本文介紹了毫米波 (mmWaves)，包括其頻率、傳播特性以及常見應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。

一、什么是毫米波？

顧名思義，毫米波是波長(zhǎng) (λ) 約為 1 毫米（更準(zhǔn)確地說是 1 至 10 毫米）的電磁波。使用公式 f = c/λ 將該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為頻率，其中c是光速 (3 x 10^8^ m/s)，得出的頻率范圍為 30-300 GHz。毫米波頻段被國(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU) 指定為“極高頻”(EHF) 頻段。術(shù)語“毫米波”也經(jīng)?？s寫為“mmWave”。

圖 1 包括利用毫米波頻譜的應(yīng)用示例，還展示了毫米波頻譜相對(duì)于其他電磁頻段的位置。

圖 1.毫米波頻譜概覽。圖片由ADI 公司提供

現(xiàn)在我們已經(jīng)有了基本的定義，讓我們來談?wù)労撩撞?a target="_blank">信號(hào)是如何傳播的。

二、毫米波傳播

毫米波信號(hào)傳播的特點(diǎn)是：

• 高自由空間路徑損耗（High free space path loss）
• 顯著的大氣衰減（Significant atmospheric attenuation）
• 漫反射（Diffuse reflections）
• 穿透深度有限（Limited penetration depth）

以下小節(jié)將更詳細(xì)地研究這四種傳播特性中的每一種。

自由空間路徑損耗

毫米波射頻 (RF) 通信的一個(gè)限制是用于兩個(gè)天線之間直接視距通信的自由空間路徑損耗 (FSPL)。FSPL 與波長(zhǎng)的平方成反比，由以下等式給出：

這兒

• *d *是兩個(gè)天線之間的距離，單位為 m
• *λ *是以 m 為單位的波長(zhǎng)。

從這個(gè)方程可以看出，波長(zhǎng)減少 10 倍會(huì)導(dǎo)致自由空間路徑損耗增加 100 倍。因此，毫米波長(zhǎng)處的衰減比更傳統(tǒng)的通信頻率（如 FM 無線電或 Wi-Fi）的衰減高許多數(shù)量級(jí)。

在射頻通信計(jì)算中，這個(gè)損耗方程通常被轉(zhuǎn)換為以 dB 為單位的結(jié)果，頻率以 GHz 為單位，距離以公里為單位。經(jīng)過這種轉(zhuǎn)換，等式變?yōu)椋?/p>

FSPL(dB)=20?log10(d)+20?log10(f)+92.45

此處提供了用于評(píng)估自由空間路徑損耗的免費(fèi)計(jì)算器。

大氣衰減

毫米波傳輸?shù)牧硪粋€(gè)缺點(diǎn)是大氣衰減。在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)，大氣氣體（主要是氧氣 (O2) 和水蒸氣 (H2O) 分子）的存在會(huì)導(dǎo)致額外衰減。

從圖 2 中可以看出，某些頻段的大氣衰減可能非常嚴(yán)重。

圖 2.頻率和海拔的大氣衰減。圖片由5G 美洲提供

例如，5 mm (60 GHz) 處的氧峰值。雨會(huì)增加整個(gè)頻譜的衰減。

漫反射

較長(zhǎng)的波長(zhǎng)通常依賴于直接（鏡面）反射功率來幫助繞過障礙物（類似鏡子般的反射）。然而，許多表面對(duì)毫米波來說顯得“粗糙”，這會(huì)導(dǎo)致漫反射，將能量發(fā)送到許多不同的方向。這可以在圖 3 中看到。

圖 3.漫反射和鏡面反射。圖片由Hermary 提供

因此，較少的反射能量可能到達(dá)接收天線。因此，毫米波傳輸非常容易受到障礙物的遮擋，并且通常僅限于視線傳輸。

有限的滲透

由于波長(zhǎng)較短，毫米波不能深入或穿透大多數(shù)材料。例如，一項(xiàng)對(duì)常見建筑材料的研究發(fā)現(xiàn)，衰減范圍約為 1 至 6 dB/cm，70 GHz 下穿過磚墻的穿透損耗可能是 1 GHz 下的五倍。在戶外，樹葉也會(huì)阻擋大多數(shù)毫米波。因此，大多數(shù)毫米波通信僅限于視距操作。

