毫米波技术逆天了，在光之后，人们通过空气也能上网……_专栏_砍柴网
毫米波技术逆天了，在光之后，人们通过空气也能上网……
最近，有一家名为Starry的创业公司宣布，将为消费者提供高速的互联网接入服务，而且价格不会高于目前的平均宽带费。这件事的逆天之处在于Starry公司表示，他们的互联网服务...
最近，有一家名为Starry的公司宣布，将为消费者提供高速的接入服务，而且价格不会高于目前的平均宽带费。这件事的逆天之处在于Starry公司表示，他们的互联网服务无需铺设昂贵的光纤，只要借助空气传输信号即可。
据该公司介绍，这种通过空气就能传输信号的技术叫做 &毫米波&，它能够充当传输高速网络的媒介。
毫米波是什么？这项技术究竟是如何通过空气传输信号，给人们提供网络的呢？毫米波又是否有发展的前景呢？
一、毫米波技术用途广泛，通过空气就可传输信号
毫米波，即波长为1～10毫米的电磁波。它位于微波与远红外波相交叠的波长范围，因而兼具两种波谱的特点。从理论上讲，毫米波是光波向低频的发展与微波向高频的延伸。
由于毫米波的独有特性，使其在传播时不易受到自然光和热辐射源的影响。因此，毫米波技术可应用于通信、雷达、制导等多个领域。
比如利用大气窗口的毫米波频率，可实现大容量的卫星到地面通信，也可以利用高分辨率的毫米波辐射计遥感气象参数，还可以使用射电天文望远镜（应用了毫米波技术）探测宇宙空间的辐射波谱，从而推断星际物质的成分。
不过，毫米波被人们提到最多的，还是在医学上的应用。
在2013年举行的第三届国际IEEE微波、通讯、天线和电子系统会议上，来自以色列阿里埃勒大学的科研人员宣布了他们的新成果，即使用毫米波照射癌细胞可以阻止其再生，又不会破坏细胞本身，这一发现为治癌放射疗法提供了新途径。
阿里埃勒大学的亚哈罗姆教授说：&这对治癌放射疗法无疑是巨大的喜讯，虽然其中的奥秘还有待进一步揭示&。
而现在，对于网络信号的传输，毫米波技术也产生了极大的助力。Starry公司表示，他们希望在全美推出速度达到到1G的无线宽带网络。这个速度是当前家庭宽带连接速度的10倍，并且价格也比现有的互联网提供商更低。
Starry公司的代表说，这种无线宽带服务预计将于今年暑期在波士顿推出。Starry公司的创始人Chet Kanojia认为：&有线的基础架构做起来有些困难，宽带服务就应该是无线的&。
如果说Starry公司的计划能够得以实现，那么将有可能颠覆整个互联网行业。
对用户来说，这种使用毫米波技术的无线宽带，其速度远高于他们从有线电视公司或电话公司获得的宽带速度。尽管现在已经有WIFI、LIFI等上网技术，但靠空气就可以传输信号的毫米波技术无疑是另一种更棒的替代方案。
Kanojia说：&我想人们都希望能出现一个富有竞争力的替代方案，没有一个人觉得这个市场有足够的竞争&。这将给用户带来更好的上网体验。
对行业来说，毫米波也确实需要被重视起来。美国纽约大学理工学院的研究员Theodore Rappaport认为，主管机关应该开放毫米波频段的授权，用以迎接无线通讯领域的技术复兴。
他说：&电信营运商需要有个测试场，来开发各种能运用在28GHz、38GHz与79~90GHz频段的产品原型；在该领域已经有很多相关研发活动，我只担心美国会在其中落后。韩国与中国都已经看到相关商机，而且显然在开放毫米波频段给蜂窝式移动通讯应用方面有较开放的态度&。
综上所述，可以看到毫米波用途之广，及其在网络信号传输中的重要性。那么，毫米波在网络信号传输的实践过程中，会遇到什么困难？这一技术又将向何种方向发展呢？
二、毫米波技术传输仍存缺陷，但发展空间极大
在实际应用中，毫米波像所有技术一样，不可避免地产生一些问题。
