對于速度和無所不在的連接的需求是技術演變到THz技術這場革命的主要驅動 MHz力。十年前，誰會想到現在的世界正在嘗試將數十億臺設備通過互聯網連接在一起，并準備在幾秒內將一部電影下載到智能手機？無線應用已經從點到點演進到廣播系統再到網狀和蜂窩網絡，現在人們正在探索點對點和蜂窩相結合的定向網絡系統。
毫米波是指波長在1到10毫米之間的電磁波，即頻率范圍在30到300GHz之間。毫米波技術的創新應用包括電信、無線通信、汽車、國防和航空航天、成像、安全、醫療和其它工業應用。
然而，對于無線通信和汽車雷達傳感器這兩個增長最快速的應用，毫米波通常是指頻率范圍在24至86GHz之間的多個頻帶。本文重點介紹了該頻率范圍的技術和主要應用。
與較低頻率相比，毫米波頻譜具有許多優點，因為它不會發生阻塞，并且具有10Gbps甚至更高速率的數據傳輸能力。由于其傳輸距離比較短，頻率復用在許多應用中是一大優勢。組件尺寸較小，尤其是天線，也是一大優勢。缺點是，由于較高的傳播損耗，其傳輸距離通常小于較低頻率，而且目前其成本較高。
增長預期毫米波技術市場預計在未來五年內將增長10倍，達到40億美元以上。由于移動數據流量的增長和small cell回程網絡的使用率上升，這一市場的增長正在加速。電信是毫米波技術的最大市場之一，因為它們已被廣泛應用于small cell回程網絡。毫米波回程設備已經是LTE/4G部署不可或缺的一部分。對于5G，總數據速率預計將比現有4G數據速率高出1000倍；因此，將更加需要毫米波頻譜來提供所需的數據速率。與6GHz以下頻譜低于1GHz的可用帶寬相比，24至86GHz頻率范圍有望提供約20GHz的可用帶寬。這使得海量數據傳輸成為可能（圖1）。
圖1 美國無線通信可用的頻段
毫米波商業市場的增長開始于20世紀90年代初期對蜂窩回程的需求。當時，較低頻率（1至18GHz）的遠程無線電中繼鏈路已經使用了很長一段時間，但是快速發展的蜂窩基礎設施需要更高的頻率和更短程的鏈路。這些點對點無線電使用23、 26和38GHz的許可頻段（圖2），輻射范圍不足10公里，使得在快速部署階段得以建立全球移動通信基礎設施。當RF技術發展到MMIC的應用不斷增加時，這些進步就應運而生。最近新增了一些更高的頻率，包括免許可的57至64GHz頻帶和71-76和81-86GHz的lightly licensed頻段，這些頻段提供了更高的帶寬、更大的容量和更小的尺寸，但傳播距離也更短。所有這些頻段目前正用于蜂窩通信基礎設施內外的點到點數字無線電鏈路，提供數Gbps的容量。這一應用主要采用光纖鏈路，但是毫米波鏈路能夠以更低的成本和更快的速度實現這一應用。此外，許多地方由于地形或其它因素，甚至無法使用光纖鏈路。
圖2 德國漢堡微波塔
半導體技術
過去二十年半導體技術的快度發展主要是因為毫米波能夠滿足不斷增長的速度、帶寬和連接需求。 III-V族化合物半導體已經擔起了這個重任，從一開始便用于支持毫米波MMIC。除了在電路功能這一部分繼續發揮作用之外，毫米波通信鋪平了道路，正如這在軍用雷達領域一樣。
CMOS和SiGe技術的進步使得毫米波頻率的使用成本降低到較為合理的水平。過去十年才實現了模擬組件的封裝（用于生成毫米波射頻信號）以及數字硬件的開發（用于處理大量帶寬）。現在使用CMOS和SiGe制造的晶體管具有足夠快的速度，能夠在數百GHz范圍內運行，如表1所示。 SiGe HBT目前廣泛用于許多應用中，因為它速度快、集成度高，但擊穿電壓較低，不過在許多情況下可以通過堆疊來克服這一問題。
圖3 HRL GaN功率放大器MMIC 70至105GHz BAL-WPA
低成本的電路生產工藝使得片上系統（SoC）毫米波無線電成為可能， SoC是指將所有模擬和數字無線電組件完全集成到單個芯片上。對于毫米波通信，半導體行業已準備好生產經濟高效的大眾市場產品。對于需要高度定制性能的小批量應用，屏蔽金屬外殼通常采用基于陶瓷/石英基板的薄膜混合技術和毫米波MMIC，薄膜混合技術常用于濾波器/配電電路。這些應用包括測試設備、衛星通信、回程無線電和軍工航天應用。圖5顯示了使用陶瓷基板和毫米波MMIC的E-Band收發器（無蓋）。
圖5 E頻段收發儀
汽車雷達
歷史
汽車雷達的研發始于20世紀70年代。1989年，在測試了不同頻率的雷達后， WARC（World Administrative Radio Conference）確定了77GHz頻段作為汽車雷達的頻段。但直到1998年，梅賽德斯才率先開發出77GHz的商用產品。 2006年，為了滿足更短距離應用的需求，24GHz雷達誕生了。77GHz雷達主要用于障礙物檢測和自動巡航控制（ACC），而24GHz則用于盲點檢測和車道偏離警告。圖6顯示了汽車雷達發展的時間表。美國國家公路交通安全管理局表示，去年有20家美國汽車制造商達成協議，從2022年9月1日起生產的所有新車將配備自動緊急制動（AEB）系統。由于多年來其成本不斷降低，現在道路上已有數百萬輛汽車配備了雷達傳感器。
圖6 汽車雷達歷史時間表
汽車雷達是先進駕駛輔助系統（ADAS）的關鍵傳感器。其它傳感器包括激光雷達（LiDAR）、超聲波傳感器和攝像頭視覺系統。與雷達相比，今天的LiDAR可以提供更高的分辨率，并可以構建目標的3D圖像。然而，LiDAR的成本非常昂貴，而且在惡劣天氣和夜晚的使用受限，傳播距離也更短。圖7顯示了由各類傳感器組成的典型ADAS系統。
圖7 高級駕駛輔助系統的傳感器
ADAS的快速發展為全自動駕駛車輛的發展鋪平了道路。曾經，ADAS系統或相關組件僅出現在高端豪華車上。但現在，由于技術的演進和成本的降低， ADAS系統也開始出現在中端和經濟型車輛上。消費者對ADAS的需求很高，各國政府正在考慮通過法律，使這種系統成為所有車輛的標配。研究表明， ADAS系統顯著降低了致命事故率，這一結果推動了對雷達傳感器的需求。世界衛生組織稱，每年有超過一百萬人死于交通事故。一旦ADAS系統全面部署，預計這個數字將下降超過50%。
為了降低成本和減小尺寸，汽車制造商希望將多個ADAS功能集成到單個平臺上，以處理來自不同類型傳感器的數據。“傳感器融合”是指將不同傳感器得到的數據組合起來，以提供更高的準確度，相比獨立使用各個傳感器，信息更為全面。傳感器融合，尤其是雷達芯片和成像傳感器（攝像頭）的結合，已經日益普及。
