[科普中國]-毫米波通信

毫米波是介于微波與光波之間的電磁波, 通常毫米波頻段是指30GHz~300GHz, 相應(yīng)波長為1mm~10mm。毫米波通信就是指以毫米波作為傳輸信息的載體而進(jìn)行的通信。通信頻段集中在幾個“大氣窗口”頻率和三個“衰減峰”頻率上。毫米波通信分毫米波波導(dǎo)通信和毫米波無線電通信兩大類。1

基本信息隨著通信產(chǎn)業(yè)尤其是個人移動通信的高速發(fā)展，無線電頻譜的低端頻率已趨飽和，即使是采用高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）調(diào)制或各種多址技術(shù)擴(kuò)大通信系統(tǒng)的容量，提高頻譜的利用率，也無法滿足未來通信發(fā)展的需求，因而實現(xiàn)高速、寬帶的無線通信勢必向微波高頻段開發(fā)新的頻譜資源。毫米波由于其波長短、頻帶寬，可以有效地解決高速寬帶無線接入面臨的許多問題，因而在短距離無線通信中有著廣泛的應(yīng)用前景。4

傳播特性通常毫米波頻段是指30GHz～300GHz，相應(yīng)波長為1mm～10mm。毫米波通信就是指以毫米波作為傳輸信息的載體而進(jìn)行的通信。絕大多數(shù)的應(yīng)用研究集中在幾個“大氣窗口”頻率和三個“衰減峰”頻率上。4

1）是一種典型的視距傳輸方式4

毫米波屬于極高頻段，它以直射波的方式在空間進(jìn)行傳播，波束很窄，具有良好的方向性。一方面，由于毫米波受大氣吸收和降雨衰落影響嚴(yán)重，所以單跳通信距離較短;另一方面，由于頻段高，干擾源很少，所以傳播穩(wěn)定可靠。因此，毫米波通信是一種典型的具有高質(zhì)量、恒定參數(shù)的無線傳輸信道的通信技術(shù)。4

2）具有“大氣窗口”和“衰減峰”4

“大氣窗口”是指35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz頻段，在這些特殊頻段附近，毫米波傳播受到的衰減較小。一般說來，“大氣窗口”頻段比較適用于點對點通信，已經(jīng)被低空空地導(dǎo)彈和地基雷達(dá)所采用。而在60GHz、120GHz、180GHz頻段附近的衰減出現(xiàn)極大值，約高達(dá)15dB/km以上，被稱作“衰減峰”。通常這些“衰減峰”頻段被多路分集的隱蔽網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)優(yōu)先選用，用以滿足網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)的要求。4

3）降雨時衰減嚴(yán)重4

與微波相比，毫米波信號在惡劣的氣候條件下，尤其是降雨時的衰減要大許多，嚴(yán)重影響傳播效果。經(jīng)過研究得出的結(jié)論是，毫米波信號降雨時衰減的大小與降雨的瞬時強(qiáng)度、距離長短和雨滴形狀密切相關(guān)。進(jìn)一步的驗證表明:通常情況下，降雨的瞬時強(qiáng)度越大、距離越遠(yuǎn)、雨滴越大，所引起的衰減也就越嚴(yán)重。因此，應(yīng)對降雨衰減最有效的辦法是在進(jìn)行毫米波通信系統(tǒng)或通信線路設(shè)計時，留出足夠的電平衰減余量。4

4）對沙塵和煙霧具有很強(qiáng)的穿透能力4

大氣激光和紅外對沙塵和煙霧的穿透力很差，而毫米波在這點上具有明顯優(yōu)勢。大量現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，毫米波對于沙塵和煙霧具有很強(qiáng)的穿透力，幾乎能無衰減地通過沙塵和煙霧。甚至在由爆炸和金屬箔條產(chǎn)生的較高強(qiáng)度散射的條件下，即使出現(xiàn)衰落也是短期的，很快就會恢復(fù)。隨著離子的擴(kuò)散和降落，不會引起毫米波通信的嚴(yán)重中斷。4

