什么是毫米波技術(shù)? 與其他低頻技術(shù)相比，它的特點是什么？
這篇文章介紹了極高頻(mmwave) ，包括它們的頻率、傳播特性以及常見應用的優(yōu)缺點。
什么是毫米波？
顧名思義，極高頻是指波長(λ)約為1毫米(更準確地說是1至10毫米)的電磁波。使用方程 f = c/λ 將波長轉(zhuǎn)換為頻率，其中 c 是光速(3 x 108 m/s) ，得到的頻率范圍為30-300 GHz。毫米波段被國際電信聯(lián)盟(ITU)指定為“極高頻”(EHF)波段。術(shù)語“毫米波”也經(jīng)常縮寫為“毫米波”。
圖1包括利用 mmWave 頻譜的應用程序的例子，還演示了 mmWave 頻譜相對于其他電磁頻帶的位置。

圖1。毫米波頻譜概覽。圖像由模擬設(shè)備提供
現(xiàn)在我們已經(jīng)有了基本的定義，讓我們來討論毫米波信號是如何傳播的。
毫米波的傳播
毫米波信號傳播的擁有屬性是:

• 高自由空間路徑損耗
• 顯著的大氣衰減
• 漫反射
• 穿透深度有限
  下面的小節(jié)將更詳細地研究這四種傳播特性中的每一種。

自由空間路徑損失
毫米波無線電頻率(RF)通信的一個局限性是用于兩天線間直接視線通信的自由空間路徑損耗(FSPL)。FSPL 與波長的平方成反比，由下列公式給出:

$$FSPL={\left(\frac{4\pi d}{\lambda }\right)}^2$$

• D 是兩個天線之間的距離，單位為 m
• Λ 是 m 中的波長。
  從這個方程可以看出，波長減少10倍導致自由空間路徑損失增加100倍。因此，毫米波的衰減數(shù)量級要比傳統(tǒng)通信頻率如調(diào)頻收音機或無線網(wǎng)絡(luò)的衰減高很多。
  在射頻通信計算中，通常將這個損耗方程轉(zhuǎn)換為以分貝為單位的結(jié)果，頻率以 GHz 為單位，距離以 km 為單位。在這個轉(zhuǎn)換之后，等式變成:

$$FSPL(dB)=20?lo{g}_{10}(d)+20?lo{g}_{10}(f)+92.45$$

大氣衰減
毫米波傳輸?shù)牧硪粋€缺點是大氣衰減。在這個波長范圍內(nèi)，由于大氣氣體——主要是氧氣(O2)和水蒸氣(H2O)分子的存在，會產(chǎn)生額外的衰減。
如圖2所示，在某些波段，大氣衰減可能非常嚴重。

圖2。按頻率和高度分列的大氣衰減。
例如，氧氣峰值在5毫米(60千兆赫)。降雨增加了整個光譜的衰減。
漫反射
較長的波長通常依賴于直接(鏡面)反射功率，以協(xié)助傳輸周圍的障礙(想想鏡面反射)。然而，許多表面看起來“粗糙”的極高頻，這導致漫反射，發(fā)送能量在許多不同的方向。這可以在圖3中看到。

圖3漫反射和鏡面反射(物理)
因此，較少的反射能量有可能到達接收天線。因此，毫米波傳輸非常容易受到障礙物的影響，通常僅限于視線傳輸。
有限滲透
由于其波長較短，極高頻不能深入或穿透大多數(shù)材料。例如，一項對普通建筑材料的研究發(fā)現(xiàn)，衰減幅度約為1至6分貝/厘米，在70吉赫頻率時穿透磚墻的滲透損失可能比在1吉赫頻率時高五倍。在戶外，樹葉也會阻擋大多數(shù)毫米波動。因此，大多數(shù)毫米波通信僅限于視線操作。
MmWave 頻率的優(yōu)勢
對于許多應用來說，自由空間路徑損失、大氣衰減、漫反射和毫米波信號的有限穿透都是有害的。然而，事實證明，在某些應用程序中，這些特性也可以作為優(yōu)點加以利用。極高頻的優(yōu)點包括:

• 帶寬
• 高數(shù)據(jù)率
• 低延遲
• 小天線
• 射程有限
• 有限的反射
• 有限的滲透
• 提高了分辨率
  這些優(yōu)勢中的每一個以及如何在一些應用程序中加以利用，將在以下小節(jié)中加以解釋。
  寬帶寬和高數(shù)據(jù)速率
  對于通信應用，寬帶寬意味著更高的峰值數(shù)據(jù)率。這可能意味著在給定的數(shù)據(jù)速率下處理更多同步通信信道的能力，或者在單個通信中發(fā)送更多數(shù)據(jù)的能力。較低的頻譜被大量使用，因此，沒有提供這些理想的寬帶寬。
  例如，3GPP 的5G 新無線電(NR)規(guī)范分配的最大頻道帶寬只有低于6GHz 的100MHz，但高于24GHz 的頻帶可達400MHz。隨著這些5G 規(guī)范的不斷發(fā)展，一些團體正在游說在 mmWave 頻譜中進行更廣泛的帶寬分配。
  正是由于這些寬帶寬和高數(shù)據(jù)速率，極高頻長期以來一直被用于27.5 GHz 和31 GHz 的衛(wèi)星通信。高頻電路技術(shù)的進步，包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN) ，以及相關(guān)的較低制造成本，正在將毫米波通信帶入地面，掩膜市場的消費應用，如5G NR。

