stringtranslate.com

Чрезвычайно высокая частота

Чрезвычайно высокая частота — это обозначение Международного союза электросвязи для диапазона радиочастот электромагнитного спектра от 30 до 300 гигагерц (ГГц). Он лежит между диапазоном сверхвысоких частот и дальним инфракрасным диапазоном, нижняя часть которого — терагерцовый диапазон . Радиоволны в этом диапазоне имеют длины волн от десяти до одного миллиметра, поэтому его еще называют миллиметровым диапазоном , а излучение в этом диапазоне называют миллиметровыми волнами , иногда сокращенно MMW или mmWave . Электромагнитные волны миллиметровой длины впервые исследовал Джагадиш Чандра Бос , который в ходе экспериментов в 1894–1896 годах генерировал волны частотой до 60 ГГц. [1] 

По сравнению с более низкими диапазонами радиоволны в этом диапазоне имеют высокое атмосферное затухание : они поглощаются газами в атмосфере. Поглощение увеличивается с частотой до тех пор, пока на верхнем конце полосы волны не ослабнут до нуля в пределах нескольких метров. Поглощение влажностью в атмосфере является значительным, за исключением пустынь, а ослабление под дождем ( затухание дождя ) представляет собой серьезную проблему даже на коротких расстояниях. Однако короткий диапазон распространения позволяет использовать меньшие расстояния повторного использования частот , чем более низкие частоты. Короткая длина волны позволяет антеннам скромных размеров 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 приложении миллиметровых волн определенные диапазоны частот в нижней части диапазона используются в сетях сотовой связи новейшего поколения — сетях 5G . [2] Проектирование схем и подсистем миллиметрового диапазона (таких как антенны, усилители мощности, смесители и генераторы) также представляет собой серьезные проблемы для инженеров из-за ограничений полупроводников и технологических процессов, ограничений модели и плохой добротности пассивных устройств . [3]

Распространение

Атмосферное затухание в дБ/км как функция частоты в диапазоне чрезвычайно высоких частот. Пики поглощения на определенных частотах представляют собой проблему из-за таких компонентов атмосферы, как водяной пар ( H 2 O ) и молекулярный кислород ( O 2 ). Вертикальная шкала является двойной логарифмической, поскольку дБ сами по себе являются логарифмическими.

Миллиметровые волны распространяются исключительно по путям прямой видимости . Они не отражаются ионосферой и не распространяются по Земле как земные волны , как это делают радиоволны более низкой частоты. [4] При типичной плотности мощности они блокируются стенами зданий и подвергаются значительному ослаблению, проходя через листву. [4] [5] [6] Поглощение атмосферными газами является важным фактором во всем диапазоне и увеличивается с частотой. Однако это поглощение максимально на нескольких конкретных линиях поглощения , в основном у кислорода на частоте 60 ГГц и водяного пара на частотах 24 ГГц и 184 ГГц. [5] На частотах в «окнах» между этими пиками поглощения миллиметровые волны имеют гораздо меньшее затухание в атмосфере и больший радиус действия, поэтому во многих приложениях используются эти частоты. Миллиметровые длины волн имеют тот же размер, что и капли дождя , поэтому осадки вызывают дополнительное ослабление из-за рассеяния ( затухание в дожде ), 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 обладают «оптическими» характеристиками распространения и могут отражаться и фокусироваться небольшими металлическими поверхностями и диэлектрическими линзами диаметром от 5 до 30 см (от 2 дюймов до 1 фута). Поскольку их длины волн часто намного меньше, чем у оборудования, которое ими управляет, можно использовать методы геометрической оптики . Дифракция меньше, чем на более низких частотах, хотя миллиметровые волны могут дифрагировать на краях зданий. На миллиметровых волнах поверхности кажутся более шероховатыми, поэтому диффузное отражение увеличивается. [4] Многолучевое распространение , особенно отражение от стен и поверхностей внутри помещений, вызывает серьезное замирание. [6] [7] Доплеровский сдвиг частоты может быть значительным даже на скорости пешехода. [4] В портативных устройствах проблемой является затенение от человеческого тела. Поскольку волны проникают через одежду, а их небольшая длина волны позволяет им отражаться от небольших металлических предметов, они используются в сканерах миллиметровых волн для сканирования служб безопасности аэропортов.

Приложения

Научное исследование

Часть Большой миллиметровой решетки Атакамы (ALMA), Чили , Америка , радиотелескоп миллиметрового диапазона.