Starry公司指出，毫米波的传播距离最多只能在200米左右，无法实现远距离传输。另外，毫米波的穿透能力也不强，遇到墙或者其他阻碍就无法发挥作用。
所以，Starry公司的当务之急是想办法提升毫米波的传输距离。距离越大，需要建设的网络基站就越少，这样才能更好地节省成本。
由此看来，在网络技术传输方面，毫米波尚不能被单独使用。因此，毫米波在未来极可能会在自身基础上，与其他技术结合，形成叠加型网络，共同实现对网络信号的传输功能。
第一，宏基站与毫米波小基站的叠加型网络。
在传统的叠加型网络中，宏基站和小基站的作用范围均是低频段。这就出现了切换频繁的问题，造成了极差的用户体验。如果能够使用毫米波小基站，则有利于解决这一问题。
宏基站可以作为移动通信的控制平面在低频段工作，而毫米波小基站可以作为移动通信的用户数据平面在高频段工作。这样相得益彰的搭配，既有利于技术的进步，又能够提升用户体验。
第二，基于毫米波的移动通信回程。
与传统有线方式的通信回程相比，在即将到来的5G时代，小基站的数目将急剧增加，且部署方式也将变得复杂。
如果采用毫米波信道作为移动通信回程，则可以根据数据流量的实际情况随时部署新的小基站，也可以在闲置或轻流量时段关闭小基站。如此灵活的方式可以让通信的部署变得收放自如，并且能够降低能耗，节约资源。
在2015年毫米波段5G移动通信国际研习会上，英特尔&5G研究及标准项目&的首席科学家Geng Wu博士提出了&5G=通信+计算&的概念。他认为，5G应以最终实现&通信与计算相融合&为目标。
下一个十年，5G将占据通信网络市场的主流地位。目前，5G通信网络正处于一个转折点。
用于移动网络的无线频谱资源需增加5至10倍，并需大力发展高频段（毫米波）空中接口技术，以搭建新的移动设备框架；
其空中接口技术性能则需要提高3至5倍，用以提高移动网络的计算和处理能力；
而ICT（在线测试仪）在移动网络中的应用力度需提高40至50倍，并侧重于发展网络致密技术，形成叠加型网络。最终实现&通信与计算相融合&的目标。
毫米波在众多领域用途广泛，在5G网络即将爆发的时代，毫米波特有的优势无疑会使其成为5G网络发展中的重要技术。尽管这项技术因传输距离、穿透力等问题尚存诸多缺陷，但是，其前景却是极其广阔的。相信随着技术的发展，毫米波在5G网络中会越来越多地发挥其作用。
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版权所有：俄罗斯ELVA-1毫米波公司中国总代理毫米波技术毫米波技术的国内外发展现状与趋势；chenpufeng@；【主要整理与翻译自“mm-WaveSilicon；随着千兆比特流（Gb/s）点对点链接通信、大容量；毫米波可以广泛应用于军事雷达系统、射电天文学和太；近年来，美、日、韩等国相继开放了无需授权使用的毫；硅基毫米波的研究起始于2000年左右，同年Ber；为何是毫米波？；基于香农定理，我们
毫米波技术的国内外发展现状与趋势
chenpufeng@
【主要整理与翻译自“mm-Wave Silicon Technology, 60GHz and Beyond, Ali M. Niknejad, Hossein Hashemi, Springer 2008”，以及部分网络资料，如有侵权请勿怪！】
随着千兆比特流（Gb/s）点对点链接通信、大容量的无线局域网（WLAN）、短距离高速无线个人局域网（WPAN）和车载雷达等高速率宽频带通信应用的市场需求不断扩大，设计实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的毫米波单片集成电路（MMIC）迫在眉睫。
