毫米波的發(fā)展_毫米波通信優(yōu)點(diǎn)及獨(dú)特作用

第五代移動(dòng)通信系統(tǒng) （5th generaTIon mobile networks，簡稱5G）離正式商用（2020年）越來越接近。5G在傳輸速率上應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)比4G快十倍以上，即5G的傳輸速率可實(shí)現(xiàn)1Gb/s。

無線傳輸增加傳輸速率大體上有兩種方法，其一是增加頻譜利用率，其二是增加頻譜帶寬。相對(duì)于提高頻譜利用率，增加頻譜帶寬的方法顯得更簡單直接。現(xiàn)在常用的5GHz以下的頻段已經(jīng)非常擁擠，為了尋找新的頻譜資源，各大廠商 想到的方法就是使用毫米波技術(shù)。

微波波段包括：分米波，厘米波，毫米波和亞毫米波。其中，毫米波（millimeterwave），通常指頻段在30~300GHz，相應(yīng)波長為1~10mm的電磁波，它的工作頻率介于微波與遠(yuǎn)紅外波之間，因此兼有兩種波譜的特點(diǎn)。毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。

自1873年Maxwell發(fā)表《電磁學(xué)通論》以來，人們充分利用電磁資源在拓寬平鋪方面作了大量的工作。對(duì)于毫米波的研究，早在1889年就已提出，至今已有一個(gè)世紀(jì)的漫長歲月。毫米波的發(fā)展一直時(shí)起時(shí)落，但對(duì)毫米波的研究總是吸引著很多的學(xué)者，從而獲得了大量的基本知識(shí)。研究毫米波必須有相應(yīng)的技術(shù)作為支撐，所以此領(lǐng)域的研究一直比較緩慢，可以說一波三折。但隨著相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展以及在一些重要場(chǎng)合下紅外和可見光技術(shù)不能提供最佳解決方案的時(shí)候，毫米波由于其區(qū)別于普通微波的特點(diǎn)，其潛在的研究和應(yīng)用價(jià)值日益突出。 

直至20世紀(jì)70年代，由于毫米波集成電路和毫米波固體器件的研制成功并獲得批量生產(chǎn)，使生產(chǎn)成本日趨下降，毫米波通信才猶如枯木逢春，蓬勃發(fā)展開來?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著科技的進(jìn)步，毫米波通信必將呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

通常毫米波頻段是指 30GHz～300GHz, 相應(yīng)波長為 1mm～10mm。毫米波通信就是指以毫米波作為傳輸信息的載體而進(jìn)行的通信。目前絕大多數(shù)的應(yīng)用研究集中在幾個(gè)“大氣窗口”頻率和三個(gè)“衰減峰”頻率上。

1、是一種典型的視距傳輸方式

毫米波屬于甚高頻段, 它以直射波的方式在空間進(jìn)行傳播，波束很窄，具有良好的方向性。一方面，由于毫米波受大氣吸收和降雨衰落影響嚴(yán)重,所以單跳通信距離較短;另一方面，由于頻段高，干擾源很少，所以傳播穩(wěn)定可靠。因此，毫米波通信是一種典型的具有高質(zhì)量、恒定參數(shù)的無線傳輸信道的通信技術(shù)。

2、具有“大氣窗口”和“衰減峰”

“大氣窗口”是指 35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、 220GHz 頻段, 在這些特殊頻段附近, 毫米波傳播受到的衰減較小。一般說來，“大氣窗口”頻段比較適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，已經(jīng)被低空空地導(dǎo)彈和地基雷達(dá)所采用。而在 60GHz、 120GHz、 180GHz 頻段附近的衰減出現(xiàn)極大值,約高達(dá) 15dB / km 以上, 被稱作“衰減峰”。通常這些“衰減峰”頻段被多路分集的隱蔽網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)優(yōu)先選用，用以滿足網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)的要求。

3、降雨時(shí)衰減嚴(yán)重

與微波相比, 毫米波信號(hào)在惡劣的氣候條件下，尤其是降雨時(shí)的衰減要大許多，嚴(yán)重影響傳播效果。經(jīng)過研究得出的結(jié)論是，毫米波信號(hào)降雨時(shí)衰減的大小與降雨的瞬時(shí)強(qiáng)度、距離長短和雨滴形狀密切相關(guān)。進(jìn)一步的驗(yàn)證表明: 通常情況下，降雨的瞬時(shí)強(qiáng)度越大、距離越遠(yuǎn)、雨滴越大，所引起的衰減也就越嚴(yán)重。因此，對(duì)付降雨衰減最有效的辦法是在進(jìn)行毫米波通信系統(tǒng)或通信線路設(shè)計(jì)時(shí)，留出足夠的電平衰減余量。

