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无线电电子与电气工程百科全书 通信系统中的毫米波。 无线电电子电气工程百科全书
在我们这个时代，通信系统和手段、传统和非传统无线电频段（包括微波频率，包括毫米波（MMW））的发展正在快速发展。 尽管与早已掌握的其他频段相比，这个频段相对较新，但现在人们普遍认识到，毫米波所占用的频段远远超过了人类迄今为止可以使用的频段。 长期以来，IMF被认为不适合实际使用，因为没有技术先进的产生、接收、排泄微波振荡的手段，没有必要的元件基础，而且IMF在不均匀地球大气中的传播规律也没有得到很好的研究。 此外，考虑用于各种用途的毫米通信系统的开发和应用趋势无疑是有意义的，这已在许多国内外出版物中得到反映。 毫米波范围内通信系统的创建基于对这些波传播的科学研究以及用于生成和接收频率高于 30 GHz 的微波信号的原理和方法的开发。 包括俄罗斯在内的世界许多国家的杰出科学家和专家为毫米波传播领域的理论和实验研究做出了重大贡献。 即使在今天，理论和实践也揭示了使用毫米波的越来越多的新优势，特别是在通信系统中。 首先，包括信息传输量和速度的增加、这些波在不利环境状态下的传播、小孔径的高天线增益以及增强的抗噪声能力。 然而，当IMW传播时，信号在大气气体和水凝物中减弱，并且辐射去极化、幅度和相位发生变化。 此外，信号在大气中的衰减往往会随着频率的增加而增加，并且取决于天气条件。 在大气中，由于氧气和水蒸气的存在，无线电波也存在恒定的强烈吸收带。 这些现象在 22,2 GHz (H2O)、60 GHz (O2)、118,8 GHz (O2) 和 180 GHz (H2O) 下观察到。 在大气湿度适中的条件下（地球表面附近约为 7,5 g/m3），无线电波在单次垂直传播期间可以观察到频谱某些部分的完全衰减（甚至超过 200 dB）。 对通信具有实际意义的是科学确定的频率约为 35、94、140 和 220 GHz 的“透明窗口”，与邻近的 IMW 部分相比，其中的衰减最小。 在接近地球表面（20°C）、湿度和温度适中的中纬度地区，在“透明窗口”中，总衰减很小，并且通过大气层进行单次垂直传播，例如在 94 GHz 频率下，衰减为 1,3 dB。 我们注意到，直到最近，分子吸收的实验研究中还没有各种吸收水平的统计数据。 由于湿度值的强烈变化及其对气候条件的依赖性，这些统计数据的积累是一项非常费力的任务。 由于大气中的吸收相对较大，SMW 被称为短程波。 目前，IMW传播问题已得到大量研究，大气水凝物中分子吸收的研究和理论计算结果吻合得相当令人满意。 使用毫米波系列解决各种应用问题的新兴趋势现已获得稳定的特征。 它们在卫星通信系统、无线电中继线路、微蜂窝通信、机载通信线路和自动控制系统以及测量设备中的应用的可能性已经打开。 这是由于毫米波元件库的开发成功以及基于它的技术先进设备的创建，需要传输大量信息，其中该范围的无线电波的优势尤其体现出来。 卫星通信中的 MMV。 卫星通信系统正在快速发展。 例如，1982年，美国卫星通信约有150个中继干线，每个中继干线带宽为36 MHz，到了90年代初，卫星发射率大幅增加，分配给通信的6/4和14/12 GHz频段几乎被完全占用。 因此，掌握卫星通信毫米波范围的任务十分紧迫。 这解释了为什么在过去十年中只有美国推出了 15 个 IC3，其设备在 16...40 GHz 频率范围内运行。 他们的机载中继器在很大程度上证实了使用毫米波进行卫星通信的所有优势。 毫米波天线的窄辐射方向图有助于通信的保密性和减弱干扰干扰，而大增益则导致发射机功率下降，并降低卫星设备的重量和尺寸特性。 但这还不是全部。 使用窄定向多波束机载天线可以切换波束以扩大覆盖范围，并通过分集接收提高恶劣天气条件下的通信可靠性。 其中优先级最高的IC3，其直放站是国外在80世纪90年代末和20年代初开发的，工作频率高于XNUMXGHz，如下所示。 L-SAT/OL YMPUS 卫星（西欧）在 14/11 和 30/20 GHz 频带内的总工作频带宽度约为 6,8 GHz。 