首頁(yè) 資訊解鎖毫米波：5G 通信、醫(yī)療應(yīng)用與雷達(dá)技術(shù)的深度探秘

解鎖毫米波：5G 通信、醫(yī)療應(yīng)用與雷達(dá)技術(shù)的深度探秘

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2025年06月01日 09:48

在科技飛速發(fā)展的浪潮中，毫米波技術(shù)正以其獨(dú)特的魅力和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為眾多行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。它就像一把萬(wàn)能鑰匙，為我們開啟了一個(gè)又一個(gè)充滿無(wú)限可能的新世界。

毫米波

毫米波，作為波長(zhǎng)在 1 - 10mm（頻率 30 - 300GHz）的電磁波，處于微波與遠(yuǎn)紅外波的重疊區(qū)域，其通信特性與光通信極為相似。頻率高、波長(zhǎng)短，傳播時(shí)呈直射狀態(tài)，波束窄且方向性極佳，但也容易被阻擋而反射或阻斷。正是這些特性，讓毫米波在 5G 通信中發(fā)揮著核心作用。大量的空閑頻段為 5G 網(wǎng)絡(luò)提供了充足的帶寬資源，良好的指向性和窄波束特性則為大規(guī)模 MIMO 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，使得 5G 系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁└咚佟⒎€(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。然而，毫米波傳輸距離較短的短板，也意味著需要更多的基站來實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。

國(guó)際電信聯(lián)盟 ITU 為了推動(dòng)全球 5G 毫米波頻段的研究和統(tǒng)一協(xié)調(diào)，在 2019 年世界無(wú)線電通信大會(huì)（WRC - 19）上專門設(shè)立 1.13 議題，針對(duì) 24.25GHz - 86GHz 頻段范圍的 11 個(gè)候選頻段展開深入研究，重點(diǎn)聚焦于 5G 系統(tǒng)與同、鄰頻多種無(wú)線電業(yè)務(wù)的兼容共存問題。在 2018 年 1 月的 5G 毫米波特設(shè)工作組第四次協(xié)調(diào)會(huì)議上，26GHz（24.25GHz - 27.5GHz）與 40GHz（37GHz - 43.5GHz）頻段脫穎而出，成為最受矚目的頻段，全球超過半數(shù)的研究報(bào)告都圍繞它們展開。與此同時(shí)，70GHz、80GHz 頻段也逐漸受到更多關(guān)注，各國(guó)紛紛加大研究投入。而 32GHz（31.8GHz - 33.4GHz）等頻段則相對(duì)較少被提及。

令人驚奇的是，毫米波在醫(yī)療領(lǐng)域也有著獨(dú)特的應(yīng)用歷史。早在二十世紀(jì)六十年代至七十年代后期，前蘇聯(lián)就率先將毫米波用于醫(yī)療。目前普遍認(rèn)為，毫米波通過與人體組織內(nèi)粒子發(fā)生諧振，從而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)和治療作用，因此毫米波療法也被稱為微波諧振療法或毫米波諧振療法。多數(shù)毫米波治療儀輸出波長(zhǎng) 8.3 - 8mm、頻率 36 - 37.5GHz 的毫米波，少數(shù)可輸出 7.11mm（42.19GHz）、5.6mm（53.53GHz）、4.96mm（60.48GHz）的毫米波，輸出功率密度一般為 10mW/cm2 。值得注意的是，5G 毫米波的 40G 頻段（37GHz - 43.5GHz）與毫米波治療儀的部分頻段存在重疊，這一發(fā)現(xiàn)為 5G 毫米波在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用打開了想象的大門。

從作用機(jī)理來看，毫米波作用于生物體時(shí)，70% 的能量會(huì)在 300μm 深的生物組織內(nèi)被吸收，穿透深度小于 1mm，雖然無(wú)法進(jìn)入深部組織，但卻能引發(fā)局部乃至深部或遠(yuǎn)隔組織和臟器的一系列反應(yīng)。關(guān)于其作用機(jī)理，目前存在多種學(xué)說，其中諧振學(xué)說得到了較為廣泛的認(rèn)可。該學(xué)說認(rèn)為，生物組織中的 DNA、RNA、蛋白質(zhì)等大分子和生物膜都有各自固定的振蕩頻率（5 - 3000GHz），恰好處于毫米波的頻率范圍（30 - 300GHz）內(nèi)。當(dāng)毫米波作用于這些生物大分子和生物膜時(shí)，會(huì)引發(fā)諧振，使能量增強(qiáng)，進(jìn)而在機(jī)體內(nèi)傳播并引發(fā)一系列生物學(xué)效應(yīng)，如組織微觀結(jié)構(gòu)改變、蛋白質(zhì)和酶活性變化等，最終導(dǎo)致細(xì)胞代謝與功能的改變。基于此，毫米波療法對(duì)含水組織具有良好的親和力，能夠改善局部組織的新陳代謝和血液循環(huán)，加快組織水腫的吸收，促進(jìn)病理產(chǎn)物和代謝產(chǎn)物的排泄，從而達(dá)到消炎、消腫、止痛等治療目的。不過，目前毫米波療法在具體應(yīng)用參數(shù)的理論基礎(chǔ)、生物效應(yīng)及分子細(xì)胞學(xué)機(jī)制等方面仍有待進(jìn)一步明確，還需要多學(xué)科、大樣本的臨床驗(yàn)證。

