什么是毫米波技術(shù) 與其他低頻技術(shù)相比有何特點(diǎn)？

來源：公眾號(hào)“EETOP”

作者：allaboutcircuits

本文介紹什么是毫米波 （mmWaves）技術(shù)，包括其頻率、傳播特性。與其他低頻技術(shù)相比有何特點(diǎn)？什么是毫米波？顧名思義，毫米波是波長 （λ） 約為 1 毫米（更準(zhǔn)確地說是 1 至 10 毫米）的電磁波。使用公式f = c /λ將該波長轉(zhuǎn)換為頻率，其中c是光速 （3E8 m/s），得出的頻率范圍為 30-300 GHz。毫米波頻段被國際電信聯(lián)盟 （ITU） 指定為“極高頻”（EHF） 頻段。術(shù)語“毫米波”也經(jīng)?？s寫為“mmWave”。圖 1 包括利用毫米波頻譜的應(yīng)用示例，還展示了毫米波頻譜相對于其他電磁頻段的位置。

圖 1.毫米波頻譜概覽。圖片由ADI 公司提供現(xiàn)在我們已經(jīng)有了基本的定義，讓我們來談?wù)労撩撞?a target="_blank">信號(hào)是如何傳播的。 毫米波傳播毫米波信號(hào)傳播的特點(diǎn)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

自由空間路徑損耗毫米波射頻 （RF） 通信的一個(gè)限制是兩個(gè)天線之間直接視距通信的自由空間路徑損耗 （FSPL）。FSPL 與波長的平方成反比，由以下等式給出：

其中：

d是兩個(gè)天線之間的距離，單位為 m

λ是波長，單位為m

從這個(gè)公式可以看出，波長減少 10 倍會(huì)導(dǎo)致自由空間路徑損耗增加 100 倍。因此，毫米波長處的衰減比更傳統(tǒng)的通信頻率（如 FM 無線電或 Wi-Fi）的衰減高許多數(shù)量級(jí)。在射頻通信計(jì)算中，這個(gè)損耗方程通常被轉(zhuǎn)換為以 dB 為單位的結(jié)果，頻率以 GHz 為單位，距離以公里為單位。經(jīng)過這種轉(zhuǎn)換，等式變?yōu)椋?以下鏈接為評估自由空間路徑損耗的免費(fèi)計(jì)算器：https://www.allaboutcircuits.com/tools/free-space-path-loss-calculator/大氣衰減毫米波傳輸?shù)牧硪粋€(gè)缺點(diǎn)是大氣衰減。在此波長范圍內(nèi)，大氣氣體（主要是氧氣 （O2） 和水蒸氣 （H2O） 分子）的存在會(huì)導(dǎo)致額外衰減。從圖 2 中可以看出，某些頻段的大氣衰減可能非常嚴(yán)重。

圖 2.頻率和海拔的大氣衰減。

例如，5 mm （60 GHz） 處的氧峰值。雨水會(huì)增加整個(gè)頻譜的衰減。

漫反射更長的波長通常依賴于直接（鏡面）反射功率來幫助繞過障礙物（想想鏡子般的反射）。然而，許多表面對毫米波來說顯得“粗糙”，這會(huì)導(dǎo)致漫反射，將能量發(fā)送到許多不同的方向。這可以在圖 3 中看到。

圖 3.漫反射和鏡面反射

因此，到達(dá)接收天線的反射能量可能會(huì)更少。因此，毫米波的傳輸非常容易受到障礙物的影響，通常僅限于視線范圍內(nèi)的傳輸。有限的滲透由于波長較短，毫米波不能深入或穿透大多數(shù)材料。例如，一項(xiàng)對常見建筑材料的研究發(fā)現(xiàn)，衰減范圍約為 1 至 6 dB/cm，70 GHz 下穿過磚墻的穿透損耗可能是 1 GHz 下的五倍。

