對于速度和無所不在的連接的需求是技術(shù)演變到THz技術(shù)這場革命的主要驅(qū)動(dòng) MHz力。十年前，誰會(huì)想到現(xiàn)在的世界正在嘗試將數(shù)十億臺(tái)設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，并準(zhǔn)備在幾秒內(nèi)將一部電影下載到智能手機(jī)？無線應(yīng)用已經(jīng)從點(diǎn)到點(diǎn)演進(jìn)到廣播系統(tǒng)再到網(wǎng)狀和蜂窩網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在人們正在探索點(diǎn)對點(diǎn)和蜂窩相結(jié)合的定向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
毫米波是指波長在1到10毫米之間的電磁波，即頻率范圍在30到300GHz之間。毫米波技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用包括電信、無線通信、汽車、國防和航空航天、成像、安全、醫(yī)療和其它工業(yè)應(yīng)用。
然而，對于無線通信和汽車?yán)走_(dá)傳感器這兩個(gè)增長最快速的應(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。本文重點(diǎn)介紹了該頻率范圍的技術(shù)和主要應(yīng)用。
與較低頻率相比，毫米波頻譜具有許多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗粫?huì)發(fā)生阻塞，并且具有10Gbps甚至更高速率的數(shù)據(jù)傳輸能力。由于其傳輸距離比較短，頻率復(fù)用在許多應(yīng)用中是一大優(yōu)勢。組件尺寸較小，尤其是天線，也是一大優(yōu)勢。缺點(diǎn)是，由于較高的傳播損耗，其傳輸距離通常小于較低頻率，而且目前其成本較高。
增長預(yù)期毫米波技術(shù)市場預(yù)計(jì)在未來五年內(nèi)將增長10倍，達(dá)到40億美元以上。由于移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的增長和small cell回程網(wǎng)絡(luò)的使用率上升，這一市場的增長正在加速。電信是毫米波技術(shù)的最大市場之一，因?yàn)樗鼈円驯粡V泛應(yīng)用于small cell回程網(wǎng)絡(luò)。毫米波回程設(shè)備已經(jīng)是LTE/4G部署不可或缺的一部分。對于5G，總數(shù)據(jù)速率預(yù)計(jì)將比現(xiàn)有4G數(shù)據(jù)速率高出1000倍；因此，將更加需要毫米波頻譜來提供所需的數(shù)據(jù)速率。與6GHz以下頻譜低于1GHz的可用帶寬相比，24至86GHz頻率范圍有望提供約20GHz的可用帶寬。這使得海量數(shù)據(jù)傳輸成為可能（圖1）。
圖1 美國無線通信可用的頻段
毫米波商業(yè)市場的增長開始于20世紀(jì)90年代初期對蜂窩回程的需求。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。
圖2 德國漢堡微波塔
半導(dǎo)體技術(shù)
過去二十年半導(dǎo)體技術(shù)的快度發(fā)展主要是因?yàn)楹撩撞軌驖M足不斷增長的速度、帶寬和連接需求。 III-V族化合物半導(dǎo)體已經(jīng)擔(dān)起了這個(gè)重任，從一開始便用于支持毫米波MMIC。除了在電路功能這一部分繼續(xù)發(fā)揮作用之外，毫米波通信鋪平了道路，正如這在軍用雷達(dá)領(lǐng)域一樣。
CMOS和SiGe技術(shù)的進(jìn)步使得毫米波頻率的使用成本降低到較為合理的水平。過去十年才實(shí)現(xiàn)了模擬組件的封裝（用于生成毫米波射頻信號）以及數(shù)字硬件的開發(fā)（用于處理大量帶寬）。現(xiàn)在使用CMOS和SiGe制造的晶體管具有足夠快的速度，能夠在數(shù)百GHz范圍內(nèi)運(yùn)行，如表1所示。 SiGe HBT目前廣泛用于許多應(yīng)用中，因?yàn)樗俣瓤臁⒓啥雀撸珦舸╇妷狠^低，不過在許多情況下可以通過堆疊來克服這一問題。