Этот диапазон обычно используется в радиоастрономии и дистанционном зондировании . Наземная радиоастрономия ограничена высотными объектами, такими как Китт-Пик и Большая миллиметровая решетка Атакамы ( ALMA ), из-за проблем с атмосферным поглощением.

Спутниковое дистанционное зондирование на частоте около 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 работают спутниковые датчики США, такие как Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU) на одном спутнике НАСА (Aqua) и четырех спутниках NOAA (15–18), а также специальный датчик микроволнового/изображения (SSMI/S) на спутнике Министерства обороны F- 16 используют этот диапазон частот. [8]

Телекоммуникации

В США полоса 36,0–40,0 ГГц используется для лицензированных высокоскоростных микроволновых каналов передачи данных, а полоса 60 ГГц может использоваться для нелицензионных каналов передачи данных ближнего радиуса действия (1,7 км) со скоростью передачи данных до 2,5 Гбит /с. Обычно используется на равнинной местности.

Полосы 71–76, 81–86 и 92–95 ГГц также используются для двухточечных линий связи с высокой пропускной способностью. Эти более высокие частоты не страдают от поглощения кислорода, но требуют лицензии на передачу в США от Федеральной комиссии по связи (FCC). Планируется также создать каналы со скоростью 10 Гбит/с, использующие эти частоты. В случае диапазона 92–95 ГГц небольшой диапазон в 100 МГц был зарезервирован для космических радиостанций, ограничивая этот зарезервированный диапазон скоростью передачи менее нескольких гигабит в секунду. [9]

Канал CableFree MMW, установленный в ОАЭ, установлен для приложений «Безопасный город», обеспечивая пропускную способность 1 Гбит/с между объектами. Линии быстро развертываются и имеют меньшую стоимость, чем оптоволоконные.

Эта полоса практически не развита и доступна для использования в широком спектре новых продуктов и услуг, включая высокоскоростные двухточечные беспроводные локальные сети и широкополосный доступ в Интернет . WirelessHD — еще одна новейшая технология, работающая в диапазоне 60 ГГц. Высоконаправленные характеристики сигнала «карандашного луча» позволяют различным системам работать близко друг к другу, не создавая помех. Потенциальные применения включают радиолокационные системы с очень высоким разрешением.

Стандарты Wi-Fi IEEE 802.11ad и IEEE 802.11ay работают в диапазоне 60 ГГц ( диапазон V ) и обеспечивают скорость передачи данных до 7 Гбит/с и не менее 20 Гбит/с соответственно.

Диапазоны миллиметровых волн используются для связи «точка-точка», межспутниковой связи и связи «точка-многоточка» . В 2013 году предполагалось, что в будущих мобильных телефонах 5G планируется использовать миллиметровые волны . [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 антенны меньшего размера для достижения такой же высокой направленности и высокого усиления, что и антенны большего размера в нижних диапазонах. Непосредственным следствием такой высокой направленности в сочетании с высокими потерями в свободном пространстве на этих частотах является возможность более эффективного использования частот для приложений «точка-многоточка». Поскольку в определенной области можно разместить большее количество антенн с высокой направленностью, конечным результатом является большее повторное использование частот и более высокая плотность пользователей. Высокая полезная пропускная способность канала в этом диапазоне может позволить ему обслуживать некоторые приложения, которые в противном случае использовали бы оптоволоконную связь или очень короткие каналы, например, для соединения печатных плат. [12]

Системы вооружения

РЛС управления огнем миллиметрового диапазона для пушки CIWS на советском авианосце «Минск» , Россия

Радар миллиметрового диапазона используется в радарах ближнего действия для управления огнем в танках и самолетах, а также в автоматических орудиях ( CIWS ) на кораблях ВМФ для сбивания приближающихся ракет. Небольшая длина миллиметровых волн позволяет им отслеживать поток вылетающих пуль, а также цель, позволяя компьютерной системе управления огнем менять цель, чтобы свести их вместе. [ нужна цитата ]

Совместно с Raytheon ВВС США разработали систему нелетального противопехотного 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 под лучом, 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, названная Silent Guardian , которая была разработана компанией Raytheon позже, имела выходную мощность 30 кВт. [15]

Проверка безопасности

Одежда и другие органические материалы прозрачны для миллиметровых волн определенных частот, поэтому в последнее время их применяют сканеры для обнаружения оружия и других опасных предметов, носимых под одеждой, например, для обеспечения безопасности в аэропортах. [16] Защитники конфиденциальности обеспокоены использованием этой технологии, поскольку в некоторых случаях она позволяет специалистам по досмотру видеть пассажиров аэропорта, как будто они без одежды.

