毫米波通信

毫米波的波長從10毫米至1毫米、頻率從30吉赫（GHz）至300吉赫（GHz）的電磁波稱為毫米波，利用毫米波進行通信的方法叫毫米波通信。毫米波通信分毫米波波導通信和毫米波無線電通信兩大類。

基本介紹

• 中文名：毫米波通信
• 外文名：millimeter wave communication
• 定義：頻率從30吉赫至300吉赫的電磁波
• 分類：毫米波波導通信和無線電通信
• 特點：降雨時衰減嚴重
• 學科：通信

基本信息

隨著通信事業尤其是個人移動通信的高速發展，無線電頻譜的低端頻率已趨飽和，即使是採用高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）調製或各種多址技術擴大通信系統的容量，提高頻譜的利用率，也無法滿足未來通信發展的需求，因而實現高速、寬頻的無線通信勢必向微波高端開發新的頻譜資源。毫米波由於其波長短、頻頻寬，可以有效地解決高速寬頻無線接入面臨的許多問題，因而在短距離通信中有著廣泛的套用前景。

傳播特性

通常毫米波頻段是指30GHz～300GHz，相應波長為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行的通信。目前絕大多數的套用研究集中在幾個“大氣視窗”頻率和三個“衰減峰”頻率上。

1）是一種典型的視距傳輸方式

毫米波屬於極高頻段，它以直射波的方式在空間進行傳播，波束很窄，具有良好的方向性。一方面，由於毫米波受大氣吸收和降雨衰落影響嚴重，所以單跳通信距離較短;另一方面，由於頻段高，干擾源很少，所以傳播穩定可靠。因此，毫米波通信是一種典型的具有高質量、恆定參數的無線傳輸信道的通信技術。

2）具有“大氣視窗”和“衰減峰”

“大氣視窗”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，“大氣視窗”頻段比較適用於點對點通信，已經被低空空地飛彈和地基雷達所採用。而在60GHz、120GHz、180GHz頻段附近的衰減出現極大值，約高達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路和系統優先選用，用以滿足網路安全係數的要求。

3）降雨時衰減嚴重

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，嚴重影響傳播效果。經過研究得出的結論是，毫米波信號降雨時衰減的大小與降雨的瞬時強度、距離長短和雨滴形狀密切相關。進一步的驗證表明:通常情況下，降雨的瞬時強度越大、距離越遠、雨滴越大，所引起的衰減也就越嚴重。因此，對付降雨衰減最有效的辦法是在進行毫米波通信系統或通信線路設計時，留出足夠的電平衰減餘量。

4）對沙塵和煙霧具有很強的穿透能力

大氣雷射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勢。大量現場試驗結果表明，毫米波對於沙塵和煙霧具有很強的穿透力，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生的較高強度散射的條件下，即使出現衰落也是短期的，很快就會恢復。隨著離子的擴散和降落，不會引起毫米波通信的嚴重中斷。

優點

1）極寬的頻寬

通常認為毫米波頻率範圍為26.5～300GHz，頻寬高達273.5GHz。超過從直流到微波全部頻寬的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視窗，但這四個視窗的總頻寬也可達135GHz，為微波以下各波段頻寬之和的5倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

2）波束窄

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或更為清晰地觀察目標的細節。

3）探測能力強

可以利用寬頻廣譜能力來抑制多徑效應和雜亂回波。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，從而提高對低速運動物體或振動物體的探測和識別能力。

4）安全保密好

毫米波通信的這個優點來自兩個方面：a）由於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，這又進一步降低了其被截獲的機率。

5）傳輸質量高

由於頻段高毫米波通信基本上沒有什麼干擾源，電磁頻譜極為乾淨，因此，毫米波信道非常穩定可靠，其誤碼率可長時間保持在10-12量級，可與光纜的傳輸質量相媲美。

6）全天候通信

毫米波對降雨、沙塵、煙霧和等離子的穿透能力卻要比大氣雷射和紅外強得多。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。因此毫米波系統更容易小型化。

研究現狀

當前的毫米波通信系統主要包括地球上的點對點通信和通過衛星的通信或廣播系統。現在地球上的點對點毫米波通信一般用於對保密要求較高的接力通信中。毫米波本身就具有很強的隱蔽性和抗干擾性，同時由於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。

毫米波地面通信

毫米波地面通信系統的傳統套用是接力（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。在開發高頻段大容量通信系統的同時，更高頻段的中、低容量短程毫米波通信設備也相繼出台。

到20世紀90年代，迎來了全球信息化的浪潮。網際網路迅猛發展，互動多媒體業務、寬頻視頻業務以及專用網路和無線電通信的業務量的急劇增長，迫切需要提高傳輸速率、傳輸頻寬和傳輸質量。用戶對寬頻接入的需求日益強烈，推動了各種寬頻接入網路和設備的研發，利用毫米波的無線寬頻接入技術應運而生。

毫米波衛星通信

由於豐富的頻率資源，在衛星通信中毫米波通信得到了迅速發展。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容進行偵聽。而在星際由於大氣極為稀薄，不會造成信號的衰落。美國的“戰術、戰略和中繼衛星系統”就是一個例子。該系統由五顆衛星組成，上行頻率為44GHz，下行頻率為20GHz，頻寬為2GHz，星際通信頻率為60GHz。

