超高周波(EHF) は、国際電気通信連合(ITU) の指定により、 30 ~ 300ギガヘルツ(GHz)の電磁波帯域です。 [ 1 ] [ 2 ]これは、無線スペクトルのマイクロ波部分にあり、超高周波帯域とテラヘルツ帯域の間にあります。この帯域の電波の波長は10 ~ 1ミリメートルであるため、ミリ波帯域とも呼ばれ、この帯域の放射はミリ波( MMWまたはmmWaveと略されることもあります) と呼ばれます。[ 3 ]ミリ波を 24 GHz から始まると定義する人もおり、その場合、 FR2帯域 (24.25 ~ 71 GHz) 全体をカバーします。[ 4 ] [ 5 ]
低周波数帯と比較して、この周波数帯の電波は大気減衰が大きく、大気中のガスによって吸収されます。吸収は周波数とともに増加し、周波数帯の上限では数メートル以内に減衰がゼロになります。大気中の湿度による吸収は砂漠環境を除いて顕著であり、雨による減衰(降雨減衰)は短距離でも深刻な問題となります。しかし、伝搬距離が短いため、低周波数帯よりも周波数再利用距離を短くすることができます。波長が短いため、小型アンテナでもビーム幅を小さくすることができ、周波数再利用の可能性がさらに高まります。ミリ波は、軍事射撃管制レーダー、空港保安スキャナー、短距離無線ネットワーク、科学研究などに使用されています。
ミリ波の主要な新しい応用例として、帯域の下限付近の特定の周波数帯域が、最新世代の携帯電話ネットワークである5Gネットワークで使用されています。[ 6 ]ミリ波回路およびサブシステム(アンテナ、パワーアンプ、ミキサー、発振器など)の設計は、半導体およびプロセスの制限、モデルの制限、受動デバイスのQ値の低さなどにより、エンジニアにとって深刻な課題となっています。[ 7 ]

ミリ波は、見通し線のみで伝搬します。電離層で屈折することもなく、低周波の電波のように地表波として地球に沿って伝搬することもありません。 [ 8 ]通常の電力密度では、建物の壁で遮られ、樹木を通過する際に著しく減衰します。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]大気ガスによる吸収は、帯域全体で重要な要素であり、周波数とともに増加します。ただし、この吸収は、主に酸素の60GHzと水蒸気の24GHzおよび184GHzのいくつかの特定の吸収線で最大になります。[ 9 ]これらの吸収ピーク間の「ウィンドウ」の周波数では、ミリ波は大気による減衰がはるかに少なく、到達距離が長いため、多くのアプリケーションでこれらの周波数が使用されます。ミリ波の波長は雨滴と同じオーダーの大きさであるため、降水は吸収だけでなく散乱(降雨減衰)による追加の減衰を引き起こします。 [ 9 ] [ 10 ]自由空間損失と大気吸収が大きいため、有効な伝搬距離は数キロメートルに制限されます。[ 8 ]したがって、周波数再利用によってスペクトル利用率を向上させるパーソナルエリアネットワークなどの高密度通信ネットワークに役立ちます。[ 8 ]
ミリ波は「光学的」伝搬特性を示し、直径約 5 ~ 30 cm (2 インチ ~ 1 フィート) の小さな金属面や誘電体レンズ で反射および集束できます。波長が操作する機器よりもはるかに小さい場合が多いため、幾何光学の技術を使用できます。ミリ波は建物の端で回折される可能性がありますが、低周波数の場合よりも回折は小さくなります。ミリ波の波長では、表面はより粗く見えるため、拡散反射が増加します。[ 8 ]マルチパス伝搬、特に屋内の壁や表面からの反射は、深刻なフェージングを引き起こします。[ 10 ] [ 11 ] 歩行速度でも周波数のドップラーシフトが大きくなる可能性があります。 [ 8 ]携帯機器では、人体による遮蔽が問題になります。波は衣服を透過し、波長が小さいため小さな金属物体で反射できるため、空港のセキュリティスキャン用のミリ波スキャナで使用されています。

この周波数帯は、電波天文学やリモートセンシングで一般的に使用されています。地上電波天文学は、大気吸収の問題により、キットピークやアタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計(ALMA )などの高地観測所に限定されています。
60 GHz 付近の衛星リモートセンシングは、温度と圧力の関数である酸素分子から放出される放射線を測定することにより、上層大気の 温度を決定できます。国際電気通信連合 (ITU)の57 ~ 59.3 GHz の非排他的受動周波数割り当ては、気象および気候センシング用途の大気監視に使用され、地球大気中の酸素の吸収と放出の特性により、これらの目的に重要です。現在運用中の米国の衛星センサー、例えばNASA の衛星 (Aqua) 1 機と NOAA (15 ~ 18) の衛星 4 機に搭載されている先進マイクロ波サウンディングユニット(AMSU) や、国防総省の衛星 F-16 に搭載されている特殊センサーマイクロ波イメージャー(SSMI/S) は、この周波数範囲を使用しています。[ 12 ]
米国では、36.0~ 40.0GHz帯は免許制の高速マイクロ波データリンクに使用され、60GHz 帯は免許不要の短距離(1.7km )データリンクに使用でき、データスループットは最大2.5Gbpsに達する。この帯域は一般的に平坦な地形で使用される。
71~76GHz、81~86GHz、92~95GHz帯も、ポイントツーポイントの高帯域幅通信リンク に使用されています。これらの高周波数は酸素吸収の影響を受けませんが、米国では連邦通信委員会(FCC)からの送信ライセンスが必要です。これらの周波数を使用した10Gbit/sリンクの計画もあります。92~95GHz帯の場合、100MHzの小さな範囲が宇宙搭載無線機用に確保されており、この確保された範囲の伝送速度は毎秒数ギガビット未満に制限されています。[ 13 ]