TSA установило сканеры миллиметрового диапазона во многих крупных аэропортах .

До обновления программного обеспечения технология не маскировала какие-либо части тел сканируемых людей. Однако лица пассажиров были намеренно замаскированы системой. Фотографии были просмотрены техническими специалистами в закрытом помещении, а затем удалены сразу после завершения поиска. Защитники конфиденциальности обеспокоены. «Мы все ближе и ближе подходим к обязательному досмотру с раздеванием при посадке в самолет», - сказал Барри Стейнхардт из Американского союза гражданских свобод. [17] Чтобы решить эту проблему, модернизация устранила необходимость в присутствии офицера в отдельной зоне просмотра. Новое программное обеспечение генерирует общее изображение человека. На изображении нет анатомического различия между мужчиной и женщиной, и если объект обнаружен, программное обеспечение отображает только желтый прямоугольник в этой области. Если устройство не обнаруживает ничего интересного, изображение не отображается. [18] Пассажиры могут отказаться от сканирования и пройти досмотр с помощью металлодетектора и обыск. [19]

По данным Farran Technologies, производителя одной модели сканера миллиметровых волн, существует технология, позволяющая расширить зону поиска до 50 метров за пределы зоны сканирования, что позволит работникам службы безопасности сканировать большое количество людей, не подозревая об этом. они сканируются. [20]

Толщиномер

Недавние исследования в Левенском университете 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. Практическое применение этой технологии сосредоточено на экструзии пластмасс , производстве бумаги , производстве стекла и минеральной ваты .

Лекарство

Низкоинтенсивное (обычно 10 мВт/см 2 и менее) электромагнитное излучение чрезвычайно высокой частоты может быть использовано в медицине человека для лечения заболеваний . Например, «Краткое, низкоинтенсивное воздействие MMW может изменить скорость роста и пролиферации клеток , активность ферментов , состояние генетического аппарата клетки, функцию возбудимых мембран и периферических рецепторов». [21] Такая обработка особенно связана с диапазоном 40–70 ГГц . [22] Этот тип лечения можно назвать терапией миллиметровых волн или терапией чрезвычайно высоких частот . [23] Такое обращение характерно для стран Восточной Европы (например, стран бывшего СССР ). [21] Российский журнал «Миллиметровые волны в биологии и медицине» посвящен научным основам и клиническому применению миллиметровой волновой терапии. [24]