基于 5G 系統(tǒng)中大規(guī)模 MIMO 技術(shù)，我們不妨大膽暢想一下 5G 毫米波在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景。5G 系統(tǒng)能夠調(diào)動(dòng)多個(gè)臨近基站的天線同時(shí)指向某個(gè)移動(dòng)用戶，為其提供穩(wěn)定的高速帶寬。如果該頻段為毫米波頻段，用戶或許可以通過手機(jī)輸入特殊指令，讓系統(tǒng)調(diào)動(dòng)周圍天線對(duì)自己進(jìn)行毫米波治療。此外，從 5G 手機(jī)的角度出發(fā)，將其打造為具有醫(yī)療效果的便攜式毫米波治療儀也并非天方夜譚，實(shí)現(xiàn)一物多用。當(dāng)然，在探討這些應(yīng)用時(shí)，我們必須考慮輻射劑量的問題。我國(guó)電磁輻射安全標(biāo)準(zhǔn)是不超過 40μw/cm2，對(duì)比毫米波治療儀一般 10mW/cm2 的功率密度，5G 基站變身毫米波治療儀的設(shè)想難度較大，而 5G 手機(jī)變身治療儀則相對(duì)更具現(xiàn)實(shí)可行性。

除了在 5G 通信和醫(yī)療領(lǐng)域，毫米波在雷達(dá)系統(tǒng)中也有著卓越的表現(xiàn)。毫米波雷達(dá)利用毫米波段電磁波進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量，具有高分辨率、高靈敏度、高抗干擾能力等眾多優(yōu)勢(shì)，在軍事、航空、航天、交通、氣象等多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。它主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理器和顯示設(shè)備等部分組成。天線采用波導(dǎo)、喇叭、透鏡等結(jié)構(gòu)，具備高增益、低副瓣、寬頻帶的特點(diǎn)，對(duì)雷達(dá)性能影響重大；發(fā)射機(jī)采用固態(tài)器件，如砷化鎵、氮化鎵等，能高效、穩(wěn)定地產(chǎn)生高頻率、高功率的毫米波信號(hào)；接收機(jī)通過低噪聲放大器、混頻器、濾波器等器件，接收并處理目標(biāo)反射回來的信號(hào)；信號(hào)處理器利用數(shù)字信號(hào)處理器、微處理器等，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、分析和判斷，提取目標(biāo)的位置、速度、形狀等關(guān)鍵信息；顯示設(shè)備則將這些信息以直觀的圖形、數(shù)字等形式呈現(xiàn)給操作人員。

毫米波雷達(dá)的工作過程包括發(fā)射、傳播、反射、接收和處理等環(huán)節(jié)。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生毫米波信號(hào)并通過天線發(fā)射，信號(hào)在大氣中傳播時(shí)會(huì)受到折射、散射、吸收等因素的影響，遇到目標(biāo)物體后部分信號(hào)被反射回來，接收機(jī)接收反射信號(hào)并進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)等處理，最后由信號(hào)處理器提取目標(biāo)信息。憑借這些特性，毫米波雷達(dá)能夠分辨出較小的目標(biāo)物體，探測(cè)到較遠(yuǎn)的目標(biāo)，抵抗各種干擾，覆蓋多個(gè)頻段，實(shí)現(xiàn)小型化、低功耗，具備多模式工作和多目標(biāo)處理能力，且具有低截獲概率和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。

毫米波技術(shù)在 5G 通信、醫(yī)療、雷達(dá)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力和應(yīng)用價(jià)值。雖然目前在一些方面還存在挑戰(zhàn)和不確定性，但隨著科技的不斷進(jìn)步和研究的深入開展，相信毫米波技術(shù)將在更多領(lǐng)域取得突破，為我們的生活帶來更多意想不到的改變和便利，推動(dòng)各個(gè)行業(yè)邁向新的發(fā)展階段。

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