什么是毫米波？

顧名思義，毫米波是波長 (λ) 約為 1 毫米（更準(zhǔn)確地說是 1 至 10 毫米）的電磁波。使用方程式f = c /λ 將該波長轉(zhuǎn)換為頻率，其中c是光速 (3 x 10 8 m/s)，得出 30-300 GHz 的頻率范圍。國際電信聯(lián)盟 (ITU) 將毫米波頻段指定為“極高頻”(EHF) 頻段。術(shù)語“毫米波”也經(jīng)常簡稱為“mmWave”。

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

 

圖 1.毫米波頻譜概覽。圖片由Analog Devices提供

 

現(xiàn)在我們有了基本的定義，讓我們來談?wù)労撩撞ㄐ盘柺侨绾蝹鞑サ摹?/p>

 

毫米波傳播

毫米波信號傳播的特點是：

 

 

• 高自由空間路徑損耗
• 明顯的大氣衰減
• 漫反射
• 穿透深度有限

以下小節(jié)將更詳細(xì)地檢查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) 通信的一個限制是兩個天線之間直接視距通信的自由空間路徑損耗 (FSPL)。FSPL 與波長的平方成反比，由下式給出：

 

FSPL=(4πdλ)2

 

在哪里：

 

 

• d是兩個天線之間的距離，單位為 m
• λ是以米為單位的波長。

從這個等式可以看出，波長減少 10 倍會導(dǎo)致自由空間路徑損耗增加 100 倍。因此，毫米波長的衰減比 FM 收音機或 Wi-Fi 等更傳統(tǒng)的通信頻率的衰減高許多數(shù)量級。

 

 

在 RF 通信計算中，通常會轉(zhuǎn)換此損耗方程以提供以 dB 為單位的結(jié)果，其中頻率以 GHz 測量，距離以 km 測量。轉(zhuǎn)換后，等式變?yōu)椋?/p>

 

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

 

此處提供用于評估自由空間路徑損耗的計算器。

 

大氣衰減

毫米波傳輸?shù)牧硪粋€缺點是大氣衰減。在此波長范圍內(nèi)，存在大氣氣體（主要是氧氣 (O2) 和水蒸氣 (H2O) 分子）引起的額外衰減。

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.頻率和高度的大氣衰減。圖片由5G Americas提供

 

例如，氧峰位于 5 mm (60 GHz)。雨會增加整個頻譜的衰減。

 

漫反射

較長的波長通常依賴于直接（鏡面）反射功率來幫助繞過障礙物傳輸（想想鏡面反射）。然而，許多表面對毫米波來說顯得“粗糙”，這會導(dǎo)致漫反射，從而將能量發(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蔽，并且通常僅限于視線傳輸。

 

有限的滲透

由于波長較短，毫米波不會深入或穿透大多數(shù)材料。例如，一項對普通建筑材料的研究發(fā)現(xiàn)，衰減范圍約為 1 至 6 dB/cm，并且 70 GHz 時穿過磚墻的穿透損耗可能是 1 GHz 時的五倍。在戶外，樹葉也會阻擋大多數(shù)毫米波。因此，大多數(shù)毫米波通信僅限于視距操作。

 

毫米波頻率的優(yōu)勢

對于許多應(yīng)用，自由空間路徑損耗、大氣衰減、漫反射和毫米波信號的有限穿透都是有害的。然而，事實證明，這些特性也可以在某些應(yīng)用中發(fā)揮優(yōu)勢。毫米波的優(yōu)點包括：

 

 

• 寬帶寬
• 高數(shù)據(jù)率
• 低延遲
• 小型天線
• 范圍有限
• 有限的反思
• 滲透有限
• 提高分辨率

這些優(yōu)勢中的每一個以及它們在某些應(yīng)用程序中的利用方式將在以下小節(jié)中進(jìn)行解釋。

 

 

 

寬帶寬和高數(shù)據(jù)速率

對于通信應(yīng)用，寬帶寬意味著更高的峰值數(shù)據(jù)速率。這可能意味著能夠為給定的數(shù)據(jù)速率處理更多的同時通信通道，或者在單個通信中發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。較低的頻譜被大量使用，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)范分配的信道帶寬僅為 6 GHz 以下的 100 MHz，但在 24 GHz 以上的頻段中分配的信道帶寬高達(dá) 400 MHz。隨著這些 5G 規(guī)范的不斷發(fā)展，一些各方正在游說在毫米波頻譜中分配更寬的帶寬。

正是由于這些寬帶寬和高數(shù)據(jù)速率，毫米波長期以來一直用于 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消費應(yīng)用，例如 5G NR。

 

低延遲

通信網(wǎng)絡(luò)中的延遲可以有多種含義。對于單向通信，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)包的時間。毫米波的頻率越高，意味著可以在更短的時間內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)。因此，對于固定的數(shù)據(jù)包大小，高頻系統(tǒng)的延遲將低于低頻系統(tǒng)。

低延遲對于許多對時間敏感的應(yīng)用非常重要，包括工業(yè)自動化、無線增強現(xiàn)實或虛擬現(xiàn)實以及自動駕駛系統(tǒng)。毫米波的寬帶寬可實現(xiàn)更短的傳輸時間間隔和更低的無線電接口延遲，以促進(jìn)引入和支持對低延遲敏感的應(yīng)用程序。

 

小型天線

毫米波重要的優(yōu)勢之一是天線更小，并且能夠在陣列中使用大量這些更小的天線元件來實現(xiàn)波束成形。例如，汽車?yán)走_(dá)正在從 24 GHz 過渡到 77 GHz。波長小三倍多，因此天線陣列面積可以小九倍多，如圖 4 所示。

 

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

 

由非常小的天線元件組成的大型陣列也將用于 5G 等毫米波通信系統(tǒng)。波束成形可以將輻射功率集中到單個用戶，以獲得更高質(zhì)量的信號和更遠(yuǎn)距離的通信。通過自適應(yīng)波束成形，波束甚至可以根據(jù)用戶數(shù)量及其相對于發(fā)射天線的位置動態(tài)變化。

 

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際上可能對電信有利。正在利用這些特性來允許許多小蜂窩彼此非?？拷胤胖枚粫蓴_。這提供了頻譜的空間再利用，因此允許在一個區(qū)域中支持更多的高帶寬消費者。

 

提高分辨率

在雷達(dá)應(yīng)用中，毫米波信號的更高頻率和更高帶寬支持更的距離測量、更的速度測量，以及分辨兩個相距很近的物體之間的能力。

 

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到物體的距離，分辨兩個距離很近的遠(yuǎn)距離物體，以及測量到目標(biāo)的相對速度。

例如，在其基本的形式中，假設(shè)兩個物體直接朝向或遠(yuǎn)離彼此移動，多普勒頻移 (Δf) 由以下等式給出：

 

Δf=(2?Vrel)λ

在哪里

• Vrel是相對速度 (m/s)
• λ 是波長 (m)

由于波長越短（如毫米波）頻移越大，因此更容易測量由此產(chǎn)生的頻移。使用更小的多元件天線和自適應(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，它也被廣泛用于自動車輛應(yīng)用，包括緊急制動、自適應(yīng)巡航控制 (ACC) 和盲點檢測（如圖 5 所示）。