关于毫米波通信技术的研究现状和进展

毫米波通信技术的研究现状和进展李艳莉(电子科技大学成都学院电子信息工程系，成都611731)摘要：简单介绍了毫米波的基本概念及相关背景,分析了毫米波的传播特性和优点,阐述了毫米波地面通信、毫米波卫星通信的研究现状,以毫米波通信技术在电子对抗中的军事应用为例进行论述,最后展望毫米波通信技术将会开创未来新型应用领域并拥有广阔的发展前景。关键词毫米波;毫米波传播;毫米波通信;电子对抗0引言随着移动通信、卫星通信以及星载电子等方面的迅猛发展，对系统的容量要求越来越高。由于在高频微波频段有着极为丰富的频谱资源，现代通信系统正在向高频微波特别是毫米波频段发展。毫米波通信与传统的无线电短波、超短波和微波通信相比，具有不少独特之处。由于毫米波是以微波和光波作左右邻(它的波长介于微波和光波之间)，因此兼有微波和光波的某些优长。通信设备的体积很小，可利用小巧尺寸的天线获得很高的方向性，便于通信的隐蔽和保密。毫米波在传播过程中受杂波影响小，对尘埃等微粒穿透能力强，通信比较稳定[1]。早在20世纪40年代，科学家们就开始对毫米波通信进行过研究，但由于种种原因毫米波通信并未得到实际应用。直至20世纪70年代，由于毫米波集成电路和毫米波固体器件的研制成功并获得批量生产，使生产成本日趋下降，毫米波通信才犹如枯木逢春，蓬勃发展开来。可以预计，随着科技的进步，毫米波通信必将呈现出广阔的应用前景。1毫米波的传播特性通常毫米波频段是指30GHz～300GHz,相应波长为1mm～10mm。毫米波通信就是指以毫米波作为传输信息的载体而进行的通信。目前绝大多数的应用研究集中在几个“大气窗口”频率和三个“衰减峰”频率上[2][3]。1)是一种典型的视距传输方式毫米波属于甚高频段,它以直射波的方式在空间进行传播，波束很窄，具有良好的方向性。一方面，由于毫米波受大气吸收和降雨衰落影响严重,所以单跳通信距离较短;另一方面，由于频段高，干扰源很少，所以传播稳定可靠。因此，毫米波通信是一种典型的具有高质量、恒定参数的无线传输信道的通信技术。2)具有“大气窗口”和“衰减峰”“大气窗口”是指35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz频段,在这些特殊频段附近,毫米波传播受到的衰减较小。一般说来，“大气窗口”频段比较适用于点对点通信，已经被低空空地导弹和地基雷达所采用。而在60GHz、120GHz、180GHz频段附近的衰减出现极大值,约高达15dB/km以上,被称作“衰减峰”。通常这些“衰减峰”频段被多路分集的隐蔽网络和系统优先选用，用以满足网络安全系数的要求。3)降雨时衰减严重与微波相比,毫米波信号在恶劣的气候条件下，尤其是降雨时的衰减要大许多，严重影响传播效果。经过研究得出的结论是，毫米波信号降雨时衰减的大小与降雨的瞬时强度、距离长短和雨滴形状密切相关。进一步的验证表明:通常情况下，降雨的瞬时强度越大、距离越远、雨滴越大，所引起的衰减也就越严重。因此，对付降雨衰减最有效的办法是在进行毫米波通信系统或通信线路设计时，留出足够的电平衰减余量。4)对沙尘和烟雾具有很强的穿透能力大气激光和红外对沙尘和烟雾的穿透力很差,而毫米波在这点上具有明显优势。大量现场试验结果表明,毫米波对于沙尘和烟雾具有很强的穿透力，几乎能无衰减地通过沙尘和烟雾。甚至在由爆炸和金属箔条产生的较高强度散射的条件下,即使出现衰落也是短期的,很快就会恢复。随着离子的扩散和降落,不会引起毫米波通信的严重中断。2毫米波通信的优点1）极宽的带宽通常认为毫米波频率范围为26.5～300GHz，带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收，在大气中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135GHz，为微波以下各波段带宽之和的5倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。