Основы технологии миллиметрового диапазона

Что такое технология миллиметровых волн и чем она отличается по сравнению с другими низкочастотными технологиями?

Эта статья представляет собой введение в миллиметровые волны (миллиметровые волны), включая их частоты, характеристики распространения, а также преимущества и недостатки для общих приложений.

Что такое миллиметровая волна?

Как следует из названия, миллиметровые волны - это электромагнитные волны с длиной волны (λ), которая составляет примерно 1 мм (от 1 до 10 мм, если быть более точным). Преобразование этой длины волны в частоту с помощью уравнения f =c / λ, где c скорость света (3 x 10 ⁸ м / с), дает диапазон частот 30–300 ГГц. Диапазон миллиметровых волн определен Международным союзом электросвязи (ITU) как диапазон «чрезвычайно высоких частот» (КВЧ). Термин «миллиметровые волны» также часто сокращают до «миллиметровые волны».

На рис. 1 приведены примеры приложений, в которых используется миллиметровый диапазон, а также показано расположение миллиметрового диапазона по отношению к другим полосам электромагнитных частот.

Рисунок 1. Обзор спектра миллиметровых волн. Изображение предоставлено Analog Devices

Теперь, когда у нас есть основные определения, давайте поговорим о том, как распространяются сигналы миллиметрового диапазона.

Распространение миллиметровых волн

Распространение сигнала миллиметрового диапазона характеризуется:

• Большие потери на пути в свободном пространстве.
• Значительное ослабление в атмосфере.
• Рассеянные отражения
• Ограниченная глубина проникновения

В следующих подразделах более подробно рассматривается каждая из этих четырех характеристик распространения.

Потеря свободного пути

Одним из ограничений радиосвязи миллиметрового диапазона (RF) является потеря в свободном пространстве (FSPL) для прямой связи между двумя антеннами в пределах прямой видимости. FSPL обратно пропорционален квадрату длины волны и определяется следующим уравнением:

$$ FSPL =\ left (\ frac {4πd} {λ} \ right) ^ 2 $$

где:

• г расстояние между двумя антеннами в м
• λ длина волны в метрах.

Как видно из этого уравнения, 10-кратное уменьшение длины волны приводит к 100-кратному увеличению потерь на пробеге в свободном пространстве. Таким образом, затухание на миллиметровых волнах на много порядков выше, чем затухание на более традиционных частотах связи, таких как FM-радио или Wi-Fi.

В расчетах радиочастотной связи это уравнение потерь часто преобразуется, чтобы получить результат в дБ, при этом частота измеряется в ГГц, а расстояние измеряется в км. После этого преобразования уравнение выглядит следующим образом:

$$ FSPL (дБ) =20 * log_ {10} (d) + 20 * log_ {10} (f) + 92,45 $$

Бесплатный калькулятор для оценки потерь на свободном пути доступен здесь.

Атмосферное ослабление

Еще одним недостатком передачи миллиметровых волн является атмосферное затухание. В этом диапазоне длин волн есть дополнительное затухание, вызванное присутствием атмосферных газов, в первую очередь молекул кислорода (O2) и водяного пара (H2O).

Как видно на рисунке 2, в определенных диапазонах атмосферное ослабление может быть очень сильным.

Рисунок 2. Атмосферное ослабление по частоте и высоте. Изображение предоставлено 5G Americas

Например, пик кислорода на 5 мм (60 ГГц). Дождь увеличивает затухание по всему спектру.

Рассеянное отражение

Более длинные волны часто зависят от мощности прямого (зеркального) отражения, чтобы помочь в передаче вокруг препятствий (подумайте о зеркальном отражении). Однако многие поверхности кажутся «грубыми» для миллиметровых волн, что приводит к диффузным отражениям, которые направляют энергию во многих разных направлениях. Это можно увидеть на Рисунке 3.

Рисунок 3. Диффузное и зеркальное отражение. Изображение любезно предоставлено Гермари

Таким образом, меньшее количество отраженной энергии может достигать приемной антенны. Поэтому передачи миллиметровых волн очень чувствительны к затенению препятствиями и обычно ограничиваются передачей в пределах прямой видимости.

Ограниченное проникновение

Из-за своей более короткой длины волны миллиметровые волны не проникают глубоко в большинство материалов или сквозь них. Например, исследование обычных строительных материалов показало, что затухание колеблется от 1 до 6 дБ / см, а потери при проникновении через кирпичную стену на частоте 70 ГГц могут быть в пять раз выше, чем на частоте 1 ГГц. На открытом воздухе листва также блокирует большинство миллиметровых волн. Поэтому в большинстве случаев связь в диапазоне миллиметровых волн ограничивается работой в пределах прямой видимости.