この周波数帯は基本的に未開発であり、高速ポイントツーポイント無線LANやブロードバンドインターネットアクセスなど、幅広い新製品やサービスに利用可能です。WirelessHDは、60GHz帯付近で動作するもう一つの最新技術です 。指向性の高い「ペンシルビーム」信号特性により、異なるシステムが互いに干渉することなく近接して動作できます。潜在的な用途としては、非常に高解像度のレーダーシステムなどが挙げられます。
Wi -Fi規格であるIEEE 802.11adとIEEE 802.11ay は、 60GHz(Vバンド)の周波数帯で動作し、それぞれ最大7Gbpsおよび少なくとも20Gbpsのデータ転送速度を実現します。
ミリ波帯の用途には、ポイントツーポイント通信、衛星間リンク、ポイントツーマルチポイント通信などがあります。2013年には、将来の5G携帯電話でミリ波を使用する計画があると推測されていました。[ 14 ]さらに、車両通信にミリ波帯を使用することも、(半)自律走行車両通信をサポートする魅力的なソリューションとして浮上しています。[ 15 ]
この帯域の波長が短いため、より低い帯域の大型アンテナと同じ高い指向性と高利得を実現するために、より小型のアンテナを使用できます。この高い指向性と、これらの周波数における高い自由空間損失が相まって、ポイントツーマルチポイントアプリケーションで周波数をより効率的に使用できる可能性が生まれます。特定のエリアに高指向性アンテナをより多く配置できるため、結果として 周波数再利用率が向上し、ユーザー密度が高くなります。この帯域の高い使用可能なチャネル容量により、光ファイバー通信や回路基板の相互接続などの非常に短いリンクを使用するアプリケーションにも対応できる可能性があります。 [ 16 ]
ミリ波レーダーは、戦車や航空機の短距離射撃管制レーダー、および海軍艦艇の近接防御火器システム( CIWS)において、飛来するミサイルを迎撃するために使用されている。ミリ波の波長が短いため、標的だけでなく発射された弾丸の流れも追跡することができ、コンピュータによる射撃管制システムが照準を調整して目標を一点に集弾させることが可能となる。
米空軍はレイセオン社と共同で、波長3mm (周波数95GHz )のミリ波ビームを発射する非致死性対人兵器システム「アクティブ・ディナイアル・システム(ADS)」を開発した。 [ 17 ]この兵器は、ビーム内の人に皮膚が燃えるような激しい灼熱感を与える。軍用バージョンの出力は100キロワット(kW)で、[ 18 ]後にレイセオン社が開発した小型の法執行機関向けバージョン「サイレント・ガーディアン」の出力は30kWだった。[ 19 ]

衣類やその他の有機材料は特定の周波数のミリ波に対して透明であるため、最近では空港のセキュリティなどの用途で、衣服の下に隠された武器やその他の危険物を検出するスキャナーが使用されています。[ 20 ]プライバシー擁護者は、この技術の使用について懸念しています。なぜなら、場合によっては、検査官が空港の乗客を服を着ていないかのように見ることができるからです。
TSA (運輸保安庁)は、多くの主要空港にミリ波スキャナーを配備した。
ソフトウェアのアップグレード前は、この技術ではスキャンされている人の体のどの部分も隠されていませんでした。しかし、乗客の顔はシステムによって意図的に隠されていました。写真は閉鎖された部屋で技術者によってスクリーニングされ、検索が完了するとすぐに削除されました。プライバシー擁護者は懸念しています。「飛行機に乗るための必須の裸体検査にますます近づいています」とアメリカ自由人権協会のバリー・スタインハートは述べています。[ 21 ]この問題に対処するため、アップグレードにより、別の閲覧エリアに係員を配置する必要がなくなりました。新しいソフトウェアは、人間の一般的な画像を生成します。画像には男性と女性の解剖学的区別はなく、物体が検出された場合、ソフトウェアはその領域に黄色のボックスを表示するだけです。デバイスが関心のあるものを何も検出しない場合は、画像は表示されません。[ 22 ]乗客はスキャンを拒否し、金属探知機による検査と身体検査を受けることができます。[ 23 ]
ミリ波スキャナーの1つのモデルを製造しているファラン・テクノロジーズによると、スキャンエリアから最大50メートルまで検索範囲を拡張する技術が存在し、警備員はスキャンされていることに気づかれることなく大勢の人々をスキャンすることができるという。[ 24 ]
ルーヴェン大学の最近の研究により、ミリ波は様々な産業において非核式厚さ計としても利用できることが実証されました。ミリ波は、厚さの変化を非接触かつクリーンに検出できる方法です。この技術の実用的な応用例としては、プラスチック押出成形、製紙、ガラス製造、鉱物繊維製造などが挙げられます。
極めて高周波の低強度(通常 10 mW/cm 2以下)の電磁波は、人間の医療において疾患の治療に用いられることがある。例えば、「短時間の低強度ミリ波照射は、細胞の成長と増殖速度、酵素の活性、細胞遺伝装置の状態、興奮性膜および末梢受容体の機能を変化させる可能性がある。」[ 25 ]この治療法は特に 40~70 GHzの範囲に関連している。[ 26 ]この種の治療法は、ミリ波療法または超高周波療法と呼ばれることがある。[ 27 ]この治療法は、東ヨーロッパ諸国(例えば、旧ソ連諸国)に関連している。[ 25 ]ロシアの医学雑誌「生物学と医学におけるミリ波」は、ミリ波療法の科学的根拠と臨床応用について研究している。[ 28 ]
ミリ波の電磁波は、 1894年から1896年の実験で周波数60GHzまでの波を発生させたジャガディッシュ・チャンドラ・ボースによって初めて研究された。 [ 3 ]