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毫米波基本概述

什么是毫米波?

毫米波在通信、雷达、遥感和设点天文等领域有大量的应用。要想成功地设计并研制出性能优良的毫米波系统,必须了解毫米波在不同气象条件下的大气传播特性。毫米波频段没有太过精确的定义,通常将30~300GHz的频域(波长为1~10毫米)的电磁波称毫米波,它位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点。毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。。

2.毫米波的特点与传播特性

毫米波的特点:

  • 1 1)是一种典型的视距传输方式

    毫米波以直射波的方式在空间进行传播,波束很窄,具有良好的方向性。一方面,由于毫米波受大气吸收和降雨衰落影响严重; 另一方面,由于频段高,干扰源很少,所以传播稳定可靠。

  • 2 具有“ 大气窗口”

    重庆彩票网影响毫米波传播的主要气体是氧分子和水蒸气,这些气体的谐振将会对毫米波频率产生选择性吸收与散射。由氧分子谐振引起的吸收峰出现在60和120GHz附近,而由水蒸气谐振引起的吸收峰出现在22和183GHz附近,在整个毫米波频段有四个传播衰减相对较小的大气“窗口”,它们的中心频率在35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、 220GHz附近,这些“窗口”对应的带宽分别是16GHz、23GHz、26GHz、70GHz。在这些特殊频段附近, 毫米波传播受到的衰减较小,比较适用于点对点通信。

  • 3 降雨时衰减严重

    重庆彩票网与微波相比, 毫米波信号在恶劣的气候条件下,尤其是降雨时的衰减要大许多,严重影响传播效果。经过研究得出的结论是,毫米波信号降雨时衰减的大小与降雨的瞬时强度、 距离长短和雨滴形状密切相关。进一步的验证表明: 通常情况下,降雨的瞬时强度越大、距离越远、雨滴越大,所引起的衰减也就越严重。因此,对付降雨衰减最有效的办法是在进行毫米波通信系统或通信线路设计时,留出足够的电平衰减余量。

  • 4 对沙尘和烟雾具有很强的穿透能力

    激光和红外对沙尘和烟雾的穿透力很差,而毫米波在这点上具有明显优势。大量现场试验结果表明, 毫米波对于沙尘和烟雾具有很强的穿透力,几乎能无衰减地通过沙尘和烟雾。甚至在有爆炸和金属箔条产生的较高强度散射的条件下, 即使出现衰落也是短期的, 很快就会恢复。随着离子的扩散和降落, 不会引起毫米波信号的严重中断。

毫米波的传播特性:

毫米波在通信、雷达、遥感和设点天文等领域有大量的应用。要想成功地设计并研制出性能优良的毫米波系统,必须了解毫米波在不同气象条件下的大气传播特性。影响毫米波传播特性的因素主要有:构成大气成分的分子吸收(氧气、水蒸气等)、降水(包括雨、雾、雪、雹、云等)、大气中的悬浮物(尘埃、烟雾等)、以及环境(包括植被、地面、障碍物等),这些因素的共同作用,会使毫米波信号受到衰减、散射、改变极化和传播路径,进而在毫米波系统中引进新的噪声,这诸多因素将对毫米波系统的工作造成极大影响,因此我们必须详细研究毫米波的传播特性。

3.毫米波技术的优缺点

毫米波优点:

  • 1 极宽的带宽

    通常认为毫米波频率范围为26.5~300GHz,带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收,在大气中传播时只能使用四个主要窗口,但这四个窗口的总带宽也可达135GHz,为微波以下各波段带宽之和的5 倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。

  • 2 波束窄

    在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个12cm的天线,在9.4GHz时波束宽度为18度,而94GHz时波速宽度仅1.8度。因此能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节。

  • 3 探测能力强

    可以利用宽带广谱能力来抑制多径效应和杂乱回波。有大量频率可供使用,有效的消除相互干扰。在目标径向速度下可以获得较大的多谱勒频移,从而提高对低速运动物体或振动物体的探测和识别能力。

