毫米波的前世今生，為什么說5G、智能汽車離不開毫米波技術(shù)？

電子圈幾年的風(fēng)云變幻、誰主沉浮，現(xiàn)如今毫米波雷達(dá)、毫米波通信頻繁出現(xiàn)在我們的視線之內(nèi)，尤其是華為在5G上取得驕人的成績(jī)，毫米波技術(shù)更是放在臺(tái)面上。為什么毫米波技術(shù)會(huì)在5G、智能汽車能起到如此關(guān)鍵的作用？接下來讓我們細(xì)數(shù)毫米波技術(shù)的前世今生和毫米波的繼往開來。

毫米波技術(shù)誕生史：生來就不平凡

毫米波的概念并非一個(gè)新興概念，距今已有30年歷史。無線電波中30～300GHz頻域(波長(zhǎng)為1～10mm)的電磁波稱作毫米波，它位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長(zhǎng)范圍，因而兼有兩種波譜的特點(diǎn)。毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。

毫米波技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用包括電信、無線通信、汽車、國(guó)防和航空航天、成像、安全、醫(yī)療和其它工業(yè)應(yīng)用。

然而，對(duì)于無線通信和汽車?yán)走_(dá)傳感器這兩個(gè)增長(zhǎng)最快速的應(yīng)用，毫米波通常是指頻率范圍在24至86GHz之間的多個(gè)頻帶。

1、毫米波的特點(diǎn)：

1)是一種典型的視距傳輸方式

毫米波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,; 另一方面，由于頻段高，干擾源很少，所以傳播穩(wěn)定可靠。

2)具有“ 大氣窗口”

影響毫米波傳播的主要?dú)怏w是氧分子和水蒸氣，這些氣體的諧振將會(huì)對(duì)毫米波頻率產(chǎn)生選擇性吸收與散射。由氧分子諧振引起的吸收峰出現(xiàn)在60和120GHz附近，而由水蒸氣諧振引起的吸收峰出現(xiàn)在22和183GHz附近，在整個(gè)毫米波頻段有四個(gè)傳播衰減相對(duì)較小的大氣“窗口”，它們的中心頻率在35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、 220GHz附近，這些“窗口”對(duì)應(yīng)的帶寬分別是16GHz、23GHz、26GHz、70GHz。在這些特殊頻段附近, 毫米波傳播受到的衰減較小，比較適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，

3)降雨時(shí)衰減嚴(yán)重

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，對(duì)付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(jì)時(shí)，留出足夠的電平衰減余量。

4)對(duì)沙塵和煙霧具有很強(qiáng)的穿透能力

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，幾乎能無衰減地通過沙塵和煙霧。甚至在有爆炸和金屬箔條產(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)引起毫米波信號(hào)的嚴(yán)重中斷。

2、毫米波的優(yōu)點(diǎn)：

1）極寬的帶寬

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(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(gè)12cm的天線，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)。

3)探測(cè)能力強(qiáng)

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(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)安全保密好

毫米波通信的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)來自兩個(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。

5)傳輸質(zhì)量高

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(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。

6）全天候通信

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。

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(tǒng)更容易小型化，降低產(chǎn)品的重量。

3、與微波、紅外、可見光、激光的特性對(duì)比：

與微波相比,毫米波受惡劣氣候條件影響大,但分辨力高，結(jié)構(gòu)輕小，便于裝載；與紅外和可見光比，毫米波系統(tǒng)雖沒有那樣高的分辨力，但通過煙霧灰塵的傳輸特性好；與激光相比，毫米波的傳播受氣候的影響要小得多，可以認(rèn)為具有全天候特點(diǎn)。

4、毫米波技術(shù)從誕生到商用

毫米波商業(yè)市場(chǎng)的增長(zhǎng)開始于20世紀(jì)90年代初期對(duì)蜂窩回程的需求。當(dāng)時(shí)，較低頻率（1至18GHz）的遠(yuǎn)程無線電中繼鏈路已經(jīng)使用了很長(zhǎng)一段時(shí)間，但是快速發(fā)展的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施需要更高的頻率和更短程的鏈路。這些點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線電使用23、 26和38GHz的許可頻段（圖2），輻射范圍不足10公里，使得在快速部署階段得以建立全球移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施。當(dāng)RF技術(shù)發(fā)展到MMIC的應(yīng)用不斷增加時(shí)，這些進(jìn)步就應(yīng)運(yùn)而生。最近新增了一些更高的頻率，包括免許可的57至64GHz頻帶和71-76和81-86GHz的lightly licensed頻段，這些頻段提供了更高的帶寬、更大的容量和更小的尺寸，但傳播距離也更短。所有這些頻段目前正用于蜂窩通信基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)外的點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)字無線電鏈路，提供數(shù)Gbps的容量。這一應(yīng)用主要采用光纖鏈路，但是毫米波鏈路能夠以更低的成本和更快的速度實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用。此外，許多地方由于地形或其它因素，甚至無法使用光纖鏈路。

