毫米波的傳播特性及優(yōu)缺點(diǎn)

本文介紹了毫米波 （mmWave），包括其頻率、傳播特性以及常見(jiàn)應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。

什么是毫米波？

顧名思義，毫米波是波長(zhǎng) （λ） 約為 1 毫米（更準(zhǔn)確地說(shuō)是 1 到 10 毫米）的電磁波。使用公式f = c /λ將該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為頻率，其中c是光速 （3 x 10 8 m/s），頻率范圍為 30-300 GHz。毫米波段被國(guó)際電信聯(lián)盟 （ITU） 指定為“極高頻” （EHF） 波段。術(shù)語(yǔ)“毫米波”也經(jīng)?？s寫(xiě)為“毫米波”。

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(duì)于其他電磁頻段的位置。

圖 1.毫米波頻譜概覽。圖片由模擬設(shè)備公司提供

現(xiàn)在我們已經(jīng)有了基本的定義，讓我們來(lái)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

以下小節(jié)將更詳細(xì)地檢查這四個(gè)傳播特性中的每一個(gè)。

大氣衰減

毫米波傳輸?shù)牧硪粋€(gè)缺點(diǎn)是大氣衰減。在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，由于大氣中的氣體——主要是氧氣 （O2） 和水蒸氣 （H2O） 分子的存在，會(huì)造成額外的衰減。

如圖 2 所示，大氣衰減在某些頻段可能非常嚴(yán)重。

圖 2.頻率和仰角的大氣衰減。圖片由5G 美洲提供

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

較長(zhǎng)的波長(zhǎng)通常依靠直接（鏡面）反射功率來(lái)幫助繞過(guò)障礙物（想想鏡面反射）。然而，許多表面看起來(lái)“粗糙”到毫米波，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。圖片由赫瑪麗提供

因此，較少的反射能量可能會(huì)到達(dá)接收天線。因此，毫米波傳輸非常容易受到障礙物的影響，并且通常僅限于視距傳輸。

有限的滲透

由于它們的波長(zhǎng)較短，毫米波不會(huì)深入或穿透大多數(shù)材料。例如，一項(xiàng)對(duì)常見(jiàn)建筑材料的研究發(fā)現(xiàn)，衰減范圍約為 1 到 6 dB/cm，70 GHz 下穿過(guò)磚墻的穿透損耗可能是 1 GHz 下的五倍。在戶外，樹(shù)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。

毫米波頻率的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，自由空間路徑損耗、大氣衰減、漫反射和毫米波信號(hào)的有限穿透都是有害的。然而，事實(shí)證明，這些特性也可以在某些應(yīng)用程序中作為優(yōu)勢(shì)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

小型天線

范圍有限

有限的反射

滲透有限

提高分辨率

這些優(yōu)勢(shì)中的每一個(gè)以及如何在某些應(yīng)用程序中利用它們將在以下小節(jié)中進(jìn)行解釋。

寬帶寬和高數(shù)據(jù)速率

對(duì)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?yàn)榻o定的數(shù)據(jù)速率處理更多的同時(shí)通信通道，或者在單個(gè)通信中發(fā)送更多數(shù)據(jù)。較低的頻譜被大量使用，因此不能提供這些理想的寬帶寬。

例如，3GPP 的 5G 新無(wú)線電 （NR） 規(guī)范分配的最大信道帶寬為 6 GHz 以下僅為 100 MHz，但在 24 GHz 以上的頻帶中高達(dá) 400 MHz。隨著這些 5G 規(guī)范的不斷發(fā)展，一些各方正在游說(shuō)在毫米波頻譜中分配更廣泛的帶寬。

正是由于這些寬帶寬和高數(shù)據(jù)速率，毫米波長(zhǎng)期以來(lái)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、掩模市場(chǎng)的消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用，如 5G NR。