圖3 HRL GaN功率放大器MMIC 70至105GHz BAL-WPA
低成本的電路生產(chǎn)工藝使得片上系統(tǒng)（SoC）毫米波無線電成為可能， SoC是指將所有模擬和數(shù)字無線電組件完全集成到單個(gè)芯片上。對于毫米波通信，半導(dǎo)體行業(yè)已準(zhǔn)備好生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)高效的大眾市場產(chǎn)品。對于需要高度定制性能的小批量應(yīng)用，屏蔽金屬外殼通常采用基于陶瓷/石英基板的薄膜混合技術(shù)和毫米波MMIC，薄膜混合技術(shù)常用于濾波器/配電電路。這些應(yīng)用包括測試設(shè)備、衛(wèi)星通信、回程無線電和軍工航天應(yīng)用。圖5顯示了使用陶瓷基板和毫米波MMIC的E-Band收發(fā)器（無蓋）。
圖5 E頻段收發(fā)儀
汽車?yán)走_(dá)
歷史
汽車?yán)走_(dá)的研發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1989年，在測試了不同頻率的雷達(dá)后， WARC（World Administrative Radio Conference）確定了77GHz頻段作為汽車?yán)走_(dá)的頻段。但直到1998年，梅賽德斯才率先開發(fā)出77GHz的商用產(chǎn)品。 2006年，為了滿足更短距離應(yīng)用的需求，24GHz雷達(dá)誕生了。77GHz雷達(dá)主要用于障礙物檢測和自動(dòng)巡航控制（ACC），而24GHz則用于盲點(diǎn)檢測和車道偏離警告。圖6顯示了汽車?yán)走_(dá)發(fā)展的時(shí)間表。美國國家公路交通安全管理局表示，去年有20家美國汽車制造商達(dá)成協(xié)議，從2022年9月1日起生產(chǎn)的所有新車將配備自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）系統(tǒng)。由于多年來其成本不斷降低，現(xiàn)在道路上已有數(shù)百萬輛汽車配備了雷達(dá)傳感器。
圖6 汽車?yán)走_(dá)歷史時(shí)間表
汽車?yán)走_(dá)是先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的關(guān)鍵傳感器。其它傳感器包括激光雷達(dá)（LiDAR）、超聲波傳感器和攝像頭視覺系統(tǒng)。與雷達(dá)相比，今天的LiDAR可以提供更高的分辨率，并可以構(gòu)建目標(biāo)的3D圖像。然而，LiDAR的成本非常昂貴，而且在惡劣天氣和夜晚的使用受限，傳播距離也更短。圖7顯示了由各類傳感器組成的典型ADAS系統(tǒng)。
圖7 高級駕駛輔助系統(tǒng)的傳感器
ADAS的快速發(fā)展為全自動(dòng)駕駛車輛的發(fā)展鋪平了道路。曾經(jīng)，ADAS系統(tǒng)或相關(guān)組件僅出現(xiàn)在高端豪華車上。但現(xiàn)在，由于技術(shù)的演進(jìn)和成本的降低， ADAS系統(tǒng)也開始出現(xiàn)在中端和經(jīng)濟(jì)型車輛上。消費(fèi)者對ADAS的需求很高，各國政府正在考慮通過法律，使這種系統(tǒng)成為所有車輛的標(biāo)配。研究表明， ADAS系統(tǒng)顯著降低了致命事故率，這一結(jié)果推動(dòng)了對雷達(dá)傳感器的需求。世界衛(wèi)生組織稱，每年有超過一百萬人死于交通事故。一旦ADAS系統(tǒng)全面部署，預(yù)計(jì)這個(gè)數(shù)字將下降超過50%。
為了降低成本和減小尺寸，汽車制造商希望將多個(gè)ADAS功能集成到單個(gè)平臺(tái)上，以處理來自不同類型傳感器的數(shù)據(jù)。“傳感器融合”是指將不同傳感器得到的數(shù)據(jù)組合起來，以提供更高的準(zhǔn)確度，相比獨(dú)立使用各個(gè)傳感器，信息更為全面。傳感器融合，尤其是雷達(dá)芯片和成像傳感器（攝像頭）的結(jié)合，已經(jīng)日益普及。