5G毫米波通信：“永動(dòng)機(jī)”，無窮無盡的頻率資源

隨著移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信以及星載電子等方面的迅猛發(fā)展，對(duì)系統(tǒng)的容量 要求越來越高。由于在高頻微波頻段有著極為豐富的頻譜資源，現(xiàn)代通信系統(tǒng)正在向高頻微波特別是毫米波頻段發(fā)展。

美國(guó)是世界上第一個(gè)確定5G高端頻譜的國(guó)際，新增的頻段集中在3.8-7GHz、27-40GHz、64-71GHz的低、中、高三大頻段。按照一般規(guī)律，我國(guó)也會(huì)使用這個(gè)頻段或近似的頻段。不含接收等其它器件，光PA芯片到2020年估計(jì)將達(dá)到40億美元。而我國(guó)是全球最大的手機(jī)生產(chǎn)基地，同時(shí)華為、vivo、oppo、小米、魅族、聯(lián)想等國(guó)產(chǎn)品牌的手機(jī)銷售量占全球的30%以上。憑借龐大的終端市場(chǎng)需求，手機(jī)供應(yīng)鏈向大陸轉(zhuǎn)移是必然的產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)，國(guó)產(chǎn)化的需求是日趨強(qiáng)烈，國(guó)家對(duì)高頻芯片的投入也必然是每年遞增。毫米波高端終端芯片國(guó)產(chǎn)芯片占用一定的份額也將是必然。

2015——2020年，全球范圍內(nèi)會(huì)有超過60億美元（400多億人民幣）將用于在5G研發(fā)和試驗(yàn)投資。毫米波相關(guān)的市場(chǎng)最高約占其中的30%，約18億美元（120多億人民幣）。待2020年后5G市場(chǎng)進(jìn)入正式商業(yè)應(yīng)用階段，這個(gè)市場(chǎng)將是海量規(guī)模和具有無限發(fā)展前景的。

5G毫米波通信“寶藏”般的價(jià)值

1、5G的價(jià)值在于它擁有比4G LTE更快的速度（峰值速率可達(dá)幾十Gbps）。

2、無線傳輸增加傳輸速率一般有兩種方法，一是增加頻譜利用率，二是增加頻譜帶寬。

5G使用毫米波（26.5——300GHz）就是通過第二種方法來提升速率，以28GHz頻段為例，其可用頻譜帶寬達(dá)到了1GHz，而60GHz頻段每個(gè)信道的可用信號(hào)帶寬則為2GHz。

3、與傳統(tǒng)工作在2.6GHz或3.5GHz上的4G網(wǎng)絡(luò)相比，毫米波頻段網(wǎng)絡(luò)的傳輸信道將會(huì)存在額外的數(shù)十dB的傳播損耗。

4、現(xiàn)有的4G基站只有十幾根天線，但5G基站可以支持上百根天線，這些天線可以通過Massive MIMO技術(shù)形成大規(guī)模天線陣列，這就意味著基站可以同時(shí)從更多用戶發(fā)送和接收信號(hào)，從而將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的容量提升數(shù)十倍倍或更大。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）的意思是多輸入多輸出，實(shí)際上這種技術(shù)已經(jīng)在一些4G基站上得到了應(yīng)用。 但到目前為止，Massive MIMO僅在實(shí)驗(yàn)室和幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中進(jìn)行了測(cè)試。

5、Starry公司指出，毫米波的傳播距離最多只能在200米左右，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。另外，毫米波的穿透能力也不強(qiáng)，遇到墻或者其他阻礙就無法發(fā)揮作用。

6、5G數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t將不超過1毫秒（相比之下，今天的4G網(wǎng)絡(luò)的延遲約為70毫秒），而且數(shù)據(jù)下載的峰值速度將可以高達(dá)20Gb/s（4G為1Gb/s）。

