无线通信的未来——毫米波

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无线通信的未来——毫米波

     毫米波占据了从30 GHz到300 GHz的频段。在频谱上，它们位于微波（1 GHz到30 GHz）和红外波（Infrared，IR）之间，有时候被称作“极高频（EHF，extremely high frequency）”，波长范围是1 mm到10 mm。有一段时间，这部分频率没人使用，因为几乎没什么电子设备能够发射或者接收毫米波。


     在过去的十几年间，这种情况得以改变。现在毫米波又实用又实惠，在很多方面都找到了应用空间。最大的好处在于，毫米波减轻了低频频段的压力，真正将无线通信拓展到更大的频段范围（如表所示）。如果大家想用更高的频段，那就要用到光了。


     今天，从直流电到微波段（ 30 GHz ）几乎都被用完了。全世界的政府组织已经分配完了所有的“好”频段。很多地方存在着频率短缺和频率冲突。4G（如LTE）无线蜂窝业务的发展的基础是足够多的合适的频谱。现在的问题是这些频谱不够用了。


     因此，频谱就像黄金地段的地产，非常昂贵。“地段、地段，还是地段”这句话也适用于频谱。通过提供更多的频谱拓展空间，毫米波部分地解决了这个问题。将现在使用的所有从直流到30GHz全部扔进毫米波的低频端，还会多出240GHz供大家使用。


     毫米波允许高速数据速率。工作在微波段及以下频段的无线数据速率被限制在1 Gbit/s以内。在毫米波段，数据速率可以达到10 Gbit/s甚至更高。


     坏消息是这个频段在给大家一些频谱拓展空间的同时，并不适合所有类型的无线应用。毫米波有其局限性。克服这些局限是让毫米波经济实用必须面对的挑战。这个时间已经到来。


     毫米波的关键局限之一是覆盖范围有限。物理定律告诉大家，波长越短，同等功率条件下的传播距离越短。在正常的功率水平下，这种限制使得很多场合中的覆盖范围都不到10米。


     自由空间下的路径损耗公式（单位dB）为：
L = 92.4 + 20log(f) + 20log(R)
其中R是发射天线和接收天线的视距直线距离，单位是公里；f是频率，单位是GHz。比如说，60GHz电波在10米外的路损是：L = 92.4 + 35.6 – 40 = 88 dB。通过加强接收器灵敏度、提高发射功率和发射天线增益，设计者可以克服这些损耗。


而且，大气会吸取毫米波，限制它们的传播范围。雨、雾和空气中的任何成分都可能让信号的衰减变得非常大，从而减少传输距离。氧气（O2）特别容易吸取60 GHz的信号。水分（H2O）则显著加大图中其它频率信号的衰减（图中的几个尖峰）。选择位于波谷中的频率能减少这种损耗。另外，高增益的天线阵列能够提高有效辐射功率（ERP，Effective Radiated Power ），提高信号覆盖范围。





     事实上，传播范围小也有好处。比如，不会受到邻近信号的干扰。高增益的天线往往有很好的方向性，这也减少了干扰，同时提高了信号功率。另外，传播范围小带来了安全性，防止了信号被截听。


     毫米波设备的另一个优势是尺寸小。在集成电路降低电子电路的尺寸的同时，高频波段让小尺寸天线的实现变得既必要又有可能。工作在900MHz蜂窝频段的典型的半波偶极子有6英寸长，而一个自由空间中的60GHz的半波偶极子只有2.5毫米（如果工作于介质基片，这个尺寸还要小）。这意味着包括天线在内的整个无线架构的尺寸会变得非常小。因此，在一个基质芯片上做出更高功率、更强增益和更大覆盖范围的多元相位阵列是非常容易的。


     另一个挑战是制造能够工作在毫米波段的电子线路。利用硅锗(SiGe),  砷化镓(GaAs),磷化铟(InP), and氮化镓(GaN)等半导体材料和新的工艺，做出工作在毫米波段的亚微细米（如40纳米）尺寸的晶体管是有可能的。


     视频信号对带宽的需求是最大的，即需要更高的数据速率。传输1080p高清HD视频需要每秒很多个GHz的速度。如果事先使用压缩技术，需要的数据速率会有所下降，可能每秒几百MHz的速率就能够完成任务，但是代价是视频质量的下降。


     压缩技术总是通过降低视频质量以便让诸如WiFi 802.11n这样的无线标准得以使用。在5-GHz使用更大带宽的802.11ac标准现在已经可以达到G比特级别的速率。毫米波技术使得G比特速率变得司空见惯，并且很容易实现，从而把无压缩视频变为现实。