毫米波的传播特性及优缺点

本文介绍了毫米波 （mmWave），包括其频率、传播特性以及常见应用的优缺点。

什么是毫米波？

顾名思义，毫米波是波长 （λ） 约为 1 毫米（更准确地说是 1 到 10 毫米）的电磁波。使用公式f = c /λ将该波长转换为频率，其中c是光速 （3 x 10 8 m/s），频率范围为 30-300 GHz。毫米波段被国际电信联盟 （ITU） 指定为“极高频” （EHF） 波段。术语“毫米波”也经常缩写为“毫米波”。

图 1 包括利用毫米波频谱的应用示例，还展示了毫米波频谱相对于其他电磁频段的位置。

图 1.毫米波频谱概览。图片由模拟设备公司提供

现在我们已经有了基本的定义，让我们来谈谈毫米波信号是如何传播的。

毫米波传播

毫米波信号传播的特点是：

高自由空间路径损耗

显着的大气衰减

漫反射

穿透深度有限

以下小节将更详细地检查这四个传播特性中的每一个。

大气衰减

毫米波传输的另一个缺点是大气衰减。在这个波长范围内，由于大气中的气体——主要是氧气 （O2） 和水蒸气 （H2O） 分子的存在，会造成额外的衰减。

如图 2 所示，大气衰减在某些频段可能非常严重。

图 2.频率和仰角的大气衰减。图片由5G 美洲提供

例如 5 mm （60 GHz） 处的氧峰值。雨水会增加整个频谱的衰减。

漫反射

较长的波长通常依靠直接（镜面）反射功率来帮助绕过障碍物（想想镜面反射）。然而，许多表面看起来“粗糙”到毫米波，这会导致漫反射，将能量发送到许多不同的方向。这可以在图 3 中看到。

图 3.漫反射和镜面反射。图片由赫玛丽提供

因此，较少的反射能量可能会到达接收天线。因此，毫米波传输非常容易受到障碍物的影响，并且通常仅限于视距传输。

有限的渗透

由于它们的波长较短，毫米波不会深入或穿透大多数材料。例如，一项对常见建筑材料的研究发现，衰减范围约为 1 到 6 dB/cm，70 GHz 下穿过砖墙的穿透损耗可能是 1 GHz 下的五倍。在户外，树叶也会阻挡大多数毫米波。因此，大多数毫米波通信仅限于视距操作。

毫米波频率的优势

对于许多应用来说，自由空间路径损耗、大气衰减、漫反射和毫米波信号的有限穿透都是有害的。然而，事实证明，这些特性也可以在某些应用程序中作为优势加以利用。毫米波的优点包括：

宽带宽

高数据速率

低延迟

小型天线

范围有限

有限的反射

渗透有限

提高分辨率

这些优势中的每一个以及如何在某些应用程序中利用它们将在以下小节中进行解释。

宽带宽和高数据速率

对于通信应用，宽带宽意味着更高的峰值数据速率。这可能意味着能够为给定的数据速率处理更多的同时通信通道，或者在单个通信中发送更多数据。较低的频谱被大量使用，因此不能提供这些理想的宽带宽。

例如，3GPP 的 5G 新无线电 （NR） 规范分配的最大信道带宽为 6 GHz 以下仅为 100 MHz，但在 24 GHz 以上的频带中高达 400 MHz。随着这些 5G 规范的不断发展，一些各方正在游说在毫米波频谱中分配更广泛的带宽。

正是由于这些宽带宽和高数据速率，毫米波长期以来一直用于 27.5 GHz 和 31 GHz 的卫星通信。包括碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN） 在内的高频电路技术的进步以及相关的较低制造成本正在将毫米波通信带入地面、掩模市场的消费类应用，如 5G NR。

低延迟

通信网络中的延迟可以有多种含义。对于单向通信，延迟是从源发送数据包到目的地接收相同数据包的时间。毫米波的频率越高，意味着可以在更短的时间内传输更多的数据。因此，对于固定的数据包大小，高频系统将比低频系统具有更低的延迟。

