微波技术/TECHNICAL

    毫米波是什么？

    毫米波是波长 (λ) 大约为 1 毫米（确切的说是 1 至 10 毫米）的电磁波。其公式f = c /λ将该波长转换为频率，其中c是光速 (3 x 10 8 m/s)，得出的频率范围为 30-300 GHz。毫米波频段被国际电信联盟 (ITU) 指定为“极高频”(EHF) 频段。术语“毫米波”也经常缩写为“mmWave”。

    毫米波信号传播的特点是：高自由空间路径损耗、显著的大气衰减、漫反射、穿透深度有限、自由空间路径损耗。

    毫米波射频 (RF) 通信的一个限制是两个天线之间直接视距通信的自由空间路径损耗 (FSPL)。FSPL 与波长的平方成反比。

    漫反射

    更长的波长通常依赖于直接（镜面）反射功率来帮助绕过障碍物（想想镜子般的反射）。然而，许多表面对毫米波来说显得“粗糙”，这会导致漫反射，将能量发送到许多不同的方向。

    有限的渗透

    由于波长较短，毫米波不能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 至 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。

    毫米波的优势

    对于许多应用，毫米波信号的自由空间路径损耗、大气衰减、漫反射和有限的穿透是有害的。然而，事实证明，这些特性也可以在某些应用中作为优点加以利用。毫米波的优点包括：宽带宽、高数据速率、低延迟、小天线、范围有限、有限的反射、有限的渗透、提高分辨率。

    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。这可能意味着能够以给定的数据速率处理更多的同时通信通道，或者在单次通信中发送更多数据。低频频谱被大量使用，因此不能提供这些理想的宽带宽。 例如，3GPP 的 5G NR规范分配的最大信道带宽在 6 GHz 以下仅为 100 MHz，而在 24 GHz 以上的频段中则高达 400 MHz。随着这些 5G 规范的不断发展，一些团体正在游说在毫米波频谱中进行更广泛的带宽分配。

    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上、掩模市场消费类应用，例如 5G NR。

    低延迟

    通信网络中的延迟有多种含义。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。毫米波的更高频率意味着可以在更短的时间内传输更多数据。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。 低延迟对于许多对时间敏感的应用很重要，包括工业自动化、无线增强或虚拟现实和自动驾驶系统。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波接口延迟，以促进对低延迟敏感应用的引入和支持。

    小天线

    毫米波最重要的优势之一是较小的天线，并且能够在阵列中使用大量这些较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。波长小了三倍以上，因此天线阵列面积可以小九倍以上。

    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许多小小区彼此非常靠近而不受干扰。这提供了频谱的空间重用，因此允许在一个区域中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肯定不限于：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探测、天气地图、测量风速、医疗

    总结

    毫米波长期以来一直用于雷达应用，并且越来越多地应用于新领域，其中最突出的是高数据速率电信。短波长和独特的传播特性为在这些领域工作的设计工程师提供了挑战和机遇。

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