毫米波的应用：从卫星通信到保密系统

——正在使用的毫米波段的各种用途的探索

先 来考虑为什么要使用毫米电波这个问题。 首先,提高大多数完善系统的工作频率有很多好处，包括增加可用带宽的潜力、利用某一给定天线孔径提高分辨率和方向性,. 这就意味着在通信系统中采用更小的轻型系统，可以提供更大的传输容量，或者雷达或图像系统可以获得更高的分辨率。就后者而言, 往往使用毫米和/或亚毫米系统实现图像识别所需的分辨率,或是通过分光特性识别暴露物体。

此外,在毫米波段，大气具有一些独一无二的传输特性。通常认为毫米波波长在1到10毫米或频率处于30至300 GHz频段.一些所谓的窗口频率能够穿过灰尘、烟、雾,大气，在这些频率范围内大气衰减最小，使传输范围最大。

在医学领域，太赫兹(THz或亚毫米波)诊断工具是在癌细胞结构研究中，使用了有机-金属分子标记作为追迹物,另一方面为了实现无侵入的皮肤癌诊断，毫米波皮肤成像被动扫描仪也已处于研究阶段。

毫米波的应用

    介绍完背景情况之后，接下来我们来考察毫米波的应用领域。当然,在一篇短文中很难对这样一个广阔的课题进行非常全面的评述, 因为相关课题太多，如果存在遗漏的情况，向相关课题的研究者与制造商道歉。

毫米波应用中，需要特别强调的一个领域是陆地和卫星通信系统以及毫米波段地面通讯。移动电话和数据链路基础设施是迄今为止最大的毫米波系统商业应用。在这些系统中利用所谓的“回程”提供系统节点间的视距连接。利用这种技术建立一个大范围无线网络，这个网络在很大程度上独立于现有的基础设施，因此能够吸引发展中国家使用毫米波系统。目前，各种各样的厂商在微波/毫米波无线市场竞争，市场的主导是最常见的38千兆赫频率高容量毫米波段收音机。

为了达到更大容量，可以在“热点”或“最后一英里”的 地方使用50至60 GHz波段内的频率，如机场、火车站和用于广播和特殊事件的临时上行链路。 Proxim Wireless2等电公司提供0.25到1公里范围内高容量点对点光纤兼容无线电系统,该系统工作未经授权的57到64GHz的频段,如图4所示。采用 不同复杂度的调制，数据速率可从125Mbps到1.25Gbps。点到点无线网络中的接口采用了标准的接口规范，如OC3(155Mbps)和OC12 (622Mbps)。

根 据网络的情况，可以选用混合频率来平衡容量、覆盖范围和基础设施成本。 尽管越来越多的先进调制方式使给定链路的容量大大扩展，但对带宽更大的需求不仅使得现存无线电设备的市场保持强劲增长,也保证了新兴E波段无线连接产品的 市场前景。参照最近FCC授权，E波段处于71到86GHz频段，这使得在无线链路上数据能够在几英里范围内以1到10Gbps的速率传输。其应用包括与 光纤网络桥接，及为移动和固定无线网络提供回程信道。新兴的E波段要得到发展有赖于近期投资、性能的提高和相应毫米波集成电路成本的降低。

要 建立商业上可行的系统另一个必要因素是存在与之相配的高精度、低成本天线。要获得更大的传输距离就需要更高的增益，而高增益得由精确的抛物面反射反射器提 供。 Radiowaves等公司在针对数字无线电的高频率天线制造和测试方面处于领先地位。产成毫米波段上的密模式需要精密的天线表面和馈电位置容限,并且需 要设定复杂的天线测试距离。

毫米波卫星通信

在 一定程度上，毫米波段卫星通信系统的部署和发展情况反映出地面系统的部署和发展情况。体积最大的应用包括Ka-band (26.5 to 40 GHz) SATCOM终端,事实上,在该系统中对下行和上行链路分别使用20和30千兆赫附近的频率。 按照惯例，卫星终端使用更高的链路频率以利用其相同增益天线更小，更易于部署的优势。对地面终端供应商来说最大的挑战来自于将MMIC技术集成到规模较大 的商业应用上。这在很大程度上取决于半自动化生产工程和设计方法的问题。 一本优秀的参考文件R.ALMR. 5描述了这种技术。

完全有理由相信, 只要在Ka波段卫星技术上对供应上投资，并拥有目前的大规模市场生产的经验，更高频率的应用将在市场上获得成功,最终成功实现Ku-频段 (10至14千兆赫)的电视直播。