在戶外，樹葉也會(huì)阻擋大多數(shù)毫米波。因此，大多數(shù)毫米波通信僅限于視距操作。 毫米波的優(yōu)勢對于許多應(yīng)用，毫米波信號(hào)的自由空間路徑損耗、大氣衰減、漫反射和有限的穿透是有害的。然而，事實(shí)證明，這些特性也可以在某些應(yīng)用中作為優(yōu)點(diǎn)加以利用。毫米波的優(yōu)點(diǎn)包括：

寬帶寬

高數(shù)據(jù)速率

低延遲

小天線

范圍有限

有限的反射

有限的滲透

提高分辨率

接下來解釋這些優(yōu)點(diǎn)中的每一個(gè)以及它們?nèi)绾卧谀承?yīng)用中被利用。 寬帶寬和高數(shù)據(jù)速率對于通信應(yīng)用，寬帶寬意味著更高的峰值數(shù)據(jù)速率。這可能意味著能夠以給定的數(shù)據(jù)速率處理更多的同時(shí)通信通道，或者在單次通信中發(fā)送更多數(shù)據(jù)。低頻頻譜被大量使用，因此不能提供這些理想的寬帶寬。

例如，3GPP 的 5G NR規(guī)范分配的最大信道帶寬在 6 GHz 以下僅為 100 MHz，而在 24 GHz 以上的頻段中則高達(dá) 400 MHz。隨著這些 5G 規(guī)范的不斷發(fā)展，一些團(tuán)體正在游說在毫米波頻譜中進(jìn)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，毫米波長期以來一直用于 27.5 GHz 和 31 GHz 的衛(wèi)星通信。

包括碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 在內(nèi)的高頻電路技術(shù)的進(jìn)步以及相關(guān)的較低制造成本正在將毫米波通信帶入地面上、掩模市場消費(fèi)類應(yīng)用，例如 5G NR。 低延遲通信網(wǎng)絡(luò)中的延遲有多種含義。對于單向通信，延遲是從源發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的地接收相同數(shù)據(jù)包的時(shí)間。毫米波的更高頻率意味著可以在更短的時(shí)間內(nèi)傳輸更多數(shù)據(jù)。

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。 低延遲對于許多對時(shí)間敏感的應(yīng)用很重要，包括工業(yè)自動(dòng)化、無線增強(qiáng)或虛擬現(xiàn)實(shí)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。毫米波的寬帶寬可實(shí)現(xiàn)更短的傳輸時(shí)間間隔和更低的無線電波接口延遲，以促進(jìn)對低延遲敏感應(yīng)用的引入和支持。

小天線毫米波最重要的優(yōu)勢之一是較小的天線，并且能夠在陣列中使用大量這些較小的天線元件來實(shí)現(xiàn)波束成形。例如，汽車?yán)走_(dá)正在從 24 GHz 過渡到 77 GHz。波長小了三倍以上，因此天線陣列面積可以小九倍以上，如圖 4 所示。

圖 4. 24 GHz 和 77 GHz 的相對天線陣列尺寸

非常小的天線元件的大型陣列也將用于毫米波通信系統(tǒng)，如 5G。波束成形可以將輻射功率集中到個(gè)人用戶，以獲得更高質(zhì)量的信號(hào)和更遠(yuǎn)距離的通信。使用自適應(yīng)波束成形，波束甚至可以作為用戶數(shù)量及其相對于發(fā)射天線的位置的函數(shù)而動(dòng)態(tài)改變。

有限的范圍、反射和穿透有限的范圍、漫反射和有限的穿透深度實(shí)際上可以為電信帶來好處。正在利用這些特性來允許許多小小區(qū)彼此非?？拷皇芨蓴_。這提供了頻譜的空間重用，因此允許在一個(gè)區(qū)域中支持更多的高帶寬消費(fèi)者。 提高分辨率在雷達(dá)應(yīng)用中，毫米波信號(hào)的更高頻率和更大帶寬支持更準(zhǔn)確的距離測量、更準(zhǔn)確的速度測量以及分辨兩個(gè)相距很近的物體的能力。