Преимущества частот миллиметрового диапазона

Для многих приложений потери на свободном пути, атмосферное затухание, диффузное отражение и ограниченное проникновение сигналов миллиметрового диапазона являются пагубными. Однако оказывается, что эти характеристики также можно использовать в качестве преимуществ в определенных приложениях. К преимуществам миллиметровых волн можно отнести:

• Широкая полоса пропускания
• Высокая скорость передачи данных
• Низкая задержка
• Маленькие антенны
• Ограниченный диапазон
• Ограниченное отражение
• Ограниченное проникновение
• Повышенное разрешение

Каждое из этих преимуществ и то, как они используются в некоторых приложениях, будут объяснены в следующих подразделах.

Широкая полоса пропускания и высокая скорость передачи данных

Для коммуникационных приложений широкая полоса пропускания означает более высокую пиковую скорость передачи данных. Это может означать возможность либо обрабатывать больше одновременных каналов связи для заданной скорости передачи данных, либо отправлять больше данных за один сеанс связи. Спектры более низких частот широко используются и, следовательно, не обеспечивают такую ​​желаемую широкую полосу пропускания.

Например, спецификация 3GPP для нового радио (NR) 5G выделяет максимальную полосу пропускания канала всего на 100 МГц ниже 6 ГГц, но до 400 МГц в диапазонах выше 24 ГГц. По мере того, как эти спецификации 5G продолжают развиваться, некоторые стороны лоббируют еще более широкое распределение полосы пропускания в спектре mmWave.

Именно из-за такой широкой полосы пропускания и высоких скоростей передачи миллиметровые волны уже давно используются в спутниковой связи на частотах 27,5 ГГц и 31 ГГц. Достижения в технологии высокочастотных схем, включая карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), а также связанные с этим более низкие производственные затраты, обеспечивают связь миллиметрового диапазона с использованием наземных потребительских приложений на рынке масок, таких как 5G NR.

Низкая задержка

Задержка в коммуникационных сетях может иметь несколько значений. Что касается односторонней связи, задержка - это время от источника, отправляющего пакет данных, до пункта назначения, получающего тот же пакет данных. Более высокие частоты миллиметровых волн означают, что больше данных может быть передано за более короткий промежуток времени. Следовательно, для фиксированного размера пакета данных высокочастотная система будет иметь меньшую задержку, чем низкочастотная система.

Низкая задержка важна для многих чувствительных ко времени приложений, включая промышленную автоматизацию, беспроводную дополненную или виртуальную реальность и автоматизированные системы вождения. Широкая полоса пропускания миллиметровых волн обеспечивает более короткие интервалы времени передачи и меньшую задержку радиоинтерфейса, что упрощает внедрение и поддержку приложений с низкой задержкой.

Маленькие антенны

Одним из наиболее важных преимуществ миллиметровых волн являются антенны меньшего размера и возможность использовать большое количество этих меньших антенных элементов в решетках для формирования диаграммы направленности. Например, автомобильные радары переходят с 24 на 77 ГГц. Длина волны более чем в три раза меньше, поэтому площадь антенной решетки может быть более чем в девять раз меньше, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Относительные размеры антенных решеток для частот 24 ГГц и 77 ГГц. Изображение любезно предоставлено Texas Instruments

Большие массивы очень маленьких антенных элементов также будут использоваться в системах связи миллиметрового диапазона, таких как 5G. Формирование луча может направить излучаемую мощность на отдельных пользователей для получения сигналов более высокого качества и связи на больших расстояниях. Благодаря адаптивному формированию диаграммы направленности лучи можно даже динамически изменять в зависимости от количества пользователей и их местоположения относительно передающей антенны.

Ограниченный диапазон, отражение и проникновение

Ограниченный диапазон, диффузные отражения и ограниченная глубина проникновения действительно могут быть полезны для телекоммуникаций. Эти характеристики используются для того, чтобы позволить множеству малых сот размещаться очень близко друг к другу без помех. Это обеспечивает многократное пространственное использование частотного спектра и, следовательно, позволяет поддерживать в области более широкополосных потребителей.

Повышенное разрешение

В радиолокационных приложениях более высокая частота и расширенная полоса пропускания сигналов миллиметрового диапазона обеспечивают более точные измерения расстояния, более точные измерения скорости и возможность определения расстояния между двумя близко расположенными объектами.

