近年來(lái), 毫米波器件性能的不斷提高, 成本的不斷降低, 有力促進(jìn)了毫米波在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用. 目前基于毫米波頻段的應(yīng)用主要體現(xiàn)在毫米波通信、毫米波成像及毫米波雷達(dá)等方面.
1 毫米波通信
隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展, 6 GHz 以下黃金通信頻段的頻譜已經(jīng)非常擁擠, 很難滿(mǎn)足未來(lái)無(wú)線(xiàn)高速通信的需求. 然而, 與此相反的是, 在毫米波頻段, 頻譜資源豐富但仍然沒(méi)有得到充分的開(kāi)發(fā)利用.
在移動(dòng)通信方面，探索了毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及空中接口. 在目前開(kāi)展的第5 代移動(dòng)通信(5G) 研究中, 幾個(gè)毫米波頻段已經(jīng)成為5G 候選頻段。毫米波技術(shù)將會(huì)在5G的發(fā)展中起著舉足輕重的作用.
在短距高速通信系統(tǒng)中, 60 GHz 頻段得到了廣泛地研究和應(yīng)用. 歐洲、美國(guó)、加拿大、韓國(guó)、日本、澳大利亞以及我國(guó)陸續(xù)開(kāi)放了這一頻段的免費(fèi)頻譜資源. 60 GHz 頻段處于大氣衰減峰, 雖然不適合遠(yuǎn)距通信, 但可用于短距離傳輸, 且不會(huì)對(duì)周?chē)斐商喔蓴_. 近年來(lái), 在60 GHz 頻段已發(fā)展了高速Gbps 通信、WirelessHD、WiGig、近場(chǎng)通訊、IEEE 802.11ad 、IEEE802.15.3c等各種系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)。
國(guó)內(nèi)東南大學(xué)提出了工作在45 GHz 頻段的超高速近遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸標(biāo)準(zhǔn)(Q-LINKPAN) ，其短距部分已成為IEEE 802.11aj 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 45 GHz 頻段的大氣衰減小于1 dB/km, 因此不僅可以像60 GHz 頻段一樣實(shí)現(xiàn)高速短距傳輸, 同時(shí)也適用于遠(yuǎn)距傳輸. 目前實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在82 m 的傳輸距離上已實(shí)現(xiàn)2 Gbps 的傳輸速率, 并研制了相應(yīng)的支持Gbps 傳輸?shù)暮撩撞ㄐ酒?
衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣，是保障偏遠(yuǎn)地區(qū)和海上通信以及應(yīng)急通信的重要手段，目前其工作頻段主要集中在L、S、C、Ku 及Ka 波段. 隨著衛(wèi)星通信研究的不斷深入，已在嘗試更高頻段. 因?yàn)楹撩撞l段可以提供更寬的帶寬, 因而可實(shí)現(xiàn)更高的通信速率. 此外, 低功耗、小體積、抗干擾以及較高的空間分辨率都是其值得利用的特點(diǎn). 目前衛(wèi)星與地面通信的主要研究方向集中在兩個(gè)大氣衰減較小的窗口，Q 頻段和W 頻段， 而60 GHz 頻段被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)星間通信的重要頻段.
此外, 毫米波光載無(wú)線(xiàn)通信(RoF) 系統(tǒng)也得到了迅速的發(fā)展. 光纖具有成本低、信道帶寬大、損耗小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中不可或缺的部分. 正如上文提到的, 毫米波具有傳輸容量大、體積小等優(yōu)點(diǎn), 但也有空間傳輸損耗大等缺點(diǎn). 毫米波RoF 系統(tǒng)結(jié)合了毫米波和光纖通信的優(yōu)點(diǎn), 是實(shí)現(xiàn)寬帶毫米波通信遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠行侄? 自從1990 年光載無(wú)線(xiàn)通信的概念被提出之后，這個(gè)領(lǐng)域目前在毫米波頻段成為了研究熱點(diǎn)，很多研究小組在不同的毫米波頻段進(jìn)行了研究, 比如60 GHz 、75-110 GHz、120 GHz 、220 GHz、250 GHz 等.
