毫米波技术基础

什么是毫米波技术? 与其他低频技术相比，它的特点是什么？

这篇文章介绍了极高频(mmwave) ，包括它们的频率、传播特性以及常见应用的优缺点。

什么是毫米波？

顾名思义，极高频是指波长(λ)约为1毫米(更准确地说是1至10毫米)的电磁波。使用方程 f = c/λ 将波长转换为频率，其中 c 是光速(3 x 108 m/s) ，得到的频率范围为30-300 GHz。毫米波段被国际电信联盟(ITU)指定为“极高频”(EHF)波段。术语“毫米波”也经常缩写为“毫米波”。

图1包括利用 mmWave 频谱的应用程序的例子，还演示了 mmWave 频谱相对于其他电磁频带的位置。

图1。毫米波频谱概览。图像由模拟设备提供

现在我们已经有了基本的定义，让我们来讨论毫米波信号是如何传播的。

毫米波的传播

毫米波信号传播的拥有属性是:

• 高自由空间路径损耗
• 显著的大气衰减
• 漫反射
• 穿透深度有限

下面的小节将更详细地研究这四种传播特性中的每一种。

自由空间路径损失

毫米波无线电频率(RF)通信的一个局限性是用于两天线间直接视线通信的自由空间路径损耗(FSPL)。FSPL 与波长的平方成反比，由下列公式给出:

• D 是两个天线之间的距离，单位为 m
• Λ 是 m 中的波长。

从这个方程可以看出，波长减少10倍导致自由空间路径损失增加100倍。因此，毫米波的衰减数量级要比传统通信频率如调频收音机或无线网络的衰减高很多。

在射频通信计算中，通常将这个损耗方程转换为以分贝为单位的结果，频率以 GHz 为单位，距离以 km 为单位。在这个转换之后，等式变成:

大气衰减

毫米波传输的另一个缺点是大气衰减。在这个波长范围内，由于大气气体——主要是氧气(O2)和水蒸气(H2O)分子的存在，会产生额外的衰减。

如图2所示，在某些波段，大气衰减可能非常严重。

图2。按频率和高度分列的大气衰减。

例如，氧气峰值在5毫米(60千兆赫)。降雨增加了整个光谱的衰减。

漫反射

较长的波长通常依赖于直接(镜面)反射功率，以协助传输周围的障碍(想想镜面反射)。然而，许多表面看起来“粗糙”的极高频，这导致漫反射，发送能量在许多不同的方向。这可以在图3中看到。

图3漫反射和镜面反射(物理)

因此，较少的反射能量有可能到达接收天线。因此，毫米波传输非常容易受到障碍物的影响，通常仅限于视线传输。

有限渗透

由于其波长较短，极高频不能深入或穿透大多数材料。例如，一项对普通建筑材料的研究发现，衰减幅度约为1至6分贝/厘米，在70吉赫频率时穿透砖墙的渗透损失可能比在1吉赫频率时高五倍。在户外，树叶也会阻挡大多数毫米波动。因此，大多数毫米波通信仅限于视线操作。

MmWave 频率的优势

对于许多应用来说，自由空间路径损失、大气衰减、漫反射和毫米波信号的有限穿透都是有害的。然而，事实证明，在某些应用程序中，这些特性也可以作为优点加以利用。极高频的优点包括:

• 带宽
• 高数据率
• 低延迟
• 小天线
• 射程有限
• 有限的反射
• 有限的渗透
• 提高了分辨率

这些优势中的每一个以及如何在一些应用程序中加以利用，将在以下小节中加以解释。

宽带宽和高数据速率

对于通信应用，宽带宽意味着更高的峰值数据率。这可能意味着在给定的数据速率下处理更多同步通信信道的能力，或者在单个通信中发送更多数据的能力。较低的频谱被大量使用，因此，没有提供这些理想的宽带宽。

例如，3GPP 的5G 新无线电(NR)规范分配的最大频道带宽只有低于6GHz 的100MHz，但高于24GHz 的频带可达400MHz。随着这些5G 规范的不断发展，一些团体正在游说在 mmWave 频谱中进行更广泛的带宽分配。

正是由于这些宽带宽和高数据速率，极高频长期以来一直被用于27.5 GHz 和31 GHz 的卫星通信。高频电路技术的进步，包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN) ，以及相关的较低制造成本，正在将毫米波通信带入地面，掩膜市场的消费应用，如5G NR。

