Чрезвычайно высокая частота — обозначение Международного союза электросвязи для диапазона радиочастот в электромагнитном спектре от 30 до 300 гигагерц (ГГц). Он лежит между сверхвысокочастотным диапазоном и дальним инфракрасным диапазоном, нижняя часть которого — терагерцовый диапазон . Радиоволны в этом диапазоне имеют длину волны от десяти до одного миллиметра, поэтому его также называют миллиметровым диапазоном , а излучение в этом диапазоне называют миллиметровыми волнами , иногда сокращенно MMW или mmWave . Электромагнитные волны миллиметровой длины были впервые исследованы Джагадишем Чандра Бозе , который генерировал волны частотой до 60 ГГц во время экспериментов в 1894–1896 годах. [1]
По сравнению с более низкими диапазонами, радиоволны в этом диапазоне имеют высокое атмосферное затухание : они поглощаются газами в атмосфере. Поглощение увеличивается с частотой, пока на верхнем конце диапазона волны не затухают до нуля в течение нескольких метров. Поглощение влажностью в атмосфере значительно, за исключением пустынных условий, а затухание дождем ( затухание дождя ) является серьезной проблемой даже на коротких расстояниях. Однако короткий диапазон распространения допускает меньшие расстояния повторного использования частоты, чем более низкие частоты. Короткая длина волны позволяет антеннам скромного размера иметь небольшую ширину луча , что еще больше увеличивает потенциал повторного использования частоты. Миллиметровые волны используются для военных радаров управления огнем , сканеров безопасности аэропортов , беспроводных сетей ближнего действия и научных исследований.
В новом крупном применении миллиметровых волн определенные диапазоны частот вблизи нижней границы диапазона используются в новейшем поколении сетей сотовой связи , сетях 5G . [2] Проектирование цепей и подсистем миллиметровых волн (таких как антенны, усилители мощности, смесители и генераторы) также представляет серьезные проблемы для инженеров из-за ограничений полупроводников и процесса, ограничений моделей и низких добротностей пассивных устройств. [3]
Миллиметровые волны распространяются исключительно по прямой видимости . Они не преломляются ионосферой и не распространяются вдоль Земли как наземные волны, как это делают низкочастотные радиоволны. [4] При типичной плотности мощности они блокируются стенами зданий и испытывают значительное затухание при прохождении через листву. [4] [5] [6] Поглощение атмосферными газами является существенным фактором во всем диапазоне и увеличивается с частотой. Однако это поглощение максимально на нескольких определенных линиях поглощения , в основном на линиях кислорода на 60 ГГц и водяного пара на 24 ГГц и 184 ГГц. [5] На частотах в «окнах» между этими пиками поглощения миллиметровые волны имеют гораздо меньшее атмосферное затухание и больший диапазон, поэтому многие приложения используют эти частоты. Миллиметровые длины волн имеют тот же порядок размера, что и капли дождя , поэтому осадки вызывают дополнительное затухание из-за рассеяния ( затухание дождя ), а также поглощения. [5] [6] Высокие потери в свободном пространстве и атмосферное поглощение ограничивают полезное распространение несколькими километрами. [4] Таким образом, они полезны для плотно упакованных сетей связи, таких как персональные сети , которые улучшают использование спектра за счет повторного использования частот . [4]
Миллиметровые волны демонстрируют «оптические» характеристики распространения и могут отражаться и фокусироваться небольшими металлическими поверхностями и диэлектрическими линзами диаметром около 5–30 см (2 дюйма — 1 фут). Поскольку их длины волн часто намного меньше, чем у оборудования, которое ими манипулирует, можно использовать методы геометрической оптики . Дифракция меньше, чем на более низких частотах, хотя миллиметровые волны могут дифрагировать на краях зданий. На миллиметровых длинах волн поверхности кажутся более шероховатыми, поэтому диффузное отражение увеличивается. [4] Многолучевое распространение , особенно отражение от внутренних стен и поверхностей, вызывает серьезное затухание. [6] [7] Доплеровский сдвиг частоты может быть значительным даже на скорости пешехода. [4] В портативных устройствах затенение из-за человеческого тела является проблемой. Поскольку волны проникают через одежду, а их малая длина волны позволяет им отражаться от небольших металлических предметов, они используются в сканерах миллиметровых волн для сканирования службами безопасности аэропортов.
