30-300 ГГц жиілік диапазоны: Миллиметрлік толқындар және олардың қолданылуы

Кіріспе

Электромагниттік спектрдің 30–300 ГГц диапазоны

Өте жоғары жиілік – Халықаралық телекоммуникация одағының электромагниттік спектрдегі 30-ден 300 гигагерцке (ГГц) дейінгі радиожиіліктер жолағын белгілеуі. Ол супер жоғары жиілік жолағы мен алыс инфрақызыл жолағының арасында орналасқан, оның төменгі бөлігі терагерц жолағы болып табылады. Бұл жолақтағы радио толқындардың ұзындығы он миллиметрден бір миллиметрге дейін, сондықтан ол миллиметрлік жолақ деп те аталады, ал бұл жолақтағы сәулелену миллиметрлік толқындар деп аталады, кейде MMW немесе mmWave деп қысқартылады. Миллиметрлік ұзындықтағы электромагниттік толқындарды алғаш рет Жағадиш Чандра Боз зерттеген, ол 1894–1896 жылдар аралығындағы тәжірибелер кезінде 60 ГГц жиілікті толқындарды жасаған. Төменгі жолақтармен салыстырғанда, бұл жолақтағы радио толқындарының атмосфералық әлсіреуі жоғары: оларды атмосферадағы газдар сіңіреді. Сіңіру жиілік арта келе көбейеді, ал жолақтың жоғарғы шегінде толқындар бірнеше метр ішінде толығымен әлсірейді. Атмосферадағы ылғалдылықтың сіңіруі шөлді аймақтардан басқа жерлерде маңызды, ал жаңбырдың (жаңбырдан сигналдың әлсіреуі) әсері тіпті қысқа қашықтықта да елеулі проблеманы құрайды. Дегенмен, қысқа таралу қашықтығы төменгі жиіліктерге қарағанда жиілікті қайта пайдалану қашықтығын қысқартуға мүмкіндік береді. Ұзындығы қысқа болғандықтан, шағын антенналардың сәулесі тар болады, бұл жиілікті қайта пайдалану мүмкіндігін арттырады. Миллиметрлік толқындар әскери өртті басқару радарында, әуежай қауіпсіздігі сканерлерінде, қысқа қашықтықтағы сымсыз желілерде және ғылыми зерттеулерде қолданылады. Миллиметрлік толқындардың маңызды жаңа қолданылуы – ұялы телефон желілерінің ең соңғы буынында, 5G желілерінде қолданылатын жолақтың төменгі бөлігіндегі белгілі бір жиілік диапазондары. Миллиметрлік толқындық схемалар мен жүйелерді (мысалы, антенналар, қуат күшейткіштері, араластырғыштар және осцилляторлар) жобалау инженерлерге жартылай өткізгіштер мен өндіріс процесінің шектеулері, модельдеудің жетілмеуі және пассивті құрылғылардың нашар Q факторы салдарынан қиындықтар тудырады.

Көбейту

Милиметрлік толқындар тек тікелей көру сызығы бойынша ғана тарайды. Олар ионосферадан кері шағылыспайды және төмен жиілікті радио толқындар сияқты жер бетімен толқын ретінде таралмайды. Құрылыс қабырғалары оларды тоқтатып, әдеттегі қуат тығыздығында жапырақтар арқылы өте келе айтарлықтай әлсірейтеді. Атмосфералық газдардың сіңіруі бүкіл жиілік диапазонында маңызды фактор болып табылады және жиілік артуымен бірге күшейеді. Дегенмен, бұл сіңіру негізінен 60 ГГц-те оттегі, ал 24 ГГц және 184 ГГц-те су буы болатын бірнеше нақты сіңіру сызықтарында ең жоғары деңгейге жетеді. Осы сіңіру шыңдары арасындағы "терезелер" деп аталатын жиіліктерде миллиметрлік толқындардың атмосфералық әлсіреуі азайды және таралу қашықтығы артады, сондықтан көптеген қолданыстар осы жиіліктерді пайдаланады. Милиметрлік толқын ұзындығы жаңбыр тамшыларының мөлшерімен шамалас болғандықтан, жауын-шашын олардың шашырауынан (жаңбырдан әлсіреу) және сіңіруінен қосымша әлсіреуге себеп болады. Допплер эффектісінің жиілік өзгерісі тіпті жаяу адамдардың жылдамдығында да айтарлықтай болуы мүмкін.