三、毫米波頻率的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于許多應(yīng)用，毫米波信號(hào)的自由空間路徑損耗、大氣衰減、漫反射和有限的穿透是有害的。然而，事實(shí)證明，這些特性也可以在某些應(yīng)用程序中作為好處加以利用。毫米波的優(yōu)點(diǎn)包括：

• 寬帶寬
• 高數(shù)據(jù)速率
• 低延遲
• 小天線
• 范圍有限
• 有限的反射
• 有限的滲透
• 提高分辨率

這些優(yōu)點(diǎn)中的每一個(gè)以及它們?nèi)绾卧谀承?yīng)用程序中被利用將在以下小節(jié)中解釋。

寬帶寬和高數(shù)據(jù)速率

對(duì)于通信應(yīng)用，寬帶寬意味著更高的峰值數(shù)據(jù)速率。這可能意味著能夠以給定的數(shù)據(jù)速率處理更多的同時(shí)通信通道，或者在單次通信中發(fā)送更多數(shù)據(jù)。低頻頻譜被大量使用，因此不能提供這些理想的寬帶寬。

例如，3GPP 的 5G 新無線電 (NR) 規(guī)范分配的最大信道帶寬在 6 GHz 以下僅為 100 MHz，而在 24 GHz 以上的頻段中則高達(dá) 400 MHz。隨著這些 5G 規(guī)范的不斷發(fā)展，一些團(tuán)體正在游說在毫米波頻譜中進(jìn)行更廣泛的帶寬分配。

正是由于這些寬帶寬和高數(shù)據(jù)速率，毫米波長(zhǎng)期以來一直用于 27.5 GHz 和 31 GHz 的衛(wèi)星通信。包括碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 在內(nèi)的高頻電路技術(shù)的進(jìn)步以及相關(guān)的較低制造成本正在將毫米波通信帶入地面、掩模市場(chǎng)消費(fèi)類應(yīng)用，例如 5G NR。

低延遲

通信網(wǎng)絡(luò)中的延遲有多種含義。對(duì)于單向通信，延遲是從源發(fā)送數(shù)據(jù)包到目的地接收相同數(shù)據(jù)包的時(shí)間。毫米波的更高頻率意味著可以在更短的時(shí)間內(nèi)傳輸更多數(shù)據(jù)。因此，對(duì)于固定的數(shù)據(jù)包大小，高頻系統(tǒng)將比低頻系統(tǒng)具有更低的延遲。

低延遲對(duì)于許多對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用很重要，包括工業(yè)自動(dòng)化、無線增強(qiáng)或虛擬現(xiàn)實(shí)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。毫米波的寬帶寬可實(shí)現(xiàn)更短的傳輸時(shí)間間隔和更低的無線電接口延遲，以促進(jìn)對(duì)低延遲敏感的應(yīng)用的引入和支持。

小天線

毫米波最重要的優(yōu)勢(shì)之一是較小的天線，并且能夠在陣列中使用大量這些較小的天線元件來實(shí)現(xiàn)波束成形。例如，汽車?yán)走_(dá)正在從 24 GHz 過渡到 77 GHz。波長(zhǎng)小三倍以上，因此天線陣列面積可以小九倍以上，如圖 4 所示。

圖 4. 24 GHz 和 77 GHz 的相對(duì)天線陣列尺寸。圖片由德州儀器提供

非常小的天線元件的大型陣列也將用于毫米波通信系統(tǒng)，如 5G。波束成形可以將輻射功率集中到個(gè)人用戶，以獲得更高質(zhì)量的信號(hào)和更遠(yuǎn)距離的通信。通過自適應(yīng)波束成形，波束甚至可以作為用戶數(shù)量及其相對(duì)于發(fā)射天線的位置的函數(shù)而動(dòng)態(tài)改變。

有限的范圍、反射和穿透

有限的范圍、漫反射和有限的穿透深度實(shí)際上可以為電信帶來好處。正在利用這些特性來允許許多小小區(qū)彼此非?？拷皇芨蓴_。這提供了頻譜的空間重用，因此允許在一個(gè)區(qū)域中支持更多的高帶寬消費(fèi)者。

提高分辨率

在雷達(dá)應(yīng)用中，毫米波信號(hào)的更高頻率和更大帶寬支持更準(zhǔn)確的距離測(cè)量、更準(zhǔn)確的速度測(cè)量以及分辨兩個(gè)相距很近的物體的能力。