另 外,考虑到安全的全球通信在国防中的重要作用, 已经有高数据传输率卫星系统投入部署而且正在继续开发,其中一些卫星上行链路频率44千兆赫。其中一个例子是美国MILSTAR卫星网络，该卫星自 1994年投入运行,经历了彻底升级(MILSTAR二如图5所示 ),它能够提供更高的数据速率（为192个信道提供高达1.5 Mbps的数据速率），抗干扰，以及60千兆赫的星间交叉链路。最新的卫星于2003年发射。

MILSTAR地面终端的研究仍在不断进行中，研究主要集中在高性能多频毫米波转换器和天线系统中，这些研究中包括使用自动化制造保证高可靠性和低成本的生产技术。

毫米波的科学应用

这 个问题太广泛,这里不可能完整论述。所以只给出两个例子，从这两个例子可以看到毫米波系统的巨大贡献和快速的发展。第一个例子，自从第一次使用毫米波谱共 振从银河系外分子云识别出各种分子以来，毫米波射电天文在近30年里已经成为重要的研究领域。今天,越来越精细的地面毫米波和亚毫米波设备正在成为科学界 共享的工具。单就其规模而言，阿塔卡玛巨型毫米阵列(ALMA)非常值得关注，这项工程处于智利北部高海拔沙漠中，目前正在建设

这 种毫米和亚毫米射电望远镜是一种由64个直径12米的碟形卫星天线组成的干涉计，每个天线的波长覆盖范围为0.35至10毫米。其分辨率将达到1纳秒 ,精确度数量级比哈勃太空望远镜还要高，同时它也可以作为一个图像工具。科学家使用这一装置探索的目标是探索寒冷的宇宙，其中各种物质的温度由3到 100K，随着温度上升这些物质的谱线也在毫米波区间内逐渐上升。这种分布特性将使人们对分子气体与尘埃的研究成为可能，正是这些物质聚集成块，构成了恒 星、行星系统和银河系。

从历史的角度来看，射电天文学促进了高频接收机，高频天线和高频率频谱计的技术进步，其他研究必须依靠这些技术。为了使用更有效地利用观测时间，多通道成像变得非常重要。这就在一定程度上推动电子扫描阵列传感器向其它领域的发展。

同 样值得一提的是毫米波遥感技术,特别是毫米波的地球大气层卫星遥感，这项技术通过从太空中绘制地球的地图提供了宝贵的资料。大气探测通常通过频率覆盖10 到183千兆赫频段的有效载荷来完成，这种载荷被设计成用来测量地球或行星系统的黑体泄漏。由NOAA-NASA在20世纪80年代起头，早期的卫星都会 携带多谱毫米波辐射计。这种负载通常与可用的多谱红外及光成像气象仪一同发射，并作为其补充。由于土地、水、空气和冰有不同的视色温度, 在某些情况下这些特点可以分离出来，而在一些情况下可以唯一地辨识出来。图7显示了通过微波遥感得到的冬季/夏季冰面覆盖图。

    另外,大气温度探测可以利用氧的60 GHz共振特性，也可以利用水蒸汽测量其分光剖面图。 这些方法往往的空间分辨率偏低(通常距飞船数千米远),一定程度上受限于现有的天线孔径。

新发展的方向是提高可检测大气成分的范围, 这一目标可以通过扩大可检测频率的范围同时使用地球同步卫星提高静态覆盖范围。关于使用地球同步卫星进行地球成像，这里存在一个难题，即满足合理解析度的天线尺寸要求（直径大约2到3米），为了提供所需的地面覆盖率对这样大的天线进行扫描也是比较困难的。可能采用毫米波被动成像仪(稍后讨论)所使用的机械式扫描仪能够解决这个问题。

毫米波雷达

商 用汽车雷达系统很大程度上是从防御雷达系统发展而来，其采用毫米波传感器，目前已经研制完成。最初的系统基于狄氏效应二极管技术，目前它正在变为砷化镓 MMICs的主要应用领域。商用前视雷达系统工作在77GHz，其检测范围达到200M。这些雷达在市场上称为自主巡航控制（AAC）雷达。

要 想进一步扩展这项功能需要对雷达的性能做出重大改进（如对目标进行小误警概率的分类）。尽管当前的系统存在局限性，铸件供应商仍然在市场上展开激烈竞争， 千方百计与系统设计者和系统整合商进行合作。大多数的毫米波器件铸造厂正在与雷达设计师合作以满足其客户的需求，这些客户基本上是车载设备制造商。由于集 成成本很高，提供“附加”式封装成本利用率通常不高，因此，这些雷达需要设计到系统内部。

虽然砷化镓技术为毫米波应用提供了一套完美的解决方案，但仍然需要改进(例如在产品级设计中，产品级设计是不依赖于成品调整的)。尽管MMIC厂商（如UMS）在多芯片包装方法上取得了相当大的进展，但是77 GHz封装任务仍然具有竞争力。