Телекоммуникациялар

АҚШ-та 36.0–40.0 ГГц жиілік диапазоны лицензияланған жоғары жылдамдықты микротолқынды деректер байланыстары үшін қолданылады, ал 60 ГГц жиілік диапазонын лицензиясыз, 1.7 км қашықтықтағы деректер байланыстары үшін, 2.5 Гбит/с дейін деректерді өткізуге пайдалануға болады. Ол көбінесе тегіс жерде қолданылады. 71–76, 81–86 және 92–95 ГГц жиілік диапазондары да нүктеден нүктеге жоғары өткізгіштік байланыс желілері үшін қолданылады. Бұл жоғары жиіліктер оттегінің сіңіруіне ұшырамайды, бірақ АҚШ-та Федералды байланыс комиссиясынан (FCC) тарату лицензиясын алу қажет. Осы жиіліктерді пайдаланатын 10 Гбит/с желілерін құру жоспарлары да бар. 92–95 ГГц жиілік диапазонында ғарышқа жіберілетін радио үшін 100 МГц шағын диапазон резервтелген, бұл резервтелген диапазонның тарату жылдамдығын секундына бірнеше гигабиттан аспауымен шектейді. Бұл диапазон негізінен дамытылмаған және жаңа өнімдер мен қызметтердің кең ауқымында, соның ішінде жоғары жылдамдықты, нүктеден нүктеге сымсыз жергілікті желілерде және кеңжолақты интернетке қол жеткізуде пайдалануға болады. WirelessHD – бұл 60 ГГц диапазонына жақын жұмыс істейтін тағы бір жаңа технология. Жоғары бағытталған, "қалам тәрізді" сигнал сипаттамалары әртүрлі жүйелердің бір-біріне кедергі келтірмей жақын орналасуына мүмкіндік береді. Мүмкін болатын қолданыстарына өте жоғары ажыратымдылыққа ие радар жүйелері кіреді. Wi-Fi стандарттары IEEE 802.11ad және IEEE 802.11ay 60 ГГц (V диапазоны) спектрінде жұмыс істейді, сәйкесінше 7 Гбит/с және кем дегенде 20 Гбит/с деректерді беру жылдамдықтарына жетеді. Миллиметрлік толқындарды пайдалануға нүктеден нүктеге байланыс, спутниктер аралық байланыс және нүктеден көп нүктеге байланыс жатады. 2013 жылы болашақта 5G ұялы телефондарында миллиметрлік толқындарды пайдалану жоспарланып отырғаны туралы болжамдар айтылды. Сонымен қатар, көлік құралдары арасындағы байланыс үшін миллиметрлік толқындарды пайдалану (жартылай) автономды көлік құралдарының байланысын қолдау үшін перспективті шешім ретінде қарастырылуда. Бұл диапазонның қысқа толқын ұзындығы төменгі диапазонды антенналар сияқты жоғары бағыттылық пен жоғары күшейтуге қол жеткізу үшін кішірек антенналарды пайдалануға мүмкіндік береді. Осы жиіліктердегі бос кеңістіктегі жоғары шығындармен қатар, осы жоғары бағыттылықтың тікелей салдары – жиіліктерді нүктеден көп нүктеге қосылымдар үшін тиімді пайдалану мүмкіндігі. Белгілі бір аумаққа жоғары бағытталған көптеген антенналарды орналастыруға болатындықтан, нәтижесінде жиілікті қайта пайдалану артып, пайдаланушылардың тығыздығы жоғарылайды. Бұл диапазонның жоғары арналық сыйымдылығы оптикалық талшық байланысын немесе схемалық тақшаларды өзара қосу сияқты өте қысқа байланыстарды ауыстыруға мүмкіндік береді.