Применение технологии миллиметрового диапазона

Радар

В течение многих лет основным применением технологии миллиметровых волн были аэрокосмические радары. Широкая полоса пропускания идеальна для определения расстояния до объекта, для определения расстояния между двумя удаленными объектами, которые находятся близко друг к другу, и измерения относительной скорости к цели.

Например, в самой простой форме, предполагающей, что два объекта движутся либо прямо навстречу, либо от друг друга, доплеровский частотный сдвиг (Δf) задается уравнением:

$$ Δf =\ frac {(2 * V_ {rel})} {λ} $$

где

• Врел относительная скорость (м / с)
• λ - длина волны (м)

Поскольку сдвиг частоты больше с более короткими длинами волн (например, миллиметровых волн), легче измерить результирующий сдвиг частоты. Возможность использовать многоэлементные антенны меньшего размера и адаптивное формирование луча также делают миллиметровые волны идеальными для радиолокационных приложений.

По тем же причинам, по которым радар миллиметрового диапазона желателен для аэрокосмических приложений, он широко применяется для автоматизированных приложений транспортных средств, включая экстренное торможение, адаптивный круиз-контроль (ACC) и обнаружение слепых зон (как показано на рисунке 5).

Рисунок 5. Применение радара миллиметрового диапазона для автономных транспортных средств. Изображение любезно предоставлено Rohde &Schwarz

Возможность быстрого и точного измерения расстояния и относительной скорости явно важна для работы автономного транспортного средства.

Телекоммуникации

Спутниковые системы давно используют миллиметровые волны для связи из-за широкой полосы пропускания, малой задержки, небольших антенн и формирования диаграммы направленности с множеством антенн. Эти же особенности заставляют многие наземные телекоммуникационные сети использовать миллиметровые волны.

Например, из-за увеличенной полосы пропускания миллиметровые волны могут поддерживать беспроводную передачу видео сверхвысокой четкости (UHD). Кроме того, антенны меньшего размера поддерживают интеграцию в такие устройства, как смартфоны, цифровые приставки, игровые станции и т. Д. Новые отраслевые стандарты, которые будут использовать миллиметровые волны, включают 5G и IEEE 802.11ad WiGig для скоростей передачи данных в Гбит / с.

В частности, в помещениях и в городах, пространственное повторное использование и адаптивное формирование диаграммы направленности миллиметровых волн позволит обеспечить широкополосную связь большому количеству пользователей, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Адаптивное формирование диаграммы направленности для поддержки как стационарных, так и мобильных пользователей. Изображение любезно предоставлено Fujitsu через Phys.org

Системы Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) обеспечат пространственное разнесение, пространственное мультиплексирование и формирование диаграммы направленности, чтобы предоставить большую функциональность большему количеству пользователей при меньшем энергопотреблении.

Сканеры безопасности

Миллиметровые волны также используются в сканерах безопасности человеческого тела. Тысячи передающих и приемных антенн работают вместе, чтобы сканировать с высокой точностью, как показано на Рисунке 7.

Рисунок 7. Система сканирования тела миллиметрового диапазона. Изображение любезно предоставлено Rohde &Schwarz

Эти системы передают в диапазоне частот от 70 ГГц до 80 ГГц и излучают только около 1 мВт мощности. Миллиметровые волны проходят через большую часть одежды и отражаются от кожи и других поверхностей обратно к приемным антеннам. Полученный сигнал можно использовать для создания подробного изображения человека и выявления предметов, спрятанных под одеждой. Малая мощность и ограниченная глубина проникновения миллиметровых волн обеспечивают повышенную безопасность.

Другие применения миллиметровых волн

Это лишь некоторые из множества применений технологии миллиметрового диапазона. Другие приложения, которые были предложены или реализованы, включают, но не ограничиваются:

• Радиоастрономия
• Оценка влажности почвы
• Измерения снежного покрова
• Местоположение айсберга
• Дополнительное оптическое обнаружение в неблагоприятную погоду.
• Карты погоды
• Измерьте скорость ветра.
• Лечение

Резюме

Миллиметровые волны уже давно используются в радиолокационных приложениях и все чаще применяются в новых приложениях, наиболее известными из которых являются телекоммуникации с высокой скоростью передачи данных. Короткие волны и уникальные характеристики распространения создают как проблемы, так и возможности для инженеров-конструкторов, работающих в этих областях.