優(yōu)點1）極寬的帶寬4

通常認(rèn)為毫米波頻率范圍為26.5～300GHz，帶寬高達(dá)273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時只能使用四個主要窗口，但這四個窗口的總帶寬也可達(dá)135GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5倍。這在頻率資源緊張的情況下無疑極具吸引力。4

2）波束窄4

在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個12cm的天線，在9.4GHz時波束寬度為18度，而94GHz時波速寬度僅1.8度。因此能分辨相距更近的小目標(biāo)或更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。4

3）探測能力強(qiáng)4

可以利用寬帶廣譜能力來抑制多徑效應(yīng)和雜亂回波。有大量頻率可供使用，有效的消除相互干擾。在目標(biāo)徑向速度下可以獲得較大的多譜勒頻移，從而提高對低速運(yùn)動物體或振動物體的探測和識別能力。4

4）安全保密好4

毫米波通信的這個優(yōu)點來自兩個方面：a）由于毫米波在大氣中傳播受氧、水氣和降雨的吸收衰減很大，點對點的直通距離很短，超過這個距離信號就會變得十分微弱，這就增加了敵方進(jìn)行竊聽和干擾的難度。b）毫米波的波束很窄，且副瓣低，這又進(jìn)一步降低了其被截獲的概率。4

5）傳輸質(zhì)量高4

由于頻段高毫米波通信基本上沒有什么干擾源，電磁頻譜極為干凈，因此，毫米波信道非常穩(wěn)定可靠，其誤碼率可長時間保持在10-12量級，可與光纜的傳輸質(zhì)量相媲美。4

6）全天候通信4

毫米波對降雨、沙塵、煙霧和等離子的穿透能力卻要比大氣激光和紅外強(qiáng)得多。這就使得毫米波通信具有較好的全天候通信能力，保證持續(xù)可靠工作。4

7）元件尺寸小4

和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化。4

研究現(xiàn)狀當(dāng)前的毫米波通信系統(tǒng)主要包括地球上的點對點通信和通過衛(wèi)星的通信或廣播系統(tǒng)。地球上的點對點毫米波通信一般用于對保密要求較高的接力通信中。毫米波本身就具有很強(qiáng)的隱蔽性和抗干擾性，同時由于毫米波在大氣中的衰減和使用小口徑天線就可以獲得極窄的波束和很小的旁瓣，所以對毫米波通信的截獲和干擾變得非常困難。4

毫米波地面通信毫米波地面通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)應(yīng)用是接力（中繼）通信。毫米波傳播的大量試驗表明，利用多跳的毫米波接力（中繼）通信是可行的。為了減少風(fēng)險，首先從毫米波頻段的低端和厘米波頻段的高端入手。在開發(fā)高頻段大容量通信系統(tǒng)的同時，更高頻段的中、低容量短程毫米波通信設(shè)備也相繼出臺。4

到20世紀(jì)90年代，迎來了全球信息化的浪潮。因特網(wǎng)迅猛發(fā)展，交互多媒體業(yè)務(wù)、寬帶視頻業(yè)務(wù)以及專用網(wǎng)絡(luò)和無線電通信的業(yè)務(wù)量的急劇增長，迫切需要提高傳輸速率、傳輸帶寬和傳輸質(zhì)量。用戶對寬帶接入的需求日益強(qiáng)烈，推動了各種寬帶接入網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的研發(fā)，利用毫米波的無線寬帶接入技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。4

毫米波衛(wèi)星通信由于豐富的頻率資源，在衛(wèi)星通信中毫米波通信得到了迅速發(fā)展。例如，在星際通信時一般使用5mm（60GHz）波段，因為在此頻率處大氣損耗極大，地面無法對星際通信內(nèi)容進(jìn)行偵聽。而在星際由于大氣極為稀薄，不會造成信號的衰落。美國的“戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”就是一個例子。該系統(tǒng)由五顆衛(wèi)星組成，上行頻率為44GHz，下行頻率為20GHz，帶寬為2GHz，星際通信頻率為60GHz。4

