極めて高い頻度
極めて高い頻度
極めて高い頻度
周波数範囲
30～300GHz
波長範囲
10～1mm
関連バンド
  • K  / L  / M（NATO）
  • Ka / V  / W / mm  （ IEEE）
ミリ波帯（IEEE）
周波数範囲
110～300GHz
波長範囲
2.73～1mm
関連バンド
EHF（IEEE）

極超短波（EHF）は、国際電気通信連合（ITU）が電磁スペクトルの30～300ギガヘルツ（GHz）の帯域に付けた呼称である。 [ 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る。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と呼ばれ、MMWまたはmmWaveと略されることもある。[ 3 ] mmWavesを24GHzから始まると定義する人もいる。そのため、FR2帯域（24.25～71GHz）全体などが含まれる。[ 4 ] [ 5 ]

低い周波数帯に比べ、この帯域の電波は大気減衰が大きく、大気中のガスに吸収されます。周波数の上昇とともに吸収は大きくなり、帯域の上端では数メートル以内で電波は減衰してゼロになります。大気中の湿度による吸収は砂漠環境を除いて大きく、雨による減衰（レインフェード）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、低い周波数帯よりも周波数の再利用距離を短くすることができます。波長が短いため、適度な大きさのアンテナでビーム幅を狭くすることができ、周波数の再利用の可能性がさらに高まります。ミリ波は、軍の射撃管制レーダー、空港のセキュリティスキャナー、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。

ミリ波の新しい主要な応用として、バンドの下限付近の特定の周波数範囲が、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 ]ミリ波回路とサブシステム（アンテナ、パワーアンプ、ミキサー、発振器など）の設計も、半導体やプロセスの制限、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 ]

伝搬

超高周波帯域における大気減衰（dB/km）の周波数依存性。大気中の水蒸気（H 2 O）や分子状酸素（O 2 ）などの成分の影響で、特定の周波数における吸収ピークが問題となる。dB自体が対数であるため、縦軸は両対数目盛りとなっている。

ミリ波は見通し経路のみで伝播します。電離層で屈折することも、低周波の電波のように地上波のように地球を伝搬することもありません。 [ 8 ]一般的な電力密度では、建物の壁によって遮られ、葉を通過する際に大きな減衰を受けます。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]大気ガスによる吸収は帯域全体にわたって重要な要素であり、周波数が高くなるにつれて増加します。しかし、この吸収はいくつかの特定の吸収線、主に60GHzの酸素と24GHzおよび184GHzの水蒸気の吸収線で最大になります。 [ 9 ]これらの吸収ピーク間の「窓」にある周波数では、ミリ波は大気による減衰がはるかに少なく、到達範囲が広いため、多くの用途でこれらの周波数が使用されています。ミリ波の波長は雨滴と同程度の大きさであるため、降水は吸収だけでなく散乱（レインフェード）による減衰も引き起こします。 [ 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 ]そのため、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有効です。[ 8 ]

ミリ波は「光学的」な伝搬特性を示し、直径5～30cm（2インチ～1フィート）程度の小さな金属面や誘電体レンズによって反射・集光されます。波長は、それを操作する機器の波長よりもはるかに短いことが多いため、幾何光学の手法が適用できます。回折は低周波数帯よりも小さいですが、建物の縁によって回折されることがあります。ミリ波では、表面が粗く見えるため、拡散反射が増加します。[ 8 ]多重伝播、特に屋内の壁や表面からの反射は、深刻なフェーディングを引き起こします。[ 10 ] [ 11 ]周波数のドップラーシフトは、歩行速度でも顕著になる可能性があります。[ 8 ]携帯機器では、人体による影が問題となります。ミリ波は衣服を透過し、波長が短いため小さな金属物体からも反射するため、空港のセキュリティスキャン用の ミリ波スキャナーに使用されています。

アプリケーション

科学研究

アメリカのチリにあるアタカマ大型ミリ波干渉計（ALMA）の一部。ミリ波電波望遠鏡。

この帯域は、電波天文学やリモートセンシングで広く利用されています。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干渉計（ALMA ）などの高高度観測施設に限定されています。