四、毫米波技術(shù)的應(yīng)用

雷達(dá)

多年來，航空航天雷達(dá)應(yīng)用是毫米波技術(shù)的主要應(yīng)用。寬帶寬非常適合確定與物體的距離、分辨距離較近的兩個(gè)遠(yuǎn)距離物體以及測(cè)量與目標(biāo)的相對(duì)速度。

例如，假設(shè)兩個(gè)物體直接相互靠近或遠(yuǎn)離，在最基本的形式中，多普勒頻移 (Δf) 由下式給出：

Δf=(2?Vrel)λ

這兒

• *Vrel *是相對(duì)速度 (m/s)
• λ 是波長(zhǎng) (m)

由于波長(zhǎng)越短（如毫米波），頻移越大，因此更容易測(cè)量產(chǎn)生的頻移。使用更小的多單元天線和自適應(yīng)波束成形的能力也使毫米波成為雷達(dá)應(yīng)用的理想選擇。

出于同樣的原因，毫米波雷達(dá)適用于航空航天應(yīng)用，它被廣泛用于自動(dòng)車輛應(yīng)用，包括緊急制動(dòng)、自適應(yīng)巡航控制 (ACC) 和盲點(diǎn)檢測(cè)（如圖 5 所示）。

圖 5.毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛汽車中的應(yīng)用。圖片由羅德與施瓦茨公司提供

快速準(zhǔn)確地測(cè)量距離和相對(duì)速度的能力對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車的運(yùn)行顯然很重要。

電信

由于寬帶、低延遲、小天線和多天線陣列波束成形，衛(wèi)星系統(tǒng)長(zhǎng)期以來一直使用毫米波進(jìn)行通信。這些相同的特性正在推動(dòng)許多地面電信網(wǎng)絡(luò)采用毫米波。

例如，由于帶寬增加，毫米波可以支持超高清（UHD）視頻的無線傳輸。此外，較小的天線支持集成到智能手機(jī)、數(shù)字機(jī)頂盒、游戲站等設(shè)備中。將采用毫米波的新興行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括 5G 和用于 Gb/s 數(shù)據(jù)速率的 IEEE 802.11ad WiGig。

特別是在室內(nèi)和城市環(huán)境中，毫米波的空間重用和自適應(yīng)波束成形將能夠向大量用戶提供高帶寬通信，如圖 6 所示。

圖 6.支持固定和移動(dòng)用戶的自適應(yīng)波束成形。圖片由富士通通過 Phys.org 提供

大規(guī)模 MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)空間分集、空間復(fù)用和波束成形，以在使用更低功率的同時(shí)為更多用戶提供更好的功能。

安全掃描儀

毫米波也用于人體安全掃描儀。數(shù)以千計(jì)的發(fā)射和接收天線協(xié)同工作以高精度掃描，如圖 7 所示。

圖 7.毫米波人體掃描儀系統(tǒng)。圖片由羅德與施瓦茨公司提供

這些系統(tǒng)以 70 GHz 至 80 GHz 的頻率范圍進(jìn)行傳輸，并且僅發(fā)射大約 1 mW 的功率。毫米波穿過大多數(shù)衣服并從皮膚和其他表面反射回接收天線。接收到的信號(hào)可用于創(chuàng)建個(gè)人的詳細(xì)圖像并揭示隱藏在衣服下的物品。毫米波的低功率和有限的穿透深度提供了更高的安全性。

五、毫米波的其他應(yīng)用

這些只是毫米波技術(shù)眾多應(yīng)用中的一小部分。已經(jīng)提出或?qū)嵤┑钠渌麘?yīng)用包括但肯定不限于：

• 射電天文學(xué)
• 土壤水分評(píng)價(jià)
• 積雪測(cè)量
• 冰山位置
• 補(bǔ)充惡劣天氣下的光學(xué)檢測(cè)
• 天氣地圖
• 測(cè)量風(fēng)速
• 醫(yī)療

總結(jié)

毫米波長(zhǎng)期以來一直用于雷達(dá)應(yīng)用，并且越來越多地應(yīng)用于新應(yīng)用，其中最突出的是高數(shù)據(jù)速率電信。短波長(zhǎng)和獨(dú)特的傳播特性為在這些領(lǐng)域工作的設(shè)計(jì)工程師提供了挑戰(zhàn)和機(jī)遇。