本文介紹什么是毫米波 (mmWaves)技術(shù)？包括其頻率、傳播特性。與其他低頻技術(shù)相比有何特點(diǎn)？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ㄐ盘?hào)是如何傳播的。 毫米波射頻 (RF) 通信的一個(gè)限制是兩個(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： d是兩個(gè)天線之間的距離，單位為 m λ是波長(zhǎng)，單位為m
從這個(gè)公式可以看出，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?nbsp;以下鏈接為評(píng)估自由空間路徑損耗的免費(fèi)計(jì)算器：https://www./tools/free-space-path-loss-calculator/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。 例如，5 mm (60 GHz) 處的氧峰值。雨水會(huì)增加整個(gè)頻譜的衰減。 更長(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（想想鏡子般的反射）。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。 因此，到達(dá)接收天線的反射能量可能會(huì)更少。因此，毫米波的傳輸非常容易受到障礙物的影響，通常僅限于視線范圍內(nèi)的傳輸。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。 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)用中作為優(yōu)點(diǎn)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
接下來解釋這些優(yōu)點(diǎn)中的每一個(gè)以及它們?nèi)绾卧谀承?yīng)用中被利用。 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 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上、掩模市場(chǎng)消費(fèi)類應(yīng)用，例如 5G NR。 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波接口延遲，以促進(jìn)對(duì)低延遲敏感應(yīng)用的引入和支持。 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)小了三倍以上，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。使用自適應(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、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。 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。 多年來，航空航天雷達(dá)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： 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，了四月毫米波雷達(dá)適用于航空航天應(yīng)用，它也被廣泛用于自動(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。 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、游戲機(jī)等設(shè)備中。將采用毫米波的新興行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括5G和可達(dá)到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，從而在使用更低功率的同時(shí)為更多用戶提供更好的功能。 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)同工作用于高精度掃描，如圖 7 所示。 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。 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)用于新領(lǐng)域，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。
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