[科普中國(guó)]-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(zhǎng)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(gè)“大氣窗口”頻率和三個(gè)“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(wú)線(xiàn)電通信兩大類(lèi)。1

基本信息隨著通信產(chǎn)業(yè)尤其是個(gè)人移動(dòng)通信的高速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)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(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)通信發(fā)展的需求，因而實(shí)現(xiàn)高速、寬帶的無(wú)線(xiàn)通信勢(shì)必向微波高頻段開(kāi)發(fā)新的頻譜資源。毫米波由于其波長(zhǎng)短、頻帶寬，可以有效地解決高速寬帶無(wú)線(xiàn)接入面臨的許多問(wèn)題，因而在短距離無(wú)線(xiàn)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(zhǎng)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(gè)“大氣窗口”頻率和三個(gè)“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(wú)線(xiàn)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(shuō)來(lái)，“大氣窗口”頻段比較適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(chēng)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(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)的要求。4

3）降雨時(shí)衰減嚴(yán)重4

與微波相比，毫米波信號(hào)在惡劣的氣候條件下，尤其是降雨時(shí)的衰減要大許多，嚴(yán)重影響傳播效果。經(jīng)過(guò)研究得出的結(jié)論是，毫米波信號(hào)降雨時(shí)衰減的大小與降雨的瞬時(shí)強(qiáng)度、距離長(zhǎng)短和雨滴形狀密切相關(guān)。進(jìn)一步的驗(yàn)證表明:通常情況下，降雨的瞬時(shí)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(duì)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(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)，留出足夠的電平衰減余量。4

4）對(duì)沙塵和煙霧具有很強(qiáng)的穿透能力4

大氣激光和紅外對(duì)沙塵和煙霧的穿透力很差，而毫米波在這點(diǎn)上具有明顯優(yōu)勢(shì)。大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，毫米波對(duì)于沙塵和煙霧具有很強(qiáng)的穿透力，幾乎能無(wú)衰減地通過(guò)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(huì)恢復(fù)。隨著離子的擴(kuò)散和降落，不會(huì)引起毫米波通信的嚴(yán)重中斷。4

優(yōu)點(diǎn)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(guò)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(shí)只能使用四個(gè)主要窗口，但這四個(gè)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(wú)疑極具吸引力。4

2）波束窄4

在相同天線(xiàn)尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個(gè)12cm的天線(xiàn)，在9.4GHz時(shí)波束寬度為18度，而94GHz時(shí)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(cè)能力強(qiáng)4

可以利用寬帶廣譜能力來(lái)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(duì)低速運(yùn)動(dòng)物體或振動(dòng)物體的探測(cè)和識(shí)別能力。4

4）安全保密好4

毫米波通信的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)來(lái)自?xún)蓚€(gè)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直通距離很短，超過(guò)這個(gè)距離信號(hào)就會(huì)變得十分微弱，這就增加了敵方進(jìn)行竊聽(tīng)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(méi)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(zhǎng)時(shí)間保持在10-12量級(jí)，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(duì)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和通過(guò)衛(wèi)星的通信或廣播系統(tǒng)。地球上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)毫米波通信一般用于對(duì)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(shí)由于毫米波在大氣中的衰減和使用小口徑天線(xiàn)就可以獲得極窄的波束和很小的旁瓣，所以對(duì)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(yàn)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(xiǎn)，首先從毫米波頻段的低端和厘米波頻段的高端入手。在開(kāi)發(fā)高頻段大容量通信系統(tǒng)的同時(shí)，更高頻段的中、低容量短程毫米波通信設(shè)備也相繼出臺(tái)。4

到20世紀(jì)90年代，迎來(lái)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(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)電通信的業(yè)務(wù)量的急劇增長(zhǎng)，迫切需要提高傳輸速率、傳輸帶寬和傳輸質(zhì)量。用戶(hù)對(duì)寬帶接入的需求日益強(qiáng)烈，推動(dòng)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(wú)線(xiàn)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(shí)一般使用5mm（60GHz）波段，因?yàn)樵诖祟l率處大氣損耗極大，地面無(wú)法對(duì)星際通信內(nèi)容進(jìn)行偵聽(tīng)。而在星際由于大氣極為稀薄，不會(huì)造成信號(hào)的衰落。美國(guó)的“戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”就是一個(gè)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(diǎn)是：a）通信距離遠(yuǎn)，建站成本與通信距離無(wú)關(guān)。b）以廣播方式工作，便于實(shí)現(xiàn)多址連接。c）通信容量大，能傳送的業(yè)務(wù)類(lèi)型多。d）可以自發(fā)、自收、監(jiān)測(cè)等。20世紀(jì)70～80年代，衛(wèi)星通信大多是利用對(duì)地靜止軌道（又稱(chēng)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(lái)。但是在大容量通信服務(wù)方面，利用對(duì)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(jì)，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(lái)的衛(wèi)星通信頻譜擁擠問(wèn)題也日益突出，向更高頻段推進(jìn)已成為必然趨勢(shì)。4

