毫米波技术：5G 时代的 “秘密武器”，解锁通信与应用新境界
毫米波技术：5G 时代的 “秘密武器”，解锁通信与应用新境界
在科技飞速发展的当下，5G 时代的脚步声越来越近，2020 年正式商用的 5G，将以比 4G 快十倍以上的传输速率，即高达 1Gb/s 的速度，为我们带来前所未有的通信体验。而在这背后，毫米波技术正悄然崛起，成为推动 5G 发展乃至改变众多领域格局的关键力量。
随着无线通信需求的不断攀升，提升传输速率成为了亟待解决的问题。增加频谱利用率和频谱带宽是提升速率的两大途径，相较而言，增加频谱带宽更为直接。然而，目前常用的 5GHz 以下频段已拥挤不堪，犹如繁忙的交通要道，难以满足日益增长的通信需求。于是，各大厂商纷纷将目光投向了毫米波技术，试图在这片新的频谱资源海洋中找到突破口。
毫米波，作为微波波段的重要成员，通常指频段在 30300GHz，对应波长为 110mm 的电磁波。它处于微波与远红外波之间，兼具两者的特性，其理论与技术分别是微波向高频的延伸以及光波向低频的发展。自 1873 年 Maxwell 发表《电磁学通论》后，人们对电磁资源的探索不断深入，毫米波的研究早在 1889 年就已开启，虽历经波折，但学者们的探索从未停止。早期，由于支撑技术的匮乏，毫米波领域的发展缓慢。直至 20 世纪 70 年代，毫米波集成电路和固体器件的研制成功及批量生产，降低了成本，才让毫米波通信迎来了蓬勃发展的春天。
毫米波通信在传播特性上独具特点。它是典型的视距传输方式，以直射波在空间传播，波束窄、方向性好。但受大气吸收和降雨衰落影响，单跳通信距离较短，不过频段高使得干扰源少，传播稳定可靠，是一种高质量、参数恒定的无线传输信道技术。在传播过程中，毫米波存在 “大气窗口” 和 “衰减峰”。35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz 频段附近衰减小，为 “大气窗口”，适用于点对点通信，已被低空空地导弹和地基雷达采用；而 60GHz、120GHz、180GHz 频段附近衰减极大，被称为 “衰减峰”，常被多路分集的隐蔽网络和系统选用，以保障网络安全。此外，毫米波在降雨时衰减严重，其衰减程度与降雨瞬时强度、距离、雨滴形状相关，应对之策是在系统设计时预留足够电平衰减余量。同时，毫米波对沙尘和烟雾有很强的穿透能力，相比大气激光和红外优势明显，即使在恶劣散射条件下，衰落也是短期的，能快速恢复。
毫米波通信的优点众多。其带宽极宽，频率范围 26.5～300GHz，带宽达 273.5GHz，远超从直流到微波全部带宽的 10 倍，即便考虑大气吸收，四个主要窗口总带宽也有 135GHz，是微波以下各波段带宽之和的 5 倍，在频率资源紧张的当下极具吸引力。波束窄，相同天线尺寸下，毫米波波束比微波窄得多，如 12cm 天线在 9.4GHz 时波束宽度 18 度，94GHz 时仅 1.8 度，能更清晰地分辨小目标或观察目标细节。探测能力强，可利用宽带广谱抑制多径效应和杂乱回波，大量可用频率有效消除相互干扰，在目标径向速度下能获较大多谱勒频移，提升对低速或振动物体的探测识别能力。安全保密性能佳，一方面大气吸收和降雨使信号衰减大，直通距离短，增加了窃听和干扰难度；另一方面波束窄、副瓣低，降低了被截获概率。传输质量高，频段高使得干扰源少，电磁频谱干净，信道稳定可靠，误码率可长时间保持在 10 - 12 量级，堪比光缆传输质量。还具备全天候通信能力，对降雨、沙尘、烟雾和等离子的穿透能力强于大气激光和红外。而且毫米波元器件尺寸小，利于系统小型化。
在应用领域，毫米波展现出了巨大的潜力。汽车雷达领域，工作于 24GHz 和 77GHz 的毫米波雷达能在低能见度下辅助驾驶，如大雾天气，还可用于自动巡航控制甚至未来高速公路自动驾驶，不过目前仅少数豪车配备。医学应用中，无源毫米波成像通过检测物体毫米波频带的热量辐射成像，虽传统系统因精度问题发展受阻，但随着硅技术发展，有望重新焕发生机。消费电子领域，WirelessHD 联盟推动 60GHz 技术用于无压缩高清视频传输。军事领域更是毫米波技术的重要应用场景，在雷达、制导、通信、电子对抗等方面广泛应用。例如，在电子对抗中，选择 “衰减峰” 频段的舰对舰毫米波通信，可大幅提高抗干扰和抗截获能力，现役多数雷达侦察、告警系统频率覆盖范围不断扩展，毫米波段还可利用隐身技术应对雷达探测。此外，毫米波技术还涉足肿瘤检测医学成像、温度测量、血液循环和水分氧分测量等领域，随着技术发展，更高频点的应用领域也将不断涌现。
毫米波技术的发展，离不开毫米波器件的支撑。研制宽带、低噪声、大功率、高效率、高可靠、长寿命、多功能的毫米波器件是技术发展的关键。面对千兆比特流点对点链接通信、大容量无线局域网、短距离高速无线个人局域网和车载雷达等市场需求的不断扩大，设计实现高集成度、高性能、低功耗和低成本的毫米波单片集成电路迫在眉睫。
毫米波技术凭借其独特的特性和广泛的应用前景，正成为通信及众多领域发展的重要驱动力。在 5G 时代，它将大放异彩，为我们的生活、工作和科技进步带来更多惊喜与变革，值得我们持续关注与期待。