干线带宽为240 MHz，信息传输速度为360 Mbps，足以组织5500个电话通道。 MILSTART 卫星（美国），配有 44/20 GHz 频率范围的宽带转发器。 提供类噪声信号的使用、2 GHz 频段的伪随机频率调谐以及板上信号切换。 MILSTART系统中的卫星间通信在60 GHz的频率范围内进行，大气中的大衰减使得实际上不可能对星载设备的操作产生来自地球的有源有意无线电干扰。 卫星 ECS-2 和 ACTS-E（日本）。 该设备的工作频率范围为 30/20 和 50/40 GHz，带宽为 250 MHz，数据传输速率至少为 400 Mbps。 对于此类卫星，NTT 开发了超高容量系统（每个 IC7920 不低于 3 Gbps）。 相信未来系统中纳入15个大型通信IC3将有可能获得高达119 Gbit/s的卫星通信系统总吞吐量。 日本专家表示，在实验过程中积累的经验使得开始创建在毫米波范围内运行的卫星间通信链路成为可能。 这种卫星间链路的可能应用之一是国际通信。 同时，两个 IC3 之间存在直接连接，无需使用中间地球站。 借助星间链路，外层空间任何一个区域相距数十公里的多个IS3之间也可以进行通信。 国内有一些卫星通信系统，其航天器位于地球静止轨道、椭圆轨道和低圆轨道上，与国外系统类似。 到目前为止，0,3 ... 0,4 GHz 范围内的无线电频率已分配给低轨道系统。 但由于各种无线电电子服务在这里主要运行，因此未来几乎不可能为新的卫星通信网络获得频段。 因此，在低轨IC3的中继器中应采用宽带伪随机信号，这样可以避免其他发射机的干扰，从而不干扰其工作。 采用这种传输方法，部分信道中的速度可以是4,8kbps，并且考虑到噪声校正编码——2,4kbps。 考虑了毫米波范围在此类系统中的应用。 因此，提高通信系统吞吐量和整体效率的需求是发展30 GHz以上频率范围的原因之一。 指定频率范围内系统的潜在能力估计为 10 个通信通道，每个通道的最小信息传输速率至少为 2 Mbps。 假设到2000年，仅Intelsat卫星通信网络就能提供大约750个电话信道的运行，这比系统在15...6和4...14 GHz频带中的能力高出12倍。 在卫星通信中使用毫米波范围的技术问题包括研究以 1 Gbit/s 的速率传输数字信息时在地面站组织分集接收的方法、开发用于机载中继器的可靠铁氧体开关和开关矩阵，以及创建改进的多波束天线，提高结构元件的制造精度。 这些问题的解决将使卫星系统在 50...40 GHz 范围内运行时实现高效率，并在高达 60 GHz 的频率范围内组织卫星间通信。 将来，甚至可以使用频谱的更高频率部分。 人们非常感兴趣的是用于通信和信息传输的机载无线电链路，其设计工作在毫米范围内。 未来，它们将提供3...5 Gbps的带宽，高可靠性（约0,99998）。 因此，对于带宽为 3 Gbit/s、范围为 20 km 的倾斜无线电链路，飞机上抛物面天线的尺寸为 0,2 ... 0,5 m，地球上接收点的尺寸为 1 m，地面接收机噪声系数约为 15 dB，机载设备的重量和体积较小，机载发射机的功率将在 0,1 ... 100 W 范围内。 就目前毫米波技术而言，能量指标以及对此类无线电链路设备的要求是完全可以实现的。 在蜂窝网络上使用 MMW。 近年来，世界发达国家城乡移动通信系统建设和应用取得了显着进展。 各种信息传输的数量、速度和质量都实现了前所未有的增长，不仅在单个国家范围内，而且在不同大陆的国家范围内。 由于固态电子学、微电子学、光子学、声电子学和卫星通信系统的发展，这成为可能。 然而，城市通信系统中分米甚至米级无线电波的大量使用给收发机和天线波导系统的设计带来了许多困难，增加了相互电磁干扰的水平并限制了传输频率的带宽，从而导致信息传输过程中的失真增加。 如果不使用毫米波，进一步扩大城市蜂窝通信网络的部署显然是不可能的。 俄罗斯科学院无线电工程与电子研究所实验室的研究结果证实了在蜂窝系统中改用毫米波的便利性。 对研究结果的系统化和分析得出了一个乐观的结论，即在困难的城市条件下，可以预测距辐射源数百米至数十公里处的电磁场的最重要特征。 