7、為了統(tǒng)一全球的毫米波頻率標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）在近期的世界無線電通訊大會(huì)結(jié)束后，公布了24GHz到86GHz之間的全球可用頻率的建議列表，最后28GHz、39GHz與73GHz三個(gè)頻帶逐漸脫穎而出。73GHz中有2GHz的連續(xù)帶寬可用于移動(dòng)通訊，這是擬議頻率頻譜中范圍最廣的；28GHz僅提供850MHz的帶寬；在美國(guó)，39GHz附近就有兩個(gè)頻帶提供1.6GHz與1.4GHz帶寬。此外，根據(jù)Shannon定律，即更高的帶寬代表更高的數(shù)據(jù)傳輸量，73GHz與另外兩個(gè)頻率相較更具優(yōu)勢(shì)。

8、我們估算在中性條件下， 我國(guó)5G 毫米波頻段基站射頻系統(tǒng)的市場(chǎng)觃模 2019 年為 24 億元，2020 年為 72 億元，2021 年達(dá)到 120 億元。

5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)：離不開你，毫米波。

1、由于 6GHz 以下頻段在廣域覆蓋方面的優(yōu)勢(shì)，頻譜已經(jīng)被包括民用移動(dòng)通信在內(nèi)的領(lǐng)域大量使用，可用頻段資源特別是大帶寬資源已經(jīng)十分有限，而 5G 對(duì)超高速率和大容量通信的要求需要大 帶寬的頻段資源，需要往 6GHz 以上的頻段開収未利用的頻段資源，毫米波頻段存在大量大帶寬的頻譜資源，可以被有效利用。

利用毫米波頻段，5G 無線空口技術(shù)將計(jì)劃由高頻段新空口和低頻段新空口兩部分組成，高頻段新空口聯(lián)合低頻空口將重點(diǎn)用于熱點(diǎn)覆蓋場(chǎng)景。國(guó)際上對(duì)于 5G 毫米波頻段資源的分配已經(jīng)快速推迚， 美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）已于2015年10月収布了擬議觃范公告，針對(duì)28GHz、37GHz、39 GHz、64-71GHz 頻帶提出了全新且靈活的服務(wù)觃則。日本 NTT 也已提議將 3.5 GHz、4.5 GHz 和28 GHz 頻段作為 5G 服務(wù)的潛在備選頻段。我國(guó)工信部在6 月征求毫米波頻段意見方案収布以后，于 7 月 已確定將毫米波高頻段 24.75GHz-27.5GHz、37GHz-42.5GHz 用于 5G 研収試驗(yàn)。

2、Massive MIMO 很適合在移動(dòng)通信中與毫米波頻段配合使用，毫米波波長(zhǎng)較短的特點(diǎn)使其天線平面在理論上可以布置更多的天線單元，由于毫米波傳播衰減較為嚴(yán)重，大觃模天線陣列以及波束 賦形（beamforming）能有效提升天線增益，來補(bǔ)償高頻通信的傳輸損失，使其在熱點(diǎn)覆蓋場(chǎng)景能形成 100-200 米的覆蓋目標(biāo)。

Massive MIMO 由貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家 Thomas L.Marzetta 于 2010 年底提出，和 LTE 相比，同樣占 用20MHz的帶寬，Massive MIMO的小區(qū)吞吐率可以達(dá)到1200Mbit/s，頻率利用率達(dá)到了60Bit/s/Hz/ 小區(qū)。MIMO 技術(shù)原先已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 LTE、WIFI 等領(lǐng)域，理論上天線越多，頻譜效率和傳輸可靠 性就會(huì)越高。4G 移動(dòng)通信時(shí)代基站天線支持 4x4、8x8MIMO，下行峰值速率 100Mbps，LTE-A 已可支持 64x64 MIMO，下行峰值速率達(dá)到 1Gbps。MIMO 技術(shù)為實(shí)現(xiàn)在高頻段上迚行移動(dòng)通信提供 了廣闊前景，可以成倍提升無線頻譜效率，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和系統(tǒng)容量，幫助運(yùn)營(yíng)商最大限度利用已有站址和頻譜資源。仍理論角度，假設(shè)有一個(gè) 20 平方厘米的天線物理平面，如果天線以 0.5λ的間 距排列，那么如果工作頻段在 3.5GHz，可以部署 16 根天線，而如果頻段在 10GHz，可以部署 169 根天線，如果在 20GHz，則可以部署 676 根天線。