60GHz付近の衛星リモートセンシングは、酸素分子から放射される放射を測定することで、温度と圧力の関数として上層大気の温度を測定することができる。国際電気通信連合（ITU）の非排他的受動周波数割り当てである57～59.3GHzは、気象・気候センシングにおける大気モニタリングに利用されており、地球の大気における酸素の吸収と放出の特性から、これらの目的にとって重要である。現在運用されている米国の衛星センサーには、 NASAの衛星1基（Aqua）とNOAAの衛星4基（15～18）に搭載された先進マイクロ波サウンディングユニット（AMSU）、および国防総省の衛星F-16に搭載された特殊センサーマイクロ波/イメージャー（SSMI/S）などがある。[ 12 ]

通信

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ており、60GHz帯は最大2.5Gbit / sのデータスループットを持つ免許不要の短距離（1.7km）データリンクに使用できます。平坦な地形でよく使用されます。

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利用されています。これらの高周波数帯は酸素吸収の影響を受けにくいものの、米国連邦通信委員会（FCC）の送信免許が必要です。これらの周波数帯を用いた10Gbpsのリンクも計画されています。92～95GHz帯については、宇宙無線用に100MHzという狭い帯域が確保されており、この帯域の伝送速度は数Gbps未満に制限されています。[ 13 ]

UAEに​​設置されたCableFree MMWリンクは、 Safe Cityアプリケーション向けに構築され、サイト間で1Gbpsの容量を提供します。このリンクは迅速に設置でき、光ファイバーよりも低コストです。

この帯域は実質的に未開発であり、高速ポイントツーポイント無線ローカルエリアネットワーク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」のような信号特性により、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することを可能にします。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IEEE 802.11adおよびIEEE 802.11ayは、60 GHz ( V バンド) スペクトルで動作し、それぞれ最大 7 Gbit/sおよび少なくとも 20 Gbit/s 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る。2013年には、将来の5G携帯電話にミリ波を使用する計画があると推測された。[ 14 ]さらに、車両通信におけるミリ波帯の利用も、（半）自律走行車両通信をサポートするための魅力的なソリューションとして浮上している。[ 15 ]

この帯域では波長が短いため、より小型のアンテナで、より低い帯域の大型アンテナと同等の高い指向性と利得を実現できる。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もたらす直接的な結果は、ポイントツーマルチポイントアプリケーションにおいて周波数をより効率的に利用できる可能性である。特定のエリアに多くの指向性アンテナを設置できるため、結果として 周波数の再利用性が向上し、ユーザー密度が増加する。この帯域の利用可能なチャネル容量が大きいため、通常は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利用できる可能性がある。 [ 16 ]

兵器システム

ロシア、ソ連空母ミンスクのCIWS砲用ミリ波射撃管制レーダー

ミリ波レーダーは、戦車や航空機の短距離火器管制レーダー、そして艦艇の自動火器管制システム（CIWS）に利用され、飛来するミサイルを撃墜します。ミリ波の波長が短いため、発射される弾丸の流れだけでなく目標の位置も追跡でき、コンピュータ射撃管制システムが照準を変更して弾丸を迎撃することが可能です。

アメリカ空軍はレイセオン社と共同で、波長3mm（周波数95GHz）のミリ波電波を発射する非致死性対人兵器システム「アクティブ・デニアル・システム（ADS）」を開発した。 [ 17 ]この兵器は、ビームに当たった人に、まるで皮膚が燃えるような激しい灼熱痛を与える。軍用バージョンの出力は100キロワット（kW）[ 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であった。[ 19 ]

セキュリティ検査

ボン空港のミリ波セキュリティスキャナー

衣服やその他の有機材料は特定の周波数のミリ波を透過するため、最近では空港のセキュリティなどで衣服の下に持ち込まれた武器やその他の危険物を検出するスキャナーに使用されています。[ 20 ]プライバシー擁護者は、この技術の使用について懸念を抱いています。なぜなら、場合によっては、検査官が空港の乗客を衣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は多くの主要空港にミリ波スキャナーを配備しています。