實(shí)際上早在20世紀(jì)70年代初，就已經(jīng)開(kāi)始了毫米波衛(wèi)星通信的實(shí)驗(yàn)研究。此領(lǐng)域大部分開(kāi)發(fā)工作在美國(guó)、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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星外，開(kāi)始出現(xiàn)了實(shí)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(xiàn)、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(dòng)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(duì)抗、遙感、輻射測(cè)量等方面得到了廣泛應(yīng)用。其中戰(zhàn)略通信與電子對(duì)抗是非常重要的應(yīng)用方向。電子對(duì)抗是指敵對(duì)雙方均利用電子設(shè)備或器材所進(jìn)行的電磁斗爭(zhēng)，是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)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(duì)抗手段也發(fā)展起來(lái)。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)除去強(qiáng)火力和高密度外，一個(gè)重要的特點(diǎn)就是整個(gè)戰(zhàn)斗是在激烈的電子對(duì)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(shì)。例如，選擇60GHz、120GHz、200GHz三個(gè)“衰減峰”頻段上的艦對(duì)艦的毫米波通信，利用這些頻段上信號(hào)嚴(yán)重衰減的特點(diǎn)，可極大提高艦對(duì)艦之間通信的抗干擾和抗截獲能力。國(guó)外還大力開(kāi)展了毫米波頻段的測(cè)向機(jī)、干擾機(jī)和信號(hào)分析器等電子對(duì)抗設(shè)備的研制。5

毫米波波束很窄，天線(xiàn)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(wú)源干擾在毫米波段有較大的發(fā)展。對(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(bào)道，美國(guó)的電子對(duì)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(chē)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(shí)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(duì)付有源毫米波雷達(dá)時(shí)，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(jì)，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(duì)于通過(guò)檢測(cè)金屬目標(biāo)的低毫米波輻射與背景輻射之間的反差來(lái)跟蹤目標(biāo)的無(wú)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(kāi)設(shè)迅速、使用方便靈活以及全天候工作的特點(diǎn)。除了應(yīng)用于電子對(duì)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(duì)潛通信、衛(wèi)星通信、星際通信、微波干線(xiàn)上下山的走線(xiàn)和電纜中斷搶通設(shè)備等。5

研發(fā)進(jìn)展中國(guó)國(guó)防科技信息網(wǎng)報(bào)道，美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局（DARPA）與L-3通信公司簽訂了價(jià)值1630萬(wàn)美元的合同，繼續(xù)推進(jìn)移動(dòng)熱點(diǎn)項(xiàng)目。5

移動(dòng)熱點(diǎn)項(xiàng)目旨在解決作戰(zhàn)前線(xiàn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。該項(xiàng)目將通過(guò)開(kāi)發(fā)移動(dòng)毫米波通信架構(gòu)，用以連接戰(zhàn)場(chǎng)士兵和前線(xiàn)基地、戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心以及情報(bào)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(wú)線(xiàn)通信覆蓋范圍近，導(dǎo)致無(wú)法支撐偏遠(yuǎn)地區(qū)的移動(dòng)作戰(zhàn)。移動(dòng)熱點(diǎn)項(xiàng)目的最終目標(biāo)就是在無(wú)地面基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，實(shí)現(xiàn)手機(jī)信號(hào)塔一樣的性能。5

合同內(nèi)容覆蓋了移動(dòng)熱點(diǎn)項(xiàng)目第二階段和可選的第三階段。在第二階段，L-3公司將開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)路由吊艙和移動(dòng)熱點(diǎn)子系統(tǒng)，并安裝至“影子”無(wú)人機(jī)。該吊艙是無(wú)人機(jī)載移動(dòng)熱點(diǎn)的關(guān)鍵。按照計(jì)劃，第二階段將于2015年3月12日結(jié)束。5

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

為實(shí)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(wú)人機(jī)具備飛行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能。其他待研發(fā)技術(shù)還包括，可控天線(xiàn)、高效毫米波功率放大器，以及動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)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(xiàng)目經(jīng)理迪克瑞奇威表示，“雖然項(xiàng)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(xiàn)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(gè)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(shí)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(dòng)通信系統(tǒng)、測(cè)量雷達(dá)、車(chē)船防撞、地形測(cè)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(chǎng)。總之，國(guó)內(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(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用的方方面面，這些都充分說(shuō)明了毫米波通信是一種很有發(fā)展前景的無(wú)線(xiàn)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)