低延遲

通信網(wǎng)絡(luò)中的延遲可以有多種含義。對(duì)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。毫米波的頻率越高，意味著可以在更短的時(shí)間內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)。因此，對(duì)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(duì)于包括工業(yè)自動(dòng)化、無(wú)線增強(qiáng)或虛擬現(xiàn)實(shí)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在內(nèi)的許多對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用非常重要。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(wú)線電接口延遲，以促進(jìn)低延遲敏感應(yīng)用的引入和支持。

小型天線

毫米波最重要的優(yōu)勢(shì)之一是天線更小，并且能夠在陣列中使用大量這些更小的天線元件來(lái)實(shí)現(xiàn)波束成形。例如，汽車(chē)?yán)走_(dá)正在從 24 GHz 過(guò)渡到 77 GHz。波長(zhǎng)小三倍多，因此天線陣列面積可以小九倍多，如圖 4 所示。

圖 4. 24 GHz 和 77 GHz 的相對(duì)天線陣列尺寸。圖片由德州儀器提供

由非常小的天線元件組成的大型陣列也將用于 5G 等毫米波通信系統(tǒng)。波束成形可以將輻射功率集中到單個(gè)用戶，以獲得更高質(zhì)量的信號(hào)和更遠(yuǎn)距離的通信。通過(guò)自適應(yīng)波束成形，甚至可以根據(jù)用戶數(shù)量及其相對(duì)于發(fā)射天線的位置動(dòng)態(tài)改變波束。

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(lái)好處。正在利用這些特性來(lái)允許將許多小型小區(qū)彼此非?？拷皇芨蓴_地放置。這提供了頻譜的空間重用，因此允許在一個(gè)區(qū)域內(nèi)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(cè)量、更準(zhǔn)確的速度測(cè)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(lái)，航空雷達(dá)應(yīng)用是毫米波技術(shù)的主要應(yīng)用。寬帶寬非常適合確定到物體的距離、分辨兩個(gè)靠得很近的遠(yuǎn)距離物體以及測(cè)量與目標(biāo)的相對(duì)速度。

例如，在其最基本的形式中，假設(shè)兩個(gè)物體直接朝向或遠(yuǎn)離彼此移動(dòng)，多普勒頻移 （Δf） 由下式給出：

在哪里

Vrel是相對(duì)速度 （m/s）

λ 是波長(zhǎng) （m）

由于較短波長(zhǎng)（如毫米波）的頻移較大，因此更容易測(cè)量由此產(chǎn)生的頻移。使用更小的多元素天線和自適應(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。

出于與航空航天應(yīng)用需要毫米波雷達(dá)相同的原因，它被廣泛用于自動(dòng)車(chē)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(cè)（如圖 5 所示）。

圖 5.毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的應(yīng)用。圖片由羅德與施瓦茨提供

快速準(zhǔn)確地測(cè)量距離和相對(duì)速度的能力對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的運(yùn)行顯然很重要。

電信

由于寬帶、低延遲、小型天線和多天線陣列波束成形，衛(wèi)星系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)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(wú)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、游戲站等設(shè)備中。將采用毫米波的新興行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括用于 Gb/s 數(shù)據(jù)速率的 5G 和 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。圖片由富士通通過(guò) Phys.org 提供

大規(guī)模 MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)將支持空間分集、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。

安全掃描儀

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)同工作以實(shí)現(xiàn)高精度掃描，如圖 7 所示。

圖 7.毫米波人體掃描儀系統(tǒng)。圖片由羅德與施瓦茨提供

這些系統(tǒng)在 70 GHz 至 80 GHz 的頻率范圍內(nèi)傳輸，并且僅發(fā)射約 1 mW 的功率。毫米波穿過(guò)大多數(shù)衣服，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)用包括但當(dāng)然不限于：

射電天文學(xué)

土壤水分評(píng)價(jià)

積雪測(cè)量

冰山位置

在惡劣天氣下補(bǔ)充光學(xué)檢測(cè)

天氣測(cè)繪

測(cè)量風(fēng)速

醫(yī)療