Введение
Диапазон 30–300 ГГц электромагнитного спектра
Крайне высокие частоты (КВЧ) – это обозначение Международного союза электросвязи для диапазона радиочастот в электромагнитном спектре от 30 до 300 гигагерц (ГГц). Он расположен между диапазоном сверхвысоких частот (СВЧ) и дальней инфракрасной областью, нижняя часть которой соответствует терагерцовому диапазону. Радиоволны в этом диапазоне имеют длины волн от десяти до одного миллиметра, поэтому он также называется миллиметровым диапазоном, а излучение в этом диапазоне – миллиметровыми волнами, иногда обозначаемыми аббревиатурами MMW или mmWave. Миллиметровые электромагнитные волны впервые были исследованы Джагадишем Чандрой Босом, который генерировал волны частотой до 60 ГГц в ходе экспериментов в 1894–1896 годах. По сравнению с более низкими диапазонами, радиоволны в этом диапазоне характеризуются высоким атмосферным затуханием: они поглощаются газами в атмосфере. Поглощение увеличивается с ростом частоты, и на верхнем пределе диапазона волны затухают до нуля на расстоянии нескольких метров. Поглощение влагой в атмосфере существенно, за исключением пустынных условий, а затухание из-за дождя (выцветание сигнала от дождя) является серьезной проблемой даже на небольших расстояниях. Однако небольшой радиус действия позволяет использовать меньшие расстояния для повторного использования частот, чем в более низких диапазонах. Короткая длина волны позволяет создавать антенны умеренных размеров с узкой диаграммой направленности, что дополнительно повышает потенциал повторного использования частот. Миллиметровые волны применяются в военных радиолокационных системах управления огнем, сканерах безопасности в аэропортах, беспроводных сетях ближнего действия и научных исследованиях. В новом перспективном применении миллиметровых волн определенные диапазоны частот в нижней части диапазона используются в новейших поколениях сетей сотовой связи – сетях 5G. Разработка микросхем и подсистем миллиметрового диапазона (таких как антенны, усилители мощности, смесители и генераторы) также представляет серьезные трудности для инженеров из-за ограничений, связанных с полупроводниками и технологическими процессами, недостатками моделей и низкими значениями добротности (Q) пассивных компонентов.
Распространение
Миллиметровые волны распространяются исключительно по прямой видимости. Они не отражаются ионосферой и не распространяются по Земле как наземные волны, подобно радиоволнам более низкой частоты. При обычных значениях плотности мощности они блокируются стенами зданий и испытывают значительное затухание при прохождении через листву. Поглощение атмосферными газами является существенным фактором во всем диапазоне и возрастает с увеличением частоты. Однако это поглощение достигает максимума на нескольких специфических линиях поглощения, в основном кислорода на частоте 60 ГГц и водяного пара на частотах 24 ГГц и 184 ГГц. На частотах, попадающих в "окна" между этими пиками поглощения, миллиметровые волны демонстрируют значительно меньшее атмосферное затухание и большую дальность, поэтому многие приложения используют именно эти частоты. Длина миллиметровых волн сопоставима с размером капель дождя, поэтому осадки вызывают дополнительное затухание из-за рассеяния (затухание сигнала под дождем), а также поглощения. Эффект Доплера может быть значительным даже при скорости движения пешехода.
Телекоммуникации
В Соединенных Штатах полоса частот 36,0–40,0 ГГц используется для лицензированных высокоскоростных микроволновых каналов связи, а полоса 60 ГГц может использоваться для нелицензированных каналов связи на короткие расстояния (1,7 км) с пропускной способностью до 2,5 Гбит/с. Она широко применяется на равнинной местности. Полосы частот 71–76, 81–86 и 92–95 ГГц также используются для высокоскоростных каналов связи типа «точка-точка». Эти более высокие частоты не подвержены поглощению кислородом, но требуют получения лицензии на передачу в США от Федеральной комиссии по связи (FCC). Существуют планы по созданию каналов связи со скоростью 10 Гбит/с с использованием этих частот. В случае полосы 92–95 ГГц небольшой диапазон в 100 МГц зарезервирован для радиосвязи с космическими аппаратами, что ограничивает скорость передачи данных в этом зарезервированном диапазоне до нескольких гигабит в секунду. По сути, эта полоса не разработана и доступна для использования в широком спектре новых продуктов и услуг, включая высокоскоростные беспроводные локальные сети типа «точка-точка» и широкополосный доступ в Интернет. WirelessHD – еще одна новая технология, работающая вблизи диапазона 60 ГГц. Высоко направленные сигналы, характеризующиеся «карандашным» лучом, позволяют различным системам работать в непосредственной близости друг от друга, не вызывая взаимных помех. Потенциальные области применения включают радарные системы с очень высоким разрешением. Стандарты Wi-Fi IEEE 802.11ad и IEEE 802.11ay работают в спектре 60 ГГц (V-диапазон) для достижения скоростей передачи данных до 7 Гбит/с и не менее 20 Гбит/с соответственно. Области применения миллиметровых волн включают связь типа «точка-точка», межспутниковую связь и связь типа «точка-многоточка». В 2013 году высказывались предположения о планах использования миллиметровых волн в будущих мобильных телефонах 5G. Кроме того, использование миллиметровых волн для автомобильной связи также становится перспективным решением для поддержки (полу)автономной связи между транспортными средствами. Более короткие длины волн в этой полосе позволяют использовать антенны меньшего размера для достижения той же высокой направленности и усиления, что и у более крупных антенн в более низких диапазонах. Непосредственным следствием этой высокой направленности, в сочетании с высокими потерями в свободном пространстве на этих частотах, является возможность более эффективного использования частотного ресурса для приложений типа «точка-многоточка». Поскольку в заданной области можно разместить большее количество высоконаправленных антенн, конечным результатом является более эффективное повторное использование частот и более высокая плотность пользователей. Высокая полезная пропускная способность каналов в этой полосе может позволить использовать ее для некоторых приложений, которые в противном случае потребовали бы волоконно-оптическую связь или очень короткие линии связи, например, для соединения печатных плат.