5G因?yàn)橐獫M足多個(gè)行業(yè)和場(chǎng)景，所以它的頻譜也是低中高三個(gè)方面需求。而低頻頻譜資源緊張一直是國(guó)際問題，在很長(zhǎng)一段歷史時(shí)期，毫米波段屬于蠻荒之地。為什么呢？原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)閹缀鯖]有電子元件或設(shè)備能夠發(fā)送或者接收毫米波。為什么沒有電子設(shè)備發(fā)送或者接收毫米波？有兩個(gè)原因。第一個(gè)原因是，毫米波不實(shí)用。雖然毫米波能提供更大的帶寬，更高的數(shù)據(jù)速率，但是以前的移動(dòng)應(yīng)用不需要這么大的帶寬和這么高的數(shù)據(jù)速率，毫米波沒有市場(chǎng)需求。而且毫米波還有一些明顯的限制，比如傳播損耗太大，覆蓋范圍太小等等。第二個(gè)原因是，毫米波太貴。生產(chǎn)能工作于毫米波頻段的亞微米尺寸的集成電路元件一直是一大挑戰(zhàn)。克服傳播損耗、提高覆蓋范圍也意味著大把的金錢投入。但是，近十幾年以來，一切都改變了。隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，30GHz之內(nèi)的頻率資源幾乎被用完了。各國(guó)政府和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)把所有的“好”頻率都分配完畢，但還是存在頻率短缺和頻率沖突。4G蜂窩系統(tǒng)的發(fā)展以及即將到來5G都依賴于合適的頻率分配。問題是，幾乎沒剩下什么頻率了?，F(xiàn)在，頻率就像房子，可以用一個(gè)字來形容，“貴”！對(duì)房子來說，第一是地段，第二是地段，第三還是地段。這樣的描述同樣適用于無線頻率。

毫米波就像美洲新大陸，給移動(dòng)用戶和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供了“無窮無盡”的頻率資源。

國(guó)內(nèi)5G毫米波通訊現(xiàn)狀

早在6月8日，工信部就公開征集對(duì)高頻頻段24.75-27.5GHz、37-42.5GHz或其他毫米波頻段5G系統(tǒng)頻率規(guī)劃的意見。此次征求意見的 3.3GHz-3.6GHz 頻段已經(jīng)在此前的 5G 試驗(yàn)中使用，屬于意料之中會(huì)采用的頻段，而高頻段特別是 24.75GHz-27.5GHz、37GHz-42.5GHz 毫米波頻段將用于 5G 顯著超出市場(chǎng)預(yù)期。

IMT-2020(5G)推進(jìn)組副主席王志勤曾在公開演講中表示，在高頻段通信方面，對(duì)于前期預(yù)商用而言，20GHz-40GHz擁有更高的優(yōu)先性，同時(shí)26GHz和28GHz、38GHz和42GHz頻段可采用同一組射頻器件，將更有可能實(shí)現(xiàn)全球協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

根據(jù)3GPP 38.101協(xié)議的規(guī)定，5GNR主要使用兩段頻率：FR1頻段和FR2頻段。FR1頻段的頻率范圍是450MHz——6GHz，又叫sub 6GHz頻段；FR2頻段的頻率范圍是24.25GHz——52.6GHz，這就是我們通常所說的毫米波（mmWave）。

由于3GPP決定5G NR繼續(xù)使用OFDM技術(shù)，因此相比4G而言，5G并沒有顛覆性的技術(shù)革新，而毫米波差不多就成了5G最大的“新意”。而5G其它新技術(shù)的引入，比如massive MIMO、新的numerology（子載波間隔等）、LDPC/Polar碼等等，都與毫米波密切相關(guān)，都是為了讓OFDM技術(shù)能更好地?cái)U(kuò)展到毫米波段。為了適應(yīng)毫米波的大帶寬特征，5G定義了多個(gè)子載波間隔，其中較大的子載波間隔（60KHz和120KHz）就是專門為毫米波設(shè)計(jì)的。前面提到過的massive MIMO技術(shù)也是為毫米波而量身定制。因此，5G 也可以被稱為“擴(kuò)展到毫米波的增強(qiáng)型4G”或者“擴(kuò)展到毫米波的增強(qiáng)型LTE”。

有人認(rèn)為，毫米波（mmWave）只能指EHF頻段，即頻率范圍是30GHz——300GHz的電磁波。因?yàn)?0GHz電磁波的波長(zhǎng)是10毫米，300GHz電磁波的波長(zhǎng)是1毫米。24.25GHz電磁波的波長(zhǎng)是12.37毫米，可以叫它毫米波，也可以叫它厘米波。但是實(shí)際上，毫米波只是個(gè)約定俗成的名稱，沒有哪個(gè)組織對(duì)其有過嚴(yán)格的定義。有人認(rèn)為，頻率范圍在20GHz（波長(zhǎng)15毫米）——300GHz之間的電磁波都可以算毫米波?，F(xiàn)在我們能夠隨意使用20GHz到300GHz之間的任意毫米波嗎？

