30GHz 至 300GHz 的頻譜帶稱為毫米波區或毫米波頻譜。
毫米波（mmWave）訊號在空氣中傳播的速度與光相同，即 3 x 108 米/秒。因此，與指定頻率範圍成比例的波長是從 10 毫米到 1 毫米。
在實際應用中，24 GHz 以上的頻率被視為毫米波，其位於微波和遠紅外線波重疊的波長範圍內。因此，毫米波表現出兩種光譜的特性。國際電信聯盟（ITU）將該無線電頻帶指定為 「極高頻」（EHF）。
毫米波頻段示意圖
毫米波的傳播特性：
毫米波訊號傳播的特徵是：
- 高自由空間路徑損耗
- 顯著的大氣衰減
- 漫反射
- 有限的穿透深度
以下小節將更詳細地探討這四種傳播特性。
1. 自由空間路徑損耗：
毫米波射頻 (RF) 通訊的一個限制是由兩個天線之間的直接視距通訊的自由空間路徑損耗 (FSPL)。 FSPL 與波長的平方成反比，可參考以下公式：
當：
- d 是兩個天線之間的距離，單位為米
- λ 是波長，單位為公尺。
在射頻通訊計算中，此損耗方程式通常會轉換為以 dB 為單位的結果，頻率以 GHz 為單位，距離以 km 為單位。經過這樣的轉換，等式就變成：
FSPL(dB) = 20 ∗ log10(d) + 20 ∗ log10(f) + 92.45
上圖顯示了不同頻率下的自由空間路徑損耗。距離改變一個八度就會導致衰減產生 6 dB 的差異。例如：當距離從 2 公里增加到 4 公里時，衰減增加 6dB。值得注意的是，即使在短距離內，自由空間路徑損耗也可能非常高。這對毫米波通訊系統的設計和配置形成了巨大的挑戰。
2. 大氣衰減：
毫米波傳輸的特徵是大氣衰減。大氣中的水蒸氣和氧氣可以吸收電磁波，因此毫米波應用研究主要集中在幾個**「大氣窗口」頻率和三個「衰減峰值」頻率**。
不同頻段毫米波大氣衰減趨勢圖
「大氣窗口 Atmospheric Window」指電磁波穿過大氣時透射率較高，反射、吸收、散射較少的頻段。
一般情況下，「大氣窗口」頻段適用於點對點通信，「衰減峰值」頻段適用於多分支分集隱藏網路及滿足網路安全要求的系統。
3. 漫反射：
較長的波長通常依靠直接（鏡面）反射功率來協助繞過障礙物（想像鏡面反射）。但是，許多表面對於毫米波來說顯得「粗糙」，這會導致漫反射，從而將能量發射到許多不同的方向。
漫反射與鏡面反射
因此，到達接收天線的反射能量可能會減少。毫米波傳輸容易受到障礙物遮蔽的影響，通常僅限於視距傳輸。
4. 穿透力有限：
由於波長較短，毫米波無法深入穿透大多數材料。例如：對常見建築材料的研究發現，衰減範圍約為 1 至 6 dB/cm，70 GHz 時穿過磚牆的穿透損耗可能是 1 GHz 時的五倍。在戶外，樹葉也會阻擋大部分毫米波。因此，大多數毫米波通訊僅限於視距操作。
毫米波技術的優勢：
1. 寬頻寬和高資料速率：毫米波頻率範圍通常被認為是 26.5 至 300 GHz，頻寬高達273.5 GHz，比從直流到微波的頻寬高 10 倍。
此外，由於其高頻率範圍，毫米波頻段可以提供比較低頻譜更高的數據速率。
2. 縮小天線尺寸：由於毫米波的波長非常短，因此在這些頻率下使用的天線可以非常小。這令到可以在較小的區域內整合和使用大量天線元件，從而能夠使用相控陣天線、電子控制天線和各種其他天線技術。
