周波数範囲が30GHz～300GHzの周波数帯はミリ波領域またはミリ波帯域と呼ばれます。
ミリ波（mmWave）の信号は大気中を光と同じ速度、すなわち3×108m/sで伝搬します。したがって、指定された周波数範囲に相当する波長は10mm～1mmとなります。
実際のアプリケーションでは、24GHz以上の周波数はミリ波とみなされ、マイクロ波と遠赤外線が重なる波長領域になります。ミリ波はそのため、両者のスペクトラムの特徴を備えています。国際電気通信連合（ITU）はこの無線周波数帯を「超高周波」（EHF：extremely high frequency）と呼んでいます。
ミリ波（mmWave）の伝搬特性：
ミリ波信号の伝搬には、次のような特長があります。
- 大きな自由空間伝搬損失
- 大気減衰が顕著
- 乱反射
- 浸入深度の制限
以下のサブセクションでは、これら4つの伝搬特性それぞれについて、より詳細に説明します。
自由空間伝搬損失： ミリ波無線周波数（RF）通信の制限の1つは、2つのアンテナ間の直接見通し通信における自由空間伝搬損失（FSPL：free space path loss）です。FSPLは波長の2乗に反比例し、次の式で与えられます。
ここで、
- d は2つのアンテナ間の距離（単位：m）
- λ は波長（単位：m）
RF通信の計算では、この損失方程式は、周波数がGHz、距離がkmで表され、結果はdBに変換して表されます。この変換の後、方程式は次のようになります。
FSPL(dB) = 20 ∗ log10(d) + 20 ∗ log10(f) + 92.45
上図は、異なる周波数における自由空間伝搬損失を示しています。距離が1オクターブ変わると、減衰量に6dBの差が生じます。例えば、距離が2kmから4kmに伸びると、減衰量は6dB増加します。短い距離であっても、自由空間伝搬損失は非常に大きくなる可能性があることは注目に値します。これは、ミリ波通信システムの設計と配置にとって大きな挑戦的課題となります。
大気減衰： ミリ波伝送は大気中での減衰を特徴としています。
大気中の水蒸気と酸素は電磁波を吸収するため、ミリ波の応用研究では主としていくつかの「大気の窓」周波数と3つの「減衰ピーク」周波数に焦点が当てられています。
ミリ波の各周波数帯における大気減衰の分布図
「大気の窓」とは、光の透過率が高く、大気中を通過する電磁波の反射、吸収、散乱が少ない周波数帯域を指します。
一般的に、「大気の窓 」周波数帯域はポイントツーポイント通信に適しており、「減衰ピーク 」周波数帯域はマルチブランチダイバーシティ非公開ネットワークやネットワークセキュリティの要件を満たすシステムに適しています。
乱反射： 波長の長い電波は、障害物を迂回して伝達するために、直接（鏡面）反射パワーを利用することがよくあります（鏡のような反射を思い浮かべてください）。しかし、多くの表面はミリ波にとって「ざらざら」しているように見え、その結果、エネルギーをさまざまな方向に伝達する乱反射が起こります。
以上のように、受信アンテナに到達する反射エネルギーは少なくなります。そのため、ミリ波送信は障害物による遮蔽の影響を非常に受けやすく、一般的に見通し線上の送信に限定されます。
浸入深度の制限： ミリ波は波長が短いため、ほとんどの物質に深く浸入したり、透過したりしません。
例えば、一般的な建材を調査したところ、減衰はおよそ1～6dB/cmで、70GHzでレンガ壁を通過する場合の透過損失は1GHzの場合の5倍になる可能性があることがわかりました。屋外では、木の葉がほとんどのミリ波を遮ります。したがって、ほとんどのミリ波通信は見通し線での運用に限定されます。
ミリ波技術の利点：
1. 広帯域および高いデータレート： ミリ波の周波数範囲は通常26.5～300GHz とみなされ、帯域幅は最大273.5GHzで、これはDCからマイクロ波までの帯域幅の10倍です。
また、ミリ波帯は高周波数帯のため、低周波数帯よりも高いデータレートを実現できます。
2. アンテナの小型化： ミリ波の波長は非常に短いため、これらの周波数で使用されるアンテナは非常に小さくなります。そのため、より小さな面積に、より多くのアンテナ素子を集積して使用することが可能となり、フェーズアレイアンテナ、電子制御アンテナ、その他さまざまなアンテナ技術を使用することができます。