  • 4 安全保密好

    毫米波通信的这个优点来自两个方面: a)由于毫米波在大气中传播受氧、 水气和降雨的吸收衰减很大, 点对点的直通距离很短, 超过这个距离信号就会变得十分微弱, 这就增加了敌方进行窃听和干扰的难度。b)毫米波的波束很窄, 且副瓣低, 这又进一步降低了其被截获的概率。

  • 5 传输质量高

    重庆彩票网由于频段高毫米波通信基本上没有什么干扰源,电磁频谱极为干净,因此,毫米波信道非常稳定可靠,其误码率可长时间保持在 10- 12 量级,可与光缆的传输质量相媲美。

  • 6 全天候通信

    重庆彩票网毫米波对降雨、沙尘、烟雾和等离子的穿透能力却要比大气激光和红外强得多。这就使得毫米波通信具有较好的全天候通信能力,保证持续可靠工作。

  • 7 元件尺寸小

    和微波相比,毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化,降低产品的重量。

毫米波缺点:

1)大气中传播衰减严重。2)器件加工精度要求高。

4.毫米波与微波、红外、可见光、激光对比

与微波相比,毫米波受恶劣气候条件影响大,但分辨力高,结构轻小,便于装载;与红外和可见光比,毫米波系统虽没有那样高的分辨力,但通过烟雾灰尘的传输特性好;与激光相比,毫米波的传播受气候的影响要小得多,可以认为具有全天候特点。

毫米波的应用

毫米波在5G通信领域的应用

随着信息技术的不断发展,我国城市的面貌发生了巨大的变化。将毫米波频段运用到5G移动通信中,是当前智慧城市的宽带中国战略的重要内容。笔者对毫米波频段在5G移动通信中的应用展开分析,涉及5G网络技术特点及无线网络规划,提出积极地加强毫米波频段在5G移动通信中的应用是具有发展前景的。

毫米波在雷达领域的应用

在智能驾驶传感器领域,和激光雷达(LiDAR)相比,毫米波雷达(Millimeter-Wave Radar)更接地气,在技术上已非常成熟,而且其市场出货量相当可观,以中国市场为例,2015年车载毫米波雷达销量为180万颗,大概平均每12台车搭载1颗毫米波雷达。此外,毫米波雷达在欧洲的普及率非常高。
  • 1940s
    毫米波雷达开始研制
  • 1950s
    出现用于机场交通管制和船用导航毫米波雷达,由于功率效率低, 传输损失大, 发展受到限制
  • 1960s
    美国交通部NHTSA对毫米波雷达和制动系统做了组合系统的验证研究
  • 1973
    德国的AEG-Telefunken和Bosch公司共同开始投资研究汽车防撞雷达技术,由于价格昂贵没有后续发展
  • 70年代中期
    毫米波技术得到很大进展,在功率源、高增益天线、集成电路等方面取得进步
  • 70年代后期
    毫米波雷达首先应用于军用系统中,如防空系统、导弹制导系统
  • 80年代中期
    美国许多著名大学、研究机构,以及几百家企业逐渐开始投入毫米波雷达技术研究,毫米波雷达进入高速发展期
  • 1986年
    欧洲在“欧洲高效安全交通系统计划(PROMETHEUS)"指导下重新开始了车载毫米波雷达的研制
  • 80年代后期
    关于汽车毫米波防撞雷达研究开始活跃起来,单脉冲和连续调制波两种体制的雷达已在美、日欧汽车中广泛应用
  • 1999年
    奔驰率先开始在S级轿车上采用77GHz自主巡航控制系统(ACC)
  • 至今
    随着汽车市场需求及技术进步,车载毫米波雷达进入蓬勃发展时期

△毫米波雷达发展历程

毫米波技术在其他领域上的应用

毫米波不仅在通讯和雷达领域具有举足轻重的作用,同时在制导、遥感技术、射电天文学、临床医学和波谱学方面都有重大的意义。利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面中继通信。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。在远程导弹或航天器重返大气层时,需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。

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