低延迟对于包括工业自动化、无线增强或虚拟现实和自动驾驶系统在内的许多对时间敏感的应用非常重要。毫米波的宽带宽可实现更短的传输时间间隔和更低的无线电接口延迟，以促进低延迟敏感应用的引入和支持。

小型天线

毫米波最重要的优势之一是天线更小，并且能够在阵列中使用大量这些更小的天线元件来实现波束成形。例如，汽车雷达正在从 24 GHz 过渡到 77 GHz。波长小三倍多，因此天线阵列面积可以小九倍多，如图 4 所示。

图 4. 24 GHz 和 77 GHz 的相对天线阵列尺寸。图片由德州仪器提供

由非常小的天线元件组成的大型阵列也将用于 5G 等毫米波通信系统。波束成形可以将辐射功率集中到单个用户，以获得更高质量的信号和更远距离的通信。通过自适应波束成形，甚至可以根据用户数量及其相对于发射天线的位置动态改变波束。

有限的范围、反射和穿透

有限的范围、漫反射和有限的穿透深度实际上可以为电信带来好处。正在利用这些特性来允许将许多小型小区彼此非常靠近而不受干扰地放置。这提供了频谱的空间重用，因此允许在一个区域内支持更多的高带宽消费者。

提高分辨率

在雷达应用中，毫米波信号的更高频率和更大带宽支持更准确的距离测量、更准确的速度测量以及分辨两个相距很近的物体的能力。

毫米波技术的应用

雷达

多年来，航空雷达应用是毫米波技术的主要应用。宽带宽非常适合确定到物体的距离、分辨两个靠得很近的远距离物体以及测量与目标的相对速度。

例如，在其最基本的形式中，假设两个物体直接朝向或远离彼此移动，多普勒频移 （Δf） 由下式给出：

在哪里

Vrel是相对速度 （m/s）

λ 是波长 （m）

由于较短波长（如毫米波）的频移较大，因此更容易测量由此产生的频移。使用更小的多元素天线和自适应波束成形的能力也使毫米波成为雷达应用的理想选择。

出于与航空航天应用需要毫米波雷达相同的原因，它被广泛用于自动车辆应用，包括紧急制动、自适应巡航控制 （ACC） 和盲点检测（如图 5 所示）。

图 5.毫米波雷达在自动驾驶汽车中的应用。图片由罗德与施瓦茨提供

快速准确地测量距离和相对速度的能力对于自动驾驶汽车的运行显然很重要。

电信

由于宽带、低延迟、小型天线和多天线阵列波束成形，卫星系统长期以来一直使用毫米波进行通信。这些相同的特性正在推动许多地面电信网络采用毫米波。

例如，由于带宽增加，毫米波可以支持超高清 （UHD） 视频的无线传输。此外，较小的天线支持集成到智能手机、数字机顶盒、游戏站等设备中。将采用毫米波的新兴行业标准包括用于 Gb/s 数据速率的 5G 和 IEEE 802.11ad WiGig。

特别是在室内和城市环境中，毫米波的空间重用和自适应波束成形将能够向大量用户提供高带宽通信，如图 6 所示。

图 6.支持固定和移动用户的自适应波束成形。图片由富士通通过 Phys.org 提供

大规模 MIMO（多输入多输出）系统将支持空间分集、空间复用和波束成形，从而在使用更低功率的同时为更多用户提供更好的功能。

安全扫描仪

毫米波也用于人体安全扫描仪。数以千计的发射和接收天线协同工作以实现高精度扫描，如图 7 所示。

图 7.毫米波人体扫描仪系统。图片由罗德与施瓦茨提供

这些系统在 70 GHz 至 80 GHz 的频率范围内传输，并且仅发射约 1 mW 的功率。毫米波穿过大多数衣服，从皮肤和其他表面反射回接收天线。接收到的信号可用于创建个人的详细图像并揭示隐藏在衣服下的物品。毫米波的低功率和有限的穿透深度提供了更高的安全性。

毫米波的其他应用

这些只是毫米波技术众多应用中的一小部分。已经提出或实施的其他应用包括但当然不限于：

射电天文学

土壤水分评价

积雪测量

冰山位置

在恶劣天气下补充光学检测

天气测绘

测量风速

医疗