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了解毫米波 -- 之一 毫米波技術(shù)在軍用、雷達(dá)等領(lǐng)域已經(jīng)有多年的應(yīng)用。在民用領(lǐng)域，也隨著最近的5G移動(dòng)通信、民用衛(wèi)星通信，以及車載毫米波雷達(dá)等應(yīng)用的普及，逐漸走進(jìn)了大眾的視野。
我國(guó)工信部近日在2023年1月發(fā)文，將21.2-23.6GHz和71-76GHz/81-86GHz的毫米波頻段，列為我國(guó)可用于無線通信的頻段[1]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，5G毫米波手機(jī)2023年出貨將突破1億部，并且在2025年有望實(shí)現(xiàn)第二波的快速增長(zhǎng) [2]。
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圖：5G毫米波手機(jī)年出貨量
除手機(jī)外，其他領(lǐng)域的毫米波應(yīng)用數(shù)量也在快速提升。下圖分別為車載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)數(shù)據(jù)，以及全球衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量 [3][4]。可以看到二者在近幾年都在快速增長(zhǎng)。
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圖：（a）車載毫米波雷達(dá)市場(chǎng)，（b）全球衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量數(shù)據(jù)
本文就嘗試對(duì)毫米波系統(tǒng)中最常用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：毫米波相控陣結(jié)構(gòu)（Millimeter-wave Phased-Array），做一個(gè)討論。探討略顯神秘的毫米波系統(tǒng)。
什么是毫米波？
無線通信是基于電磁波所進(jìn)行的通信技術(shù)。為了使不同的通信設(shè)備傳輸互不干擾，國(guó)際電信聯(lián)盟等無線電管理機(jī)構(gòu)對(duì)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(yīng)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(nèi)的電磁波，由于此頻段電磁波在真空中的波長(zhǎng)大約在10mm~1mm之間，波長(zhǎng)處于“毫米”量級(jí)，所以這個(gè)頻段的電磁波被稱為毫米波。
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圖：毫米波在電磁波頻譜中所處位置
受益于半導(dǎo)體集成電路工藝、通信設(shè)備技術(shù)的突破，人類對(duì)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(lǐng)域：
在20世紀(jì)初年代，主要的無線通信制式是電視和電臺(tái)廣播，所使用的是頻率范圍在100MHz左右的射頻頻率；
進(jìn)入20世紀(jì)80年代，人類開始使用約在1GHz~3GHz范圍的微波頻段，實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動(dòng)通信；
2020年，5G移動(dòng)通信除了定義6GHz以下頻段外，還將頻率擴(kuò)展至24GHz~40GHz的毫米波頻段。
毫米波通信的特點(diǎn)
特點(diǎn)一：大帶寬
人類將應(yīng)用頻譜不斷向上擴(kuò)展的源動(dòng)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(jìn)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(dāng)于在擁擠的車道旁邊，又開辟了一個(gè)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(gè)特點(diǎn)就是：大帶寬。
大帶寬可以完成更高的通信速率。根據(jù)Ookla SPEEDTEST提供的通信速率顯示 [5]，相比于4G LTE，5G Sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)可提供5倍的速率提升，而5G毫米波網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)20倍速率的明顯提升。
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圖：4G、5G Sub-6G以及5G毫米波下載速率對(duì)比
特點(diǎn)二：高分辨率
電磁波還可以用來作為雷達(dá)探測(cè)使用，通過發(fā)出電磁波信號(hào)，并且監(jiān)測(cè)電磁波遇到物體之后的反射情況，就可以檢測(cè)出物體的尺寸、距離等信息。這就是雷達(dá)探測(cè)的原理。
作為雷達(dá)探測(cè)使用時(shí)，由于電磁波的衍射效應(yīng)，電磁波對(duì)探測(cè)物體的分辨率和電磁波的波長(zhǎng)呈正比：波長(zhǎng)越短的電磁波，越能分辨出更精細(xì)的物體。于是，毫米波就被應(yīng)用到雷達(dá)檢測(cè)中來。
相比于1GHz左右，波長(zhǎng)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(dá)是毫米波在雷達(dá)領(lǐng)域的典型應(yīng)用，車載毫米波雷達(dá)一般采用24GHz、77GHz以及79GHz頻段，實(shí)現(xiàn)最高厘米級(jí)的高精度探測(cè)。
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圖：毫米波雷達(dá)在智能汽車中的應(yīng)用 [6]
特點(diǎn)三：損耗大，易受干擾
毫米波通信也有缺點(diǎn)，就是路徑損耗大，易收到干擾。
根據(jù)Friis信號(hào)傳輸公式，在傳輸距離一定時(shí)，電磁波的損耗與波長(zhǎng)尺寸呈正比：波長(zhǎng)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(yuǎn)的距離。例如，對(duì)于1GHz移動(dòng)通信，通信基站的覆蓋范圍可達(dá)到數(shù)公里范圍。而對(duì)于毫米波，覆蓋范圍就快速縮小至數(shù)百米。這就對(duì)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(zhǎng)短，厘米尺寸的物體就會(huì)對(duì)信號(hào)形成遮擋和反射，這個(gè)特點(diǎn)在雷達(dá)檢測(cè)中是優(yōu)點(diǎn)，但在移動(dòng)通信中卻是致命缺點(diǎn)。造成毫米波只能用做“視距傳輸”，而無法進(jìn)行繞射傳輸。
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圖：毫米波傳輸，容易受到物體干擾
特點(diǎn)四：電路尺寸小
在射頻微波電路的實(shí)現(xiàn)中，所用到的元器件值通常與電路工作的波長(zhǎng)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(shí)也為后續(xù)的相控陣技術(shù)提供了基礎(chǔ)。
文獻(xiàn)[7]中展示了工作于24GHz的4通道毫米波相控陣完整發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)包含本振、上變頻器、功率放大器等各個(gè)模塊，并且包含4個(gè)通道數(shù)。如此復(fù)雜的通信系統(tǒng)在2.1mm x 6.8 mm的芯片下即可實(shí)現(xiàn)，只有一粒大米大小。
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圖：4通道24GHz毫米波系統(tǒng)
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