什么是毫米波？
顾名思义，毫米波是一种波长 (λ) 约为 1 毫米（更准确地说是 1 至 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米/秒），可得出频率范围为 30-300 GHz。国际电信联盟 (ITU) 将毫米波频段指定为“极高频”(EHF) 频段。术语“毫米波”也经常缩写为“mmWave”。
下图包括利用毫米波频谱的应用示例，并展示了毫米波频谱相对于其他电磁频带的位置。
现在我们已经了解了基本定义，让我们来讨论一下毫米波信号如何传播。
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
大气衰减显著
漫反射
穿透深度有限
以下小节将更详细地讨论这四种传播特性。
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，由以下公式给出：
这里：
d 是两个天线之间的距离（以米为单位）
λ 是波长，单位为米。
从该公式可以看出，波长减少 10 倍会导致自由空间路径损耗增加 100 倍。因此，毫米波长的衰减比 FM 广播或 Wi-Fi 等更传统的通信频率的衰减高出几个数量级。
在射频通信计算中，此损耗方程通常会转换为以 dB 为单位的结果，其中频率以 GHz 为单位，距离以 km 为单位。经过此转换后，该方程变为：
大气衰减
毫米波传输的另一个缺点是大气衰减。在此波长范围内，大气气体（主要是氧气 (O2) 和水蒸气 (H2O) 分子）的存在会导致额外的衰减。
如下图所示，某些波段的大气衰减可能非常严重。
例如氧气峰值位于 5 毫米（60 GHz）。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）反射功率来协助绕过障碍物（想象镜面反射）。然而，许多表面对毫米波来说显得“粗糙”，这会导致漫反射，从而将能量发送到许多不同的方向。这可以在下图中看到。
因此，较少的反射能量可能到达接收天线。因此，毫米波传输很容易受到障碍物遮挡，并且通常仅限于视距传输。
渗透力有限
由于波长较短，毫米波无法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 下穿透砖墙的损耗可能比 1 GHz 下高出五倍。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，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力都是有害的。然而，事实证明，这些特性在某些应用中也可以被利用为优点。毫米波的优势包括：
带宽高
高数据速率
低延迟
小型天线
范围有限
有限的反思
渗透力有限
提高分辨率
以下小节将解释这些优点中的每一个以及它们在某些应用中是如何被利用的。
宽带宽和高数据速率
对于通信应用而言，高带宽意味着更高的峰值数据速率。这意味着既可以处理给定数据速率的更多同时通信信道，也可以在一次通信中发送更多数据。较低频率的频谱使用率较高，因此无法提供这些理想的高带宽。
例如，3GPP 的 5G 新无线电 (NR) 规范在 6 GHz 以下分配的最大信道带宽仅为 100 MHz，但在 24 GHz 以上的频段分配的最大信道带宽可达 400 MHz。随着这些 5G 规范的不断发展，各方正在游说在毫米波频谱中分配更宽的带宽。
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掩模市场制造成本正在将毫米波通信带入 5G NR 。
低延迟
通信网络中的延迟有多种含义。就单向通信而言，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，高频系统的延迟将低于低频系统。
低延迟对于许多时间敏感型应用至关重要，包括工业自动化、无线增强或虚拟现实以及自动驾驶系统。毫米波的宽带宽可缩短传输时间间隔并降低无线接口延迟，从而有助于引入和支持低延迟敏感型应用。
小型天线
毫米波最重要的优势之一是天线尺寸更小，并且能够使用大量此类较小天线元件组成阵列，以实现波束成形。例如，汽车雷达正在从 24 GHz 过渡到 77 GHz。波长比 77 GHz 小三倍以上，因此天线阵列面积可以缩小九倍以上，如下图所示。
大型超小型天线元件阵列也将用于 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长距离的通信。借助自适应波束成形，波束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。
射程、反射和穿透有限
有限的范围、漫反射和有限的穿透深度实际上对电信来说是一种好处。这些特性被利用来允许许多小型基站彼此非常接近而不会受到干扰。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增加的带宽支持更精确的距离测量、更精确的速度测量以及分辨两个近距离物体的能力。
毫米波技术的应用
雷达
多年来，航空航天雷达应用一直是毫米波技术的主要应用。宽带宽非常适合确定物体距离、分辨两个相距很近的远距离物体以及测量与目标的相对速度。
例如，在最基本的形式中假设两个物体直接朝向彼此移动或远离彼此，多普勒频移（Δf）由下式给出：
在这里
Vrel 是相对速度（米/秒）
λ 为波长（米）
由于波长越短（如毫米波），频率偏移越大，因此测量由此产生的频率偏移就越容易。能够使用更小的多元件天线和自适应波束成形也使毫米波成为雷达应用的理想选择。
由于毫米波雷达适用于航空航天应用的原因，它被广泛应用于自动驾驶汽车应用，包括紧急制动、自适应巡航控制 (ACC) 和盲点检测（如下图所示）。
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非常重要。
电信
毫米波具有带宽大、延迟低、天线小、多天线阵列波束成形等特点，长期以来一直被卫星系统用于通信。这些特性也促使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，更小的天线支持集成到智能手机、数字机顶盒、游戏机等设备中。将采用毫米波的新兴行业标准包括 5G 和 IEEE 802.11ad WiGig，以实现 Gb/s 数据速率。
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，如图下图所示。
大规模 MIMO（多输入多输出）系统将实现空间分集、空间复用和波束成形，以使用更低的功率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检扫描仪。数千个发射和接收天线共同协作，实现高精度扫描，如下图所示。
毫米波人体扫描仪系统
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。已提出或实施的其他应用包括但不限于：
射电天文学
土壤水分评估
积雪测量
冰山位置
恶劣天气下光学探测的补充
天气测绘
测量风速
医疗
概括
毫米波长期以来一直用于雷达应用，并越来越多地应用于新应用，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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