有人把常用的毫米波段分成四段：

Ka波段26.5GHz—— 40GHz；

Q波段：33GHz——50GHz；

V波段：50GHz——70GHz；

W波段：75GHz—— 110GHz。

3GPP協(xié)議38.101-2 Table 5.2-1為5G NR FR2波段定義了3段頻率，分別是：

n257(26.5GHz——29.5GHz)；

n258(24.25GHz——27.5GHz)；

n260（37GHz——40GHz），

都使用TDD制式。

美國(guó)FCC則建議5G NR使用以下頻段：24-25 GHz (24.25-24.45/24.75-25.25 GHz)、32GHz(31.8-33.4 GHz)、42 GHz (42-42.5 GHz)、48 GHz (47.2-50.2 GHz)、51 GHz (50.4-52.6GHz)、70 GHz (71-76 GHz)和80 GHz(81-86 GHz)，同時(shí)建議研究用高于95GHz的頻率來承載5G。

為什么不能隨意使用毫米波頻率呢？除了規(guī)?；?jīng)濟(jì)效益的考慮之外，毫米波中有些頻率的“地段”特別差。這里，影響“地段”的因素是空氣，所以確切地說應(yīng)該是這些頻率的“天段”特別差。無線電波在傳播時(shí)，大氣會(huì)選擇性地吸收某些頻率（波長(zhǎng)）的電磁波，造成這些電磁波的傳播損耗特別嚴(yán)重。吸收電磁波的主要是兩種大氣成分：氧氣和水蒸氣。水蒸氣引起的共振會(huì)吸收22GHz和183 GHz附近的電磁波，而氧氣的共振吸收影響的是60GHz和120 GHz附近的電磁波。所以我們可以看到，不管哪個(gè)組織分配毫米波資源，都會(huì)避開這4個(gè)頻率附近的頻段。而高于95GHz的毫米波由于技術(shù)上的難度，暫時(shí)還不做考慮。除了這個(gè)只能避開的“天段”因素，毫米波的其它限制我們只能面對(duì)，并且想辦法克服。否則，毫米波就無法使用。

最關(guān)鍵的限制之一是毫米波的傳播距離實(shí)在有限。物理定律告訴我們，在發(fā)射功率不變的情況下，波長(zhǎng)越短，傳播距離越短。在很多場(chǎng)景下，這個(gè)限制會(huì)導(dǎo)致毫米波的傳播距離超不過10米。

根據(jù)理想化的自由空間傳播損耗公式，傳播損耗L=92.4+20log(f)+20log(R)，其中f是單位為GHz的頻率，R是單位為公里的距離，而L的單位是dB。一個(gè)70GHz的毫米波傳播10米遠(yuǎn)之后，損耗就達(dá)到了89.3dB。而在非理想的傳播條件下，傳播損耗還要大得多。毫米波系統(tǒng)的開發(fā)者必須通過提高發(fā)射功率、提高天線增益、提高接收靈敏度等方法來補(bǔ)償這么大的傳播損耗。

任何事物都有兩面性。傳播距離過小有時(shí)候反而成了毫米波系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。比如，它能夠減少毫米波信號(hào)之間的干擾。毫米波系統(tǒng)使用的高增益天線同時(shí)具有較好的方向性，這也進(jìn)一步消除了干擾。這樣的窄波束天線既提高了功率，又?jǐn)U大了覆蓋范圍，同時(shí)增強(qiáng)了安全性，降低了信號(hào)被截聽的概率。

另外，“高頻率”這個(gè)限制因素會(huì)減少天線的尺寸，這又是一個(gè)意外的驚喜。假設(shè)我們使用的天線尺寸相對(duì)無線波長(zhǎng)是固定的，比如1/2波長(zhǎng)或者1/4波長(zhǎng)，那么載波頻率提高意味著天線變得越來越小。比如說，一個(gè)900M GSM天線的長(zhǎng)度是幾十厘米左右，而毫米波天線可能只有幾毫米。這就是說，在同樣的空間里，我們可以塞入越來越多的高頻段天線?；谶@個(gè)事實(shí)，我們就可以通過增加天線數(shù)量來補(bǔ)償高頻路徑損耗，而又不會(huì)增加天線陣列的尺寸。這讓在5G毫米波系統(tǒng)中使用massive MIMO技術(shù)成為可能。

