释放5G毫米波的潜力（原载于《Microwave Journal》25年8月号）

Rajesh Kumar Manish，MarketsandMarkets

毫米波（mmWave）通常称为超高频或甚高频，其频谱范围介于30至300 GHz之间。其波长范围为1至10毫米。此前毫米波主要应用于军事及卫星通信领域，但该技术正逐步在移动通信和电信应用中崭露头角，包括5G技术。在无线通信领域，毫米波通常指中心频率为38 GHz、60 GHz和94 GHz的频谱段。根据研究机构MarketsandMarkets的数据（如图1所示），受移动数据流量激增、带宽密集型应用需求增长以及小基站回传网络高普及率驱动，2024至2029年间毫米波技术市场预计将实现20.1%的年均增长率。移动通信是毫米波技术最重要的终端应用领域之一，因其在小基站回传网络中广泛应用以保障高速连接。因此毫米波回传设备已成为5G部署的核心组件，有望为未来增长创造机遇。此外，即将推出的5G技术支持的总数据速率预计将分别达到现有3G和4G数据速率的1000倍和100倍。因此，为提升数据传输速率和增强接收信号质量，对毫米波频谱的需求将持续增长。

图1 毫米波技术发展概览。

毫米波技术在各行业的应用日益广泛

毫米波已成为众多行业的首选技术。过去十年间，毫米波技术市场呈现显著增长态势。当前该技术已广泛应用于移动通信、消费电子、商业设备、航空航天、国防、成像设备及工业领域，并存在诸多潜在应用场景。如图2所示，毫米波生态系统涵盖产品制造商、组件供应商、网络基础设施设计商及运营商等多元主体。毫米波产品正涌现于微波供应商市场，但其终端用途与功能特性有别于其他射频产品。此外，毫米波产品与5G连接技术的融合使其适用于广泛应用场景。元器件与产品制造商依托毫米波解决方案供应商的技术支持开发综合解决方案，这些方案通过分销渠道或专业数字产品供应商的线上线下营销渠道进行分发供应。

图2 毫米波技术市场参与者分布图

毫米波市场主要参与者

毫米波频段满足5G增强型移动宽带的高容量需求，提供高容量无线回传解决方案，可有效应对快速增长的基站数量（尤其在人口稠密城区）。随着高速互联网及5G网络需求的激增，毫米波技术在无线回传网络中的应用日益普及。这意味着基站与核心网络间数据传输速率将显著提升，这对支撑5G、虚拟现实及物联网等应用产生的海量数据流量至关重要。

随着全球数据流量拥塞程度加剧，移动网络对毫米波技术的需求预计将显著增长，尤其在宏基站和微基站回传领域。过去三、四年间，全球LTE部署规模持续扩大，而毫米波技术也随之快速普及——因LTE网络密度远高于2G/3G网络。E频段和V频段因能通过单一信道提供高带宽而广泛应用于毫米波回传方案，单个250MHz信道可保障约400Mbps传输速率。随着支持高带宽的设备普及，未来五年无线网络将面临日益严重的拥塞问题。这将推动现有3G/4G技术向5G的迁移。如前所述，5G技术支持的聚合数据速率预计将分别达到现有3G/4G数据速率的1000倍和100倍。

根据爱立信《2023年移动通信报告》，2023年第四季度5G用户数量显著增长，更多5G设备陆续上市。全球超过50家运营商宣布推出商用5G服务。韩国5G用户量呈现爆发式增长，该国所有运营商于2022年4月同步推出商用5G服务。2023年全球5G网络部署加速推进，为大规模普及奠定基础。未来五年，5G用户增长速度预计将远超LTE时代。中国在5G领域的早期布局是关键驱动力。得益于网络基础设施的巨额投入及主要电信运营商的布局，中国有望在亚太5G物联网市场占据重要份额。工业自动化浪潮将加速中国5G网络部署进程，该技术可为大型工业设施提供统一无线接入方案，取代多种短程无线标准，从而最大限度减少障碍物造成的信号干扰。随着制造业等领域5G网络应用的普及，毫米波技术在5G基础设施建设中将迎来重大发展机遇。

