毫米波技术和挑战的EMC和无线

5G通信、精密传感和无线电确定应用的发展正在推动设计人员和开发人员进入更高的频段。曾经为卫星通信和雷达应用保留的频段现在正在向宽带解决方案开放，并且越来越普遍地集成在日常设备中。

毫米波(mmWave)应用的发展是一个令人兴奋的新领域，其频率扩展到数百千兆赫兹，甚至几太赫兹，或10¹²赫兹(1000000000000)。在过去的20年里，随着材料科学家和物理学家应用微观结构和掺杂来创造可用于产生可用信号的设备，这种频率使用的扩展已经相当显著。

本文简要介绍了这些信号产生的基本原理，毫米波技术适用于哪些应用，毫米波的一些重要特性，以及测量这些高频辐射的一些挑战。

mmWave代

首先，毫米波存在于“哪里”?简而言之，传统的频谱是从30到300 GHz。

给定波长与频率的关系:

因此，毫米波的波长范围为10mm (30ghz) ~ 1mm (300ghz)。一般来说，“毫米波”的使用范围现在远远超过300千兆赫，一些设备的工作频率高达1000或2000千兆赫(或1至2太赫兹，THz)。设计人员正在使用这些更高的频率来增加带宽，并在已经拥挤的频谱之外使用。

有趣的是，毫米波并不新鲜;第一次毫米波频率实验发生在100多年前!Jagadish Chandra Bose出生于印度的Mymensingh，他能够产生、表征和分析短波长^[我]从1894年到1900年。Bose主要对5毫米长波(或60千兆赫频率)的科学研究和分析感兴趣。这项早期工作包括表征这些波的反射、折射和偏振。

产生毫米波的一种常见方法是使用Gunn二极管(也称为转移电子器件)，这是一种无源器件，可以在某些直流偏置下掺杂以产生“负电阻”特性。其效果是电流随着电压的增加而减小，从而产生振荡，这是材料和外部元件的函数。这些装置可以调整为单频输出。

一些开发人员使用二极管混频器的非线性特性来上转换到毫米波频率。这是通过将低频信号发生器扫进一个倍频器来实现的，该倍频器经过调谐和滤波后将频率上转换为更高的频带。

在图1中，信号发生器的范围为fl到fh。通过向倍频器的输入端注入足够强的信号，信号发生器的范围可以增加n倍。参数n是器件设计的函数，

图1所示。倍频器

该倍频器是一种非线性器件，将产生介于n*fl和n*fh之间的输出频率。计量学家面临的挑战是建立和测量可作为通信媒介的校准输出功率。

毫米波的传播在固定和移动通信网络中使用这些频率具有固有的限制和好处。高频自然伴随着高传播损耗，这是电磁波频率/波长的函数。

例如，传播损耗可由下面这个著名的方程求出:

可以看出，传播损耗随距离的平方而增加。这是因为能量的辐射类似于球体表面，参见图2。

图2。辐射传播^(二)

方程中，R是两个天线之间的距离，单位是米。转换为dB，将波长转换为等效频率，方程为:

PL dB = 92.4 + 20Logf(GHz) + 20logr (km)

在甚高频频率(30-300 MHz)，传播损耗在62 dB/km至82 dB/km之间。这使得信号在自然衰减之前可以传播数英里。

然而，在100 GHz时，每公里的传播损耗为132 dB。这意味着，一般来说，毫米波传输本身不会在系统中没有严重的天线增益的情况下长距离传播。这也意味着任何长途运输系统将主要是点对点的安排。这样做的内在好处是，在紧凑的地理空间中，频率重用可以减少系统之间的干扰。这在未来的5G连接场景中非常重要，下面将讨论。

联邦通信委员会在其1997年出版的OET公报70中预见了自然行为的影响:

“虽然较低频段的信号可以传播数英里，更容易穿透建筑物，但毫米波信号只能传播几英里或更少，并且不能很好地穿透固体材料。”然而，这些特性对毫米波传播并不一定是不利的。毫米波可以允许更密集的通信链路，从而提供非常有效的频谱利用，并且可以提高通信传输的安全性。”^[3]

毫米波传播的一个方面是氧气和水的吸收对大气的影响。图3显示了毫米波通过大气时产生的额外衰减。本质上，射频波在O2和H20分子中建立了共振条件。共振吸收能量，增加了路径损耗。

这些吸收频率不利于传播，因此，对于有意限制设计者可能不希望有效传播的链路范围，无论是为了安全性还是为了本地频谱重用，都是有用的。

图3。大气吸收损失

频谱的分配和使用

在美国，频谱由FCC和美国商务部国家电信和信息协会(NTIA)共同管理。对于商业和消费者使用，FCC规则一般适用;许可是由FCC授权的。对于政府用途，包括紧急服务和政府通信用途，NTIA管理拨款。

在过去的20年里，频谱的使用发生了许多变化，特别是随着无线服务的发展和部署，无论是有执照的还是无执照的。频谱的变换是一个持续的过程。这是一项全球性活动，主要由世界无线电通信大会(WRC)协调，该大会定期召开会议，决定谁将何种频谱用于何种目的。WRC是在国际电信联盟(ITU)下组织的，国际电信联盟是一个全球联盟，重点关注世界各地的共同分配。

目前，美国联邦通信委员会(FCC)处理高达300 GHz的频谱(见图4)。2019年6月，FCC发布了解决“频谱地平线”的规则。

“委员会采取措施为创新者和实验者提供新的机会，为95千兆赫和3太赫兹之间的频谱开发新设备和应用，这些频率直到最近才变得非常适合开发和部署新的有源通信服务和应用。委员会通过了为95 GHz以上频谱提供的新一类实验许可证的规则，提供了更大的灵活性。”

有趣的东西，更多的来!

