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毫米波（波長為1～10毫米的電磁波）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-16

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毫米波

波長為1～10毫米的電磁波

毫米波（millimeter wave ）：波長為1～10毫米的電磁波稱毫米波。

基本信息

中文名	毫米波
外文名	millimeter wave
特點(diǎn)	兼有兩種波譜
應(yīng)用學(xué)科	物理學(xué) 光學(xué)
應(yīng)用領(lǐng)域	光通信，電磁場與電磁波等
定義	波長為1～10毫米的電磁波

收起

簡介說明

毫米波頻段沒有太過精確的定義，通常將30~300GHz的頻域(波長為1～10毫米)的電磁波稱毫米波，它位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長范圍，因而兼有兩種波譜的特點(diǎn)。毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。

特點(diǎn)說明

與光波相比，毫米波利用大氣窗口（毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時(shí)，由于氣體分子諧振吸收所致的某些衰減為極小值的頻率）傳播時(shí)的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小。

優(yōu)點(diǎn)：

1）極寬的帶寬。通常認(rèn)為毫米波頻率范圍為26.5～300GHz，帶寬高達(dá)273.5GHz。超過從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣吸收，在大氣中傳播時(shí)只能使用四個(gè)主要窗口，但這四個(gè)窗口的總帶寬也可達(dá)135GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5倍。這在頻率資源緊張的今天無疑極具吸引力。

2）波束窄。在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個(gè) 12cm的天線，在9.4GHz時(shí)波束寬度為18度，而94GHz時(shí)波束寬度僅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目標(biāo)或者更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。

3）與激光相比，毫米波的傳播受氣候的影響要小得多，可以認(rèn)為具有全天候特性。

4）和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化。

缺點(diǎn)：

1）大氣中傳播衰減嚴(yán)重。

2）器件加工精度要求高。

傳播特性

毫米波在通信、雷達(dá)、遙感和設(shè)點(diǎn)天文等領(lǐng)域有大量的應(yīng)用。要想成功地設(shè)計(jì)并研制出性能優(yōu)良的毫米波系統(tǒng)，必須了解毫米波在不同氣象條件下的大氣傳播特性。影響毫米波傳播特性的因素主要有：構(gòu)成大氣成分的分子吸收（氧氣、水蒸氣等）、降水（包括雨、霧、雪、雹、云等）、大氣中的懸浮物（塵埃、煙霧等）、以及環(huán)境（包括植被、地面、障礙物等），這些因素的共同作用，會(huì)使毫米波信號受到衰減、散射、改變極化和傳播路徑，進(jìn)而在毫米波系統(tǒng)中引進(jìn)新的噪聲，這諸多因素將對毫米波系統(tǒng)的工作造成極大影響，因此我們必須詳細(xì)研究毫米波的傳播特性。

毫米波雷達(dá)

近年來，隨著對毫米波系統(tǒng)需求的增長，毫米波技術(shù)在研制發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線以及毫米波器件等方面有了重大突破，毫米波雷達(dá)進(jìn)入了各種應(yīng)用的新階段。

20世紀(jì)80年代以來由于對毫米波雷達(dá)需求的日益增長，從而形成了開發(fā)毫米波雷達(dá)的熱潮，這取決于毫米波雷達(dá)具有以下特性：

1）頻帶極寬，適用于各種寬帶信號處理；

2）可以在小的天線孔徑下得到窄波束，方向性好，有極高的空間分辨力，跟蹤精度較高；

3）有較寬的多普勒寬帶，多普勒效應(yīng)明顯，具有良好的多普勒分辨力，測速精度較高；

4）地面雜波和多徑效應(yīng)影響小，低空跟蹤性能好；

5）毫米波散射特性對目標(biāo)形狀的細(xì)節(jié)敏感，因而可提高多目標(biāo)分辨對目標(biāo)識(shí)別的能力與成像質(zhì)量；

6）由于毫米波雷達(dá)以窄波束發(fā)射，因而使敵方在電子對抗中難以截獲；

7）目前隱身飛行器等目標(biāo)設(shè)計(jì)的隱身頻率范圍局限于1~20GHz，又因?yàn)闄C(jī)體等不平滑部位相對毫米波來說更加明顯，這些不平滑都會(huì)產(chǎn)生角反射，從而增加有效反射面積，所以毫米波雷達(dá)具有一定的反隱身功能；

8）毫米波與激光和紅外相比，雖然它沒有后者的分辨率高，但它具有穿透煙、灰塵和霧的能力，可全天候工作。

毫米波雷達(dá)的缺點(diǎn)主要是受大氣衰減和吸收的影響，目前作用距離大多限于10公里之內(nèi)。另外，與微波雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)的元器件目前批量生產(chǎn)成品率低。再加上許多器件在毫米波頻段均需涂金或者涂銀，因此器件成本較高。

毫米波天線

1）喇叭天線

角錐形喇叭一般的開口波導(dǎo)可以輻射電磁波，但由于口徑較小，輻射效率和增益較低。如果將金屬波導(dǎo)開口逐漸擴(kuò)大、延伸，就形成了喇叭天線。喇叭天線因其結(jié)構(gòu)簡單、頻帶較寬、易于制造和方便調(diào)整等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于微波和毫米波段。在毫米波治療儀中也普遍采用。

2）微帶天線

微帶天線或印刷天線在最早是在厘米波段得到廣泛應(yīng)用，隨后擴(kuò)展到毫米波段。這類擴(kuò)展并不是按波長成比例的縮尺，不是完全的仿效，而是有著新的概念和新發(fā)展。

但是毫米波微帶天線有兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是傳輸線的損耗變大，二是尺寸公差變得很嚴(yán)格。

3）漏波天線

這類天線是電磁波沿著開放式結(jié)構(gòu)傳輸時(shí)由于一些不連續(xù)結(jié)構(gòu)而輻射能量的，所以叫漏波天線。

研發(fā)進(jìn)程

芯片研發(fā)

2020年6月15日，中國工程院院士劉韻潔表示，南京網(wǎng)絡(luò)通訊與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室已研制出CMOS毫米波全集成4通道相控陣芯片，并完成了芯片封裝和測試，每通道成本由1000元降至20元。同時(shí)，他們封裝集成1024通道天線單元的毫米波大規(guī)模有源天線陣列。芯片與天線陣列力爭2022年規(guī)模商用于5G系統(tǒng)。

5G毫米波

2021年5月21日，中國IMT-2020(5G)推進(jìn)組5G毫米波測試計(jì)劃取得里程碑進(jìn)展，成功完成5G毫米波大上行幀結(jié)構(gòu)的8K視頻回傳業(yè)務(wù)。

2021年7月20日，東京工業(yè)大學(xué)和NEC開發(fā)出了有效利用波長為1-10毫米的“毫米波”、可以快速高精度通信的無線設(shè)備，目標(biāo)是應(yīng)用于6G基站等。開發(fā)的無線設(shè)備在長4.5毫米、寬5毫米的半導(dǎo)體芯片上搭載8個(gè)收發(fā)器，特點(diǎn)是能迅速準(zhǔn)確地“波束成形”，操控信號向特定方向上集中。

參考資料

[1]

打破“缺芯少魂”，劉韻潔院士：我國5G毫米波芯片研發(fā)成功 · 澎湃網(wǎng)[引用日期2020-06-16]

[2]

中國5G推進(jìn)組毫米波測試取得里程碑進(jìn)展 · 中國新聞網(wǎng)[引用日期2021-05-22]

[3]

NEC等開發(fā)出應(yīng)用于6G基站的毫米波無線設(shè)備|界面新聞 · 快訊 · 界面[引用日期2021-07-20]

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