2）波束窄在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个12cm的天线，在9.4GHz时波束宽度为18度，而94GHz时波速宽度仅1.8度。因此能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节。3)探测能力强可以利用宽带广谱能力来抑制多径效应和杂乱回波。有大量频率可供使用，有效的消除相互干扰。在目标径向速度下可以获得较大的多谱勒频移，从而提高对低速运动物体或振动物体的探测和识别能力。4)安全保密好毫米波通信的这个优点来自两个方面:a)由于毫米波在大气中传播受氧、水气和降雨的吸收衰减很大,点对点的直通距离很短,超过这个距离信号就会变得十分微弱,这就增加了敌方进行窃听和干扰的难度。b)毫米波的波束很窄,且副瓣低,这又进一步降低了其被截获的概率。5)传输质量高由于频段高毫米波通信基本上没有什么干扰源，电磁频谱极为干净，因此，毫米波信道非常稳定可靠，其误码率可长时间保持在10-12量级，可与光缆的传输质量相媲美。6）全天候通信毫米波对降雨、沙尘、烟雾和等离子的穿透能力却要比大气激光和红外强得多。这就使得毫米波通信具有较好的全天候通信能力，保证持续可靠工作。7)元件尺寸小和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化。3毫米波通信的研究现状当前的毫米波通信系统主要包括地球上的点对点通信和通过卫星的通信或广播系统。现在地球上的点对点毫米波通信一般用于对保密要求较高的接力通信中。毫米波本身就具有很强的隐蔽性和抗干扰性，同时由于毫米波在大气中的衰减和使用小口径天线就可以获得极窄的波束和很小的旁瓣，所以对毫米波通信的截获和干扰变得非常困难。3.1毫米波地面通信毫米波地面通信系统的传统应用是接力(中继)通信。毫米波传播的大量试验表明，利用多跳的毫米波接力(中继)通信是可行的。为了减少风险,首先从毫米波频段的低端和厘米波频段的高端入手。在开发高频段大容量通信系统的同时,更高频段的中、低容量短程毫米波通信设备也相继出台[4]。到20世纪90年代，迎来了全球信息化的浪潮。因特网迅猛发展，交互多媒体业务、宽带视频业务以及专用网络和无线电通信的业务量的急剧增长，迫切需要提高传输速率、传输带宽和传输质量。用户对宽带接入的需求日益强烈，推动了各种宽带接入网络和设备的研发，利用毫米波的无线宽带接入技术应运而生。3.2毫米波卫星通信由于丰富的频率资源，在卫星通信中毫米波通信得到了迅速发展。例如，在星际通信时一般使用5mm（60GHz）波段，因为在此频率处大气损耗极大，地面无法对星际通信内容进行侦听。而在星际由于大气极为稀薄，不会造成信号的衰落。美国的“战术、战略和中继卫星系统”就是一个例子。该系统由五颗卫星组成，上行频率为44GHz，下行频率为20GHz，带宽为2GHz，星际通信频率为60GHz[5]。与其他通信方式相比,卫星通信的主要优点是:a)通信距离远,建站成本与通信距离无关。b)以广播方式工作,便于实现多址连接。c)通信容量大,能传送的业务类型多。d)可以自发、自收、监测等。20世纪70～80年代,卫星通信大多是利用对地静止轨道(又称同步轨道)进行的。到20世纪90年代以后,利用中、低轨道的卫星通信系统纷至沓来。但是在大容量通信服务方面,利用对地静止轨道的卫星通信系统仍然是唱主角的。据统计,20世纪90年代的10年间,发射送入同步轨道上的通信卫星多达200颗,其中C波段的最多,Ku波段的次之。由此带来的卫星通信频谱拥挤问题也日益突出,向更高频段推进已成为必然趋势。实际上早在20世纪70年代初,就已经开始了毫米波卫星通信的实验研究。此领域大部分开发工作在美国、前苏联和日本进行。到20世纪80年代末至90年代，除了推出继续用于范围更广、内容更多的毫米波频段实验卫星外，开始出现了实用化的Ka波段卫星通信系统。