3. 狭いビーム幅： 同じアンテナサイズでも、ミリ波のビーム幅はマイクロ波よりはるかに狭くなります。例えば、12cmアンテナのビーム幅は9.4GHzで18度ですが、94GHzではわずか1.8度です。したがって、ミリ波は、互いに接近している小さなターゲットを区別したり、ターゲットの詳細をより明確に観察したりすることができます。
4. 強力な検出能力： ミリ波の広帯域スペクトラムを使用すると、マルチパス効果やクラッタエコーを抑制できます。利用可能な周波数が多数あるため、相互干渉を効果的に排除できます。目標とする動径速度下で大きなドップラー周波数シフトが得られるため、低速の移動物体や振動物体の検出および認識能力が向上します。
5. 制限のある範囲、反射、および侵入深度： 制限のある範囲、拡散反射、および制限のある浸入深度は、実際にテレコミュニケーションに利益をもたらします。これらの機能は、多くのスモールセルが干渉することなく互いに非常に近づけることを可能にするために利用されています。これにより、スペクトラムの空間的再利用が可能になり、エリア内で、より多くの広帯域消費者をサポートできるようになります。
ミリ波技術の用途：
1. レーダ
長年にわたり、ミリ波技術の主な用途は航空宇宙レーダでした。さまざまな帯域幅は、対象物までの距離を測定したり、近くにある2つの遠距離物体を分離したり、対象物との相対速度を測定するのに理想的です。
たとえば、2つの物体が互いに直接近づいたり離れたりすることを想定した最も基本的な形式では、ドップラー周波数シフト（Δf）は次の式で求められます。Δf= (2*Vrel)/λ
ここで、
- Vは相対速度（m/s）
- λは波長（m）
波長が短いほど（ミリ波のように）周波数シフトは大きくなるため、結果として生じる周波数シフトを測定するのが容易になります。より小型の多素子アンテナと適応型ビームフォーミングを使用できるため、ミリ波はレーダ用途に最適です。
ミリ波レーダが航空宇宙用途に望ましいのと同じ理由で、緊急ブレーキ、アダプティブクルーズコントロール（ACC:adaptive cruise control）、死角検出などの自動運転車用途に広く採用されています。
自律走行車用ミリ波レーダの用途
距離と相対速度を迅速かつ正確に測定する機能は、自律走行車の操作には明らかに重要です。
2. テレコミュニケーション
衛星システムは、広帯域幅、低遅延、小型アンテナ、およびマルチアンテナ アレイのビームフォーミングなどの理由から、通信にミリ波を長い間使用してきました。これらと同じ機能により、多くの地上通信ネットワークでミリ波の採用が進んでいます。
たとえば、帯域幅が増加したため、ミリ波は超高解像度（UHD）動画のワイヤレス伝送をサポートできます。さらに、小型のアンテナは、スマートフォン、デジタル セット トップ ボックス、ゲーム ステーションなどのデバイスへの統合も可能にします。ミリ波を採用する新たな業界標準には、5GやGb/s データ レートのIEEE 802.11ad WiGigなどがあります。
固定ユーザーとモバイルユーザーの両方をサポートする適応型ビームフォーミング
特に屋内や都市環境では、ミリ波の空間再利用と適応ビームフォーミングによって、多くのユーザーに広帯域通信を提供できるようになります。
3. セキュリティスキャナ
ミリ波は人体用セキュリティスキャナにも採用されています。図に示すように、何千もの送受信アンテナが連携して高精度のスキャンを行います。
これらのシステムは70GHz～80GHzの周波数帯域で送信し、わずか約1mWの電力しか放出しません。ミリ波はほとんどの衣服を通過し、皮膚やその他の表面で反射して受信アンテナに戻ります。受信した信号を使用して、個人の詳細な画像を作成し、衣服の下に隠された物品を明らかにすることができます。ミリ波の低電力と浸入深度の制限により、安全性が向上します。
ミリ波の他の用途：
これらはミリ波技術の数ある応用例のほんの一部です。その他にも、以下のような応用が提案されています。
- 電波天文学
- 土壌水分評価
- 積雪量測定
- 氷山の位置測定
- 天候下における光学検出の補完
- 天気図作成
- 風速測定
- 医療処置
まとめ：
ミリ波技術は、この10年間で最も急速に成長している技術の1つです。高速データ、超高解像度マルチメディア、HDゲーム、セキュリティおよび監視などに対する需要の高まりにより、ミリ波技術を次のレベルへと押し上げます。今後も継続的に発展し、幅広いアプリケーションを提供してくれるでしょう。