與其他通信方式相比，衛(wèi)星通信的主要優(yōu)點是：a）通信距離遠(yuǎn)，建站成本與通信距離無關(guān)。b）以廣播方式工作，便于實現(xiàn)多址連接。c）通信容量大，能傳送的業(yè)務(wù)類型多。d）可以自發(fā)、自收、監(jiān)測等。20世紀(jì)70～80年代，衛(wèi)星通信大多是利用對地靜止軌道（又稱同步軌道）進(jìn)行的。到20世紀(jì)90年代以后，利用中、低軌道的衛(wèi)星通信系統(tǒng)紛至沓來。但是在大容量通信服務(wù)方面，利用對地靜止軌道的衛(wèi)星通信系統(tǒng)仍然是唱主角的。據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)90年代的10年間，發(fā)射送入同步軌道上的通信衛(wèi)星多達(dá)200顆，其中C波段的最多，Ku波段的次之。由此帶來的衛(wèi)星通信頻譜擁擠問題也日益突出，向更高頻段推進(jìn)已成為必然趨勢。4

實際上早在20世紀(jì)70年代初，就已經(jīng)開始了毫米波衛(wèi)星通信的實驗研究。此領(lǐng)域大部分開發(fā)工作在美國、前蘇聯(lián)和日本進(jìn)行。到20世紀(jì)80年代末至90年代，除了推出繼續(xù)用于范圍更廣、內(nèi)容更多的毫米波頻段實驗衛(wèi)星外，開始出現(xiàn)了實用化的Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)。需要指出的是，其中許多衛(wèi)星采用了一系列先進(jìn)的技術(shù)，包括多波束天線、星上交換、星上處理和高速傳輸?shù)取?

軍事應(yīng)用軍事上的需要是推動毫米波系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。毫米波在雷達(dá)、制導(dǎo)、戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略通信、電子對抗、遙感、輻射測量等方面得到了廣泛應(yīng)用。其中戰(zhàn)略通信與電子對抗是非常重要的應(yīng)用方向。電子對抗是指敵對雙方均利用電子設(shè)備或器材所進(jìn)行的電磁斗爭，是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的一種重要手段。5

隨著毫米波雷達(dá)和制導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展，相應(yīng)的電子對抗手段也發(fā)展起來?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭除去強(qiáng)火力和高密度外，一個重要的特點就是整個戰(zhàn)斗是在激烈的電子對抗中進(jìn)行的。因此，要求通信設(shè)備必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而毫米波在這方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。例如，選擇60GHz、120GHz、200GHz三個“衰減峰”頻段上的艦對艦的毫米波通信，利用這些頻段上信號嚴(yán)重衰減的特點，可極大提高艦對艦之間通信的抗干擾和抗截獲能力。國外還大力開展了毫米波頻段的測向機(jī)、干擾機(jī)和信號分析器等電子對抗設(shè)備的研制。5

毫米波波束很窄，天線的旁瓣可以做得很低，使偵察和有源干擾都比較困難，因此，無源干擾在毫米波段有較大的發(fā)展。對35GHz以下的毫米波，最常用的干擾手段就是投放非諧振的毫米波箔條和氣溶膠，對敵方毫米波雷達(dá)波束進(jìn)行散射，它可以干擾較寬的頻段而不必事先精確測定敵方雷達(dá)的頻率。除此之外，也還可以利用爆炸、熱電離或放射性元素產(chǎn)生等離子體，對毫米波進(jìn)行吸收和散射，以干擾敵方雷達(dá)。5

現(xiàn)役的多數(shù)雷達(dá)偵察、告警系統(tǒng)的頻率覆蓋范圍均已擴(kuò)展到0.5GHz～40GHz。據(jù)報道，美國的電子對抗設(shè)備中部分雷達(dá)偵察設(shè)備頻率可達(dá)到110GHz，正在向300GHz發(fā)展。雷達(dá)告警設(shè)備頻率已擴(kuò)展到40GHz～60GHz，北約正研制一種車載毫米波告警設(shè)備，頻段為40GHz～140GHz。此外，通信偵察頻段覆蓋10GHz毫米波段，通信干擾部分40GHz以下已實用化，正在向110GHz發(fā)展。在毫米波段還可以利用隱身技術(shù)。在對付有源毫米波雷達(dá)時，同在微波波段一樣，可以采用減小雷達(dá)截面的外形設(shè)計，或者在表面涂敷鐵氧體等毫米波吸收材料，以減小反射波的強(qiáng)度。對于通過檢測金屬目標(biāo)的低毫米波輻射與背景輻射之間的反差來跟蹤目標(biāo)的無源雷達(dá)，則要在目標(biāo)表面涂敷毫米波輻射較強(qiáng)的偽裝物，使其輻射和背景輻射基本相等，從而使目標(biāo)融合于背景中。5