4、對(duì)沙塵和煙霧具有很強(qiáng)的穿透能力

大氣激光和紅外對(duì)沙塵和煙霧的穿透力很差,而毫米波在這點(diǎn)上具有明顯優(yōu)勢(shì)。大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明, 毫米波對(duì)于沙塵和煙霧具有很強(qiáng)的穿透力，幾乎能無衰減地通過沙塵和煙霧。甚至在由爆炸和金屬箔條產(chǎn)生的較高強(qiáng)度散射的條件下, 即使出現(xiàn)衰落也是短期的,很快就會(huì)恢復(fù)。隨著離子的擴(kuò)散和降落, 不會(huì)引起毫米波通信的嚴(yán)重中斷。

1、極寬的帶寬

通常認(rèn)為毫米波頻率范圍為26.5～300GHz，帶寬高達(dá)273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時(shí)只能使用四個(gè)主要窗口，但這四個(gè)窗口的總帶寬也可達(dá)135GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

2、波束窄

在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個(gè)12cm的天線，在9.4GHz時(shí)波束寬度為18度，而94GHz時(shí)波速寬度僅1.8度。因此能分辨相距更近的小目標(biāo)或更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

3、探測(cè)能力強(qiáng)

可以利用寬帶廣譜能力來抑制多徑效應(yīng)和雜亂回波。有大量頻率可供使用，有效的消除相互干擾。在目標(biāo)徑向速度下可以獲得較大的多譜勒頻移，從而提高對(duì)低速運(yùn)動(dòng)物體或振動(dòng)物體的探測(cè)和識(shí)別能力。

4、安全保密好

毫米波通信的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)來自兩個(gè)方面: a)由于毫米波在大氣中傳播受氧、水氣和降雨的吸收衰減很大, 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直通距離很短, 超過這個(gè)距離信號(hào)就會(huì)變得十分微弱, 這就增加了敵方進(jìn)行竊聽和干擾的難度。b)毫米波的波束很窄, 且副瓣低, 這又進(jìn)一步降低了其被截獲的概率。

5、傳輸質(zhì)量高

由于頻段高毫米波通信基本上沒有什么干擾源，電磁頻譜極為干凈，因此，毫米波信道非常穩(wěn)定可靠，其誤碼率可長時(shí)間保持在 10- 12 量級(jí)，可與光纜的傳輸質(zhì)量相媲美。

6、全天候通信

毫米波對(duì)降雨、沙塵、煙霧和等離子的穿透能力卻要比大氣激光和紅外強(qiáng)得多。這就使得毫米波通信具有較好的全天候通信能力，保證持續(xù)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。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化。

毫米波的潛在應(yīng)用，包括毫米波成像（mm-wave imaging）、亞太赫茲（sub-THz）化學(xué)探測(cè)器，以及在天文學(xué)、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)和安全方面的應(yīng)用。

重要頻率包括90GHz、140GHz，以及300GHz以上或者叫做THz區(qū)域。60GHz頻帶由于氧氣的吸收，使得它適合于短距離網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。而其他的頻帶，如90GHz是長距離成像的理想選擇。

1、汽車?yán)走_(dá)

成像領(lǐng)域的一個(gè)很重要的應(yīng)用是工作于24GHz和77GHz的汽車?yán)走_(dá)。今天僅有非常奢侈的汽車裝備了毫米波雷達(dá)技術(shù)。該技術(shù)可以在低能見度情況下幫助汽車駕駛，尤其是大霧的天氣，以及自動(dòng)巡航控制和甚至未來高速公路的自動(dòng)駕駛。

2、用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用的毫米波成像

毫米波技術(shù)的另一個(gè)潛在應(yīng)用是無源毫米波成像（passivemm-wave imaging）。僅通過檢測(cè)物體在毫米波頻帶的熱量輻射，物體的圖像就可以像光學(xué)系統(tǒng)一樣呈現(xiàn)出來。需要或者是一組接收機(jī)或者是移動(dòng)的終端天線來不停地掃描感興趣的區(qū)域。