了解毫米波 -- 之一

了解毫米波 -- 之一

毫米波技术在军用、雷达等领域已经有多年的应用。在民用领域，也随着最近的5G移动通信、民用卫星通信，以及车载毫米波雷达等应用的普及，逐渐走进了大众的视野。我国工信部近日在2023年1月发文，将21.2-23.6GHz和71-76GHz/81-86GHz的毫米波频段，列为我国可用于无线通信的频段。根据统计显示，5G毫米波手机2023年出货将突破1亿部，并且在2025年有望实现第二波的快速增长。

图：5G毫米波手机年出货量

除手机外，其他领域的毫米波应用数量也在快速提升。下图分别为车载毫米波雷达市场数据，以及全球卫星发射数量 [。可以看到二者在近几年都在快速增长。

图：（a）车载毫米波雷达市场，（b）全球卫星发射数量数据

本文就尝试对毫米波系统中最常用的系统结构：毫米波相控阵结构（Millimeter-wave Phased-Array），做一个讨论。探讨略显神秘的毫米波系统。什么是毫米波？无线通信是基于电磁波所进行的通信技术。为了使不同的通信设备传输互不干扰，国际电信联盟等无线电管理机构对无线频谱的使用做了划分，将不同频率的频谱资源，定义到不同的应用中。毫米波一般是指电磁波频率近似在30GHz到300GHz频段范围内的电磁波，由于此频段电磁波在真空中的波长大约在10mm~1mm之间，波长处于“毫米”量级，所以这个频段的电磁波被称为毫米波。

图：毫米波在电磁波频谱中所处位置

受益于半导体集成电路工艺、通信设备技术的突破，人类对电磁波频谱资源的征服是不断向上延伸的。比如在民用通信领域：在20世纪初年代，主要的无线通信制式是电视和电台广播，所使用的是频率范围在100MHz左右的射频频率；进入20世纪80年代，人类开始使用约在1GHz~3GHz范围的微波频段，实现手机移动通信；2020年，5G移动通信除了定义6GHz以下频段外，还将频率扩展至24GHz~40GHz的毫米波频段。

毫米波通信的特点

特点一：大带宽人类将应用频谱不断向上扩展的源动力，是寻找更丰富的频谱资源，以满足更高通信速率的需求。无线通信进入毫米波也不例外。相比于6GHz以下通信频段，30GHz~300GHz的毫米波有着近50倍的频谱资源。这就相当于在拥挤的车道旁边，又开辟了一个几十车道的高速公路，大大提升了通信速度。所以毫米波通信的第一个特点就是：大带宽。大带宽可以完成更高的通信速率。根据Ookla SPEEDTEST提供的通信速率显示 [5]，相比于4G LTE，5G Sub-6GHz网络可提供5倍的速率提升，而5G毫米波网络，可实现20倍速率的明显提升。

图：4G、5G Sub-6G以及5G毫米波下载速率对比

特点二：高分辨率电磁波还可以用来作为雷达探测使用，通过发出电磁波信号，并且监测电磁波遇到物体之后的反射情况，就可以检测出物体的尺寸、距离等信息。这就是雷达探测的原理。作为雷达探测使用时，由于电磁波的衍射效应，电磁波对探测物体的分辨率和电磁波的波长呈正比：波长越短的电磁波，越能分辨出更精细的物体。于是，毫米波就被应用到雷达检测中来。相比于1GHz左右，波长在0.3米左右的射频电磁波来说，位于30GHz以上的毫米波分辨率更高。车载毫米波雷达是毫米波在雷达领域的典型应用，车载毫米波雷达一般采用24GHz、77GHz以及79GHz频段，实现最高厘米级的高精度探测。

图：毫米波雷达在智能汽车中的应用 [6]

特点三：损耗大，易受干扰毫米波通信也有缺点，就是路径损耗大，易收到干扰。根据Friis信号传输公式，在传输距离一定时，电磁波的损耗与波长尺寸呈正比：波长越短的电磁波，路径损耗越大。路径损耗过大就使得毫米波通信无法传输足够远的距离。例如，对于1GHz移动通信，通信基站的覆盖范围可达到数公里范围。而对于毫米波，覆盖范围就快速缩小至数百米。这就对基站的部署提出了更高的要求。除了路径损耗外，毫米波还容易受到物体遮挡的干扰。毫米波由于波长短，厘米尺寸的物体就会对信号形成遮挡和反射，这个特点在雷达检测中是优点，但在移动通信中却是致命缺点。造成毫米波只能用做“视距传输”，而无法进行绕射传输。

图：毫米波传输，容易受到物体干扰

特点四：电路尺寸小在射频微波电路的实现中，所用到的元器件值通常与电路工作的波长呈正比、频率呈反比。于是，工作在更高频率的毫米波电路通常可以做到更小的尺寸，这在一定程度上降低了电路成本，同时也为后续的相控阵技术提供了基础。文献[7]中展示了工作于24GHz的4通道毫米波相控阵完整发射机系统，整个系统包含本振、上变频器、功率放大器等各个模块，并且包含4个通道数。如此复杂的通信系统在2.1mm x 6.8 mm的芯片下即可实现，只有一粒大米大小。