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毫米波的特性以及在智能汽车、雷达的运用
2021-07-15

 现如今毫米波雷达、毫米波通信频繁出现在我们的视线之内,尤其是华为在5G上取得骄人的成绩,毫米波技术更是放在台面上。为什么毫米波技术能在5G、智能汽车中起到如此关键的作用?接下来让我们细数毫米波技术的前世今生和毫米波的继往开来。


1、毫米波的特点:


1)是一种典型的视距传输方式


毫米波以直射波的方式在空间进行传播,波束很窄,具有良好的方向性。一方面,由于毫米波受大气吸收和降雨衰落影响严重;另一方面,由于频段高,干扰源很少,所以传播稳定可靠。

2)具有“大气窗口”

 

影响毫米波传播的主要气体是氧分子和水蒸气,这些气体的谐振将会对毫米波频率产生选择性吸收与散射。由氧分子谐振引起的吸收峰出现在60120GHz附近,而由水蒸气谐振引起的吸收峰出现在22183GHz附近,在整个毫米波频段有四个传播衰减相对较小的“大气窗口”,它们的中心频率在35GHz45GHz94GHz140GHz220GHz附近,这些“窗口”对应的带宽分别是16GHz23GHz26GHz70GHz。在这些特殊频段附近,毫米波传播受到的衰减较小,比较适用于点对点通信。

 

3)降雨时衰减严重

 

与微波相比,毫米波信号在恶劣的气候条件下,尤其是降雨时的衰减要大许多,严重影响传播效果。经过研究得出的结论是,毫米波信号降雨时衰减的大小与降雨的瞬时强度、距离长短和雨滴形状密切相关。进一步的验证表明:通常情况下,降雨的瞬时强度越大、距离越远、雨滴越大,所引起的衰减也就越严重。因此,对付降雨衰减*有效的办法是在进行毫米波通信系统或通信线路设计时,留出足够的电平衰减余量。

 

4)对沙尘和烟雾具有很强的穿透能力

 

激光和红外对沙尘和烟雾的穿透力很差,而毫米波在这点上具有明显优势。大量现场试验结果表明, 毫米波对于沙尘和烟雾具有很强的穿透力,几乎能无衰减地通过沙尘和烟雾。甚至在有爆炸和金属箔条产生的较高强度散射的条件下,即使出现衰落也是短期的,很快就会恢复。随着离子的扩散和降落,不会引起毫米波信号的严重中断。

 

2、毫米波的优点:

 

1)极宽的带宽

 

通常认为毫米波频率范围为26.5300GHz,带宽高达273.5GHz,超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收,在大气中传播时只能使用四个主要窗口,但这四个窗口的总带宽也可达135GHz,为微波以下各波段带宽之和的5倍。这在频率资源紧张的今天无疑**吸引力。

 

2)波束窄

 

在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个12cm的天线,在9.4GHz时波束宽度为18度,而94GHz时波速宽度仅1.8度。因此能分辨相距更近的小目标或更为清晰地观察目标的细节。

 

3)探测能力强

 

可以利用宽带广谱能力来抑制多径效应和杂乱回波。有大量频率可供使用,有效的消除相互干扰。在目标径向速度下可以获得较大的多谱勒频移,从而提高对低速运动物体或振动物体的探测和识别能力。

 

4)安全保密好

 

毫米波通信的这个优点来自两个方面:

 

a)由于毫米波在大气中传播受氧气、水气和降雨的吸收衰减很大,点对点的直通距离很短,超过这个距离信号就会变得十分微弱,这就增加了敌方进行窃听和干扰的难度。

 

b)毫米波的波束很窄,且副瓣低,这又进一步降低了其被截获的概率。

 

5)传输质量高

 

由于频段高,毫米波通信基本上没有什么干扰源,电磁频谱极为干净,因此,毫米波信道非常稳定可靠,其误码率可长时间保持在10-12量级,可与光缆的传输质量相媲美。

 

6)全天候通信

 

毫米波对降雨、沙尘、烟雾和等离子的穿透能力却要比大气激光和红外强得多。这就使得毫米波通信具有较好的全天候通信能力,保证持续可靠地工作。

 

7)元件尺寸小

 

和微波相比,毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化,降低产品的重量。

 

3、与微波、红外、可见光、激光的特性对比:

 

与微波相比,毫米波受恶劣气候条件影响大,但分辨力高,结构轻小,便于装载;与红外和可见光比,毫米波系统虽没有那样高的分辨力,但通过烟雾灰尘的传输特性好;与激光相比,毫米波的传播受气候的影响要小得多,可以认为具有全天候特点。毫米波汽车雷达:我是你的眼

 毫米波智能汽车

随着汽车智能化的发展,由于车用毫米波雷达具有探测距离远、带宽长、天线小、集成度高,探测性能稳定,不受探测对象表面形状和颜色影响,不受大气流的影响等优点,以及环境适应性能好的特点,已经成为汽车碰撞预警、自适应巡航、主动安全(ADAS)乃至自动驾驶技术中不可获缺的重要装备。从而通过ADAS或驾驶辅助等功能来避免绝大多数的人为操作失误。

 

我国是全球*大汽车生产和消费国家,2015年中国汽车市场已经达到了1.7亿辆的保有量(其中私家车有1.25亿辆),并且今后将按每年近2000万辆的增速快速发展。中国汽车市场占全球汽车销量30%以上,但ADAS份额却显著低于30%。随着消费结构升级和中产阶级购车需求的增加,未来基于毫米波雷达的ADAS需求量呈现爆发式增长。

毫米波雷达

汽车毫米波雷达是汽车主动安全(ADAS)产品的关键核心部件,目前车载雷达的频率主要分为24GHz频段和77GHz频率。严格来说77GHz的雷达才属于毫米波雷达,但是实际上24GHz的雷达也被称为毫米波雷达。

 

值得一提的是,77GHz毫米波雷达能够在全天候场景下快速感知0-300米范围内周边环境物体距离、速度、方位角等信息。在发展过程中,低成本、小型化、高集成度已成为毫米波雷达的重要指标,而毫米波技术也与半导体工业发展息息相关。“早期CMOS工艺并不能实现超高频率,近些年才能实现超高频率”。


毫米波雷达相对于单眼或立体摄像头和红外雷达的测量距离更长,且不受白天黑夜的影响,并且毫米波雷达在恶劣天气状况下的表现也相对更优。但,在目前的技术条件下,毫米波雷达对行人以及自行车等较小障碍物的探测能力还比较弱。这种现象在中国将更加突出,由于3mm以上频段可以克服上述的缺陷,所以后期随着技术的发展及工艺的成熟,存在着向更高的频段如3mm频段延伸的可能。


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