In the United States, the band 36.0–40.0 GHz is used for licensed high speed microwave data links, and the 60 GHz band can be used for unlicensed short range (1.7 km) data links with data throughputs up to 2.5 Gbit/s. It is used commonly in flat terrain. The 71–76, 81–86 and 92–95 GHz bands are also used for point to point high bandwidth communication links. These higher frequencies do not suffer from oxygen absorption, but require a transmitting license in the US from the Federal Communications Commission (FCC). There are plans for 10 Gbit/s links using these frequencies as well. In the case of the 92–95 GHz band, a small 100 MHz range has been reserved for space borne radios, limiting this reserved range to a transmission rate of under a few gigabits per second. The band is essentially undeveloped and available for use in a broad range of new products and services, including high speed, point to point wireless local area networks and broadband Internet access. WirelessHD is another recent technology that operates near the 60 GHz range. Highly directional, "pencil beam" signal characteristics permit different systems to operate close to one another without causing interference. Potential applications include radar systems with very high resolution. The Wi Fi standards IEEE 802.11ad and IEEE 802.11ay operate in the 60 GHz (V band) spectrum to achieve data transfer rates as high as 7 Gbit/s and at least 20 Gbit/s, respectively. Uses of the millimeter wave bands include point to point communications, intersatellite links, and point to multipoint communications. In 2013 it was speculated that there were plans to use millimeter waves in future 5G mobile phones. In addition, use of millimeter wave bands for vehicular communication is also emerging as an attractive solution to support (semi )autonomous vehicular communications. Shorter wavelengths in this band permit the use of smaller antennas to achieve the same high directivity and high gain as larger ones in lower bands. The immediate consequence of this high directivity, coupled with the high free space loss at these frequencies, is the possibility of a more efficient use of frequencies for point to multipoint applications. Since a greater number of highly directive antennas can be placed in a given area, the net result is greater frequency reuse, and higher density of users. The high usable channel capacity in this band might allow it to serve some applications that would otherwise use fiber optic communication or very short links such as for the interconnect of circuit boards.

Қару жүйелері

Милиметрлік толқындық радарлар танктер мен ұшақтардың қысқа қашықтықтағы отты басқару радарларында және әскери кемелердегі автоматты қаруларда (CIWS) келіп жатқан зымырандарды жою үшін қолданылады. Милиметрлік толқындардың кішкентай толқын ұзындығы оларға нысанамен қатар, ұшып шыққан оқтардың да траекториясын қадағалауға мүмкіндік береді, бұл компьютерлік атыс басқару жүйесіне оларды бірге келтіру үшін мақсатты өзгертуге мүмкіндік береді. Raytheon компаниясымен бірлесіп АҚШ Әскери-әуе күштері 3 мм (95 ГГц жиілік) толқын ұзындығы бар миллиметрлік радио толқындарының сәулесін шығаратын, белсенді бас тарту жүйесі (ADS) деп аталатын, адам өміріне қауіп келтірмейтін қару жүйесін жасады. Бұл қару адамға қатты күйдіретіндей сезім тудырады, тіпті терісі отқа тұтанатын сияқты болады. Әскери үлгісінің қуаты 100 киловатт (кВт) құрайды, ал кейіннен Raytheon әзірлеген, құқық қорғау органдарына арналған Silent Guardian деп аталатын кішірек үлгісінің қуаты 30 кВт-қа жетеді.

