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毫米波技术步入快车道
材料来源:《微波杂志》2017年9/10月刊           录入时间:2017/9/22 12:16:51

毫米波技术步入快车道

mmWaves Hit the Highway

Amarpal (Paul) Khanna, National Instruments, Santa Clara, Calif.

对于速度和无所不在的连接的需求是MHz技术演变到THz技术这场革命的主要驱动力。十年前,谁会想到现在的世界正在尝试将数十亿台设备通过互联网连接在一起,并准备在几秒内将一部电影下载到智能手机?无线应用已经从点到点演进到广播系统再到网状和蜂窝网络,现在人们正在探索点对点和蜂窝相结合的定向网络系统。

毫米波是指波长在1到10毫米之间的电磁波,即频率范围在30到300GHz之间。毫米波技术的创新应用包括电信、无线通信、汽车、国防和航空航天、成像、安全、医疗和其它工业应用。

然而,对于无线通信和汽车雷达传感器这两个增长最快速的应用,毫米波通常是指频率范围在24至86GHz之间的多个频带。本文重点介绍了该频率范围的技术和主要应用。

与较低频率相比,毫米波频谱具有许多优点,因为它不会发生阻塞,并且具有10Gbps甚至更高速率的数据传输能力。由于其传输距离比较短,频率复用在许多应用中是一大优势。组件尺寸较小,尤其是天线,也是一大优势。缺点是,由于较高的传播损耗,其传输距离通常小于较低频率,而且目前其成本较高。

增长预期

毫米波技术市场预计在未来五年内将增长10倍,达到40亿美元以上。1由于移动数据流量的增长和small cell回程网络的使用率上升,这一市场的增长正在加速。电信是毫米波技术的最大市场之一,因为它们已被广泛应用于small cell回程网络。毫米波回程设备已经是LTE/4G部署不可或缺的一部分。对于5G,总数据速率预计将比现有4G数据速率高出1000倍;因此,将更加需要毫米波频谱来提供所需的数据速率。与6GHz以下频谱低于1GHz的可用带宽相比,24至86GHz频率范围有望提供约20GHz的可用带宽。这使得海量数据传输成为可能(图1)。

图1. 美国无线通信可用的频段

毫米波商业市场的增长开始于20世纪90年代初期对蜂窝回程的需求。当时,较低频率(1至18GHz)的远程无线电中继链路已经使用了很长一段时间,但是快速发展的蜂窝基础设施需要更高的频率和更短程的链路。这些点对点无线电使用23、26和38GHz的许可频段(图2),辐射范围不足10公里,使得在快速部署阶段得以建立全球移动通信基础设施。当RF技术发展到MMIC的应用不断增加时,这些进步就应运而生。

图2. 德国汉堡微波塔。图片版权所有:Kristof Hamann

最近新增了一些更高的频率,包括免许可的57至64GHz频带和71-76和81-86GHz的lightly licensed频段,这些频段提供了更高的带宽、更大的容量和更小的尺寸,但传播距离也更短。所有这些频段目前正用于蜂窝通信基础设施内外的点到点数字无线电链路,提供数Gbps的容量。这一应用主要采用光纤链路,但是毫米波链路能够以更低的成本和更快的速度实现这一应用。此外,许多地方由于地形或其它因素,甚至无法使用光纤链路。

半导体技术

过去二十年半导体技术的快度发展主要是因为毫米波能够满足不断增长的速度、带宽和连接需求。III-V族化合物半导体已经担起了这个重任,从一开始便用于支持毫米波MMIC。除了在电路功能这一部分继续发挥作用之外,GaN已广泛应用于宽带功率应用。InP HEMT/mHEMT通常用于超高频下的低噪声应用。InP HBT在高频下表现良好,具有足够的击穿电压和便于集成这一优点。图3和图4所示是一个在50至100GHz频带下运行的高性能毫米波功率放大器和低噪声放大器MMIC的示例。集成式毫米波发射器和接收器的最新进展以及新的相控阵列和波束赋形技术为毫米波通信铺平了道路,正如这在军用雷达领域一样。