克服了這些限制之后，工作于毫米波的5G系統(tǒng)可以提供很多4G無法提供的業(yè)務(wù)，比如高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、無線基站回程（backhaul）、短距離雷達(dá)探測(cè)、密集城區(qū)信息服務(wù)、體育場(chǎng)/音樂會(huì)/購(gòu)物中心無線通信服務(wù)、工廠自動(dòng)化控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、安全監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)安全檢查等等。毫米波段的開發(fā)利用，為5G應(yīng)用提供了廣闊的空間和無限的想象。

如果有一天毫米波也擁塞了，移動(dòng)通信系統(tǒng)該如何拓展新疆域呢？如果波長(zhǎng)小于1毫米的話，就進(jìn)入了光的波段范圍（紅外波段的波長(zhǎng)范圍是0.76微米——1毫米）。實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)開發(fā)出了100GHz以上的晶體管。但是這種晶體管到300GHz左右就基本上沒用了。那么該用什么電子元件呢？紅外線工作于150THz——430THz，可見光工作于430THz——750THz，紫外線工作于740GHz以上，激光器件、LED和二極管能夠生成和檢測(cè)到這些光。但是這些器件沒法工作于300GHz——100THz的頻率范圍。這個(gè)頻率范圍目前似乎成了盲區(qū)。但是，這個(gè)現(xiàn)象是暫時(shí)的。只要有需求，新科技和新元器件一定會(huì)消除這個(gè)盲區(qū)。

毫米波汽車?yán)走_(dá)：我是你的眼

“保命”神器：毫米波的保駕護(hù)航

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年有大約130萬人因道路交通事故（車禍）死亡，這其中有94%是來自于駕駛員的失誤，而由于車輛本身、天氣原因或道路原因所產(chǎn)生的事故只有不到6%。在這94%的失誤中間，又有41%是由于認(rèn)知錯(cuò)誤（比如由于天氣原因把車看成了人），有33%是由于判斷失誤（比如本應(yīng)剎車但卻加速，本應(yīng)右轉(zhuǎn)但卻左轉(zhuǎn)），還有11%是由于操作失誤（比如本應(yīng)剎車卻未及時(shí)剎車）所產(chǎn)生的。

隨著汽車智能化的發(fā)展，由于車用毫米波雷達(dá)具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、帶寬長(zhǎng)、天線小、集成度高，探測(cè)性能穩(wěn)定，不受探測(cè)對(duì)象表面形狀和顏色影響，不受大氣流的影響等優(yōu)點(diǎn)，以及環(huán)境適應(yīng)性能好的特點(diǎn)，已經(jīng)成為汽車碰撞預(yù)警、自適應(yīng)巡航、主動(dòng)安全（ADAS）乃至自動(dòng)駕駛技術(shù)中不可獲缺的重要裝備。從而通過ADAS或駕駛輔助等功能來避免絕大多數(shù)的人為操作失誤。

我國(guó)是全球最大汽車生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)家，2015年中國(guó)汽車市場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到了1.7億輛的保有量（其中私家車有1.25億輛），并且今后將按每年近2000萬輛的增速快速發(fā)展。中國(guó)汽車市場(chǎng)占全球汽車銷量30%以上，但ADAS份額卻顯著低于30%。隨著消費(fèi)結(jié)構(gòu)升級(jí)和中產(chǎn)階級(jí)購(gòu)車需求的增加，未來基于毫米波雷達(dá)的ADAS需求量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2015年中國(guó)汽車銷售量為2459.8萬輛，如果2015-2020年我國(guó)的乘用車復(fù)合增速為4%，到 2020年乘用車全年銷量將近約為3000萬輛。

到2020年，如果中國(guó)汽車銷售量中有15%裝配汽車毫米波雷達(dá)的話，按每輛車裝配2 個(gè)，預(yù)計(jì)2020年的毫米波雷達(dá)需求量近900萬個(gè)，未來五年復(fù)合增速約為50%。市場(chǎng)系統(tǒng)總額將突破人民幣200億元，其毫米波核心芯片總額將超過30億人民幣。

在2015年，全球汽車毫米波雷達(dá)的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到19億美元（130多億人民幣）；預(yù)估2020年會(huì)達(dá)到50億美元（340多億人民幣）。

