毫米波的应用：从卫星通信到安全系统

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更新于2009-05-18 15:56:09

毫米波 雷达 电磁波 MMIC技术

先来考虑为什么要使用毫米电波这个问题。首先,提高大多数完善系统的工作频率有很多好处，包括增加可用带宽的潜力、利用某一给定天线孔径提高分辨率和方向性,. 这就意味着在通信系统中采用更小的轻型系统，可以提供更大的传输容量，或者雷达或图像系统可以获得更高的分辨率。就后者而言, 往往使用毫米和/或亚毫米系统实现图像识别所需的分辨率,或是通过分光特性识别暴露物体。

此外,在毫米波段，大气具有一些独一无二的传输特性。通常认为毫米波波长在1到10毫米或频率处于30至300 GHz频段.图1 标出了毫米波频带相对于其它电磁波的位置。作为实例，图2 以dB/km的形式给出海平面和海拔4km处高效大气顶部传输的情况，在图中可以看见由分子链的撞击和分子多谐振产生的60到120GHz电磁波的谱线。
                                                                                             图1 电磁场波谱的毫米波段                        图2 毫米波谱的大气衰减

图2中，这种特殊而且唯一的谐振使得地球大气和行星大气遥感成为可能，其它应用还有诸如在安全应用中，识别潜在的危险材料。60 GHz 高衰减的特性使得高密度无牌照通信和隐蔽系统得以存在.

一些所谓的窗口频率能够穿过灰尘、烟、雾,大气，在这些频率范围内大气衰减最小，使传输范围最大。图3 给出了窗口频率的最好图示，该图显示了天顶的线性传输特性，这一特性受到中纬度地区大气中水分和液态水的影响。在医学领域，太赫兹(THz或亚毫米波)诊断工具是在癌细胞结构研究中，使用了有机-金属分子标记作为追迹物,另一方面为了实现无侵入的皮肤癌诊断，毫米波皮肤成像被动扫描仪也已处于研究阶段。

点线表示氧的影响，点化线表示水的影响

毫米波的应用

介绍完背景情况之后，接下来我们来考察毫米波的应用领域。当然,在一篇短文中很难对这样一个广阔的课题进行非常全面的评述, 因为相关课题太多，如果存在遗漏的情况，向相关课题的研究者与制造商道歉。

毫米波应用中，需要特别强调的一个领域是陆地和卫星通信系统以及毫米波段地面通讯。移动电话和数据链路基础设施是迄今为止最大的毫米波系统商业应用。在这些系统中利用所谓的“回程”提供系统节点间的视距连接。利用这种技术建立一个大范围无线网络，这个网络在很大程度上独立于现有的基础设施，因此能够吸引发展中国家使用毫米波系统。目前，各种各样的厂商在微波/毫米波无线市场竞争，市场的主导是最常见的38千兆赫频率高容量毫米波段收音机。

为了达到更大容量，可以在“热点”或“最后一英里”的地方使用50至60 GHz波段内的频率，如机场、火车站和用于广播和特殊事件的临时上行链路。 Proxim Wireless2等电公司提供0.25到1公里范围内高容量点对点光纤兼容无线电系统,该系统工作未经授权的57到64GHz的频段,如图4所示。采用不同复杂度的调制，数据速率可从125Mbps到1.25Gbps。 点到点无线网络中的接口采用了标准的接口规范，如OC3(155Mbps)和OC12(622Mbps)。

根据网络的情况，可以选用混合频率来平衡容量、覆盖范围和基础设施成本。尽管越来越多的先进调制方式使给定链路的容量大大扩展，但对带宽更大的需求不仅使得现存无线电设备的市场保持强劲增长,也保证了新兴E波段无线连接产品的市场前景。参照最近FCC授权，E波段处于71到86GHz频段，这使得在无线链路上数据能够在几英里范围内以1到10Gbps的速率传输。 其应用包括与光纤网络桥接，及为移动和固定无线网络提供回程信道。新兴的E波段要得到发展有赖于近期投资、性能的提高和相应毫米波集成电路成本的降低。

要建立商业上可行的系统另一个必要因素是存在与之相配的高精度、低成本天线。要获得更大的传输距离就需要更高的增益，而高增益得由精确的抛物面反射反射器提供。 Radiowaves等公司在针对数字无线电的高频率天线制造和测试方面处于领先地位。产成毫米波段上的密模式需要精密的天线表面和馈电位置容限,并且需要设定复杂的天线测试距离。

毫米波卫星通信

在一定程度上，毫米波段卫星通信系统的部署和发展情况反映出地面系统的部署和发展情况。体积最大的应用包括Ka-band (26.5 to 40 GHz) SATCOM终端,事实上,在该系统中对下行和上行链路分别使用20和30千兆赫附近的频率。 按照惯例，卫星终端使用更高的链路频率以利用其相同增益天线更小，更易于部署的优势。对地面终端供应商来说最大的挑战来自于将MMIC技术集成到规模较大的商业应用上。 这在很大程度上取决于半自动化生产工程和设计方法的问题。 一本优秀的参考文件R.ALMR. 5描述了这种技术。

完全有理由相信, 只要在Ka波段卫星技术上对供应上投资，并拥有目前的大规模市场生产的经验，更高频率的应用将在市场上获得成功,最终成功实现Ku-频段 (10至14千兆赫)的电视直播。

另外,考虑到安全的全球通信在国防中的重要作用, 已经有高数据传输率卫星系统投入部署而且正在继续开发,其中一些卫星上行链路频率44千兆赫。其中一个例子是美国MILSTAR卫星网络，该卫星自1994年投入运行,经历了彻底升级(MILSTAR二如图5所示 ),它能够提供更高的数据速率（为192个信道提供高达1.5 Mbps的数据速率），抗干扰，以及60千兆赫的星间交叉链路。最新的卫星于2003年发射。

MILSTAR地面终端的研究仍在不断进行中，研究主要集中在高性能多频毫米波转换器和天线系统中，这些研究中包括使用自动化制造保证高可靠性和低成本的生产技术。 (例如图6所示的一个典型的转换器)。

图5 MILSTAR II (courtesy of NASAJPL).	图6 44 GHz MMIC 上变频模块