毫米波頻率及常見應(yīng)用的優(yōu)缺點

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

一、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 (3 x 10^8^ 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">信號是如何傳播的。

二、毫米波傳播

毫米波信號傳播的特點是：

• 高自由空間路徑損耗（High free space path loss）
• 顯著的大氣衰減（Significant atmospheric attenuation）
• 漫反射（Diffuse reflections）
• 穿透深度有限（Limited penetration depth）

以下小節(jié)將更詳細地研究這四種傳播特性中的每一種。

自由空間路徑損耗

毫米波射頻 (RF) 通信的一個限制是用于兩個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：

這兒

• *d *是兩個天線之間的距離，單位為 m
• *λ *是以 m 為單位的波長。

從這個方程可以看出，波長減少 10 倍會導(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。

在射頻通信計算中，這個損耗方程通常被轉(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?/p>

FSPL(dB)=20?log10(d)+20?log10(f)+92.45

此處提供了用于評估自由空間路徑損耗的免費計算器。

大氣衰減

毫米波傳輸?shù)牧硪粋€缺點是大氣衰減。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。圖片由5G 美洲提供

例如，5 mm (60 GHz) 處的氧峰值。雨會增加整個頻譜的衰減。

漫反射

較長的波長通常依賴于直接（鏡面）反射功率來幫助繞過障礙物（類似鏡子般的反射）。然而，許多表面對毫米波來說顯得“粗糙”，這會導(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Hermary 提供

因此，較少的反射能量可能到達接收天線。因此，毫米波傳輸非常容易受到障礙物的遮擋，并且通常僅限于視線傳輸。

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。

三、毫米波頻率的優(yōu)勢

對于許多應(yīng)用，毫米波信號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，事實證明，這些特性也可以在某些應(yīng)用程序中作為好處加以利用。毫米波的優(yōu)點包括：

• 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

這些優(yōu)點中的每一個以及它們?nèi)绾卧谀承?yīng)用程序中被利用將在以下小節(jié)中解釋。

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 新無線電 (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 400 MHz。隨著這些 5G 規(guī)范的不斷發(fā)展，一些團體正在游說在毫米波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，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、掩模市場消費類應(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)包的時間。毫米波的更高頻率意味著可以在更短的時間內(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間敏感的應(yīng)用很重要，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)。毫米波的寬帶寬可實現(xiàn)更短的傳輸時間間隔和更低的無線電接口延遲，以促進對低延遲敏感的應(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現(xiàn)波束成形。例如，汽車?yán)走_正在從 24 GHz 過渡到 77 GHz。波長小三倍以上，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。圖片由德州儀器提供

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人用戶，以獲得更高質(zhì)量的信號和更遠距離的通信。通過自適應(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，因此允許在一個區(qū)域中支持更多的高帶寬消費者。

提高分辨率

在雷達應(yīng)用中，毫米波信號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相距很近的物體的能力。

四、毫米波技術(shù)的應(yīng)用

雷達

多年來，航空航天雷達應(yīng)用是毫米波技術(shù)的主要應(yīng)用。寬帶寬非常適合確定與物體的距離、分辨距離較近的兩個遠距離物體以及測量與目標(biāo)的相對速度。

例如，假設(shè)兩個物體直接相互靠近或遠離，在最基本的形式中，多普勒頻移 (Δf) 由下式給出：

Δf=(2?Vrel)λ

這兒

• *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應(yīng)用的理想選擇。

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

圖 5.毫米波雷達在自動駕駛汽車中的應(yīng)用。圖片由羅德與施瓦茨公司提供

快速準(zhǔn)確地測量距離和相對速度的能力對于自動駕駛汽車的運行顯然很重要。

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行通信。這些相同的特性正在推動許多地面電信網(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、數(shù)字機頂盒、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 5G 和用于 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.支持固定和移動用戶的自適應(yīng)波束成形。圖片由富士通通過 Phys.org 提供

大規(guī)模 MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)將實現(xiàn)空間分集、空間復(fù)用和波束成形，以在使用更低功率的同時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)以千計的發(fā)射和接收天線協(xié)同工作以高精度掃描，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公司提供

這些系統(tǒng)以 70 GHz 至 80 GHz 的頻率范圍進行傳輸，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。接收到的信號可用于創(chuàng)建個人的詳細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。

五、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
• 積雪測量
• 冰山位置
• 補充惡劣天氣下的光學(xué)檢測
• 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應(yīng)用，并且越來越多地應(yīng)用于新應(yīng)用，其中最突出的是高數(shù)據(jù)速率電信。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。