毫米波可以广泛应用于军事雷达系统、射电天文学和太空以及短距离无线高速传输等领域。采用GaAs或InP基的毫米波频段的MMIC已经应用于军事上的雷达和卫星通信中。由于GaAs和InP材料具有较高的电子迁移率和电阻率，因此电路可以获得较好的RF性能，但成本较高。由于受到成本和产量的限制，毫米波产品还没有真正实现商业化。作为成熟的工艺，Si基CMOS具有低成本、低功耗以及能与基带IC模块的工艺相兼容等优点，但是与GaAs相比，其在高频性能和噪声性能方面并不具备优势。然而，随着深亚微米和纳米工艺的日趋成熟，设计实现毫米波CMOS集成电路已经成为可能。
近年来，美、日、韩等国相继开放了无需授权使用的毫米波频段（北美和韩国57-64GHz，欧洲和日本59-66GHz），从而进一步刺激了对毫米波CMOS技术的研究。可以预期，在今后几年里，毫米波CMOS技术将会突飞猛进，成为设计毫米波MMIC的另一种有效的选择。
硅基毫米波的研究起始于2000年左右，同年Berkeley的无线研究中心专门设立了60GHz项目，但是当时很少有人认为硅技术能够应用于60GHz频段。而时至今日，毫米波的研究已经从一项模糊的课题演变至今日的研究热点，引起了工业界与风险投资商的浓厚兴趣。目前，该项研究已经拓展到了商业领域，NEC、三星、松下和LG等消费类电子厂商共同成立了WirelessHD联盟来推动60GHz技术在无压缩高清视频传输中的应用，并于2007年制定了相关协议白皮书。
为何是毫米波？
基于香农定理，我们知道通信信道的最大数据速率，即信道容量C，与信道的带宽BW和信噪比SNR具有如下关系C=BW?log2(1+SNR)。上式表明增加通信数据速率的一个方法就是使用更宽的带宽。信号的关联信息通常被调制在一个载波频率附近，因此，在更高的载波频率处可以获得更宽的带宽。美国的FCC已经分配了几个毫米波的频带用于无线通信的数据传输，如22-29GHz频带分配给短距离应用（如park assist，stop-and-go，blind spot detection），77GHz频带用于长距离的自动巡航控制。
第二个影响通信数据率的因素是系统整体的SNR。不利的是，对于给定距离，在高频处接收到的信号由于以下因素会经受更多的衰减：首先，天线尺寸与载波频率成反比，载波频率越高，天线尺寸越小，导致收集的能量也更少；第二，在高频处空气以及其他物质的高吸收导致信号衰减；第三，多径效应导致信号衰减。更低的SNR减小了通信系统在固定距离下的数据速率或减小了无线通信的距离。干扰信号也会表现得像噪声一样，减小了SNR。有利的是，在高频处的大量的衰减，减少了干扰信号水平，也减少了多径成分；后者引起更小的延迟扩散，使得60GHz这样的毫米波频段非常适合用于短距离的高速无线传输。
毫米波的独特应用
毫米波的潜在应用，包括毫米波成像（mm-wave imaging）、亚太赫兹（sub-THz）化学探测器，以及在天文学、化学、物理、医学和安全方面的应用。感兴趣的重要频率包括90GHz、140GHz，以及300GHz以上或者叫做THz区域。之所以选择致力于这些频点的研究，是因为考虑到其在空气中传播时的信号衰减。很明显，存在各种窗户使得衰减或者最大化或者最小化。60GHz频带由于氧气的吸收，使得它适合于短距离网络应用。而其他的频带，如90GHz是长距离成像的理想选择。
成像领域的一个很重要的应用是工作于24GHz和77GHz的汽车雷达。今天仅有非常奢侈的汽车装备了毫米波雷达技术。该技术可以在低能见度情况下帮助汽车驾驶，尤其是大雾的天气，以及自动巡航控制和甚至未来高速公路的自动驾驶。
用于医学应用的毫米波成像
毫米波技术的另一个潜在应用是无源毫米波成像（passive mm-wave imaging）。仅通过检测物体在毫米波频带的热量辐射，物体的图像就可以像光学系统一样呈现出来。需要或者是一组接收机或者是移动的终端天线来不停地扫描感兴趣的区域。
