频谱范围在30GHz到300GHz之间的波段被称为毫米波区域或毫米波谱。
毫米波信号在空气中的传播速度与光速相同,即 108 m/s。因此,与指定频率范围相对应的波长为10 mm到1 mm。
在实际应用中,24GHz以上的频率被视为毫米波,它们位于微波和远红外波重叠的波长范围内。因此,毫米波同时表现出这两种波谱的特性。国际电信联盟(ITU)将这个射频带指定为“极高频”(EHF)。
毫米波的传播特性:
毫米波信号传播的特点包括:
- 高自由空间路径损耗
- 显著的大气衰减
- 漫反射
- 有限的穿透深度
以下部分将更详细地介绍这四个传播特性。
自由空间路径损耗: 毫米波射频(RF)通信的一个限制是,两个天线之间的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,可以通过以下方程计算得出:
其中:
- d 是两个天线之间的距离,以米为单位
- λ 是波长,以米为单位。
在RF通信计算中,通常将此损耗方程进行转换,以得出以分贝(dB)为单位的结果,其中频率以GHz为单位,距离以公里为单位。转换后,方程变为:
上图显示了不同频率下的自由空间路径损耗。距离变化一个八度,衰减就会产生6 dB的差异。例如,当距离从2公里增加到4公里时,衰减增加了6 dB。值得注意的是,即使在短距离内,自由空间路径损耗也可能非常高。这就对毫米波通信系统的设计和部署提出了巨大的挑战。
大气衰减: 毫米波传输的一个特点是大气衰减。
大气中的水蒸气和氧气可以吸收电磁波,因此毫米波应用研究主要集中在几个“大气窗口”频率和三个“衰减峰”频率上。
“大气窗口 ”指的是通过大气传输的电磁波具有高传输率且反射、吸收和散射较少的频率带。
通常,“大气窗口”频率带适用于点对点通信,而“衰减峰”频率带适用于多分支多样性隐藏网络和满足网络安全要求的系统。
漫反射: 较长的波长通常依赖于直接(镜面)反射功率来协助绕过障碍物进行传输(联想一下镜面反射)。然而,许多表面对毫米波来说显得过于“粗糙”,这会导致漫反射将能量向许多不同方向发送。
因此,只有很少的反射能量可能可以到达接收天线。因此,毫米波传输非常容易受到障碍物的遮挡,通常限于视距传输。
有限穿透: 由于波长较短,毫米波不会深入穿透或穿过大多数材料。
例如,一项针对常见建筑材料的研究显示,衰减范围约为1到6 dB/cm,而以70 GHz通过砖墙的穿透损耗可能是1 GHz的五倍。在户外,植被也会阻挡大多数毫米波。因此,大多数毫米波通信限于视距操作。
毫米波技术的优势:
1. 宽带宽和高数据速率: 通常认为毫米波频率范围是26.5到300 GHz,带宽高达273.5 GHz,是直流到微波带宽的10倍。
同样,得益于其高频率范围,毫米波频带可以比低频谱提供更高的数据速率。
2. 减小的天线尺寸: 由于毫米波的波长非常短,因此这些频率可以使用非常小的天线。这就支持在较小的区域内集成和使用较多的天线元素,从而可以使用相控阵天线、电子控制天线和各种其他天线技术。
3. 窄波束宽度: 在相同尺寸的天线下,毫米波的波束宽度比微波窄得多。例如,12cm的天线在9.4 GHz时的波束宽度为18度,而在94 GHz时的波束宽度仅为1.8度。因此,毫米波可以区分非常接近的更小目标或更清晰地观察目标细节。
4. 强大的探测能力 :毫米波的宽带频谱可以用来抑制多路效应和杂波回声。目前可用的频率非常多,因此可以有效地消除相互干扰。在目标径向速度下可以获得较大的多普勒频率偏移,因而可以提高低速移动物体或振动物体的探测和识别能力。
5. 有限的范围、反射和穿透深度: 有限的范围、漫反射和有限的穿透深度实际上可以在通信方面带来一定的优势。借助这些特性,许多小型基站可以彼此非常接近而不互相干扰。这实现了频谱的空间重用,允许在一个区域内支持更多的高带宽消费者。
毫米波技术的应用:
1. 雷达
多年来,航天雷达应用一直是毫米波技术的主要应用。它的宽带宽非常适合用于确定到物体的距离,分辨两个接近的远距离物体以及测量相对于目标的相对速度。
例如,在其最基本的形式下,假设两个物体直接朝对方移动或朝相反方向移动,则可通过以下方程得出多普勒频率偏移(Δf):Δf= (2*Vrel)/λ
其中,
- Vrel是相对速度(m/s)
- λ是波长(m)
因为频率偏移在较短的波长(如毫米波)下更大,所以更容易测量出结果频率偏移。使用较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。
出于同样的原因,毫米波雷达也适用于航天应用,因此被广泛用于自动驾驶车辆应用,包括紧急制动、自适应巡航控制(ACC)和盲点检测。
快速准确地测量距离和相对速度对于自动驾驶车辆的运行而言显然非常重要。
2. 通信
卫星系统长期以来一直使用毫米波进行通信,因为它们的宽带宽、低延迟、小型天线和多天线阵列波束成形等特点。这些特性也使得毫米波成为许多地面电信网络的理想选择。
例如,由于增加的带宽,毫米波可以支持超高清(UHD)视频的无线传输。此外,较小的天线能够支持集成到智能手机、数字机顶盒、游戏站等设备中。计划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的数据速率。
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特点能够支持将高带宽通信交付给大量用户。
3. 安全扫描仪
毫米波也可用于人体安全扫描仪。数千个发射和接收天线协同工作,以实现高精度扫描,如图所示,
这些系统在70 GHz到80 GHz的频率范围内传输,仅发射约1 mW的功率。毫米波能够穿过大多数衣物并从皮肤和其他表面反射回接收天线。接收到的信号可以用来创建个人的详细图像并揭示衣物下隐藏的物品。毫米波的低功率和有限的穿透深度能够进一步提升安全性。
毫米波的其他应用:
上文只列举了毫米波技术众多应用中的几种。其他提议的应用包括:
- 射电天文学
- 土壤湿度评估
- 积雪覆盖测量
- 冰山定位
- 恶劣天气下的补充光学检测
- 天气绘图
- 测量风速
- 医学治疗
结论:
毫米波技术是近十年中增长最快的技术之一。对高速数据、超高清多媒体、高清游戏、安全和监控等的方面更高需求将推动毫米波技术达到下一个水平。它还将继续发展,并在未来提供更加广泛的应用。