毫米波雷達(dá)：GaAs→SiGe→CMOS

汽車毫米波雷達(dá)是汽車主動(dòng)安全（ADAS）產(chǎn)品的關(guān)鍵核心部件，目前車載雷達(dá)的頻率主要分為24GHz頻段和77GHz頻率。嚴(yán)格來說77GHz的雷達(dá)才屬于毫米波雷達(dá)，但是實(shí)際上24GHz的雷達(dá)也被稱為毫米波雷達(dá)。

值得一提的是，77GHz毫米波雷達(dá)能夠在全天候場(chǎng)景下快速感知0-300米范圍內(nèi)周邊環(huán)境物體距離、速度、方位角等信息。

在發(fā)展過程中，低成本、小型化、高集成度已成為毫米波雷達(dá)的重要指標(biāo)，而毫米波技術(shù)也與半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展息息相關(guān)。 “早期CMOS工藝并不能實(shí)現(xiàn)超高頻率，近些年才能實(shí)現(xiàn)超高頻率”

從1990年GaAs再到2007年的SiGe，MMIC數(shù)量從7-8個(gè)減少到2-5個(gè)，如今工藝的進(jìn)步讓CMOS技術(shù)應(yīng)用至77GHz毫米波芯片成為現(xiàn)實(shí)。

“CMOS讓一顆單芯片就可支撐起整個(gè)雷達(dá)的任務(wù)成為了可能。除此之外，CMOS還讓開發(fā)時(shí)間更短、成本更低、體積更小、散熱性更好。”據(jù)了解，應(yīng)用CMOS的毫米波芯片平均可讓整體造價(jià)降低40%。

國(guó)內(nèi)外主流汽車毫米波雷達(dá)采用頻段為24GHz用于短中距離（15-30米）的環(huán)境探測(cè)，采用77GHz用于長(zhǎng)距離（100-200米）的環(huán)境探測(cè)雷達(dá)。現(xiàn)在24GHz雷達(dá)也逐漸淡出視野。2016年我國(guó)正式啟動(dòng)車用77-81GHz頻率作為我國(guó)的毫米波雷達(dá)研究試驗(yàn)工作。

由于ADAS的功能，往往是通過傳感器+處理器的方式捆綁銷售，使得系統(tǒng)供應(yīng)商在里面擔(dān)當(dāng)了產(chǎn)業(yè)鏈中核心角色，基于毫米波雷達(dá)的ADAS技術(shù)主要由大陸、博世、電裝、奧托立夫等傳統(tǒng)零部件系統(tǒng)供應(yīng)商巨頭所壟斷。國(guó)內(nèi)已有廠商如華域汽車、杭州智波、蕪湖森思泰克、北京行易道等也在開發(fā)毫米波雷達(dá)產(chǎn)品有所突破，有的產(chǎn)品已問世或即將問世。但大多都是在采購(gòu)國(guó)外的芯片的基礎(chǔ)上進(jìn)行再開發(fā)，性能、價(jià)格完全受制于人。

前端單片毫米波集成電路（MMIC）技術(shù)主要由在國(guó)外半導(dǎo)體公司掌控， 基本在英飛凌、ST、恩智浦∕飛思卡爾等極少數(shù)國(guó)外芯片廠商手中。國(guó)內(nèi)24G/77GHz毫米波集成電路（MMIC）已取得突破，24GHz毫米波集成電路（MMIC）已由廈門意行24GHz集成電路（MMIC）量產(chǎn)并試用中，但不具備生產(chǎn)能力，且隨著技術(shù)的進(jìn)步，不再是主流產(chǎn)品。但77GHz毫米波集成電路（MMIC）的研制，由于國(guó)外的封鎖，國(guó)內(nèi)一直積累不深，唯一的豪米波雷達(dá)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-東南大學(xué)也一直在研發(fā)77GHz毫米波集成電路，但還不具備成熟的MMIC，沈陽(yáng)承泰、廈門意行目前也都在進(jìn)行研發(fā)但仍沒有產(chǎn)品面世。

加快開發(fā)國(guó)產(chǎn)的77GHZ毫米波雷達(dá)芯片并盡快車載應(yīng)用，將是我國(guó)汽車毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)擺脫受制于人的機(jī)遇。

毫米波雷達(dá)相對(duì)于單眼或立體攝像頭和紅外雷達(dá)的測(cè)量距離更長(zhǎng)，且不受白天黑夜的影響，并且毫米波雷達(dá)在惡劣天氣狀況下的表現(xiàn)也相對(duì)更優(yōu)。但，在目前的技術(shù)條件下，毫米波雷達(dá)對(duì)行人以及自行車等較小障礙物的探測(cè)能力還比較弱。這種現(xiàn)象在中國(guó)將更加突出，由于3mm以上頻段可以克服上述的缺陷，所以后期隨著技術(shù)的發(fā)展及工藝的成熟，存在著向更高的頻段如3mm頻段延伸的可能。德國(guó)已有類似產(chǎn)品問世。