低延迟

通信网络中的延迟可以有多种含义。关于单向通信，延迟是从源发送数据包到接收相同数据包的目的地的时间。更高的极高频频率意味着更多的数据可以在更短的时间内传输。因此，对于固定的数据包大小，高频系统将比低频系统具有更低的延迟。

低延迟对于许多时间敏感的应用程序很重要，包括工业自动化、无线增强或虚拟现实和自动驾驶系统。宽频宽的极高频可缩短传输时间间隔和降低无线电接口的延迟，方便引入和支持对延迟敏感的应用程序。

小型天线

极高频最重要的优点之一是更小的天线，以及能够在阵列中使用大量这些更小的天线元件来实现波束形成。例如，汽车雷达正在从24吉赫过渡到77吉赫。波长是小三倍以上，所以天线阵列面积可以小九倍以上，如图4所示。

图4。24GHz 和77GHz 的相对天线阵列大小。

大型阵列的非常小的天线元件也将用于毫米波通信系统，如5G。波束形成技术可以将辐射功率集中到单个用户，以获得更高质量的信号和更远距离的通信。使用自适应波束形成技术，波束甚至可以根据用户数量及其相对于发射天线的位置而动态变化。

有限的范围，反射和穿透

有限的射程、漫反射和有限的穿透深度实际上可以为远程通信带来好处。正在利用这些特性使许多小单元彼此非常接近而不受干扰。这提供了频谱的空间再利用，因此，允许更多的高带宽消费者在一个地区得到支持。

分辨率提高

在雷达应用中，毫米波信号的高频率和增加的带宽支持更精确的距离测量，更精确的速度测量，以及能够分辨两个紧密间隔的物体。

毫米波技术的应用

雷达

多年来，航天雷达的应用是毫米波技术的主要应用。宽频带非常适合用来测定物体的距离，分辨两个距离较近的物体之间的距离，以及测量物体的相对速度。

例如，在假设两个物体直接或间接移动的最基本形式中，多普勒频移(Δf)由方程给出:

• Vrel 是相对速度(m/s)
• λ 是波长(m)

由于波长较短(如极高频)时频率偏移较大，因此更容易测量由此产生的频率偏移。使用更小的多元天线和自适应波束形成的能力也使极高频成为雷达应用的理想选择。

出于同样的原因，毫米波雷达是理想的航空航天应用，它被广泛采用的自动车辆应用，包括紧急制动，自适应巡航控制(ACC) ，盲点检测(如图5所示)。

图5。毫米波雷达在自动驾驶汽车上的应用。

快速准确测量距离和相对速度的能力显然对无人机操作很重要。

电讯

由于宽带宽、低延迟、小天线和多天线阵列波束形成，卫星系统长期以来一直使用极高频进行通信。这些相同的特性正在驱使许多地面通信网络采用极高频。

例如，由于增加了带宽，极高频可以支持超高清视频的无线传输。此外，较小的天线支持集成到设备，如智能手机，数字机顶盒，游戏站等。将采用极高频的新兴行业标准包括5g 和 IEEE 802.11 ad WiGig。

特别是在室内和城市环境中，极高频的空间再利用和自适应波束形成将能够为大量用户提供高带宽通信，如图6所示。

图6. 支持固定和移动用户的自适应波束形成

大规模多输入多输出(MIMO)系统将使空间分集、空间复用和波束形成成为更多的用户提供更好的功能，同时使用更低的功耗。

安全扫描仪

极高频也用于人体安全扫描仪。数以千计的发射和接收天线共同工作，以高精度扫描，如图7所示。

图7。毫米波人体扫描系统。

这些系统传输的频率范围在70GHz 至80GHz 之间，发射功率仅为1毫瓦左右。极高频穿过大多数衣服，反射到皮肤和其他表面，回到接收天线上。接收到的信号可以用来创建一个详细的个人形象和揭示隐藏在衣服下的物品。低功耗和有限的穿透深度极高频提供了更好的安全性。

极高频的其他应用

这些只是毫米波技术众多应用中的一小部分。已提出或实施的其他应用包括但肯定不限于:

• 射电天文学
• 土壤水分评价
• 积雪测量
• 冰山位置测定
• 在恶劣天气中补充光学探测
• 天气图
• 测量风速
• 医疗

摘要

长期以来，极高频一直应用于雷达应用，并越来越多地应用于新的应用领域，其中最突出的是高速数据通讯。短波长和独特的传播特性为在这些领域工作的设计工程师提供了挑战和机遇。