毫米波为何成为5G和自动驾驶的“黑科技”？【无线通信小百科】
1、什么是毫米波
近年来，随着5G手机的普及以及自动驾驶汽车的兴起，“毫米波”这个名词出现的越来约频繁。有些5G手机已经支持毫米波频段；一些新款汽车声称搭载了能够精准感知路况的“毫米波雷达”。那什么是毫米波？
毫米波（Millimeter Wave, mmWave）指的是波长在1毫米到10毫米之间的电磁波，对应的频率范围大致在30 GHz 到 300 GHz之间。相较于我们日常熟悉的无线电频率（比如WiFi的2.4G，5GHz、蓝牙的2.4GHz、以及移动通信的4G频段），毫米波频率更高，波长更短，因此具有更高的带宽和更丰富的传播特性。它的频段处于微波和红外之间，兼具两者的部分特点。由于其高频率带来天线设计、信号衰减和成本方面的挑战，过去一直难以大规模商业应用。直到近几年随着半导体技术的发展，毫米波才真正应用到了5G、汽车雷达、安检成像等各个领域。
2、毫米波的优点
1. 超高带宽：毫米波频率高，因此可以提供更宽的信道带宽。他的实际频率应用从28GHz到71GHz， 可以提供更宽的信道带宽。其中5G通信使用的28GHz频段单个载波就可达到1GHz甚至更高的带宽，这对于高清视频、实时传输等应用至关重要。下图中是常用的4个毫米波频段，定义为部署中国的n258频段，上行和下行的带宽超过3G赫兹 ，可以很好的承担高清视频的实时传输。
2. 高分辨率感知能力：在雷达系统中，较短的波长意味着毫米波可以检测出更小的物体，提供更精细的距离和速度信息。这对于自动驾驶中识别行人、车辆尤为关键。汽车自动驾驶技术中采用的毫米波雷达，就是采用发射毫米波，根据被测物体反射回来的波形频率的变化，也就是多普勒效应来判断与被测物体的相对运动的。当两者相向而行时，反射波波长变短，反之波长变长。
根据多普勒效应的频移公式我们知道，频率移动的大小和发射频率f是成正比的，那么毫米波的超高发射频率就带来更显著的频移效应，也就能更精细的判断相对移动的变化情况，这就是为什么汽车采用毫米波雷达来辅助驾驶的原因。
3. 波束赋形能力（Beamforming）：射频天线的理想长度大约是其发射波长的一半左右。由于毫米波波长短，只有几毫米，那么天线的尺寸可以做的很小，在同样的面积下可以容纳更多的天线。如果将天线密集排列，就组成了天线阵列。通过相控阵技术，可以动态调整天线阵列上多个天线的相位，能把信号的能量集中在起来，就像手电筒一样对准手机精确覆盖，这就是波束赋形。
而且相控阵技术能够调整信号方向，去持续对准移动中的用户终端。也就是当终端移动的时候，基站的无线电波也会换方向继续对准，这有效的提高了通信的效率，还扩大了覆盖范围，同时增强了安全性，降低了信号被截听的概率。毫米波有波束赋形的加持，具备极高的空间分辨力，同时由于时延小，可以实现超高精度的定位。
3、毫米波典型应用
典型应用1： 支撑5G通信真正的高速率体验
5G网络的三大核心特点是：超高速率、超低延迟和大规模连接。传统的6GHz以下的频段，频谱资源的使用相当拥挤。包括传统4G，3G，以及Wi-Fi蓝牙，还有5G的2.6G和3.5G频段。所有真正可用的资源加起来只有约1G带宽，而能给到一个运营商分配使用的就更少。在这种情况下引入毫米波频段， 提供多个超过1GHz带宽的频段可供使用，可以实现数据的“高速公路”传输。
不过，由于毫米波的频率较高，信号在传播过程中衰减较快，穿透能力较弱，容易受到障碍物的影响，导致其覆盖范围相对较小。因此相对于4G信号或者低频5G信号，同样的覆盖范围需要的基站数目要增加数倍，这无疑增加了运营商的建设和运营成本。因此，当前5G毫米波主要应用于人群密集的特定区域，如体育场馆、热门商圈等地方。
典型应用2：自动驾驶中为安全护航的“电子眼”
毫米波雷达可以全天候、全环境（包括雨天、雾天、黑夜）工作，能准确识别车辆、障碍物和行人，并测量其距离、相对速度及角度。它可以协同视觉传感摄像头的传感器，提供关键的冗余信息，确保车辆驾驶系统在复杂路况下保持可靠判断。
典型应用3：安检与安防设备
毫米波成像设备可以“透视”衣物探测金属或非金属物品，可以用于机场、地铁站等高安全性场所，它不会产生电离辐射，相对更安全。
在毫米波人体扫描仪中，数千个发射和接收天线协同工作，以实现高精度扫描。发射的毫米波在 70 GHz 至 80 GHz 的频率范围内，只有约 1 mW 的功率。它可以穿过大多数衣服，从皮肤和其他表面反射回接收天线。接收到的信号可以用来建立被测对象的虚拟模型，并显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：它不会穿透皮肤，也不会像 X 射线和其他类型的电离辐射那样破坏细胞或 DNA 的原子结构。
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