總之，毫米波通信應(yīng)用于軍事上是非常必要和有重大意義的，是很有發(fā)展前途的通信手段，具有波束窄、數(shù)據(jù)率高、電波隱蔽、保密和抗干擾性能好、開設(shè)迅速、使用方便靈活以及全天候工作的特點。除了應(yīng)用于電子對抗領(lǐng)域外，軍用毫米波通信的應(yīng)用包括遠(yuǎn)（外空間）近（大氣層）距保密通信、快速應(yīng)急通信、對潛通信、衛(wèi)星通信、星際通信、微波干線上下山的走線和電纜中斷搶通設(shè)備等。5

研發(fā)進(jìn)展中國國防科技信息網(wǎng)報道，美國國防先期研究計劃局（DARPA）與L-3通信公司簽訂了價值1630萬美元的合同，繼續(xù)推進(jìn)移動熱點項目。5

移動熱點項目旨在解決作戰(zhàn)前線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸問題。該項目將通過開發(fā)移動毫米波通信架構(gòu)，用以連接戰(zhàn)場士兵和前線基地、戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心以及情報監(jiān)視偵察設(shè)施。5

美軍軍事系統(tǒng)由于其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小、無線通信覆蓋范圍近，導(dǎo)致無法支撐偏遠(yuǎn)地區(qū)的移動作戰(zhàn)。移動熱點項目的最終目標(biāo)就是在無地面基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，實現(xiàn)手機(jī)信號塔一樣的性能。5

合同內(nèi)容覆蓋了移動熱點項目第二階段和可選的第三階段。在第二階段，L-3公司將開發(fā)無線路由吊艙和移動熱點子系統(tǒng)，并安裝至“影子”無人機(jī)。該吊艙是無人機(jī)載移動熱點的關(guān)鍵。按照計劃，第二階段將于2015年3月12日結(jié)束。5

使用無人機(jī)是移動熱點項目愿景中的一部分，該愿景還包含使用空中、移動、固定設(shè)施為士兵提供千兆每秒的通信能力。5

為實現(xiàn)目標(biāo)，DARPA將研發(fā)先進(jìn)定位、采集和跟蹤技術(shù)，使小型無人機(jī)具備飛行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功能。其他待研發(fā)技術(shù)還包括，可控天線、高效毫米波功率放大器，以及動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。整個數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)大概率將采用商用通信協(xié)議，如WiFi、WiMax，或者LTE。其他方面也將部分采用符合軍方要求的商用現(xiàn)貨。5

DARPA項目經(jīng)理迪克瑞奇威表示，“雖然項目可以使用一些先進(jìn)的商用毫米波組件，但是作戰(zhàn)前線的基礎(chǔ)設(shè)施和地形提出了更復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)?！?

前景展望毫米波通信技術(shù)是一個典型的軍民兩用技術(shù)。在軍事領(lǐng)域中可以應(yīng)用于星際間通信或中繼、毫米波頻段的保密通信和毫米波敵我識別系統(tǒng)等；而在民用領(lǐng)域可以應(yīng)用于寬帶多媒體移動通信系統(tǒng)、測量雷達(dá)、車船防撞、地形測繪、射電天文、以交互式大容量電視廣播及衛(wèi)星的毫米波鏈路系統(tǒng)等諸多方面，并將進(jìn)一步擴(kuò)大其市場?？傊瑖鴥?nèi)外在毫米波通信領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作，內(nèi)容涉及了從基礎(chǔ)傳播理論到實際系統(tǒng)應(yīng)用的方方面面，這些都充分說明了毫米波通信是一種很有發(fā)展前景的無線通信技術(shù)。4

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

孫銳 - 教授 - 合肥工業(yè)大學(xué)