低延遲
通信網(wǎng)絡(luò)中的延遲可以有多種含義。關(guān)于單向通信，延遲是從源發(fā)送數(shù)據(jù)包到接收相同數(shù)據(jù)包的目的地的時間。更高的極高頻頻率意味著更多的數(shù)據(jù)可以在更短的時間內(nèi)傳輸。因此，對于固定的數(shù)據(jù)包大小，高頻系統(tǒng)將比低頻系統(tǒng)具有更低的延遲。
低延遲對于許多時間敏感的應用程序很重要，包括工業(yè)自動化、無線增強或虛擬現(xiàn)實和自動駕駛系統(tǒng)。寬頻寬的極高頻可縮短傳輸時間間隔和降低無線電接口的延遲，方便引入和支持對延遲敏感的應用程序。

小型天線
極高頻最重要的優(yōu)點之一是更小的天線，以及能夠在陣列中使用大量這些更小的天線元件來實現(xiàn)波束形成。例如，汽車雷達正在從24吉赫過渡到77吉赫。波長是小三倍以上，所以天線陣列面積可以小九倍以上，如圖4所示。

圖4。24GHz 和77GHz 的相對天線陣列大小。
大型陣列的非常小的天線元件也將用于毫米波通信系統(tǒng)，如5G。波束形成技術(shù)可以將輻射功率集中到單個用戶，以獲得更高質(zhì)量的信號和更遠距離的通信。使用自適應波束形成技術(shù)，波束甚至可以根據(jù)用戶數(shù)量及其相對于發(fā)射天線的位置而動態(tài)變化。

有限的范圍，反射和穿透
有限的射程、漫反射和有限的穿透深度實際上可以為遠程通信帶來好處。正在利用這些特性使許多小單元彼此非常接近而不受干擾。這提供了頻譜的空間再利用，因此，允許更多的高帶寬消費者在一個地區(qū)得到支持。
分辨率提高
在雷達應用中，毫米波信號的高頻率和增加的帶寬支持更精確的距離測量，更精確的速度測量，以及能夠分辨兩個緊密間隔的物體。
毫米波技術(shù)的應用
雷達
多年來，航天雷達的應用是毫米波技術(shù)的主要應用。寬頻帶非常適合用來測定物體的距離，分辨兩個距離較近的物體之間的距離，以及測量物體的相對速度。
例如，在假設(shè)兩個物體直接或間接移動的最基本形式中，多普勒頻移(Δf)由方程給出:
$$\Delta f=\frac{(2?V_{rel})}{\lambda }$$

• Vrel 是相對速度(m/s)
• λ 是波長(m)
  由于波長較短(如極高頻)時頻率偏移較大，因此更容易測量由此產(chǎn)生的頻率偏移。使用更小的多元天線和自適應波束形成的能力也使極高頻成為雷達應用的理想選擇。
  出于同樣的原因，毫米波雷達是理想的航空航天應用，它被廣泛采用的自動車輛應用，包括緊急制動，自適應巡航控制(ACC) ，盲點檢測(如圖5所示)。

圖5。毫米波雷達在自動駕駛汽車上的應用。
快速準確測量距離和相對速度的能力顯然對無人機操作很重要。
電訊
由于寬帶寬、低延遲、小天線和多天線陣列波束形成，衛(wèi)星系統(tǒng)長期以來一直使用極高頻進行通信。這些相同的特性正在驅(qū)使許多地面通信網(wǎng)絡(luò)采用極高頻。
例如，由于增加了帶寬，極高頻可以支持超高清視頻的無線傳輸。此外，較小的天線支持集成到設(shè)備，如智能手機，數(shù)字機頂盒，游戲站等。將采用極高頻的新興行業(yè)標準包括5g 和 IEEE 802.11 ad WiGig。
特別是在室內(nèi)和城市環(huán)境中，極高頻的空間再利用和自適應波束形成將能夠為大量用戶提供高帶寬通信，如圖6所示。

圖6. 支持固定和移動用戶的自適應波束形成
大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)將使空間分集、空間復用和波束形成成為更多的用戶提供更好的功能，同時使用更低的功耗。
安全掃描儀
極高頻也用于人體安全掃描儀。數(shù)以千計的發(fā)射和接收天線共同工作，以高精度掃描，如圖7所示。

圖7。毫米波人體掃描系統(tǒng)。
這些系統(tǒng)傳輸?shù)念l率范圍在70GHz 至80GHz 之間，發(fā)射功率僅為1毫瓦左右。極高頻穿過大多數(shù)衣服，反射到皮膚和其他表面，回到接收天線上。接收到的信號可以用來創(chuàng)建一個詳細的個人形象和揭示隱藏在衣服下的物品。低功耗和有限的穿透深度極高頻提供了更好的安全性。
極高頻的其他應用
這些只是毫米波技術(shù)眾多應用中的一小部分。已提出或?qū)嵤┑钠渌麘冒ǖ隙ú幌抻?

• 射電天文學
• 土壤水分評價
• 積雪測量
• 冰山位置測定
• 在惡劣天氣中補充光學探測
• 天氣圖
• 測量風速
• 醫(yī)療

摘要
長期以來，極高頻一直應用于雷達應用，并越來越多地應用于新的應用領(lǐng)域，其中最突出的是高速數(shù)據(jù)通訊。短波長和獨特的傳播特性為在這些領(lǐng)域工作的設(shè)計工程師提供了挑戰(zhàn)和機遇。

白紀龍老師從事電子行業(yè)已經(jīng)有15個年頭 到目前為止已開發(fā)過的產(chǎn)品超上百款，目前大部分都已經(jīng)量產(chǎn)上市 從2018年開始花了5年的時間 潛心錄制了上千集的實戰(zhàn)級電子工程師系列課程 獲取更多干貨知識，好文閱讀 可微信搜索“紀客老白”公眾號、視頻號 老白的初心是“愿天下工程師 不走彎路”

總結(jié)

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