另一个需要进一步发展的领域是供应给FMCW雷达的配套VCO解决方案。最初的0.25μm PHEMT VCO已经被HBT设计所取代，该设计使用0.15μm工艺，提供更好的低频率相位噪声性能，拥有更高的截止频率;其可信的典型性能是100kHz频偏下达到-85 dB/Hz。与大多数系统相关的发展一样,该系统所面临的挑战是如何达到功能和制造成本的最佳组合,只有这样才能支持市场的不断成长。

机场雷达

针 对一些重大跑道意外(协和、巴黎2000、米兰2001)，旨在改善安全的新发展使用了毫米波段雷达技术。第一，雷达近程传感器(小于1公里)是放在跑道 停机坪的战略通道点上。这种监控方法是从传统方法上演变而来,传统方法通过一个大功率俯视雷达全面覆盖整个机场区域。这种“蜂窝”法的优势是通过减小杂波使其可以提供自动碰撞警告,同时也减小了误警。此外,这种传感器功率较小，使其可能成为一种值得注意的低耗产品。Farran Technology的产品包括一系列定制基于MMIC的雷达产品，其中一个例子如图8。

另 一方面，用于机场跑道的毫米波异常物体探测雷达已经成功地通过了试用。此种雷达使用多毫米波雷达传感器，能够确保自动检测到运营跑道上的碎片，这将提高跑 道的安全等级。雷达可以扫描单个或多个跑道,并将识别到的碎片位置信息传到中心用户显示器上。试用展示了雷达在几米范围内的小物体局部搜索功能，这种功能 适用于全天候不论昼夜的情况。此种雷达由英国的QinetiQ公司开发，利用了1米长的毫米波天线的高分辨率，频率范围取决于毫米波段中的窗口频率。为了 达到最大的覆盖范围同时尽量减小地形影响，必须仔细放置和校准雷达。

安全应用

毫米波段成像系统的潜在应用就是发现隐藏的武器或爆炸物,与这个应用相关的研究最近得到了深入的发展，这主要是出于对机场和其它场所的安全需要。在理论上毫米波摄像机并不是新事物， Millitech和其它公司—特别是TRW (现在的NGST10公司)—20世纪80年代中期就推出了样品。然而由于市场的拉动作用，毫米波MMIC生产技术的进步、以及包括机械光学扫描在内的新结构的出现刺激了它的最新发展。

在从24至140千兆赫的毫米波频率范围(松散)内，正在应用的既有被动技术也有有源技术。密集或“凝视”阵 列类似于多像素光学数字摄像机，在这些波长上这种阵列简直完全是不可行的，这是因为每个独立接收器信道的成本太高。因此，大多数系统使用某种形式的机械扫 描技术，从较小的接收器信道子集中获取图像。这些系统的主要成本仍然较多的来自毫米波前端器件或阵列。低频率系统的设备更简单，封装成本更小因此成本利用 率更高。然而,受其所选频率的影响，低频率系统通常需要更多的原件和有源照明器件以补偿其分辨率小的缺点。

 在给定的孔径下达到更高的分辨率，从而可以用全被动结构满足性能要求，这是高运行频率的优点之一。Farran Technology公司研究出了一些先进的低成本放大器设计方案及其阵列，可以用在低噪声成像系统中。这家公司在其专利设计中使用了一些先进的光学扫描技术，这种技术用低成本多通道阵列进行被动线形扫描，在以视频帧速率（小于10Hz）产生无畸变毫米波图像。Smiths 上市集团的分公司Smiths Detection目前正在生产这种被动摄像机

开放技术

从前文我们可以清楚的看到关键的开放技术仍有待于进一步用于开发低成本高性能的MMIC器件，包括器件封装技术以及与之相关的批量生产方法。和低成本趋势相关的是较小的尺寸和由此带来的CMOS电路工作频率较高将会带来影响。

虽然超低成本CMOS不是专为模拟毫米波应用而设计，但其仍然有进入毫米波应用的潜力。同时,回想一下20世纪80年代末出现的数字器件以及今天的集成电路等效设计，就会很清楚地发现技术一直在向更高的集成度，更小的尺寸，重量，和体积发展。这种发展允许我们把更加复杂的技术应用到高可靠性应用中，这些应用包括商业、航天和国防市场,降低成本,并最终普遍地降低毫米波技术应用的成本。

结论

毫 米波用途的多样性是其主要特征，在这些应用中，有几种应用占主导地位，商业需求给这几种应用的技术研究带来大量投资，没有任何迹象显示它们的未来发展会遇 到困难。不论是对作为独立设备还是在某种情况下作为一套多检测策略的一部分，不论是被动方式还是有源方式，配套毫米波成像系统工程都将面对人们对保安及安 全系统更高要求所带来的挑战，这一挑战虽然重大，但同时也是值得接受的。