其他領(lǐng)域的應(yīng)用：生活的“安全衛(wèi)士”

1、民用直升機(jī)與無人機(jī)市場(chǎng)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及開放低空飛行，民用直升機(jī)及無人機(jī)也越來越得到普及。近期就有采用無人機(jī)進(jìn)行快遞的報(bào)道。但不可避免的存在與高壓電線等碰撞的危險(xiǎn)。為避免事故的發(fā)生，這也讓民用3mm防撞雷達(dá)系統(tǒng)的快速發(fā)展提供了機(jī)會(huì)。隨著量的增加，成本必然有這大幅度的降低。

3mm防撞雷達(dá)和直升機(jī)著陸雷達(dá)系統(tǒng)的核心之一就是雷達(dá)視覺傳感器，就此單一產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模，據(jù)目前世界權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的雷達(dá)視覺傳感器市場(chǎng)，預(yù)計(jì)2022年底達(dá)到300億美元（2000億人民幣）。

2、3mm安檢系統(tǒng)

近年來，隨著國(guó)際形勢(shì)的復(fù)雜多變，各種各樣的恐怖活動(dòng)此起彼伏，如：爆炸、劫持飛機(jī)、綁架、暗殺、武裝襲擊以及寄送郵件炸彈等等。特別是在人群密集的重要場(chǎng)所，如何實(shí)現(xiàn)爆恐分子的快速甄別和人身藏匿攜帶刀具、爆炸物等危爆物品的快速檢查和預(yù)警，是目前重要場(chǎng)所人身安檢面臨的難題。為了有效地防范和打擊這些犯罪活動(dòng)的發(fā)生和擴(kuò)展，各國(guó)警方都使用安全檢查技術(shù)裝備對(duì)危險(xiǎn)物品、違禁物品有針對(duì)性地進(jìn)行防爆安全檢查。傳統(tǒng)的安全檢查設(shè)備，如X 射線檢測(cè)儀、金屬武器檢測(cè)門等，能發(fā)現(xiàn)金屬武器和普通炸藥等危險(xiǎn)物品，曾在安全檢查工作中發(fā)揮了重要作用。

但由于近年來恐怖分子配備的武器越來越先進(jìn)（如：Semtex可塑炸藥、陶瓷刀具、塑料槍、高精度炸彈等），需要配以“搜身”式的檢查，從而帶來效率低下、隱私侵犯等一系列的問題。促使世界各國(guó)都在探索研究更先進(jìn)的安全檢查新技術(shù)、新設(shè)備。通道式94GHz毫米波安防檢查系統(tǒng)就是針對(duì)當(dāng)前的安防檢查需要，結(jié)合最新的毫米波領(lǐng)域的研究成果而提出的新型安防檢查裝備，由于其能準(zhǔn)確、快速和非侵入式地對(duì)探測(cè)目標(biāo)是否攜帶禁止物進(jìn)行檢查，必將滿足安防檢查日益增長(zhǎng)的特殊需要，擁有極其廣闊的市場(chǎng)及發(fā)展前景。

毫米波安檢門（94GHz，3mm毫米波）未來將被廣泛用于機(jī)場(chǎng)、車站、會(huì)場(chǎng)、大型體育場(chǎng)、海關(guān)安檢、珠寶店、礦場(chǎng)等重要場(chǎng)所。從應(yīng)用地點(diǎn)來說，所有的機(jī)場(chǎng)、火車站、汽車站、客運(yùn)碼頭、等設(shè)施都可以配備數(shù)量與客流量相符合的人體安檢設(shè)備，僅在公共交通領(lǐng)域，太赫茲人體安檢設(shè)備的潛在市場(chǎng)規(guī)模就可達(dá)到數(shù)十億甚至百億的規(guī)模。事實(shí)上該設(shè)備也可以被運(yùn)用在政府大樓、學(xué)校、醫(yī)院、監(jiān)獄、法院等等各種其他公共設(shè)施處，其可見的市場(chǎng)規(guī)模估計(jì)可在千億元量級(jí)，其核心芯片的總額也將達(dá)到200億人民幣左右。

3、毫米波電子?xùn)艡?/strong>