图3. HRL GaN功率放大器MMIC 70至105GHz BAL-WPA

 

图4. ADI的低噪声放大器MMIC GaAs PHEMT 50 to 95 GHz

CMOS和SiGe技术的进步使得毫米波频率的使用成本降低到较为合理的水平。过去十年才实现了模拟组件的封装(用于生成毫米波射频信号)以及数字硬件的开发(用于处理大量带宽)。现在使用CMOS和SiGe制造的晶体管具有足够快的速度,能够在数百GHz范围内运行,如表1所示。SiGe HBT目前广泛用于许多应用中,因为它速度快、集成度高,但击穿电压较低,不过在许多情况下可以通过堆叠来克服这一问题。

低成本的电路生产工艺使得片上系统(SoC)毫米波无线电成为可能,SoC是指将所有模拟和数字无线电组件完全集成到单个芯片上。对于毫米波通信,半导体行业已准备好生产经济高效的大众市场产品。对于需要高度定制性能的小批量应用,屏蔽金属外壳通常采用基于陶瓷/石英基板的薄膜混合技术和毫米波MMIC,薄膜混合技术常用于滤波器/配电电路。这些应用包括测试设备、卫星通信、回程无线电和军工航天应用。图5显示了使用陶瓷基板和毫米波MMIC的E-Band收发器(无盖)。

 

图5. E频段收发仪(图片来源:National Instruments)。

汽车雷达

历史

汽车雷达的研发始于20世纪70年代。1989年,在测试了不同频率的雷达后,WARC(World Administrative Radio Conference)确定了77GHz频段作为汽车雷达的频段。但直到1998年,梅赛德斯才率先开发出77GHz的商用产品。2006年,为了满足更短距离应用的需求,24GHz雷达诞生了。77GHz雷达主要用于障碍物检测和自动巡航控制(ACC),而24GHz则用于盲点检测和车道偏离警告。图6显示了汽车雷达发展的时间表。美国国家公路交通安全管理局表示,去年有20家美国汽车制造商达成协议,从2022年9月1日起生产的所有新车将配备自动紧急制动(AEB)系统3。由于多年来其成本不断降低,现在道路上已有数百万辆汽车配备了雷达传感器。

图6. 汽车雷达历史时间表。

汽车雷达是先进驾驶辅助系统(ADAS)的关键传感器。其它传感器包括光检测和测距(LiDAR)、超声波传感器和摄像机视觉系统。与雷达相比,今天的LiDAR可以提供更高的分辨率,并可以构建目标的3D图像。然而,LiDAR的成本非常昂贵,而且在恶劣天气和夜晚的使用受限,传播距离也更短。图7显示了由各类传感器组成的典型ADAS系统。

图7. 高级驾驶辅助系统的传感器。

ADAS的快速发展为全自动驾驶车辆的发展铺平了道路。曾经,ADAS系统或相关组件仅出现在高端豪华车上。但现在,由于技术的演进和成本的降低,ADAS系统也开始出现在中端和经济型车辆上。消费者对ADAS的需求很高,各国政府正在考虑通过法律,使这种系统成为所有车辆的标配。研究表明,ADAS系统显著降低了致命事故率,这一结果推动了对雷达传感器的需求。世界卫生组织称,每年有超过一百万人死于交通事故。一旦ADAS系统全面部署,预计这个数字将下降超过50%。

为了降低成本和减小尺寸,汽车制造商希望将多个ADAS功能集成到单个平台上,以处理来自不同类型传感器的数据。“传感器融合”是指将不同传感器得到的数据组合起来,以提供更高的准确度,相比独立使用各个传感器,信息更为全面。传感器融合,尤其是雷达芯片和成像传感器(相机)的结合,已经日益普及。

雷达技术

ACC和防碰撞汽车所使用的雷达工作频率在76至77GHz的范围内,是用于长达300m的远程雷达(LRR),其典型带宽在400MHz和1GHz之间。这些传感器使用线性FMCW调制,提供约0.5米的分辨率。直到2010年,GaAs PHEMT仍然是这些频率常用的技术。随着技术的成熟和产量的增加,SiGe MMICs取而代之,成为首选的技术。目前,使用45nm或FD SOI 22nm的RF CMOS也覆盖了这个频率范围,并且成本优势和更高的集成度将使其成为主导技术。