需要指出的是，其中许多卫星采用了一系列先进的技术，包括多波束天线、星上交换、星上处理和高速传输等。4毫米波通信在电子对抗中的应用军事上的需要是推动毫米波系统发展的重要因素。目前,毫米波在雷达、制导、战术和战略通信、电子对抗、遥感、辐射测量等方面得到了广泛应用。其中战略通信与电子对抗是非常重要的应用方向。电子对抗是指敌对双方均利用电子设备或器材所进行的电磁斗争,是现代化战争中的一种重要手段[6]。随着毫米波雷达和制导系统的发展,相应的电子对抗手段也发展起来。现代战争除去强火力和高密度外,一个重要的特点就是整个战斗是在激烈的电子对抗中进行的。因此,要求通信设备必须具有很强的抗干扰能力,而毫米波在这方面表现出明显的优势。例如,选择60GHz、120GHz、200GHz三个“衰减峰”频段上的舰对舰的毫米波通信,利用这些频段上信号严重衰减的特点,可极大提高舰对舰之间通信的抗干扰和抗截获能力。国外还大力开展了毫米波频段的测向机、干扰机和信号分析器等电子对抗设备的研制。毫米波波束很窄,天线的旁瓣可以做得很低,使侦察和有源干扰都比较困难,因此,无源干扰在毫米波段有较大的发展。对35GHz以下的毫米波,目前最常用的干扰手段就是投放非谐振的毫米波箔条和气溶胶,对敌方毫米波雷达波束进行散射,它可以干扰较宽的频段而不必事先精确测定敌方雷达的频率。除此之外,也还可以利用爆炸、热电离或放射性元素产生等离子体,对毫米波进行吸收和散射,以干扰敌方雷达。现役的多数雷达侦察、告警系统的频率覆盖范围均已扩展到0.5GHz～40GHz。据报道,美国的电子对抗设备中部分雷达侦察设备频率可达到110GHz,正在向300GHz发展。雷达告警设备频率已扩展到40GHz～60GHz,北约正研制一种车载毫米波告警设备,频段为40GHz～140GHz。此外,通信侦察频段覆盖10GHz毫米波段,通信干扰部分40GHz以下已实用化,正在向110GHz发展。在毫米波段还可以利用隐身技术。在对付有源毫米波雷达时,同在微波波段一样,可以采用减小雷达截面的外形设计,或者在表面涂敷铁氧体等毫米波吸收材料,以减小反射波的强度。对于通过检测金属目标的低毫米波辐射与背景辐射之间的反差来跟踪目标的无源雷达,则要在目标表面涂敷毫米波辐射较强的伪装物,使其辐射和背景辐射基本相等,从而使目标融合于背景中。总之，毫米波通信应用于军事上是非常必要和有重大意义的,是很有发展前途的通信手段，具有波束窄、数据率高、电波隐蔽、保密和抗干扰性能好、开设迅速、使用方便灵活以及全天候工作的特点。除了应用于电子对抗领域外，军用毫米波通信的应用包括远(外空间)近(大气层)距保密通信、快速应急通信、对潜通信、卫星通信、星际通信、微波干线上下山的走线和电缆中断抢通设备等[7]。5毫米波通信前景展望毫米波通信技术是一个典型的军民两用技术。在军事领域中可以应用于星际间通信或中继、毫米波频段的保密通信和毫米波敌我识别系统等；而在民用领域可以应用于宽带多媒体移动通信系统、测量雷达、车船防撞、地形测绘、射电天文、以交互式大容量电视广播及卫星的毫米波链路系统等诸多方面，并将进一步扩大其市场。总之，国内、外在毫米波通信领域进行了大量的研究工作，内容涉及了从基础传播理论到实际系统应用的方方面面，这些都充分说明了毫米波通信是一种很有发展前景的无线通信技术。参考文献[1]薛金良.毫米波工程基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业学出版社,2004[2]阮成礼.毫米波理论与技术[M].成都:电子科技大学出版社,2001[3]吴正德.中国毫米波技术发展.电子科技大学学报.1991(6)[4]甘仲民,张更新,王华力,刘爱军.毫米波通信技术与系统[M].北京:北京电子工业出版社,2003[5]陈明章.毫米波卫星通信技术.空间电子技术.2002(4);1~4[6]阮炎.毫米波技术在军事中的应用.现代军事通信.2005(6);61~63[7]龚德勇.毫米波通信应用展望.现代军事通信.2005(12);14~18