人工智能与机器学习的突破

人工智能（AI）与机器学习（ML）作为科技产业两大新兴趋势，持续影响着各行各业。对高数据速率通信的需求以及现有微波频段频谱资源的稀缺性，共同催生了5G技术的诞生。为满足这些需求，具备宽带宽特性的毫米波技术应运而生，旨在提升5G网络的效率与稳定性。在毫米波通信中，通过波束赋形与波束追踪技术实现天线传输信号的聚焦。

通过分析实时流量模式、信号强度及干扰数据，人工智能与机器学习可优化毫米波网络性能。这使得波束赋形、资源分配及网络管理能够动态调整，从而最大化效率与用户体验。在5G毫米波系统中，初始波束选择过程（即在发射端与接收端间寻找合适波束对）耗时较长。人工智能与机器学习技术能在初始接入阶段显著缩短波束选择时间。

太赫兹波

随着5G持续推进，美国联邦通信委员会（FCC）于2019年开启6G未来之门，允许企业开始探索太赫兹（THz）及亚毫米波技术。这些射频频段覆盖95 GHz至3 THz的频谱范围。

相较于毫米波，太赫兹波频率更高，能有效缓解网络拥塞与带宽瓶颈。5G高级版本依赖毫米波频段以超高速传输海量数据并实现极低延迟，从而推动自动驾驶汽车和远程手术等技术里程碑的实现。但毫米波仅适用于短距离传输，需发射端与用户端保持视距，而太赫兹波的传输距离更为有限。然而，若能结合创新网络架构驾驭太赫兹波，或将为6G无线网络应用释放更广阔的容量空间。

毫米波虽在其他射频技术中具备优势，但也存在不足。例如，毫米波无法反射于实体物体表面。树枝、墙壁等障碍物会干扰、吸收传输信号甚至阻断信号。此外，毫米波技术通常比其他常用频率成本更高，这使得小型企业难以采用该技术。目前，移动网络运营商正致力于建设支持毫米波的5G基础设施，包括在开阔地带部署支持毫米波技术的微基站，以及重新设计运行5G网络的设备结构。

毫米波技术覆盖范围有限，迫使电信运营商增加基站数量及配套设备。虽然提升发射功率可扩展覆盖范围，但功率增强将导致能源消耗和辐射量上升。通信塔架占用大量空间，导致大规模森林砍伐，尤其在农村地区。此外，毫米波电路使用的多种材料具有毒性，长期使用可能危害周边环境，包括硅锗（SiGe）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和氮化镓（GaN）等材料。

毫米波虽能释放更多频谱资源，但直至近年仅有少数电子元件能实现毫米波的发射与接收。可用电子元件的缺口导致该频谱长期闲置。生成与接收毫米波本身充满挑战，但传播介质才是更高频段面临的更大难题。其他挑战包括大气及自由空间路径损耗，以及植被穿透性差等问题。毫米波遵循与其他射频频谱相同的物理规律，因此存在与波长相关的局限性——波长越短，在相同功率下传输距离越短。信号特性要保持恒定，不受发射端与接收端天线增益、信号传输过程中的反射、吸收及衍射等因素影响。毫米波、亚毫米波和太赫兹波将继续影响电信及其他行业，从5G发展起步，逐步迈向6G。

氮化镓晶体管

氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）因能同时承受高压与高频运行，成为毫米波应用的可行选择。其应用于毫米波功率放大器时，需采用小于150纳米的栅极长度以抑制短沟道效应。相较传统硅晶体管，该器件在高频领域展现出卓越性能。氮化镓技术的进步对开发高效毫米波功率放大器至关重要，该器件是毫米波系统的核心组件。

随着5G网络的扩展和6G技术的临近，毫米波与太赫兹波技术将成为网络供应商日益关注的焦点。这一发展浪潮将催生新型产品、材料及网络架构，从而实现更高速率与更宽可用带宽。

注：本文用软件翻译经人工快速校对，仅供参考，请以英文原文为准：https://www.microwavejournal.com/articles/44571