距离信号就会变得十分微弱, 这就增加了敌方进行窃听和干扰的难度。b)毫米波的波束很窄, 且副瓣低, 这又进一步降低了其被截获的概率。

5、传输质量高

由于频段高毫米波通信基本上没有什么干扰源，电磁频谱极为干净，因此，毫米波信道非常稳定可靠，其误码率可长时间保持在 10- 12 量级，可与光缆的传输质量相媲美。

6、全天候通信

毫米波对降雨、沙尘、烟雾和等离子的穿透能力却要比大气激光和红外强得多。这就使得毫米波通信具有较好的全天候通信能力，保证持续可靠工作。

7、元件尺寸小

和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化。

毫米波的独特应用

毫米波的潜在应用，包括毫米波成像（mm-wave imaging）、亚太赫兹（sub-THz）化学探测器，以及在天文学、化学、物理、医学和安全方面的应用。

重要频率包括90GHz、140GHz，以及300GHz以上或者叫做THz区域。60GHz频带由于氧气的吸收，使得它适合于短距离网络应用。而其他的频带，如90GHz是长距离成像的理想选择。

1、汽车雷达

成像领域的一个很重要的应用是工作于24GHz和77GHz的汽车雷达。今天仅有非常奢侈的汽车装备了毫米波雷达技术。该技术可以在低能见度情况下帮助汽车驾驶，尤其是大雾的天气，以及自动巡航控制和甚至未来高速公路的自动驾驶。

2、用于医学应用的毫米波成像

毫米波技术的另一个潜在应用是无源毫米波成像（passivemm-wave imaging）。仅通过检测物体在毫米波频带的热量辐射，物体的图像就可以像光学系统一样呈现出来。需要或者是一组接收机或者是移动的终端天线来不停地扫描感兴趣的区域。

3、高清视频的无线传输

NEC、三星、松下和LG等消费类电子厂商共同成立了WirelessHD联盟来推动60GHz技术在无压缩高清视频传输中的应用。

4、在电子对抗中的应用

军事上的需要是推动毫米波系统发展的重要因素。目前, 毫米波在雷达、制导、战术和战略通信、电子对抗、遥感、辐射测量等方面得到了广泛应用。其中战略通信与电子对抗是非常重要的应用方向。 

电子对抗中要求通信设备必须具有很强的抗干扰能力, 而毫米波在这方面表现出明显的优势。例如, 选择 60GHz、 120GHz、 200GHz 三个“衰减峰”频段上的舰对舰的毫米波通信, 利用这些频段上信号严重衰减的特点, 可极大提高舰对舰之间通信的抗干扰和抗截获能力。 

现役的多数雷达侦察、告警系统的频率覆盖范围均已扩展到0.5GHz～40GHz。据报道, 美国的电子对抗设备中部分雷达侦察设备频率可达到110GHz, 正在向 300GHz 发展。雷达告警设备频率已扩展到 40GHz～60GHz, 北约正研制一种车载毫米波告警设备, 频段为 40GHz～140GHz。此外, 通信侦察频段覆盖10GHz 毫米波段, 通信干扰部分40GHz以下已实用化, 正在向 110GHz 发展。在毫米波段还可以利用隐身技术。在对付有源毫米波雷达时, 同在微波波段一样, 可以采用减小雷达截面的外形设计, 或者在表面涂敷铁氧体等毫米波吸收材料, 以减小反射波的强度。对于通过检测金属目标的低毫米波辐射与背景辐射之间的反差来跟踪目标的无源雷达, 则要在目标表面涂敷毫米波辐射较强的伪装物, 使其辐射和背景辐射基本相等, 从而使目标融合于背景中。

总之，毫米波通信应用于军事上是非常必要和有重大意义的, 是很有发展前途的通信手段，具有波束窄、数据率高、电波隐蔽、保密和抗干扰性能好、开设迅速、使用方便灵活以及全天候工作的特点。 

其他的毫米波技术应用还包括肿瘤检测的医学成像，温度测量，血液循环和水分、氧分测量。在过去的二十年里，这些应用都被强烈地探索着，但是，大部分研究停止或放弃了，原因在于这些传统的系统竞争不过已经存在的MRI或者X射线CAT扫描系统。由于波长太长，这些系统的精度很差。随着硅技术允许大量的接收机阵列被低成本地实现在一块小面积上，我们相信这些应用会重新出现。而且随着频率被推到更高频点，如100GHz以上，波长变得更小，还将出现新的应用领域。