图4。NTIA频率分配图

许多频率分配是在多个用户之间共享的，当行业建议将频谱重新分配给其他用途时，这就成为一个问题。现有用户(特别是空间天文学家和雷达操作员)并不热衷于与其他用户共享频谱，这可能对无噪声操作构成威胁。

表1。毫米波频带名称:

带宽带宽带宽

5G系统将需要极低的延迟(本质上是通过系统的消息传递延迟时间)来实现自动驾驶汽车等移动设备所需的系统响应。这意味着数据网络将需要极高的数据速率来进行传感、通信和控制。假设一辆汽车以100公里/小时的速度行驶，也就是62.5米/秒。对迎面而来的障碍物作出反应需要系统延迟毫秒级。因此，整个决策过程，包括检测和决策，已经非常快。

当两辆车同时到达一个四路停车处时，右边的那辆车应该先通过十字路口。第一辆谷歌无人驾驶汽车在一个四向路口“遵守规则”时发生了事故。另一辆由人类驾驶的汽车没有遵守规则。当其他车辆发生意外动作时，决策响应时间必须在毫秒范围内，因此往返序列需要非常快。这对带宽和系统决策处理都提出了要求。

其中一个正在推出的协议是IEEE 802.11ad，它是一种WiFi协议，但工作在60 GHz范围内。一个被称为WiGig的行业努力是802.11ad推出和发展的有力支持者。(然而，在撰写本文时，这项技术的使用和推广并没有像一些人希望的那样取得进展。)

这些新兴技术有几个显著的特点。首先，与工作在2.4/5GHz频段的802.11a/b/g/n相比，传输速度非常快(理论上高达7gbps)。其次，传播损耗大，这使得WiFi蜂窝的密度更小。最后，小尺寸允许大规模多输入多输出(MIMO)天线阵列(见图5)。这些阵列为非常精确和敏捷的波束形成设计创造了机会，允许设备“指向”不同的传输对;这些技术是电子操纵阵列，因此它们非常灵活，可以适应当地操作条件和环境的变化。

图5。大规模Mimo毫米波天线(佐治亚理工学院)

对MIMO的期望有望支撑5G的一部分，5G将依赖于许多小型基站。未来的网络拓扑结构将使用大大小小的单元层来增加未来网络中的连接密度。

EMC的挑战

那么，这项有前途的技术会带来什么样的EMC挑战呢?

一句话:测量。在过去的几十年里，仪器已经发展到可以测量几百千兆赫的频率。虽然不是实验室生活中的“日常事件”，但我们面临的挑战是尽可能准确地测量场强、功率密度、输出功率、频率容差和其他监管事项。此外，监管机构正在努力跟上与创新同步的程序(这并不是什么新鲜事)。

发布的一个领域是雷达和传感应用。这些实现通常在60+ GHz空间内，通常采用扫描或特殊调制，采用非常耐心和谨慎的方法。当测量这些设备时，会有一大堆的“怀疑”，因为在50兆赫时合乎常理的东西在50兆赫时就消失了。

一些促进技术发展的创新包括混频器/下变频器设备(Virginia Diodes, Farran等)，这些设备可以将最大调谐频率范围为~40 GHz的频谱分析仪转换为数百GHz的系统。我们测量到的最高频率的“东西”是一个运行在276GHz的设备，这真的很了不起。棘手的测量部分是波长很短，所以波束宽度非常窄，要准确测量发射的能量比标准的燕麦测量要花更多的时间。

由于进行精确测量所需的机械精度，这些非常短的波长为设计和测试带来了许多挑战。在美国，最常见的排放测量技术体现在ANSI C63程序中，特别是针对未授权设备的ANSI C63.10和针对授权设备的ANSI C63.26。目前的商业测试程序通常在18ghz停止，也就是说，在毫米波区域几乎没有既定的测量方法，更不用说校准和验证技术了。

除了程序之外，在天线的使用和校准方面也存在挑战，由于天线的特征尺寸和波导结构较小，这给一致性测试实验室和测试工程师带来了一系列不同的测量挑战。

最后，毫米波技术的进步就辐射对人类的影响提出了有趣的问题。美国联邦通信委员会和其他机构正在研究允许使用这些频率和技术的方法，同时仍保留防止人类接触的保护，这是他们职权范围的一部分。

其他EMC问题名义上是频谱拥挤的实际问题，非常短波长的抑制技术，以及我们社区的一些核心问题:亚纳秒到皮秒世界的信号完整性。开云体育双赢彩票高频板设计的艺术使设计过程变得紧张，以确保信号的频谱效率和传播问题得到控制。

未来的承诺

毫米波区域及其他区域的工作频率的扩展是未来三十年无线发展的故事。了解挑战并改进最先进的技术是EMC和无线行业的关键驱动因素。