Қауіпсіздік тексеруі

Киім және басқа да органикалық материалдар белгілі бір жиіліктегі миллиметрлік толқындарға мөлдір болады, сондықтан жақында сканерлер киім астына жасырылған қару-жарақ және басқа да қауіпті заттарды анықтау үшін қолданыла бастады, мысалы, әуежай қауіпсіздігінде. Жеке құпияны қорғаушылар осы технологияны пайдалануға алаңдайды, себебі кейбір жағдайларда ол тексерушілерге әуежай жолаушыларын киімсіздей көруге мүмкіндік береді. Көлік қауіпсіздігі басқармасы көптеген ірі әуежайларға миллиметрлік толқын сканерлерін орналастырды. Бағдарламалық жасақтама жаңартылғанға дейін технология сканерленген адамдардың денесінің ешбір бөлігін жасырмады. Дегенмен, жолаушылардың беттері жүйелік түрде жасырылды. Фотосуреттерді техникалық мамандар жабық бөлмеде қарап, іздеу аяқталғаннан кейін дереу жойды. Бұл жеке өмірді қорғаушыларды мазалайды. "Біз ұшаққа отыру үшін толық жалаңаяшталған күйінде тексеруге жақындап келеміз", - деді Америка Азаматтық Бостандықтар Одағының өкілі Барри Штайнхардт. Бұл мәселені шешу үшін жаңартулар жеке қарау аймағында офицердің қатысуын қажет етпейтіндей етілді. Жаңа бағдарламалық қамтамасыз ету адамның жалпы бейнесін құрайды. Бейнеде ер және әйел анатомиясының арасында ешқандай айырмашылық жоқ, ал егер қандай да бір зат анықталса, бағдарламалық қамтамасыз ету сол аймақта тек сары түсті тіктөртбұрыш көрсетеді. Егер құрылғы ештеңе анықтамаса, ешқандай бейне көрсетілмейді. Жолаушылар сканерлеуден бас тарта алады және металл детектор арқылы тексеріліп, қолмен тексеруден өтуі мүмкін. Миллиметрлік толқын сканерінің бір моделін өндіруші Farran Technologies компаниясының мәлімдеуінше, технология іздеу аймағын сканерлеу аймағынан 50 метрге дейін кеңейтуге мүмкіндік береді, бұл қауіпсіздік қызметкерлеріне көптеген адамдарды олардың білмейінше сканерлеуге мүмкіндік береді.

Қалыңдығын өлшеу

Лювен университетінің соңғы зерттеулері миллиметрлік толқындарды түрлі салаларда ядролық емес қалыңдық өлшегіш ретінде пайдалануға болатынын көрсетті. Миллиметрлік толқындар қалыңдықтағы өзгерістерді контактісіз және таза жолмен анықтауға мүмкіндік береді. Бұл технология пластик экструзиясы, қағаз, шыны және минералды жүн өндірісі сияқты салаларда қолданылады.

Медицина

Адам медицинасында ауруларды емдеу үшін өте жоғары жиілікті, төмен интенсивті (10 мВт/см² немесе одан аз) электромагниттік сәулелену қолданылуы мүмкін. Мысалы, "Қысқа мерзімді, төмен интенсивті MMW әсері жасушалардың өсуі мен көбею деңгейін, ферменттердің активтілігін, жасушаның генетикалық аппаратының жай-күйін, қозуға қабілетті мембраналар мен шеттік рецепторлардың жұмысын өзгерте алады". Осындай емдеуді миллиметрлік толқынмен емдеу немесе өте жоғары жиілікті емдеу деп атауға болады. Бұл емдеу әдісі Шығыс Еуропа елдерімен (мысалы, бұрынғы КСРО елдерімен) байланысты. "Российский журнал" журналында жарияланған "Биология және медицинада миллиметрлік толқындар" журналы миллиметрлік толқынмен емдеудің ғылыми негіздері мен клиникалық қолданылуларын зерттейді.

Полицияның жылдамдық радары

Жол полициясы Ka жиілік диапазонында (33,4–36,0 ГГц) жылдамдық өлшеуге арналған радар қолданады.