Оружейные системы
Радар миллиметрового диапазона используется в радиолокационных системах управления огнем ближнего действия в танках и самолетах, а также в автоматических артиллерийских установках (CIWS) на военно-морских кораблях для перехвата приближающихся ракет. Малая длина волны миллиметрового диапазона позволяет отслеживать не только цель, но и траекторию выпущенных снарядов, что позволяет компьютерной системе управления огнем корректировать прицеливание для их совмещения. Совместно с Raytheon ВВС США разработали безоружное средство подавления противника под названием Active Denial System (ADS), излучающее направленный пучок миллиметровых радиоволн с длиной волны 3 мм (частотой 95 ГГц). Воздействие этого оружия вызывает у человека в зоне действия ощущение сильной жгучей боли, словно кожа загорается. Военная версия имела выходную мощность 100 киловатт (кВт), а более поздняя, компактная версия для правоохранительных органов под названием Silent Guardian, разработанная Raytheon, – 30 кВт.
Проверка безопасности
Одежда и другие органические материалы прозрачны для миллиметровых волн определенных частот, поэтому одним из недавних применений стали сканеры для обнаружения оружия и других опасных предметов, скрытых под одеждой, например, в целях обеспечения безопасности в аэропортах. Защитники частной жизни обеспокоены использованием этой технологии, поскольку в некоторых случаях она позволяет сотрудникам службы безопасности видеть пассажиров как будто обнаженными. Транспортное управление безопасности (TSA) установило сканеры миллиметровых волн во многих крупных аэропортах. До обновления программного обеспечения технология не скрывала никакие части тела сканируемых людей. Однако лица пассажиров намеренно маскировались системой. Изображения просматривались техниками в закрытой комнате и немедленно удалялись после завершения проверки. Защитники частной жизни выражают обеспокоенность. "Мы все ближе к ситуации, когда для посадки на самолет потребуется практически полный обыск", – заявил Барри Штайнхардт из Американского союза гражданских свобод. Для решения этой проблемы были внесены улучшения, устранившие необходимость в отдельном помещении для просмотра изображений. Новое программное обеспечение генерирует обобщенное изображение человека. На изображении отсутствует анатомическая дифференциация между мужским и женским полом, и в случае обнаружения объекта программное обеспечение отображает только желтый прямоугольник в соответствующей области. Если устройство ничего не обнаруживает, изображение не отображается. Пассажиры могут отказаться от сканирования и пройти проверку металлоискателем и ручным осмотром. По словам Farran Technologies, производителя одной из моделей сканеров миллиметровых волн, существует технология для расширения зоны поиска до 50 метров за пределы зоны сканирования, что позволит сотрудникам службы безопасности сканировать большое количество людей, не подозревающих о том, что их сканируют.
Измерение толщины
Недавние исследования, проведенные в Университете Лёвена, показали, что миллиметровые волны могут также применяться как бесконтактный толщиномер в различных отраслях промышленности. Миллиметровые волны обеспечивают чистый и бесконтактный способ определения изменений толщины. Практическое применение технологии охватывает экструзию пластмасс, производство бумаги, стекла и минеральной ваты.
Медицина
Низкая интенсивность (обычно 10 мВт/см² или меньше) электромагнитного излучения крайне высокой частоты может использоваться в медицине для лечения заболеваний. Например, "кратковременное воздействие ММВ низкой интенсивности способно изменять скорость роста и пролиферации клеток, активность ферментов, состояние генетического аппарата клеток, функцию возбудимых мембран и периферических рецепторов". Этот вид лечения может называться миллиметроволновой терапией или терапией крайне высокой частоты. Данный метод лечения распространен в странах Восточной Европы (например, в странах бывшего СССР). Научные основы и клинические применения миллиметроволновой терапии исследуются в "Русском журнале" "Миллиметровые волны в биологии и медицине".
Полицейский скоростной радар
Дорожная полиция использует радиолокационные пистолеты для измерения скорости в диапазоне Ka (33,4–36,0 ГГц).