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闲谈毫米波
作者:阿果 来源:井底望天财经周报
         过去的一段时间中,比较高调进入毫米波领域的有谷歌:
       “在2015 年的Google I/O 大会上,Google 向外界展示了名为Project Soli 的“基于60GHz 毫米波技术打造创新手势互动体验”项目。Google 这一创新正是利用了60GHz毫米波的高速率传播特点,令人脑洞大开。
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         Project Soli 目前仍处于初期发展阶段,未来如何发展不得而知。
         笔者想说的是随着微波射频技术的不断发展,包括毫米波在内的高频技术正成为炙手可热的技术,在5G 通信、汽车和直升飞机的自动驾驶、雷达、遥感、激光光谱、射电天文学、宇航通信、军事航天、极高频卫星通信系统等领域都将是不可或缺的。
         高频段的发展在民用领域主要表现在三个方面。
         一方面,为了实现下一代5G 通信,60GHz 毫米波的研究成为世界各国瞩目的研究项目。高频段毫米波移动通信可以提供足够量的可用带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益等优势,V 波段(57-64GHz)、E 波段(71-76GHz,81-86GHz)备受瞩目。
        另一方面,来自基于60GHz 频段的802.11ad。与2.4GHz 和5GHz 两种频段相比,802.11ad具有更宽的信道来实现高达7Gbps 的传输速率,以支持各类先进的应用。目前英特尔、高通、SiBEAM等都推出了集成802.11ad 的芯片组。
        第三方面,来自基于高频雷达的汽车辅助驾驶。随着智能汽车、无人驾驶技术的发展,未来高频雷达技术在汽车驾驶上将成为最核心的传感技术之一,将带动从材料、芯片、天线、测试测量、系统集成等相关配套产业链的发展。
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         上面的话提到的技术,5G、手势互动,无人驾驶的汽车雷达,核心都是一个词——毫米波技术。加之上一次编辑让我聊聊有关行业的话题,那我就给大家介绍一下毫米波技术。毫米波技术主要分为几个方面:
         首先是毫米波应用,其次是毫米波测试设备、最后是毫米波芯片。
         先说说毫米波应用。毕竟国内大家关注还是以偏民用应用为主。军事应用和我们还是相对较远。毫米波技术应用其实在上世80-90 年代就已经是研究的热点。但那时候的研究主要是军事领域,频段也通常集中在3mm,6mm 和8mm 三个频段附近。当时毫米波在民用领域的应用是比较少的,主要原因一个是成本高,第二个原因是技术复杂。电子相关专业的工程师都知道,射频电路设计难度往往要比数字电路难得多,而毫米波电路的设计难度又高于普通微波电路,因此其难度可想而知。但是毫米波技术又有很多独特的好处,首先,作为通信系统使用,其可用带宽远高于微波和射频频段;作为雷达,由于其波长很短,因此具有很高的分辨率。因此成像效果往往很不错。
        正是由于毫米波有这么多的优点,因此现在受到大家的普遍关注。
        首先就是新一代通信系统-5G 系统。
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         5G 系统的核心技术之一就是毫米波技术。由于毫米波波长短,因此发射和接收模块可以做的非常小,集成度也容易做的很高,特别适合使用MIMO 架构,因此特别利于实现容量扩展。此外由于波长短,因此毫米波通信的方向性特别好,有利于做3D 波束成型技术的实现,就是天线可以实时跟踪不同的用户。当然,毫米波用于局域网内的宽带通信也是研究的热点。
        除通信外,另一毫米波的主要应用场景就是汽车雷达。
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          这个是德国和日本的强项。典型的就有博世公司、大陆集团。
          需要说明的是,目前德国的毫米波雷达主要集中在24GHz 和66GHz,但是在国内,据说是由于刚刚开放相关频谱资源的原因。主要的研究工作集中在24GHz,66GHz的研究还比较少。目前国内的工作主要是使用英飞凌和TI 这类半导体厂商的芯片为基础来开发设计产品。总的来说,目前的应用技术和德国等发达国家相比还是有一定差距,并且大多数公司规模也比较小,但是差距通常不大。据笔者知道,有些团队的技术实力还是很不错的,产品的性能也相当不错。
          最后一个比较热的方向就是利用毫米波做手势识别,典型的就是Google 做的这个东西。
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        其实用毫米波做这个技术的研究已经有好几年了,至少3 年前我记得MIT 的一个教授就在从事这个方向的研究。这个技术的基本工作原理还是和传统的毫米波雷达的工作原理基本一样。结合全新的数字信号处理算法,并用于新的方向,目前来看,在游戏领域的应用应该还是比较有前途的。国内是否有团队从事该方向的研究就不是太清楚。
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        毫米波的测试设备,就笔者所知,基本被欧美的厂商(其实就是传统的K公司和R公司)所垄断,国内的仪表产品据说性能一直比国外产品有较大差距。甚至在高频段就没有相关的产品。这个方向,国内和国外在技术上确实是有一代到两代的差距。
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        毫米波芯片主要有两个方向,第一个是IC 厂商。第二个是工艺。这两个应该是半导体行业的同学来介绍,我简单说一下我了解的情况,供大家参考。其中,国内能做真正意义上的MMIC 产品的可能只有极少数的研究所,其产品估计也只是供军方使用,民品基本被国外产品垄断。需要说明的是,毫米波芯片是受巴统管制的,因此很多产品的渠道是不合法的,这个估计做芯片代理的兄弟都清楚。国内的追赶工作还是比较艰巨。再说说工艺,以前毫米波主要是基于GaAs工艺,但目前有被GaN/SiC的工艺有取代的趋势。据说国内军方的SiC的工业不错,但笔者没有见识过,不发表言论。不过国内近几年对GaN的研究和投入都很大,因此我倒觉得在这个方向实现技术突破的可能性要大一些。当然相关具体的细节还是有半导体行业的同学介绍比较合适。
       最后说说目前的毫米波的国内研究现状。由于之前的毫米波技术主要用于军方,因此国内主要的毫米波研究实力集中在相关研究所,比如14 所,54 所,29所,10 所。相关高校也有一些团队从事毫米波技术研究。但是由于毫米波技术本身的难度,特别是工程化的难度,因此相关高校的研究偏理论和技术验证较多,而偏实际产品(毫米波产品)开发的能力较弱,这点比不上研究所和相关公司(实际上国内毫米波公司大多数都是研究所的研究人员出来的创业行为)。当然,如果产品的关键技术是算法,那高校应该还是很有优势的。
 

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