毫米波元件的最新技术进展

很久以来，毫米波元件与技术一直与辐射测量和安全的点到点通信有着紧密的联系。但随着产生和检测频率在30GHz以上信号的方法变得越来越实用，毫米波元件和子系统的使用正变得越来越广泛。电磁仿真软件工具的测量能力提高和功能增强因此也有了保障。由于设计和测量方法变得愈加高效，毫米波设计的成本效益越来越高，被许多人考虑作为各种应用的解决方案，覆盖了从汽车巡航控制系统和机场威胁检测成像系统到高数据速率的个人区域网(PAN)通信设备的广大范围。

毫米波频率范围一般被认为从30GHz至300GHz，波长约1mm至10mm。由于波长很短，因此电路尺寸和结构相应的非常精细，加工难度通常比较大。虽然同轴电缆和连接器的生产已经有了很大的改进，同轴线可以支持毫米波范围的频率(一般约70GHz)，但大多数更高毫米波频率选择的传输线是波导管，由于其管道状的外观，波导管经常被人称为“管道系统”。波导管有许多种形式，包括矩形和圆形，具体尺寸还与频率和波长有关，当频率提高到100GHz以上时尺寸就非常微小了。

尽管在加工(和测试)包括天线和波导管在内的毫米波元件时历来存在很大的困难，但可用带宽对许多通信应用来说非常有吸引力。例如，随着最新无线通信网络(包括使用长期演进(LTE)和WiMAX技术的第4代(4G)蜂窝系统)的服务提供商努力迎合用户对传送大量数据的增长性需求，他们在从一个蜂窝站点到另一个蜂窝站点的回传连接中越来越多地面对临“数据阻塞”。这些连接中有些还是用很长的电缆或光纤等传统方法来实现的。

但微波射频，特别是在免许可的60GHz频段的微波射频是金属电缆或光纤的一种极具吸引力的替代品。在美国，这个免许可频段范围从57GHz到64GHz，日本则扩展为59GHz至66GHz，或5GHz的重叠频谱。这个带宽支持高达1Gb/s的数据速率。另外，许多毫米波频段(如60GHz)具有大气衰减特征，因此使用这些频段进行通信几乎不可能被窃听，可以非常安全地传输敏感数据。

还在几年前，使用这些频率进行视距范围的短距离通信在经济上还是不可行的。但随着毫米波频率构建模块集成电路(IC)的发展，特别是基于硅的IC技术(如硅锗(SiGe)或硅CMOS器件)的成熟，开发出用于60GHz通信链路以及用于汽车应用的77GHz自适应巡航控制系统、用于经许可的E频段点到点通信(71GHz至76GHz和81GHz至86GHz)、用于94GHz成像与数据通信系统的价格合理的毫米波元件已经成为可能。

例如，为了使射频设备的价格更加便宜，Vubiq公司采用IBM提供的硅锗(SiGe)毫米波IC开发出了低成本、高数据速率、工作在60GHz的回传射频设备。这家公司创建了一种独特的专利待批中的WR-15波导封装，其中集成了射频器件、嵌入式时钟、中频(IF)电子元件和支撑元件。

ELVA-1公司的毫米波事业部位于俄罗斯圣彼得堡，该公司从1993年就开始设计和制造毫米波元件、子系统和测试设备，这些产品主要用于挑选出来的大气吸收频段(如42GHz、70GHz和80GHz以及94GHz)，因而支持安全的通信。作为俄罗斯最大的毫米波硬件提供商，ELVA-1提供工作于71GHz至76GHz、81GHz至86GHz以及92GHz至95GHz频段而且经过认证的射频设备。这些射频设备使用复杂的调制技术支持全双工通信，容量高达1.25Gb/s，这些调制技术包括正交相移键控(QPSK)和正交幅度调制(QAM)。

回传射频设备供应商Exalt Communications和Bridgewave Communications分别提供工作在42GHz和60GHz许可和免许可毫米波频段的回传射频设备。Exalt公司的ExtremeAir室外射频设备工作在42GHz许可频段，工作距离可达24英里。Bridgewave公司的产品工作在60GHz和80GHz频段，非常适合更短距离的连接。

对于那些从元件级往上设计毫米波系统的公司来说，有大量的可靠性元件供应商可提供组装射频收发机或检测系统所需的无源和有源元件，例如Aerowave、Ducommun、Endwave、Herley Defense Electronics、Microsemi、Millitech、QuinStar Technology和Spacek Labs。就拿Spacek公司来说，该公司能够同时提供有源和无源毫米波元件，包括放大器、滤波器、混频器和频率高达110GHz的耿氏(Gunn)振荡器。为了帮助设计工程师的工作，Aerowave公司的Paul Chorney提供了多种计算器(excel电子表格)，对于处于毫米波频率的波导设计来说，这种计算器非常有用。同样，Ducommun公司在其网站上发布了多个参考设计，包括矩形和圆形波导管、法兰类型以及转换图表。

开发价格合理的毫米波器件解决方案的关键之一是设计适合这些频率的价格合理的封装，而Endwave公司已经成功地将传统表贴封装应用于毫米波应用。这家公司是高频单片微波集成电路(MMIC)和一体化发送/接收模块的领先供应商，对性能增强的高频封装存在内部需求。通过对四方扁平无引线(QFN)封装重新进行工程设计，Endwave的设计工程师能够将有效的上限频率从25GHz翻倍提升至50GHz。

虽然通信链路为毫米波技术提供了最有前途的机会，但毫米波技术也能应用于其它重要的市场领域，包括反恐战争。例如，Millivision公司已经在毫米波技术基础上开发出无源威胁检测系统。这些系统不产生电磁波，但能够使用无源毫米波传感器检测生物体发出的射频信号。这些传感器与关联的视频摄像机一起用于检测某一方面的目标。这家公司的自动威胁检测(ATD)工具可将检测到的信号合并到实时视频图像中，因此不需要直接观察毫米波信号本身。这些系统可以分辨出每一面尺寸小于2英寸的物体。

针对研究项目，SynView公司在太赫兹频率(100GHz至10THz)成像基础上开发出了一种三维(3D)成像系统。像纸张、塑料和合成品等许多材料对于太赫兹辐射来说是透明的，这使得看清密闭容器的内部成为可能(非常类似X光辐射)。

最后，为了使商用测试设备(如信号发生器、频谱分析仪和VNA)适应毫米波元件的频率范围以用于测量目的，许多公司提供了测量配件(如复用器和VNA扩展器)，例如Millitech、OML和Virginia Diodes等公司。OML打算将VNA模块的频率范围一直扩展到500GHz，而Virginia Diodes公司已经能够提供工作在750GHz至1050GHz频段的VNA扩展器。