76到81GHz的新频段已被许多国家批准,预计将成为全球汽车雷达传感器的长期解决方案。该解决方案使用4GHz的带宽,有可能达到10厘米以上的分辨率。例如,图8显示了一个用于汽车雷达的75到85GHz 8Tx/8Rx芯片,该芯片具有上/下变频器和内置自检(BIST)功能。该芯片采用GF8HP 0.12μm SiGe BiCMOS工艺(200GHz fT)制成,面积为26mm2[2]77GHz时的接收机增益为24dB,Tx至Rx隔离高达52dBc。[4]近几年来,几家半导体公司已经发布了高性能且小尺寸的77GHz IC,使得汽车有望通过使用多个雷达传感器来提供高分辨率,实现360度覆盖范围。此外市场上也出现了具有电子扫描功能的多通道IC。

图8. SiGe BiCMOS 8Tx/8Rx芯片(图片来源:Gabriel Rebeiz, UCSD

24GHz雷达传感器覆盖24至24.25GHz的范围,可用作辐射范围为50m的短程雷达(SRR)。它通常用于停车辅助、盲点检测和车道更换辅助。24GHz雷达传感器使用线性FMCW调制,可实现1.5m的距离分辨率。基于0.18μm SiGe技术的高度集成收发器MMIC也已经得到商业应用。目前有数百万个24GHz传感器正在运行,这些传感器也用于工业感测。值得注意的是,欧洲在2018年设定了一个退出日期,该日期之后欧洲的所有新汽车都将不再安装这些传感器。前提是到那个时候,76到81GHz的传感器将全面部署,并且覆盖SRR和LRR应用。

测试挑战

车辆雷达传感器测试包含目标模拟以及关键RF参数的测量。直到最近,目标距离、速度、角度和尺寸的测量都是在现场使用物理障碍物并移动车辆完成的。随着产量的增加和技术的进步,模拟目标并测量EIRP、频谱占用、相位噪声、天线波束宽度和chirp信号分析已经成为可能。图9显示了一个NI车载雷达测试系统的例子。该系统接收来自雷达传感器的76至77GHz信号并将其下变频至C波段,然后馈送至矢量信号收发仪(VST),由VST进行所需参数的测量。接着通过放置在经校准的转子上的雷达来测量波束宽度,信号强度作为角度的函数进行测量。对于自动驾驶而言,这将变得更加重要,因为难以在现场测试所有的物理场景。

图9. 77GHz汽车雷达测试前端(图片来源:National Instruments)。

目标的模拟包括模拟目标的距离、速度、角度和大小。下变频信号通过无源和有源混合的方式来模拟距离3到300米范围内的目标。有源仿真结合基于LabVIEW FPGA的信号处理使用VST来模拟目标。目标的距离通过延时来模拟、速度通过多普勒效应的Tx-Rx频率偏移来模拟、目标大小通过控制功率电平进行模拟。VST还具有添加多个目标的功能。Konrad在NIWeek 2017展示了该系统。5

未来方向

目前业界开发雷达传感器IC的研究积极性很高,致力于提供4GHz的带宽(77到81GHz)来实现更精细的分辨率。基于宽带宽和微多普勒技术的高分辨率组合将提供更高的性能。ADAS的研究越来越多地涉及3D成像雷达,合成孔径雷达技术也在被研究是否适用于汽车雷达。在调制方案方面,线性FMCW慢单载波被快速啁啾单载波所取代。快速啁啾FDM和OFDM PCM等高级调制将分阶段实现。此外研究人员也在探索未来是否有可能使用高于77GHz的频率。

虽然ADAS使得自主自动驾驶车辆成为可能,但还有其它技术需要集成到自动驾驶车辆中,包括车辆到车辆(V2V)网络、车载网络、车辆到一切(V2X)和卫星导航。自动驾驶车辆技术不仅有望大幅减少道路死亡事件,还为残疾人和低龄或高龄人群提供新的交通工具。世界各国政府都希望制定必要的规定,但首先需要克服一些难题。在美国,有18个州通过了在一定条件下允许自动驾驶车辆在道路上行驶的规定。