毫米波技術(shù)的應(yīng)用雷達(dá)多年來，航空航天雷達(dá)是毫米波技術(shù)的主要應(yīng)用。寬帶寬非常適合確定與物體的距離、分辨距離較近的兩個(gè)遠(yuǎn)距離物體以及測量與目標(biāo)的相對速度。 例如，假設(shè)兩個(gè)物體直接相互靠近或遠(yuǎn)離，在最基本的形式中，多普勒頻移 （Δf） 由下式給出：

其中

Vrel是相對速度 （m/s）

λ 是波長 （m）

由于波長越短（如毫米波），頻移越大，因此更容易測量產(chǎn)生的頻移。使用更小的多單元天線和自適應(yīng)波束成形的能力也使毫米波成為雷達(dá)應(yīng)用的理想選擇。

出于同樣的原因，了四月毫米波雷達(dá)適用于航空航天應(yīng)用，它也被廣泛用于自動(dòng)車輛應(yīng)用，包括緊急制動(dòng)、自適應(yīng)巡航控制 （ACC） 和盲點(diǎn)檢測（如圖 5 所示）。

圖 5.毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛汽車中的應(yīng)用

快速準(zhǔn)確地測量距離和相對速度的能力對于自動(dòng)駕駛汽車的運(yùn)行顯然很重要。 電信由于寬帶、低延遲、小天線和多天線陣列波束成形，衛(wèi)星系統(tǒng)長期以來一直使用毫米波進(jìn)行通信。這些相同的特性正在推動(dòng)許多地面電信網(wǎng)絡(luò)采用毫米波。

例如，由于帶寬增加，毫米波可以支持超高清（UHD）視頻的無線傳輸。此外，較小的天線支持集成到智能手機(jī)、數(shù)字機(jī)頂盒、游戲機(jī)等設(shè)備中。將采用毫米波的新興行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括5G和可達(dá)到Gb/s數(shù)據(jù)速率的IEEE 802.11ad WiGig。特別是在室內(nèi)和城市環(huán)境中，毫米波的空間重用和自適應(yīng)波束成形將能夠向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(dòng)用戶的自適應(yīng)波束成形大規(guī)模 MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)空間分集、空間復(fù)用和波束成形，從而在使用更低功率的同時(shí)為更多用戶提供更好的功能。 安全安檢設(shè)備毫米波也用于人體安全掃描儀。數(shù)以千計(jì)的發(fā)射和接收天線協(xié)同工作用于高精度掃描，如圖 7 所示。

圖 7.毫米波人體掃描儀系統(tǒng)

這些系統(tǒng)以 70 GHz 至 80 GHz 的頻率范圍進(jìn)行傳輸，并且僅發(fā)射大約 1 mW 的功率。毫米波穿過大多數(shù)衣服并從皮膚和其他表面反射回接收天線。接收到的信號(hào)可用于創(chuàng)建個(gè)人的詳細(xì)圖像并揭示隱藏在衣服下的物品。毫米波的低功率和有限的穿透深度提供了更高的安全性。 毫米波的其他應(yīng)用

這些只是毫米波技術(shù)眾多應(yīng)用中的一小部分。已經(jīng)提出或?qū)嵤┑钠渌麘?yīng)用包括但肯定不限于：

射電天文學(xué)

土壤水分評價(jià)

積雪測量

冰山位置

在惡劣天氣下補(bǔ)充光學(xué)探測

天氣地圖

測量風(fēng)速

醫(yī)療

總結(jié)

毫米波長期以來一直用于雷達(dá)應(yīng)用，并且越來越多地應(yīng)用于新領(lǐng)域，其中最突出的是高數(shù)據(jù)速率電信。短波長和獨(dú)特的傳播特性為在這些領(lǐng)域工作的設(shè)計(jì)工程師提供了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

編輯：jq