高清视频的无线传输
NEC、三星、松下和LG等消费类电子厂商共同成立了WirelessHD联盟来推动60GHz技术在无压缩高清视频传输中的应用。
其他的毫米波技术应用还包括肿瘤检测的医学成像，温度测量，血液循环和水分、氧分测量。在过去的二十年里，这些应用都被强烈地探索着，但是，大部分研究停止或放弃了，原因在于这些传统的系统竞争不过已经存在的MRI或者X射线CAT扫描系统。由于波长太长，这些系统的精度很差。随着硅技术允许大量的接收机阵列被低成本地实现在一块小面积上，我们相信这些应用会重新出现。而且随着频率被推到更高频点，如100GHz以上，波长变得更小，还将出现新的应用领域。
毫米波研究的发展现状
毫米波GaAs集成电路
近年来，在微波、毫米波单片集成电路领域内，最引人注目的是美国国防部发展军事微电子电路总计划之一的MMIC计划，此计划总的目标是开发1-100GHz频率范围内的各种单片电路,且要求其成本低、性能好、体积小、可靠性高、能批量产生。
随着卫星通信，相控阵雷达和电子战系统的发展，对功率MMIC放大器的需求日益增长，已成为研究的重要领域。在18GHz以下主要是GaAs MESFET和HBT功率MMIC放大器。在18GHz以上，则是PHEMT的功率MMIC放大器。
松下已开发出数字移动通信机用的可低压工作的GaAs功率MMIC。采用数字调谐方式的移动通信机的发射功放要求低功耗和低失真特性，但是近年来通信机的电流、电压逐步降下来，这对相互矛盾的特性很难两全。
针对这一问题，松下专门在FET的结构和电路结构的最佳化上下功夫。在FET结构方面，通过采用最佳栅长及最佳源、漏间距。实现了1.2V的提升电压，为此成功地实现了3.0V下也能工作的高效FET。在电路结构方面，通过把漏偏压电路设置在外部，从而防止了加到FET上的电源电压下降，成为低压下能
够工作的电路结构。
另外，模拟出了增益、效益最大，相位漂移量最小的最佳负载电路，正因为在MMIC上实现这一最佳负载电路，所以获得了低失真。
采用以上这些技术开发的GaAs功率MMIC，其功率附加效率为40％，邻接沟道漏泄功率为-56dBc，片子尺寸为1.0mm×1.6mm。
Mitsubishi Electronic研制成用于Ka波段通信系统的MMIC二级功率放大器，在30GHz，输出功率为1.44W，芯片尺寸为1.94mm×2.0mm。
TRW公司采用0.508dmm厚PHEMT MMIC和氧化铝微带组合器研制成3WQ波段PHEMT MMIC功率放大器模块，在45GHz下，峰值效率为25％。
Sanders公司研制成型号为SGPA 07006 CC二级单片微波集成电路功率放大器，频率为37-40GHz。采用本公司的0.15μm GaAs PHEMT工艺。
Triquint Seniconductor公司采用0.25μm PHEMT技术研制成3.48mm，0.5W，40GHz功率放大器MMIC，在6V漏偏置条件下，二级功率放大器获得小信号增益为15.6dB，在1dB增益压缩下，输出功率为26.5dBm，饱和输出功率为27.9dBm，功率附加效率为26.6％。
TRW公司采用0.1μm AlGaAs/InGaAs/GaAs T栅功率PHEMT研制成二极单片W波段功率放大器。这种MMIC功率放大器在94GHz下线性增益为8dB，最大输出功率为300mW，峰值功率附加效率为10.5％，衬底厚度为0.508dmm。