2 毫米波成像
利用毫米波穿透性、安全性等優(yōu)點(diǎn), 毫米波成像可有效地對(duì)被檢測(cè)物體進(jìn)行成像, 在國(guó)家安全、機(jī)場(chǎng)安檢、大氣遙感等方面得到了廣泛的研究, 根據(jù)成像機(jī)理分為被動(dòng)式成像和主動(dòng)式成像.毫米波被動(dòng)式成像是通過(guò)探測(cè)被測(cè)物自身的輻射能量, 并分辨不同物質(zhì)輻射強(qiáng)度的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)成像. 被動(dòng)式成像從機(jī)理上看是一種安全的成像方式, 不會(huì)對(duì)環(huán)境造成電磁干擾, 但對(duì)信號(hào)本身的強(qiáng)度以及接收機(jī)的靈敏度要求較高。 國(guó)內(nèi)外對(duì)毫米波被動(dòng)式成像技術(shù)已開(kāi)展了大量的研究。
毫米波主動(dòng)式成像主要是通過(guò)毫米波源發(fā)射一定強(qiáng)度的毫米波信號(hào), 通過(guò)接收被測(cè)物的反射波，檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)與環(huán)境的差異，然后進(jìn)行反演成像. 主動(dòng)式成像系統(tǒng)可以對(duì)包括塑料等非金屬物體進(jìn)行檢測(cè), 其受環(huán)境影響較小, 獲得的信息量大, 可以有效地進(jìn)行三維成像. 常用的主動(dòng)式成像系統(tǒng)主要包括焦平面成像以及合成孔徑成像。毫米波成像系統(tǒng)已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外許多機(jī)場(chǎng)的安檢. 國(guó)內(nèi)上海微系統(tǒng)所孫曉瑋團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功了毫米波成像安檢系統(tǒng), 電子科技大學(xué)樊勇團(tuán)隊(duì)研制成功了毫米波動(dòng)態(tài)成像系統(tǒng)。
3 毫米波雷達(dá)
毫米波雷達(dá)具有頻帶寬、波長(zhǎng)短、波束窄、體積小、功耗低和穿透性強(qiáng)等特點(diǎn). 相比于激光紅外探測(cè), 其穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)可以保證雷達(dá)能夠工作在霧雨雪以及沙塵環(huán)境中， 受天氣的影響較小。相比于微波波段的雷達(dá)， 利用毫米波波長(zhǎng)短的特點(diǎn)可以有效減小系統(tǒng)體積和重量，并提高分辨率. 這些特點(diǎn)使得毫米波雷達(dá)在汽車(chē)防撞、直升機(jī)避障、云探測(cè)、導(dǎo)彈導(dǎo)引等方面具有重要的應(yīng)用.
微波毫米波汽車(chē)防撞雷達(dá)主要集中在24 GHz和77 GHz 頻段上, 是未來(lái)智能駕駛或自動(dòng)駕駛的核心技術(shù)之一. 在直升機(jī)毫米波防撞雷達(dá)的研究上, 人們特別關(guān)注毫米波雷達(dá)對(duì)電力線(xiàn)等的探測(cè)效果。
毫米波在大氣遙感方面也有很重要的應(yīng)用，其中代表性的有毫米波云雷達(dá). 毫米波云雷達(dá)主要針對(duì)降水云進(jìn)行探測(cè),，用于探測(cè)云內(nèi)部宏觀(guān)和微觀(guān)參數(shù),，反映大氣熱力及動(dòng)力過(guò)程. 由于毫米波波長(zhǎng)短，在云探測(cè)中表現(xiàn)出很高的測(cè)量精度和分辨率, 具有穿透含水較多的厚云層等優(yōu)勢(shì)。南京信息工程大學(xué)葛俊祥團(tuán)隊(duì)研制了W 波段云雷達(dá), 北京理工大學(xué)呂昕團(tuán)隊(duì)正在研制94/340 GHz 雙頻段云雷達(dá).
除了民用, 毫米波雷達(dá)在軍事方面也有著非常重要的應(yīng)用, 比如在精確制導(dǎo)武器中, 毫米波雷達(dá)導(dǎo)引是一項(xiàng)核心技術(shù), 是全天候?qū)嵤┠繕?biāo)精確打擊的一種有效手段。