5G通信、复杂传感和无线电确定应用的发展正在推动设计师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为宽带解决方案开放，并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，频率扩展到数百千兆赫，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结构和掺杂来创建可用于产生可用信号的设备，这种频率使用的扩展已经非常显著。

本文简要介绍了毫米波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，以及在这些高频率下测量辐射的一些挑战。

mmWave代

首先，毫米波“在哪里”存在?简而言之，传统的频谱从30到300 GHz。

给定波长与频率的关系:

因此，毫米波的波长范围从10毫米(30 GHz)到1毫米(300 GHz)。一般来说，“毫米波”的使用范围现在已经远远超过300 GHz，一些设备的工作频率高达1000或2000 GHz(或1到2太赫兹，THz)，设计师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，毫米波并不是什么新事物;第一次毫米波频率的实验发生在100多年前!贾格迪什·钱德拉·博斯出生在印度的迈门辛格，他能够产生、表征和分析短波^[我]在1894-1900年间。Bose主要对5毫米长波(或60 GHz频率)的科学研究和分析感兴趣。早期的工作包括对这些波的反射、折射和极化的描述。

产生毫米波的一种常见方法是使用古恩二极管(也称为转移电子器件)，这是一种被动器件，可以在特定的直流偏压下掺杂以产生“负电阻”特性。其效果是，电流随着电压的增加而减小，这就产生了振荡，这是材料和外部组件的功能。这些设备可以调整为单频输出。

一些开发人员利用二极管混频器的非线性特性上转换为毫米波频率。这是通过将低频信号发生器扫入频率倍增器来实现的，频率倍增器经过调谐和滤波，将频率向上转换为更高的频段。

在图1中，信号发生器的范围为fl到fh。通过在倍频器的输入端注入一个足够强的信号，信号发生器的工作范围可以增加n倍。参数“n”是设备设计的函数，

图1。倍频器

倍频器是一种非线性器件，将产生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介质使用的校准输出功率。

毫米波的传播有一个固有的限制，但在固定和移动通信网络中使用这些频率有好处。高频率自然伴随着高传播损耗，这是电磁波频率/波长的函数。

例如，从下面这个著名的方程可以得到传播损耗:

可以看到，传播损耗随着距离的平方而增加。这是因为能量辐射类似于球体的表面，见图2。

图2。辐射传播^(二)

在公式中，R是两根天线之间的距离，单位为米。转换为dB，并将波长转换为等效频率，则方程为:

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

在甚高频(VHF)频率(30 ~ 300mhz)下，传播损耗在62 dB/km ~ 82 dB/km之间。这允许在信号自然衰减之前进行数英里的传播。

然而，在100 GHz时，传播损耗为132 dB / km。这意味着，在一般情况下，毫米波传输在系统中没有严重的天线增益的情况下不会固有地长距离传播。这也意味着任何长途系统将主要是点对点的安排。这具有内在的好处，即在狭窄的地理空间中频率重用是可能的，并减少了系统之间的干扰。这在未来的5G连接场景中非常重要，下文将对此进行讨论。

FCC在1997年发布的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许多英里，并且更容易穿透建筑物，但毫米波信号只能传播几英里或更短，并且不能很好地穿透固体材料。然而，毫米波传播的这些特性并不一定是不利的。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大气对氧和水的吸收效应。图3显示了毫米波通过大气时发生的额外衰减。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，无论是出于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。对于商业和消费者用途，FCC规则一般适用;许可证是由联邦通信委员会授权的。对于政府使用，包括紧急服务和政府通信使用，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，包括许可和未许可。频谱的洗牌是一个持续的过程。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，决定谁为何种目的使用何种频谱。WRC是在国际电信联盟(ITU)下组织的，ITU是一个全球联盟，重点关注世界各地的公共分配。

目前，美国联邦通信委员会(FCC)处理的频谱最高为300 GHz(见图4)。2019年6月，FCC发布了处理“频谱视野”的规则。

直接从序言中可以看到，“委员会采取措施，为创新者和试验者提供新的机会，为95 GHz和3太赫兹之间的频谱开发新设备和应用程序，直到最近，该频率才变得非常适合开发和部署新的有源通信服务和应用程序。委员会通过了用于95 GHz以上频谱的新型实验性许可证规则，提供了更高的灵活性。”

有趣的东西，更多的来!

图4。NTIA频率分配图表

许多频率分配是由多个用户共享的，当行业建议将频谱重新分配用于其他用途时，这就成为了一个问题。现有的用户(尤其是太空天文学家和雷达操作员)并不热衷于与其他用户共享频谱，这可能会对无噪声操作构成威胁。

表1。毫米波频段名称:

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)，以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。假设一辆车以100公里/小时的速度行驶，也就是62.5米/秒。要对迎面而来的障碍做出反应，系统需要毫秒级的延迟。因此，整个决策过程，包括检测和决策，都非常快。

当两辆汽车同时到达一个四向停车点时，右边的汽车应该先通过十字路口。第一辆发生事故的谷歌无人驾驶汽车是在一个四向路口“遵守规则”。另一辆由人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提出了要求。

其中一个正在推出的协议是IEEE 802.11ad，这是一个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推出和发展的强烈支持者。(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所希望的那样取得进展。)

这些新兴技术有几个显著的特征。首先，与2.4/5GHz频段的802.11a/b/g/n相比，传输速度非常快(理论上可达7 Gbps)。其次，传播损耗大，这允许较小密度的WiFi单元。最后，小尺寸允许大量多输入多输出(MIMO)天线阵列(见图5)。这些阵列为非常精确和灵活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。巨型Mimo毫米波天线(佐治亚理工学院)

围绕MIMO的期望有望支撑部分5G，这将依赖于许多小蜂窝。未来的网络拓扑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给EMC带来什么样的挑战呢?

一句话:测量。在过去的几十年里，该仪器已经发展到可以测量到数百GHz。虽然不是实验室生活中的“日常事件”，但我们面临的挑战是，以足够的精度测量场强、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)。

公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，并且通常采用扫频或奇异调制，需要非常耐心和谨慎的方法。在测量这些设备时，有一大堆“怀疑”，因为在50 MHz时合乎常理的东西在50 GHz时就消失了。

一些创新刺激了技术的发展，包括混合器/下转换器设备(Virginia Diodes, Farran等)，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。我们测量到的频率最高的“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，要精确测量发射的能量需要比标准OATS测量更多的时间。

这些非常短的波长给设计和测试带来了很多挑战，因为进行精确测量所需的机械精度。在美国，最常见的排放测量技术体现在ANSI C63程序中，特别是ANSI C63.10用于未授权设备，ANSI C63.26用于已授权设备。目前的商业测试程序通常停止在18 GHz，也就是说，在毫米波区域的测量方法很少，校准和验证技术就更少了。

除了程序之外，天线的使用和校准也存在挑战，由于天线的特征尺寸和波导结构较小，这对符合性测试实验室和测试工程师提出了不同的测量挑战。

最后，毫米波技术的发展提出了关于辐射对人类影响的有趣问题。FCC和其他机构正在寻找方法，以允许使用这些频率和技术，同时仍然保护人类免受暴露，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。

对未来的承诺

工作频率在毫米波区域及以上的扩展是未来三十年无线发展的故事。了解这些挑战并改进最新技术是EMC和无线行业的关键驱动力。