Полицейский радар скорости

Дорожная полиция использует радары определения скорости в Ка-диапазоне (33,4–36,0 ГГц). [25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Вехи: первые эксперименты в области связи в миллиметровом диапазоне, проведенные Дж. К. Бозе, 1894-96» . Список вех IEEE . Институт инженеров электротехники и электроники . 14 июня 2022 г.
  2. ^ Радиопередача и прием пользовательского оборудования (UE); Часть 3. Взаимодействие диапазонов 1 и 2 с другими радиостанциями (PDF) (технические характеристики). 3GPP TS 38.101-3 версия 15.2.0 выпуск 15. ETSI. Июль 2018. с. 11 . Проверено 5 декабря 2019 г.
  3. ^ дю Пре, Жако; Синха, Саураб (2017). Усилители мощности миллиметрового диапазона. Спрингер. стр. 1–35. ISBN 978-3-319-62166-1.
  4. ^ abcdef Хуан, Као-Ченг; Чжаочэн Ван (2011). Системы связи миллиметрового диапазона. Джон Уайли и сыновья. стр. Разделы 1.1.1–1.2. ISBN 978-1-118-10275-6.
  5. ^ abc «Распространение миллиметровых волн: последствия управления использованием спектра» (PDF) . Управление инженерии и технологий, Бюллетень № 70. Федеральная комиссия по связи (FCC), Министерство торговли США. Июль 1997 года . Проверено 20 мая 2017 г.
  6. ^ abc du Preez, Жако; Синха, Саураб (2016). Антенны миллиметрового диапазона: конфигурации и применение. Спрингер. стр. 13–14. ISBN 978-3-319-35068-4.
  7. ^ Сейболд, Джон С. (2005). Введение в распространение радиочастот. Джон Уайли и сыновья. стр. 55–58. ISBN 0-471-74368-2.
  8. ^ FCC.gov [ постоянная мертвая ссылка ] , Комментарии Общества геонаук и дистанционного зондирования IEEE, FCC RM-11104, 17.10.07
  9. ^ Rfdesign.com. Архивировано 16 июля 2012 г. на Wayback Machine , Мультигигабитная беспроводная технология на частотах 70 ГГц, 80 ГГц и 90 ГГц, RF Design , май 2006 г.
  10. ^ Раппапорт, ТС; Сунь, Шу; Майзус, Р.; Чжао, Ханг; Азар, Ю.; Ван, К.; Вонг, Дж.Н.; Шульц, Дж. К.; Самими, М. (1 января 2013 г.). «Мобильная связь миллиметрового диапазона волн для сотовой связи 5G: это будет работать!». Доступ IEEE . 1 : 335–349. Бибкод : 2013IEEA...1..335R. дои : 10.1109/ACCESS.2013.2260813 . ISSN  2169-3536.
  11. ^ Асади, Араш; Клос, Сабрина; Сим, Гек Хонг; Кляйн, Аня; Холлик, Матиас (15 апреля 2018 г.). «FML: быстрое машинное обучение для автомобильной связи 5G в миллиметровом диапазоне». IEEE Инфоком'18 .
  12. ^ Питер Смолдерс (2013). «Путь к беспроводной связи 100 Гбит/с и далее: основные проблемы и ключевые направления». Журнал коммуникаций IEEE . 51 (12): 86–91. дои : 10.1109/MCOM.2013.6685762. S2CID  12358456.
  13. ^ «Слайд-шоу: поздоровайтесь с прощающим оружием» . Проводной . 5 декабря 2006 г. Проверено 16 августа 2016 г. .
  14. ^ «Система активного сдерживания: военный сдерживающий фактор на основе терагерцового диапазона для безопасного контроля толпы» . Terasense Group Inc. 29 мая 2019 г. Проверено 3 мая 2020 г.
  15. ^ Хэмблинг, Дэвид (8 мая 2009 г.). «Первая коммерческая продажа 'Pain ray' не за горами». Проводной . Проверено 3 мая 2020 г.
  16. ↑ Newscientisttech.com. Архивировано 11 марта 2007 г., в Wayback Machine.
  17. ↑ Фрэнк, Томас (18 февраля 2009 г.). «Сканеры тела заменяют металлодетекторы на испытаниях в аэропорту Талсы». США сегодня . Проверено 2 мая 2010 г.
  18. ^ «Заявление Роберта Кейна Палате представителей» (PDF) . 03.11.2011. п. 2. Архивировано из оригинала (PDF) 25 ноября 2011 г.
  19. ^ Кортес, Джо. «Три варианта проверки на контрольно-пропускных пунктах TSA». Трип Сэви . Проверено 11 января 2024 г.
  20. ^ ЭСА. «Летучая мышь вдохновляет использование космических технологий в обеспечении безопасности аэропортов». esa.int . Проверено 7 апреля 2018 г.
  21. ^ аб Пахомов, А.Г.; Мерфи, PR (2000). «Миллиметровые волны низкой интенсивности как новый терапевтический метод». Транзакции IEEE по науке о плазме . 28 (1): 34–40. Бибкод : 2000ITPS...28...34P. дои : 10.1109/27.842821. S2CID  22730643.
  22. ^ Бецкий, О.В.; Девятков, Н.Д.; Кислов, В. (2000). «Миллиметровые волны низкой интенсивности в медицине и биологии». Критические обзоры в области биомедицинской инженерии . 28 (1 и 2). Begellhouse.com: 247–268. doi : 10.1615/CritRevBiomedEng.v28.i12.420. ПМИД  10999395.
  23. ^ М. Рожавин; М. Зискин (1998). «Медицинское применение миллиметровых волн». QJM: Международный медицинский журнал . 91 (1): 57–66. дои : 10.1093/qjmed/91.1.57 . ПМИД  9519213.
  24. ^ Benran.ru. Архивировано 18 июля 2011 г. на Wayback Machine.
  25. ^ «Диапазоны частот радио и радаров» . копрадар.com . Проверено 30 апреля 2020 г.

Внешние ссылки