毫米波长——未来无线的前沿

超高频通信的使用一直都“即将来临”。但由于技术上的挑战，其已滞留50年。现在，面对可用较低频频谱的稀缺，无线通讯产业决心直面挑战，克服困难。

第五代无线通讯，即通常所说的“5G”，将在2020年正式开启技术之旅。它最令人印象深刻的成就之一就是无线电频率的使用，其使用率要远远高于以往用于蜂窝网络或其他区域的频率，即称之为毫米波长的波段。这是一场大交易。但首先，有一点非常重要，即了解这些频率如何与光谱环境相适应，与低频同类产品如何不同，以及为何目前只在卫星通信、车辆雷达和防御系统中使用。

电磁波谱的宽度非常巨大，涵盖频率从1Hz到10exahertz 以上(10万亿赫兹，伽马射线存活的区域)。1MHz和300GHz之间是可以通讯的，而其中只有很小一部分被实际使用(1MHz到30GHz)。且不到20%(约6GHz)被无线通讯系统使用，包括短波、AM、FM、电视广播、蜂窝网络、业余无线电和陆地移动广播，以及各种未经许可的应用，如Wi - Fi、蓝牙、ZigBee、微波炉、工业和医疗系统等。这是一个“最有效点”，可以完成远距离通信，跨越范围广泛 (图1)。

图1:频谱的毫米波部分，也称为极端高频(EHF)，一般定义为从30GHz开始，扩展到300GHz。(来源:NASA)

不过，一般以150MHz和1GHz之间的频谱宽度为主，因为其挑战更低，如信号丢失、穿透建筑物、玻璃和其他障碍的能力，同时还可以宽区域覆盖。因此，这一区段几乎占据全世界所有的通讯，这一点不足为奇。但正是由于几乎只剩下一小段未使用的频谱，于是，又出现了新问题。因此，FCC (美国联邦通信委员会)花数十亿美元拍下了这段极窄小的频谱。

现在，这股可以决定无线通讯未来的力量已然决策，共同冒险进入这段相对未被探索的高达60 GHz的频谱边界，最终甚至进入100 GHz，这个频率是以往的10到100倍。从表面上看，这当然十分合乎逻辑，但细节总是决定成败。他们阐释了为何毫米波频率从未被广泛使用过。

一般来说，随着频率的增加，信号由于空气、通信距离及穿透固态物体能力的下降等原因也会发生衰减。例如，在5G中使用的最高频率(如60 GHz)，几乎所有信号路径中的东西(甚至是树叶)都会对信号进行散射或吸收。此外，为了向诸多用户提供足够的信号强度，高增益天线以及波束成型、多样性和多用户多输入多输出(MIMO)技术都将是必需的。MIMO和多样性已广泛应用于Wi - Fi接入点和最新的智能手机。在毫米频率下，有必要使用大规模的MIMO(几十根天线)来进行通信。波束成型（结合天线波束并定位至特定点）目前几乎完全用于防御系统。简言之，要挖掘这些超高频的潜能绝非易事。

那么，为何整个无线通讯产业会致力于这样一个巨大的挑战呢?首先，由于在这个波段少有服务，它蕴含着一个巨大的未开发的频谱资源，这就类似于发现了全世界最大的石油或天然气储藏。它几乎可以永远消除频谱短缺，使极宽通道频宽能满足每秒千兆比特数据速率的需求，并为通信供应商提供创收的机会。例如，Verizon和AT&T已经表达了对使用毫米波频率传输宽带和娱乐服务的兴趣，将它列为有线和光纤的直接竞争对手。

对半导体设备制造商来说，扩展至毫米波波段也将带来意外的收获，因为半导体设备的特性使其适合于在这些高频中使用，同时也适用于许多其他类型的部件制造商。实际上，它将创造一个全新的市场。覆盖宽频率范围的模块将变得越来越重要，以便在一个设备中覆盖许多通信波段。

Analog DevicesHMC-C038 (图2)分布式驱动程序放大器模块是一个很好的例子，它的操作范围从2 GHz到35 GHz，包括许多蜂窝频率以及卫星通信、雷达、电子作战和宽带测试设备使用的频率。GaAs提供的RF输出为+ 14 dBm，从27 GHz到35 GHz，且平整增益的响应为+/-0.5，从2 GHz到27 GHz以及+/-1.5 dB ，从27 GHz到35 GHz。

图2: Analog Devices HMC-C038驱动放大器模块的频率覆盖范围为2 GHz到35 GHz。

研究公司Marketandmarkets预计，2015年，全球毫米波市场占有量为3.468亿美元；到2022年时，市场占有量将提升至46.3亿美元，每年平均增长率为43%。这一增长大部分来自于毫米波频率使用的增加，即用于小型基站的回传数据，但随着5G将于2022年左右问世，未来几年的增长空间将更大。

冰山一角？

虽然第五代蜂窝网络将成为毫米波频谱市场的主要推动力，但却并不是唯一。卫星通信系统长期使用这些频率，且点对点及点对多点的微波连接已在光纤中广泛使用，用于需要极低延迟的高速蜂窝回传和网络。此外，由于技术人员为毫米波长的固有缺陷创造了解决方案，新的短程通信应用可能会出现，开发中的应用也将会陆续可用。

例如，Wi - Fi联盟支持的操作频率为60 GHz的IEEE 802.11标准在10月份开始认证，一些产品已经可以使用。2017年问世的新一代智能手机可能会添加WiGig至现有的Wi-Fi 标准中，即操作频率为2.4 GHz和5 GHz。WiGig为连接设备而设计，其长度可达100ft.，且延迟低，数据速率高达8 Gb / s。它允许多个超高清视频和电影同步下载，可提供更多的沉浸式游戏和虚拟现实体验，并在2.4GHz、5GHz和60 GHz的Wi - Fi标准上使用波束成型和动态切换，以减少干扰和改善连接性能。

尽管完全发挥毫米波通信的潜能尚需克服许多障碍，但毫无疑问，这是值得我们放手一试的。它不仅会为未来的蜂窝通信铺平道路，而且将产生诸多新的应用程序及更新已经存在的应用程序。

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