5G

指数级增长的互连设备加上相互通信所需的功能要求无线通信速度不断提高。从五年前仅数十亿的互连设备到现在,这一数量已经超过100亿台,其中包括手持式智能设备。6这个数字预计将在三年内翻一倍,预计随着物联网(IoT)的爆炸,这一数字将会持续快速增长。智能家居、城市、汽车、宠物、传感器等的一切都将相互连接。由于人与设备之间的相互交流,包括健康、能源和交通在内的行业预计将会经历一场无法预见的革命。对高带宽数据容量和低延迟的需求以及爆炸式增长的连接设备迫使研究人员开始研究高于6GHz的接入网络。与较高频率相比,低于6GHz的频率具有广泛的应用,同时也将采用创新技术来更高效地利用这些已经被分配的频谱,另外也需要在6GHz以上寻找可满足5G需求的新频带。

作为5G接入网络的一部分,毫米波有几种部署方案,包括高容量回程点对点无线电链路、点对多点固定无线接入(FWA)和蜂窝接入。回程毫米波应用为2G、3G和4G基础设施提供了不俗的服务。常用的许可频段包括23、26、38和60GHz。预计5G部署将使用升级的链路来应对增加的数据容量。

虽然毫米波频率已经确定用于回程和FWA技术,但研究人员仍然在努力使其能够应用于蜂窝接入。为了评估毫米波通信的无线电环境,特别是多天线系统,过去十年人们开始研究信道探测技术。许多研究机构一直在世界各地的不同频段下进行研究和试验。在NIWeek 2015上,诺基亚和NI展示了一个使用2GHz带宽的73GHz 2x2 MIMO系统,它提供超过200m的10Gb/s链路,延迟低于1毫秒。7NI公司还与AT&T合作开发了一个5G毫米波信道探测工具。信道探测器提供实时通道参数测量和监控功能。信道探测器由AT&T设计,并使用基于NI 28GHz收发器系统的架构(图10)。该信道探测器可捕获信道测量数据,实时采集和处理所有数据,测量速度约为15分钟6000次。8

图10. AT&T和National Instruments共同开发的28GHz信道探测器(图片来源:National Instruments)。

毫米波频率下的小型天线可提高相控阵列和MIMO系统使用多个天线的效率。MIMO允许通信系统通过空间复用和波束赋形技术来更高效地利用频谱。通过空间复用,基站可使用多个发射天线,使用相同的频谱同时向多个用户发送不同的信息流。现在5G研究人员正在研究如何大量增加在移动通信系统中使用的空间流数量。最终,5M(mmWave massive mimo,毫米波大规模MIMO)有望实现5G系统的最高性能。与以前的全向辐射相比,混合波束赋形和MIMO系统将使用定向波束配置来显著提升速度。

24到86GHz之间的若干个不同频段被考虑用在5G应用中,目前28和39GHz两个频段已经被用于开发FWA。最终获批的移动频段将在2019年11月的国际电联WRC19会议上确定。图11显示了世界不同地区供5G使用的各种频段。

 

图11. 5G可用的频段。

快速Wi-Fi

无线互联网大约20年前开始得以应用,使用的是2.4GHz频段。Wi-Fi标准迄今为止仅限于2.4和5.8GHz;然而,随着时间的推移,Wi-Fi性能已经从802.11a/b/g/n/慢慢地演变到最新的802.11ac。这些标准使用最近发布的多路由器系统作为网状网络,可以有效地覆盖面积较大的家庭或建筑。这些链路可提供数百Mbps的数据速率。该系列的下一个标准802.11ax基于多用户MIMO,预计将提供超过Gbps的数据速率。

