了解毫米波 -- 之一

了解毫米波 -- 之一

毫米波技術在軍用、雷達等領域已經有多年的應用。在民用領域，也隨著最近的5G移動通信、民用衛星通信，以及車載毫米波雷達等應用的普及，逐漸走進了大眾的視野。我國工信部近日在2023年1月發文，將21.2-23.6GHz和71-76GHz/81-86GHz的毫米波頻段，列為我國可用于無線通信的頻段。根據統計顯示，5G毫米波手機2023年出貨將突破1億部，并且在2025年有望實現第二波的快速增長。

圖：5G毫米波手機年出貨量

除手機外，其他領域的毫米波應用數量也在快速提升。下圖分別為車載毫米波雷達市場數據，以及全球衛星發射數量 [。可以看到二者在近幾年都在快速增長。

圖：（a）車載毫米波雷達市場，（b）全球衛星發射數量數據

本文就嘗試對毫米波系統中最常用的系統結構：毫米波相控陣結構（Millimeter-wave Phased-Array），做一個討論。探討略顯神秘的毫米波系統。什么是毫米波？無線通信是基于電磁波所進行的通信技術。為了使不同的通信設備傳輸互不干擾，國際電信聯盟等無線電管理機構對無線頻譜的使用做了劃分，將不同頻率的頻譜資源，定義到不同的應用中。毫米波一般是指電磁波頻率近似在30GHz到300GHz頻段范圍內的電磁波，由于此頻段電磁波在真空中的波長大約在10mm~1mm之間，波長處于“毫米”量級，所以這個頻段的電磁波被稱為毫米波。

圖：毫米波在電磁波頻譜中所處位置

受益于半導體集成電路工藝、通信設備技術的突破，人類對電磁波頻譜資源的征服是不斷向上延伸的。比如在民用通信領域：在20世紀初年代，主要的無線通信制式是電視和電臺廣播，所使用的是頻率范圍在100MHz左右的射頻頻率；進入20世紀80年代，人類開始使用約在1GHz~3GHz范圍的微波頻段，實現手機移動通信；2020年，5G移動通信除了定義6GHz以下頻段外，還將頻率擴展至24GHz~40GHz的毫米波頻段。

毫米波通信的特點

特點一：大帶寬人類將應用頻譜不斷向上擴展的源動力，是尋找更豐富的頻譜資源，以滿足更高通信速率的需求。無線通信進入毫米波也不例外。相比于6GHz以下通信頻段，30GHz~300GHz的毫米波有著近50倍的頻譜資源。這就相當于在擁擠的車道旁邊，又開辟了一個幾十車道的高速公路，大大提升了通信速度。所以毫米波通信的第一個特點就是：大帶寬。大帶寬可以完成更高的通信速率。根據Ookla SPEEDTEST提供的通信速率顯示 [5]，相比于4G LTE，5G Sub-6GHz網絡可提供5倍的速率提升，而5G毫米波網絡，可實現20倍速率的明顯提升。

圖：4G、5G Sub-6G以及5G毫米波下載速率對比

特點二：高分辨率電磁波還可以用來作為雷達探測使用，通過發出電磁波信號，并且監測電磁波遇到物體之后的反射情況，就可以檢測出物體的尺寸、距離等信息。這就是雷達探測的原理。作為雷達探測使用時，由于電磁波的衍射效應，電磁波對探測物體的分辨率和電磁波的波長呈正比：波長越短的電磁波，越能分辨出更精細的物體。于是，毫米波就被應用到雷達檢測中來。相比于1GHz左右，波長在0.3米左右的射頻電磁波來說，位于30GHz以上的毫米波分辨率更高。車載毫米波雷達是毫米波在雷達領域的典型應用，車載毫米波雷達一般采用24GHz、77GHz以及79GHz頻段，實現最高厘米級的高精度探測。

圖：毫米波雷達在智能汽車中的應用 [6]

特點三：損耗大，易受干擾毫米波通信也有缺點，就是路徑損耗大，易收到干擾。根據Friis信號傳輸公式，在傳輸距離一定時，電磁波的損耗與波長尺寸呈正比：波長越短的電磁波，路徑損耗越大。路徑損耗過大就使得毫米波通信無法傳輸足夠遠的距離。例如，對于1GHz移動通信，通信基站的覆蓋范圍可達到數公里范圍。而對于毫米波，覆蓋范圍就快速縮小至數百米。這就對基站的部署提出了更高的要求。除了路徑損耗外，毫米波還容易受到物體遮擋的干擾。毫米波由于波長短，厘米尺寸的物體就會對信號形成遮擋和反射，這個特點在雷達檢測中是優點，但在移動通信中卻是致命缺點。造成毫米波只能用做“視距傳輸”，而無法進行繞射傳輸。

圖：毫米波傳輸，容易受到物體干擾

特點四：電路尺寸小在射頻微波電路的實現中，所用到的元器件值通常與電路工作的波長呈正比、頻率呈反比。于是，工作在更高頻率的毫米波電路通常可以做到更小的尺寸，這在一定程度上降低了電路成本，同時也為后續的相控陣技術提供了基礎。文獻[7]中展示了工作于24GHz的4通道毫米波相控陣完整發射機系統，整個系統包含本振、上變頻器、功率放大器等各個模塊，并且包含4個通道數。如此復雜的通信系統在2.1mm x 6.8 mm的芯片下即可實現，只有一粒大米大小。