毫米波在現實中的應用越來越多，往期文章中，小編對毫米波也有所介紹。本文對于毫米波的講解將基于兩點：1.毫米波通信技術挑戰有哪些，2.毫米波終端技術如何實現。

    一、毫米波通信主要技術挑戰

    1.應用場景

    毫米波通信應用包括毫米波波導通信、地面通信和衛星通信、軍事通信，且以無線地面通信和衛星通信為主。

    與5G通信相關。根據3GPPTR38.913定義，與高頻段應用相關的幾個場景分別為：室內熱點、密集城區、宏覆蓋、高速鐵路接入與回傳以及衛星擴展到地面。

    2.關鍵技術

    毫米波通信主要技術挑戰包括：毫米波射頻器件、毫米波天線、超寬帶低復雜度信號處理、空間信道模型以及網絡組網架構和空口的優化、空口與高頻段組合技術。

    重點講5G毫米波通信。

    3.系統架構

    5G毫米波基站硬件由基帶模塊、中頻模塊和毫米波模塊單元等幾個部分構成

    基帶模塊：實現5G基帶處理、數字域波束賦形、基站傳輸等功能，由CU、DU和RU中的數字邏輯共同實現，在電路設計方面通常使用CPU+DSP+FPGA的架構，或者采用專用SOC芯片進行基帶處理，同時還需要IP交換芯片、傳輸接口等電路。

    中頻模塊和毫米波模塊：位于RU單元，包括數字前端(DFE)、模擬/數字轉換電路、毫米波混頻器、模擬域波束賦形和天線陣，包含用于基帶處理和DFE功能的FPGA或SOC芯片，時鐘系統、數模轉換ADC、DAC、毫米波電路以及天線陣等。

    4.通信頻段必然向毫米波方向延伸

    ?隨著高容量、高速率、低時延業務發展，通信頻段必然向毫米波方向延伸;

    ?5G移動通信的基本架構將采是低頻段+毫米波頻段相結合的通信方式;

    ?5G毫米波通信主要應用場景解決熱點流量問題，毫米波基站體積更小，便于隱蔽安裝;適合光纖不易接入或成本過高的地區，采用CPE終端掛墻或靠窗安裝;毫米波與MEC、AI技術結合，適合于園區組網方案;構建智慧工廠、智慧園區、智慧碼頭等控制類智慧應用。

    二、毫米波終端技術

    毫米波頻段頻率高、帶寬大等特點將對未來5G終端的實現帶來諸多挑戰，毫米波對終端的影響主要在于天線及射頻前端器件。

    2.1 終端側大規模天線陣列

    由于天線尺寸的限制，在低頻段大規模天線陣列只能在基站側使用。但隨著頻率的上升，在毫米波段，單個天線的尺寸可縮短至毫米級別，在終端側布置更多的天線成為可能。如下圖1所示，目前大多數LTE終端只部署了兩根天線，但未來5G毫米波終端的天線數可達到16根甚至更多，所有的天線將集成為一個毫米波天線模塊。由于毫米波的自由空間路損更大，氣衰、雨衰等特性都不如低頻段，毫米波的覆蓋將受到嚴重的影響。終端側使用大規模天線陣列可獲得更多的分集增益，提高毫米波終端的接收和發射性能，能夠在一定程度彌補毫米波覆蓋不足的缺點，終端側大規模天線陣列將會是毫米波得以商用的關鍵因素之一。

    圖1：LTE終端與毫米波終端天線設想

    終端部署更多的天線意味著終端設計難度的上升，與基站側部署大規模天線陣列不同，終端側的大規模天線陣列受終端尺寸、終端功耗的制約，其實現難度將大大增加，目前只能在固定終端上實現大規模天線陣列的布置。移動終端的大規模天線陣列設計面臨諸多挑戰，包括天線陣列校準，天線單元間的相互耦合以及功耗控制等。

    2.2 毫米波射頻前端器件

    射頻前端器件包括了功率放大器、開關、濾波器、雙工器、低噪聲放大器等，其中功率放大器是最為核心的器件，其性能直接決定了終端的通信距離、信號質量及待機時間。目前制造支持低頻段的射頻前端器件的材料多為砷化鎵、CMOS和硅鍺。但由于毫米波段與低頻段差異較大，低頻射頻前端器件的制造材料在物理特性上將很難滿足毫米波射頻前端器件的要求。

    以功率放大器為例，目前主流的功率放大器制造材料為砷化鎵，但在毫米波頻段，氮化鎵及InP的制造工藝在性能指標上均要強于砷化鎵。下表所示為從低頻到毫米波段主要的射頻前端器件制造工藝上的發展方向。

    另外，毫米波頻段大帶寬的特點對射頻前端器件的提出了更高的要求，未來毫米波終端的射頻前端器件將可能需支持1GHz以上的連續帶寬。

   雖然氮化鎵被認為是未來毫米波終端射頻的主流制造工藝，但由于成本、產能等因素，基于氮化鎵工藝的高性能射頻前端器件多用于軍工和基站等特殊場景。毫米波射頻前端技術的發展將會成為毫米波終端實現的關鍵，預計到今年之后，毫米波移動終端射頻器件的技術和成本才可能達到大規模商用的要求。