另一方面,802.11ad是一种快速通道Wi-Fi标准,在不需要许可的57至64GHz频带上运行,独立于目前使用的Wi-Fi标准。该标准使用最大2.16GHz的带宽,旨在支持高达7Gbps的数据速率。这个全新的毫米波频带带宽有限,可以减少干扰。802.11ad覆盖范围约10米,最适合室内应用,例如:无线对接站、从智能设备到智能电视或Chromecast的数据流传输、传输大量媒体文件,如4K素材或原始图像以及某些游戏应用。这种功能已出现在笔记本电脑中,但尚未进入智能手机。

802.11ay是802.11ad的扩展,基于信道绑定和MU-MIMO,正在开发中,预计将在今年年底前完成。预计这一标准将传输速率从802.11ad的7Gbps提高到30到40Gbps,而且传输距离从10米扩展到最长达300米。802.11ay将使用57至70GHz的频率,并将四个802.11ad通道连接在一起,最大带宽为8.64GHz。802.11ay可能会取代办公室或家庭中的以太网和其它电缆,还可能为服务提供商提供外部回程连接。此时可实现的实际速度限制将转移到基础设施和互联网服务提供商处,它们将更难以跟上新Wi-Fi标准的步伐。显而易见的是,毫米波在将来需要传输大量数据的Wi-Fi系统中必将发挥重要作用。图12显示了所讨论的三个主要毫米波应用的频带。

 

图12. 美国三大毫米波应用的可用频段。

安全应用

毫米波可用于各种安全功能,包括无线围栏、入侵者传感器和全身安全扫描仪。在过去十年中,毫米波扫描仪逐渐取代了美国机场的金属探测器。这些扫描仪能够检测身体上的金属和非金属物体,并且由于其低功率运行,可安全地进行扫描。毫米波安全标准基于功率密度,以mW/m2表示。毫米波扫描的功率密度在0.00001到0.0006mW/cm2之间。9这样的扫描功率比手机允许的扫描功率低几千倍。与X射线扫描仪不同,毫米波扫描的非电离辐射不会损伤细胞,因而也就不会导致癌症。毫米波扫描仪工作在24到30GHz之间,扫描人体时使用多个天线阵列发送和接收高频无线电波。原始数据转换为全息图,通过算法检查可疑物体。然后将全息图渲染成3D图形进行检查。整个过程只需要6到8秒。出于隐私的原因,所使用的算法将3D图像转换为人体的一般轮廓显示在计算机屏幕上。目前,美国和欧洲的数百个地方正在使用毫米波扫描仪。图13显示了一个常用的毫米波扫描仪,出自L-3公司。

图13. L-3公司的毫米波全身扫描仪。

去年,罗德与斯瓦茨推出了一款在70至80GHz频率范围内工作的毫米波安全扫描仪,可自动检测身体或衣服上携带的潜在危险物品。该扫描仪正部署到欧洲的许多机场,用于机场安全检查。扫描仪传输功率约为0dBm,数据采集时间非常短,仅32毫秒,并使用完全电子扫描。

医疗应用

毫米波在医疗应用领域具有广泛的前景,包括呼吸和心率的持续无线监测。使用相干雷达系统,可以精确地测量人体中小幅移动相关的相移。这些微多普勒特征可用于确定与呼吸、心跳和身体其它微妙运动有关的生物特征信息。这种非接触式远程技术可以提供与人的生理和医疗状况相关的信息。这有助于保持健康和及时发现许多健康问题,也可以使医院不必持续监测病人。

许多频率已经得到了应用,包括60、94和228GHz。在UC Davis使用的一个60GHz系统中,毫米波信号被引导到身体中,通过分析反射信号来准确地计算呼吸频率和心率。毫米波的定向波束也用于监测室内空间中的多个人,并且可以用于定位房间中的某个人。研究人员可以测量呼吸频率,平均误差为0.43bpm,心率的测量误差则为2bpm。因此,该系统能够以98%的准确度定位人体对象,并且可以有效地并行监测多个人,甚至穿墙监测。在另一个应用中,228GHz外差雷达系统已被用于同时测量呼吸频率和心率,距离可达10米。高频系统的一个主要优点是能够聚焦波束并在一定距离照射物体,从而减少信号杂波和复杂性。10