與其他通信方式相比，衛星通信的主要優點是：a）通信距離遠，建站成本與通信距離無關。b）以廣播方式工作，便於實現多址連線。c）通信容量大，能傳送的業務類型多。d）可以自發、自收、監測等。20世紀70～80年代，衛星通信大多是利用對地靜止軌道（又稱同步軌道）進行的。到20世紀90年代以後，利用中、低軌道的衛星通信系統紛至沓來。但是在大容量通信服務方面，利用對地靜止軌道的衛星通信系統仍然是唱主角的。據統計，20世紀90年代的10年間，發射送入同步軌道上的通信衛星多達200顆，其中C波段的最多，Ku波段的次之。由此帶來的衛星通信頻譜擁擠問題也日益突出，向更高頻段推進已成為必然趨勢。

實際上早在20世紀70年代初，就已經開始了毫米波衛星通信的實驗研究。此領域大部分開發工作在美國、前蘇聯和日本進行。到20世紀80年代末至90年代，除了推出繼續用於範圍更廣、內容更多的毫米波頻段實驗衛星外，開始出現了實用化的Ka波段衛星通信系統。需要指出的是，其中許多衛星採用了一系列先進的技術，包括多波束天線、星上交換、星上處理和高速傳輸等。

套用

軍事上的需要是推動毫米波系統發展的重要因素。目前，毫米波在雷達、制導、戰術和戰略通信、電子對抗、遙感、輻射測量等方面得到了廣泛套用。其中戰略通信與電子對抗是非常重要的套用方向。電子對抗是指敵對雙方均利用電子設備或器材所進行的電磁鬥爭，是現代化戰爭中的一種重要手段。

隨著毫米波雷達和制導系統的發展，相應的電子對抗手段也發展起來。現代戰爭除去強火力和高密度外，一個重要的特點就是整個戰鬥是在激烈的電子對抗中進行的。因此，要求通信設備必須具有很強的抗干擾能力，而毫米波在這方面表現出明顯的優勢。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、干擾機和信號分析器等電子對抗設備的研製。

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展。對35GHz以下的毫米波，目前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，對敵方毫米波雷達波束進行散射，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生電漿，對毫米波進行吸收和散射，以干擾敵方雷達。

現役的多數雷達偵察、告警系統的頻率覆蓋範圍均已擴展到0.5GHz～40GHz。據報導，美國的電子對抗設備中部分雷達偵察設備頻率可達到110GHz，正在向300GHz發展。雷達告警設備頻率已擴展到40GHz～60GHz，北約正研製一種車載毫米波告警設備，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發展。在毫米波段還可以利用隱身技術。在對付有源毫米波雷達時，同在微波波段一樣，可以採用減小雷達截面的外形設計，或者在表面塗敷鐵氧體等毫米波吸收材料，以減小反射波的強度。對於通過檢測金屬目標的低毫米波輻射與背景輻射之間的反差來跟蹤目標的無源雷達，則要在目標表面塗敷毫米波輻射較強的偽裝物，使其輻射和背景輻射基本相等，從而使目標融合於背景中。

總之，毫米波通信套用于軍事上是非常必要和有重大意義的，是很有發展前途的通信手段，具有波束窄、數據率高、電波隱蔽、保密和抗干擾性能好、開設迅速、使用方便靈活以及全天候工作的特點。除了套用於電子對抗領域外，軍用毫米波通信的套用包括遠（外空間）近（大氣層）距保密通信、快速應急通信、對潛通信、衛星通信、星際通信、微波幹線上下山的走線和電纜中斷搶通設備等。

研發進展

中國國防科技信息網報導，美國國防先期研究計畫局（DARPA）與L-3通信公司簽訂了價值1630萬美元的契約，繼續推進移動熱點項目。

移動熱點項目旨在解決作戰前線的遠程數據傳輸問題。該項目將通過開發移動毫米波通信架構，用以連線戰場士兵和前線基地、戰術作戰中心以及情報監視偵察設施。

美軍軍事系統由於其網路規模小、無線通信覆蓋範圍近，導致無法支撐偏遠地區的移動作戰。移動熱點項目的最終目標就是在無地面基礎設施的情況下，實現手機信號塔一樣的性能。

契約內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公司將開發無線路由吊艙和移動熱點子系統，並安裝至“影子”無人機。該吊艙是無人機載移動熱點的關鍵。按照計畫，第二階段將於2015年3月12日結束。

使用無人機是移動熱點項目願景中的一部分，該願景還包含使用空中、移動、固定設施為士兵提供千兆每秒的通信能力。

為實現目標，DARPA將研發先進定位、採集和跟蹤技術，使小型無人機具備飛行網路節點的功能。其他待研發技術還包括，可控天線、高效毫米波功率放大器，以及動態網路。整個數據傳輸網路大機率將採用商用通信協定，如WiFi、WiMax，或者LTE。其他方面也將部分採用符合軍方要求的商用現貨。

DARPA項目經理迪克瑞奇威表示，“雖然項目可以使用一些先進的商用毫米波組件，但是作戰前線的基礎設施和地形提出了更複雜的技術挑戰。”

前景展望

毫米波通信技術是一個典型的軍民兩用技術。在軍事領域中可以套用於星際間通信或中繼、毫米波頻段的保密通信和毫米波敵我識別系統等；而在民用領域可以套用於寬頻多媒體移動通信系統、測量雷達、車船防撞、地形測繪、射電天文、以互動式大容量電視廣播及衛星的毫米波鏈路系統等諸多方面，並將進一步擴大其市場。總之，國內、外在毫米波通信領域進行了大量的研究工作，內容涉及了從基礎傳播理論到實際系統套用的方方面面，這些都充分說明了毫米波通信是一種很有發展前景的無線通信技術。