技术剖析：详解毫米波技术及芯片

 3、毫米波应用

近年来， 毫米波器件性能的不断提高， 成本的不断降低， 有力促进了毫米波在各个领域的应用。 目前基于毫米波频段的应用主要体现在毫米波通信、毫米波成像及毫米波雷达等方面。

3.1 毫米波通信

随着无线通信技术的飞速发展， 6 GHz 以下黄金通信频段的频谱已经非常拥挤， 很难满足未来无线高速通信的需求。 然而， 与此相反的是， 在毫米波频段， 频谱资源丰富但仍然没有得到充分的开发利用。

在移动通信方面，探索了毫米波移动通信系统场景、网络结构及空中接口。 在目前开展的第5 代移动通信（5G） 研究中， 几个毫米波频段已经成为5G 候选频段。毫米波技术将会在5G的发展中起着举足轻重的作用。

在短距高速通信系统中， 60 GHz 频段得到了广泛地研究和应用。 欧洲、美国、加拿大、韩国、日本、澳大利亚以及我国陆续开放了这一频段的免费频谱资源。 60 GHz 频段处于大气衰减峰， 虽然不适合远距通信， 但可用于短距离传输， 且不会对周围造成太多干扰。 近年来， 在60 GHz 频段已发展了高速Gbps 通信、WirelessHD、WiGig、近场通讯、IEEE 802.11ad 、IEEE802.15.3c等各种系统与标准。

国内东南大学提出了工作在45 GHz 频段的超高速近远程无线传输标准（Q-LINKPAN） ，其短距部分已成为IEEE 802.11aj 国际标准。 45 GHz 频段的大气衰减小于1 dB/km， 因此不仅可以像60 GHz 频段一样实现高速短距传输， 同时也适用于远距传输。 目前实验系统在82 m 的传输距离上已实现2 Gbps 的传输速率， 并研制了相应的支持Gbps 传输的毫米波芯片。

卫星通信覆盖范围广，是保障偏远地区和海上通信以及应急通信的重要手段，目前其工作频段主要集中在L、S、C、Ku 及Ka 波段。 随着卫星通信研究的不断深入，已在尝试更高频段。 因为毫米波频段可以提供更宽的带宽， 因而可实现更高的通信速率。 此外， 低功耗、小体积、抗干扰以及较高的空间分辨率都是其值得利用的特点。 目前卫星与地面通信的主要研究方向集中在两个大气衰减较小的窗口，Q 频段和W 频段， 而60 GHz 频段被认为是实现星间通信的重要频段。

此外， 毫米波光载无线通信（RoF） 系统也得到了迅速的发展。 光纤具有成本低、信道带宽大、损耗小、抗干扰能力强等优点， 成为现代通信系统中不可或缺的部分。 正如上文提到的， 毫米波具有传输容量大、体积小等优点， 但也有空间传输损耗大等缺点。 毫米波RoF 系统结合了毫米波和光纤通信的优点， 是实现宽带毫米波通信远距离传输的有效手段。 自从1990 年光载无线通信的概念被提出之后，这个领域目前在毫米波频段成为了研究热点，很多研究小组在不同的毫米波频段进行了研究， 比如60 GHz 、75-110 GHz、120 GHz 、220 GHz、250 GHz 等。

3.2 毫米波成像

利用毫米波穿透性、安全性等优点， 毫米波成像可有效地对被检测物体进行成像， 在国家安全、机场安检、大气遥感等方面得到了广泛的研究， 根据成像机理分为被动式成像和主动式成像。毫米波被动式成像是通过探测被测物自身的辐射能量， 并分辨不同物质辐射强度的差异来实现成像。 被动式成像从机理上看是一种安全的成像方式， 不会对环境造成电磁干扰， 但对信号本身的强度以及接收机的灵敏度要求较高。 国内外对毫米波被动式成像技术已开展了大量的研究。

毫米波主动式成像主要是通过毫米波源发射一定强度的毫米波信号， 通过接收被测物的反射波，检测被测目标与环境的差异，然后进行反演成像。 主动式成像系统可以对包括塑料等非金属物体进行检测， 其受环境影响较小， 获得的信息量大， 可以有效地进行三维成像。 常用的主动式成像系统主要包括焦平面成像以及合成孔径成像。毫米波成像系统已应用于国内外许多机场的安检。 国内上海微系统所孙晓玮团队研发成功了毫米波成像安检系统， 电子科技大学樊勇团队研制成功了毫米波动态成像系统。

3.3 毫米波雷达

毫米波雷达具有频带宽、波长短、波束窄、体积小、功耗低和穿透性强等特点。 相比于激光红外探测， 其穿透性强的特点可以保证雷达能够工作在雾雨雪以及沙尘环境中， 受天气的影响较小。相比于微波波段的雷达， 利用毫米波波长短的特点可以有效减小系统体积和重量，并提高分辨率。 这些特点使得毫米波雷达在汽车防撞、直升机避障、云探测、导弹导引等方面具有重要的应用。

微波毫米波汽车防撞雷达主要集中在24 GHz和77 GHz 频段上， 是未来智能驾驶或自动驾驶的核心技术之一。 在直升机毫米波防撞雷达的研究上， 人们特别关注毫米波雷达对电力线等的探测效果。

毫米波在大气遥感方面也有很重要的应用，其中代表性的有毫米波云雷达。 毫米波云雷达主要针对降水云进行探测，，用于探测云内部宏观和微观参数，，反映大气热力及动力过程。 由于毫米波波长短，在云探测中表现出很高的测量精度和分辨率， 具有穿透含水较多的厚云层等优势。南京信息工程大学葛俊祥团队研制了W 波段云雷达， 北京理工大学吕昕团队正在研制94/340 GHz 双频段云雷达。

除了民用， 毫米波雷达在军事方面也有着非常重要的应用， 比如在精确制导武器中， 毫米波雷达导引是一项核心技术， 是全天候实施目标精确打击的一种有效手段。