台湾大学研制成许多单片W波段功率放大器，并可用于远红外本机振荡器和亚毫米波望远镜（FRIST）。这些芯片包括复盖大多数W波段的三个激励器和三个功率放大器，例如频率范围为72-81GHz、90-101GHz和100-113GHz。每种激励放大器和功率放大器分别可提供最小的20dBm和22dBm（160mW）。100-113GHz功率放大器在105GHz时的峰值功率大于250mW（25dBm），这是目前超过100GHz单片放大器的最大输出功率。这些单片芯片采用0.1μmAlGaAs/InGaAs/GaAs T栅功率PHEMT的技术制作，GaAs衬底为0.508dmm。
日本Fujitsu Quantum Device Ltd研制低成本金属陶瓷封装的K波段大功率MMIC放大器模块，并可应用于K波段高速无线系统。这种模块由一个激励放大器MMIC和一个功率放大器MMIC组成，在23GHz和26GHz下总的增益为30dB，P1dB为33dB。这种模块总的性能G（dB）×△f/fo为以前的二倍。
TRW的RF Product Center报道了相关功率增益21.5dB的6W、24％PAE Ka波段功率模块。功率模块由激励放大器、二级功率放大器芯片组成。这种MMIC放大器采用0.15μm InGaAs/AlGaAs/GaAs HEMT技术制作在0.508dmm厚的衬底上，激励放大器的输出功率为27.5dBm，功率增益为10.7dB，PAE为27％。输出功率放大器采用混合的方法，由二片局部匹配MMIC芯片和8路Wilkinson组合器（制作在氧化铝衬底上）组成。这种MMIC功率放大器的输出功率为35.4dBm（3.5W），PAE为28％，相关增益为11.5dB。8路组合器的插入损耗为0.6dB。
低噪声MMIC放大器
Mistubish Electric Corp采用栅长为0.15μm的PHEMT(AlGaAs/InGaAs/GaAs)研制成Ka波段单片低噪声二级放大器，放大器在32GHz下的相关增益为18.0dB时，噪声系数为1.0dB。
日本富士通公司研制成用于LMDS（LocalMulti－PointDistrbutionService）和卫星通信的小型、宽带、高增益K波段PHEMTLNAMMIC。增益和噪声系数在23-30GHz下分别为14.5±1.5dB和1.7±0.2dB。MMIC的芯片尺寸为0.9mm。这种MMIC的增益密度高达14.4dB/mm，这是目前所报道的最高水平。
TRW公司采用0.15μm AlGaAs/InGaAs/GaAsHEMT工艺技术研制成高可靠Ka波段低噪声MMIC放大器。在Vds=25.2V，和Ids=250mA/mm的DC偏置下工作，在三个温度（Tambient=235℃Ta=250℃，Ta=265℃）对二级平衡放大器进行了寿命测试。用在室温测定的△S21=1.0dB确定每种温度的失效时间。Ea为1.6eV，在125℃结温下，MTF（mediamtimetofailare）为7×1019小时。
UK Defence Evaluation Research Ageney研制成用于卫星通信接收机的多功能MMIC，工作频率为43.5-45.3GHz。该电路采用25μm PHEMT GaAs InAsGa AlGaAs生产工艺在GEC Marconi Materials Technology Ltd制作。多功能MMIC在一块芯片上集成一个低噪声放大器、下变频器、本机振荡器、倍频器和缓冲放大器。其芯片尺寸为3.0mm×3.8mm。噪声系数为4.3dB，本机振荡器在0dBm时的变频增益为8dB。
倍频器、混频器
The Universityof Leeds研制成新型77GHz MMIC自振荡混频器。混频器采用单个PHEMT同时做混频和倍频。这种混频器在77GHz下的变频损耗为12dB，70-85GHz的平均变频损耗为15dB。
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