3. 波束寬度窄：在相同的天線尺寸下，毫米波的波束寬度比微波窄得多。例如：12cm 天線在 9.4 GHz 時波束寬度為 18 度，而在 94 GHz 時波束寬度僅 1.8 度。因此，毫米波可以區分較近距離較小的目標，或更清楚地觀察目標細節。
4. 強大的偵測能力：毫米波的寬頻頻譜可用於抑制多路徑效應和雜波回波。有大量頻率可用，有效消除相互幹擾。在目標徑向速度下可以獲得較大的多普勒頻移，從而提高對低速運動物體或振動物體的偵測和辨識能力。
5. 有限的範圍、反射和穿透深度：有限的範圍、漫反射和有限的穿透深度實際上可以使電信受益。這些特性令到許多小型基地台可以彼此靠近而不會受到干擾。這實現了頻譜的空間重用，從而允許在一個區域內支援更多的高頻寬消費者。
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毫米波技術的應用：
1. 雷達：
多年來，航空航天雷達應用是毫米波技術的主要應用。寬頻寬非常適合確定到物體的距離、分辨兩個距離較近的物體，以及測量到目標的相對速度。
例如：在最基本的形式中，假設兩個物體直接朝向彼此移動或遠離彼此，Doppler 頻移 (Δf) 由下式計算：
Δf= (2*Vrel)/λ
當：
- Vrel 是相對速度（米/秒）
- λ 是波長（米）
由於波長較短（如毫米波）時頻率偏移較大，因此更容易測量由此產生的頻率偏移。使用較小的多元件天線和自適應波束形成的能力，也使毫米波成為雷達應用的理想選擇。
由於毫米波雷達在航空航天應用中備受青睞的原因，它也被廣泛應用於自動駕駛汽車應用，包括緊急煞車、自適應巡航控制 (ACC) 和盲點偵測。
毫米波雷達在自動駕駛汽車的應用
快速準確地測量距離和相對速度的能力對於自動駕駛汽車的運行顯然非常重要。
2. 電信：
衛星系統長期以來一直使用毫米波進行通信，因為它具有頻寬高、延遲低、天線小、以及多天線陣列波束成形等特點。這些相同的特性正在推動許多地面電信網路採用毫米波。
例如：由於頻寬的增加，毫米波可以支援超高清（UHD）視訊的無線傳輸。此外，更小的天線支援整合到智慧型手機、數位視訊轉換盒 、遊戲站等設備中。將採用毫米波的新興產業標準包括 5G 和 IEEE 802.11ad WiGig，數據速率為 Gb/s。
自適應波束成形可支援固定用戶和行動用戶
特別是在室內和城市環境中，毫米波的空間重複使用和自適應波束成形將能夠向大量用戶提供高頻寬通訊。
3. 安全掃描儀：
毫米波也用於人體安全掃描儀。數千個發射和接收天線協同工作，以高精度進行掃描，如下圖所示：
毫米波人體掃描儀系統
這些系統在 70 GHz 至 80 GHz 的頻率範圍內進行傳輸，並且僅發射約 1 mW 的功率。毫米波可以穿過大多數衣物，並從皮膚和其他表面反射回接收天線。接收到的訊號可用於建立個人的詳細影像並顯示隱藏在衣服下的物品。毫米波的低功率和有限的穿透深度提供了更高的安全性。
毫米波的其他應用：
這些只是毫米波技術眾多應用中的一小部分。其他建議的應用包括：
- 無線電天文學
- 土壤濕度評估
- 積雪測量
- 冰山偵測
- 惡劣天氣下光學探測的補充
- 天氣測繪
- 測量風速
- 醫療
結論：
毫米波技術是近十年來發展最快的技術之一。對高速數據、超高清多媒體、高清遊戲、安全和監控等的更高需求將推動毫米波技術更上一層樓。它將在未來不斷發展並提供廣泛的應用。