ソフトウェアのアップグレード以前は、スキャン対象者の身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。写真は技術者によって密室で検査され、検査完了後すぐに削除されました。プライバシー擁護団体は懸念を抱いています。「飛行機に搭乗する際に全裸検査が義務付けられる状況に、ますます近づいている」と、アメリカ自由人権協会のバリー・スタインハート氏は述べています。[ 21 ]この問題に対処するため、アップグレードにより、別の検査エリアに職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。画像には男女の解剖学的区別はなく、物体が検出された場合は、その領域に黄色のボックスが表示されるだけです。装置が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 ]

ミリ波スキャナの1つのモデルを製造するファラン・テクノロジーズ社によると、スキャンエリアを最大50メートル先まで探索エリアを拡大する技術があり、これにより警備員はスキャンされていることに気づかれずに多数の人々をスキャンすることができるという。[ 24 ]

厚さ測定

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厚さ計として利用できることが実証されました。ミリ波は、厚さの変化をクリーンかつ非接触で検出する方法を提供します。この技術の実用化は、プラスチック押出成形、製紙、ガラス製造、ミネラルウール製造に重点を置いています。

薬

低強度（通常10 mW/cm 2以下）の超高周波電磁放射線は、ヒト医療において疾患治療に用いられることがあります。例えば、「短時間の低強度MMW曝露は、細胞の成長と増殖率、酵素の活性、細胞遺伝装置の状態、興奮性膜と末梢受容体の機能を変化させることができます。」[ 25 ]この治療は特に40～70 GHzの周波数範囲と関連しています。[ 26 ]この種の治療は、ミリ波療法または超高周波療法と呼ばれることがあります。[ 27 ]この治療は東欧諸国（例えば、旧ソ連諸国）と関連しています。[ 25 ]ロシアのジャーナル『Millimeter waves in biology and medicine』は、ミリ波療法の科学的根拠と臨床応用を研究しています。[ 28 ]

警察のスピードレーダー

交通警察はKaバンド（33.4～36.0GHz）の速度検知レーダーガンを使用している。 [ 29 ]

歴史

ミリメートル長の電磁波は、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、彼は1894年から1896年にかけての実験で最大60GHzの周波数の波を生成しました。 [ 3 ] 

参照

参考文献

  1. ^米国連邦規格1037B：電気通信、電気通信用語集。米国一般調達局技術標準局。1991年6月3日。S-18頁。
  2. ^ Final Acts WRC-15 (PDF) . World Radiocommunication Conference. Geneva, Switzerland: International Telecommunications Union. 2015. p. 4 . 2025年1月12日閲覧。
  3. ^ a b「マイルストーン：J.C.ボーズによる最初のミリ波通信実験、1894-96年」 IEEEマイルストーン一覧.電気電子学会. 2022年6月14日.
  4. ^ 「WIRED 5Gガイド」 . Wired . 2022年12月31日.
  5. ^ 「5G NR周波数帯域」 CableFree Networks. 2020年。
  6. ^ユーザー機器（UE）の無線送受信；パート3：レンジ1およびレンジ2における他の無線との相互運用動作（PDF）（技術仕様）。3GPP TS 38.101-3 バージョン15.2.0 リリース15。ETSI。2018年7月。p. 11。2019年12月5日閲覧。
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  9. ^ a b c「ミリ波伝搬：スペクトル管理への影響」（PDF）。米国商務省、連邦通信委員会（FCC）、エンジニアリング技術局、公報第70号。1997年7月。 2017年5月20日閲覧。
  10. ^ a b c du Preez, Jaco; Sinha, Saurabh (2016).ミリ波アンテナ：構成と応用. Springer. pp.  13– 14. ISBN 978-3-319-35068-4。
  11. ^ Seybold, John S. (2005). RF伝搬入門. John Wiley and Sons. pp.  55– 58. ISBN 0-471-74368-2。
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