毫米波成像也可用于非侵入诊断,其中一种应用是皮肤烧伤。经实践证明,26.5至40GHz的频率可用于诊断皮肤灼伤的程度,并且在不打开伤口的情况下监测愈合过程。这种技术利用了健康组织与干燥的烧伤组织截然不同的反射特性。类似的方法也已经用于诊断皮肤癌和乳腺癌。肿瘤组织的介电常数比脂肪的介电常数大5倍。一种情况是使用带宽为20GHz的30GHz信号,并使用阶梯式频率连续波调制来分析反射信号。11超带宽可实现高分辨率,而该频率信号可以穿透人体组织,以满足乳腺成像应用需求。通过在实际场景进行原型验证获得的实验结果显示了使用35个天线可获得低至3mm的交叉分辨率、8mm的距离分辨率和大约60dB的高动态范围。目前所得到的实验结果显示这一设想非常有希望实现,它们将成为开发完整乳腺成像系统的基石。

结论

毫米波已经步入正轨——技术和产品的开发投资终于得到回报,其商业价值正日益显现出来。尽管曾经一度被认为是不可利用的毫米波,现在已经被运用在若干应用领域,包括短距离连接、板载芯片间互联、从笔记本电脑到屏幕的HDMI视频传输、快速Wi-Fi、无线对接站和汽车雷达。现在人们正努力开发毫米波技术、降低其成本,大力推动该技术在航空航天、电信、成像、安全、卫星通信和医疗领域的应用持续增长。可以预见的是,在未来十年中可以看到更多频率在300GHz范围内的毫米波应用和创新产品。

将该技术运用于手机接入领域的实用性的研究和实验也已经开展。许多关于28、38、60和73GHz波的传播研究均取得了令人鼓舞的成果。虽然目前该技术领域仍存在诸多挑战,应用中也需要实现全球的频段协调。在5到10年之内,一旦毫米波频段的手机接入得到实现,这些新技术将很可能被推送到数十亿人的手中。

参考文献

1.    “mmWave Technology Market by Product, Frequency Band (V-Band & E-Band), Component, Application and Geography—Global Forecast to 2022,” marketsandmarkets.com, August 2016.

2.    H. H. Meinel and J. Dickmann, “Automotive Radar: From Its Origins to Future Directions,” Daimler AG, Stuttgart, Germany, Microwave Journal, September 13, 2013.

3.    “U.S. DOT and IIHS Announce Historic Commitment of 20 Automakers to Make Automatic Emergency Braking Standard on New Vehicles,” https://www.nhtsa.gov/press-releases/us-dot-and-iihs-announce-historic-commitment-20-automakers-make-automatic-emergency.

4.    Bon-Hyan Ku, Ozgur Inac, Michael Chang, Hyun-Ho Yang and Gabriel M. Rebeiz, “A High-Linearity 76 to 85 GHz 16-Element 8-Transmit/8-Receive Phased Array Chip with High Isolation and Flip-Chip Packaging,” IEEE T-MTT, October 2014.

5.    NIWeek 2017: https://www.youtube.com/watch?v=0MTkBlvEMHw&t=4s.

6.    A. Nordrum, “The Internet of Fewer Things—Early Predictions of 50 Billion Connected Devices By 2020 Are Being Scaled Back,” September 2016, http://spectrum.ieee.org/telecom/internet/the-internet-of-fewer-things.

7.    NIWeek 2015: https://www.youtube.com/watch?v=I5QwAxdiLmU.

8.    NIWeek 2017: https://www.youtube.com/watch?v=34EIDyRmb8Q&t=35s.

9.    J. E. Moulder, “Risks of Exposure to Ionizing and Millimeter-Wave Radiation from Airport Whole-Body Scanners” Radiation Research, 177 (6) (2012), pp. 723-726.

10. Z. Yang et al., “Monitoring Vital Signs Using mmWaves,” University of California, Davis, Cailf., USA 17th ACM International Symposium, July 2016.

11. S. Moscato et al. “A mmWave 2D Ultra-Wideband Imaging Radar for Breast Cancer Detection”, Department of Electrical, Computer and Biomedical Engineering, University of Pavia, International Journal of Antennas and Propagation, Vol. 2013.


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