Этот диапазон обычно используется в радиоастрономии и дистанционном зондировании . Наземная радиоастрономия ограничена высокогорными участками, такими как Китт-Пик и Атакама, Большая миллиметровая антенная решетка ( ALMA ), из-за проблем с атмосферным поглощением.
Спутниковое дистанционное зондирование вблизи 60 ГГц может определять температуру в верхних слоях атмосферы путем измерения излучения, испускаемого молекулами кислорода, которое является функцией температуры и давления. Неисключительное пассивное распределение частот Международного союза электросвязи в диапазоне 57–59,3 ГГц используется для мониторинга атмосферы в метеорологических и климатических приложениях и важно для этих целей из-за свойств поглощения и излучения кислорода в атмосфере Земли. В настоящее время эксплуатируемые американские спутниковые датчики, такие как Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU) на одном спутнике NASA (Aqua) и четырех спутниках NOAA (15–18) и специальный сенсорный микроволновый/визуализатор (SSMI/S) на спутнике Министерства обороны F-16, используют этот диапазон частот. [8]
В Соединенных Штатах диапазон 36,0–40,0 ГГц используется для лицензированных высокоскоростных микроволновых каналов передачи данных, а диапазон 60 ГГц может использоваться для нелицензируемых каналов передачи данных на короткие расстояния (1,7 км) с пропускной способностью до 2,5 Гбит /с. Он обычно используется на равнинной местности.
Диапазоны 71–76, 81–86 и 92–95 ГГц также используются для высокочастотных линий связи « точка-точка» . Эти более высокие частоты не страдают от поглощения кислорода, но требуют лицензии на передачу в США от Федеральной комиссии по связи (FCC). Существуют планы для линий связи 10 Гбит/с, использующих эти частоты. В случае диапазона 92–95 ГГц небольшой диапазон в 100 МГц был зарезервирован для космических радиостанций, что ограничивает этот зарезервированный диапазон скоростью передачи менее нескольких гигабит в секунду. [9]
Диапазон по существу не развит и доступен для использования в широком спектре новых продуктов и услуг, включая высокоскоростные, точка-точка беспроводные локальные сети и широкополосный доступ в Интернет . WirelessHD — еще одна недавняя технология, которая работает вблизи диапазона 60 ГГц. Высоконаправленные характеристики сигнала «карандашный луч» позволяют различным системам работать близко друг к другу, не создавая помех. Потенциальные приложения включают радиолокационные системы с очень высоким разрешением.
Стандарты Wi-Fi IEEE 802.11ad и IEEE 802.11ay работают в спектре 60 ГГц ( диапазон V ), обеспечивая скорость передачи данных до 7 Гбит/с и не менее 20 Гбит/с соответственно.
Использование диапазонов миллиметровых волн включает в себя связь точка-точка, межспутниковые связи и связь точка-многоточка . В 2013 году предполагалось, что существуют планы использовать миллиметровые волны в будущих мобильных телефонах 5G . [10] Кроме того, использование диапазонов миллиметровых волн для автомобильной связи также становится привлекательным решением для поддержки (полу)автономной автомобильной связи. [11]
Более короткие длины волн в этом диапазоне позволяют использовать меньшие антенны для достижения той же высокой направленности и высокого усиления, что и большие антенны в более низких диапазонах. Непосредственным следствием этой высокой направленности в сочетании с высокими потерями свободного пространства на этих частотах является возможность более эффективного использования частот для приложений «точка-многоточка». Поскольку большее количество высоконаправленных антенн может быть размещено в заданной области, конечным результатом является большее повторное использование частот и более высокая плотность пользователей. Высокая полезная емкость канала в этом диапазоне может позволить ему обслуживать некоторые приложения, которые в противном случае использовали бы волоконно-оптическую связь или очень короткие линии, такие как для соединения печатных плат. [12]
Радар миллиметровых волн используется в радарах управления огнем ближнего действия в танках и самолетах, а также в автоматизированных пушках ( CIWS ) на военных кораблях для сбивания приближающихся ракет. Малая длина волны миллиметровых волн позволяет им отслеживать поток исходящих пуль, а также цель, позволяя компьютерной системе управления огнем изменять цель, чтобы свести их вместе. [ необходима цитата ]
Совместно с Raytheon ВВС США разработали нелетальную противопехотную систему оружия под названием Active Denial System (ADS), которая излучает луч миллиметровых радиоволн с длиной волны 3 мм (частота 95 ГГц). [13] Оружие заставляет человека, находящегося в луче, чувствовать сильную жгучую боль, как будто его кожа вот-вот загорится. Военная версия имела выходную мощность 100 киловатт (кВт), [14] а меньшая версия для правоохранительных органов под названием Silent Guardian , разработанная Raytheon позже, имела выходную мощность 30 кВт. [15]
Одежда и другие органические материалы прозрачны для миллиметровых волн определенных частот, поэтому недавним применением стали сканеры для обнаружения оружия и других опасных предметов, проносимых под одеждой, для таких приложений, как безопасность в аэропортах. [16] Сторонники конфиденциальности обеспокоены использованием этой технологии, поскольку в некоторых случаях она позволяет досмотрщикам видеть пассажиров аэропорта так, как будто они без одежды.
Управление транспортной безопасности (TSA) установило сканеры миллиметровых волн во многих крупных аэропортах.
До обновления программного обеспечения технология не скрывала ни одной части тела сканируемых людей. Однако лица пассажиров были намеренно скрыты системой. Фотографии просматривались техническими специалистами в закрытой комнате, а затем удалялись сразу после завершения поиска. Защитники конфиденциальности обеспокоены. «Мы все ближе и ближе подходим к обязательному досмотру с раздеванием для посадки в самолет», — сказал Барри Стейнхардт из Американского союза защиты гражданских свобод. [17] Чтобы решить эту проблему, обновления устранили необходимость присутствия офицера в отдельной зоне просмотра. Новое программное обеспечение генерирует общее изображение человека. На изображении нет анатомического различия между мужчинами и женщинами, и если обнаруживается объект, программное обеспечение отображает только желтую рамку в этой области. Если устройство не обнаруживает ничего интересного, изображение не отображается. [18] Пассажиры могут отказаться от сканирования и пройти проверку с помощью металлоискателя и обыск. [19]
По данным компании Farran Technologies, производителя одной из моделей сканера миллиметровых волн, существует технология, позволяющая расширить зону поиска до 50 метров за пределы зоны сканирования, что позволит сотрудникам службы безопасности сканировать большое количество людей, не давая им знать, что их сканируют. [20]
Недавние исследования в Университете Лёвена доказали, что миллиметровые волны также могут использоваться в качестве неядерного толщиномера в различных отраслях промышленности. Миллиметровые волны обеспечивают чистый и бесконтактный способ обнаружения изменений толщины. Практические приложения для технологии сосредоточены на экструзии пластмасс , производстве бумаги , производстве стекла и производстве минеральной ваты .
Низкоинтенсивное (обычно 10 мВт/см 2 или менее) электромагнитное излучение крайне высокой частоты может использоваться в медицине для лечения заболеваний . Например, «Кратковременное воздействие ММВ низкой интенсивности может изменить скорость роста и пролиферации клеток , активность ферментов , состояние генетического аппарата клеток, функцию возбудимых мембран и периферических рецепторов». [21] Это лечение особенно связано с диапазоном 40–70 ГГц . [22] Этот тип лечения можно назвать терапией миллиметровыми волнами или крайне высокочастотной терапией . [23] Это лечение связано с восточноевропейскими странами (например, странами бывшего СССР ). [21] Российский журнал «Миллиметровые волны в биологии и медицине» изучает научную основу и клиническое применение терапии миллиметровыми волнами. [24]
Дорожная полиция использует радары для измерения скорости в диапазоне Ka (33,4–36,0 ГГц). [25]