这种预测可以通过统计方法在城市地形图上进行，该地图基于建筑密度、建筑物的高度和水平尺寸、建造墙壁的建筑材料的数据，并考虑到城市地区的布局、地形和天线系统的位置。 在使用计算机数据库设计城市条件下的通信线路时，还开发了用于计算场特性的技术。 它们使得计算能量特性、场的极化参数分布以及对城市移动通信信道中无线电干扰的统计特性进行分类成为可能。 特别是，假设发射机功率 (Rizl) 为 5...10 mW，接收器灵敏度在 10 MHz 频段约为 1 W，波长为 15 mm 时天线增益约为 5 dB，假设信噪比约为 10，则可以估计毫米波上的最小通信范围，同时考虑水和氧气蒸汽中的谐振吸收中心（图 1）。 即使在最恶劣的传播条件下，这种链路的长度也始终大于0,5公里，满足了此类通信系统的要求。
考虑到当前半导体技术的发展水平和微电子电路的发展状况，确实有机会在城市地区使用各种国产收发器以及天线波导系统用于短信息传输线路。 它们可以成为在某些地区设有基站的蜂窝通信系统的可靠组件。 通过大规模生产，毫米波上的此类系统的成本可以与分米波和米波上现有的系统相当。 此外，在城市条件下，它们将彻底解决空中拥挤的问题，并创造一个真正的机会来增加传输的消息量，至少增加一个数量级或更多。 例如，这是使用相同的频率通过城市和郊区所谓的微蜂窝和微微蜂窝系统来中继消息。 研究表明使用毫米波的另一个重要优势。 正如在分米波和米波设备操作期间所注意到的那样，它们不会对安装收发器的场所内的人员产生有害影响。 上图。 图2示出了微蜂窝和微微蜂窝通信系统在城市和郊区的应用。 基站A通过宏蜂窝网络B、C、D、D、E进行通信，宏蜂窝网络提供与移动通信对象的信息交换。 同时，城市中可用的微蜂窝 b 和 c 用于与固定物体进行通信，而工业建筑 G 中的像素 1、2、3 ... 9 在其不同楼层上发挥作用。
实验室和工业收发器以及元件库的状态激发了人们对在城市蜂窝系统中实际使用毫米波的可能性的信心。 MMV上的无线电中继单跨线路。 最近，需要组织高度可靠的单跨通信线路，设计用于多通道电话传输以及计算机和外围设备之间的数据交换。 对于这些目的，毫米波范围的无线电中继线是最合适的。 它们具有高抗噪性、小尺寸和重量、高带宽和低功耗。 此类系统包括在 42,5 ... 43,5 GHz 频段运行的双工收发器站 (PPS)，旨在组织长达 5 公里的单跨数字无线电中继线路，信息传输速率为 8,448 Mbps（129 个电话通道）。 为了传输信息，选择调制指数等于480的频率调制。 接收和发送通道之间的频率间隔以及中频值为 XNUMX MHz，一方面可以在通道之间提供必要的隔离，另一方面可以组织相对于接收器稳定本地振荡器的自动频率调整。 在 170 km 长的无线电链路上总衰减为 5 dB 时，如果收发器天线的增益至少为 40 dB，发射器功率为 30 ... 50 mW，接收器噪声系数不超过 13 dB，则电台将正常工作。 这种 PPS 的框图如图 3 所示。 1、由以下功能单元组成： 抛物面二镜天线300，直径2mm； 波导带通接收4和发射3微波滤波器； 偏振分离器5（水平E和垂直H）； 接收通道 6 和 AFC 通道 7 的混频器位于带有肖特基势垒的二极管上，工作在本地振荡器的四次谐波下； 基于耿氏二极管8的微波发生器，具有varakora频率调谐功能； 硅双极晶体管9上的初步IF； 晶体管微波发生器10，由介质谐振器稳定； 频率检测器通道AFC 11； 发射机调制器视频放大器12和频率检测器模块13。该模块在单个玻璃纤维印刷电路板上制成，并且由具有自动增益控制的主IF 14、失谐电路上的频率检测器15和视频放大器16组成。辅助电源60将DC电压+12V转换成为站的功能单元供电所必需的稳定电压+12V、-5V和+XNUMXV。
抛物面天线、收发器和二次电源在结构上放置在直径为300毫米、长度为250毫米的密封圆柱形容器内。 PPS 重量轻、尺寸小的特点使得在大多数情况下可以放弃建造特殊的桅杆结构。 这些在通信系统中使用毫米波的例子并未穷尽其实际使用的问题。 它们在宽带通信和应用领域、在与 IC3 通信的地面站、卫星间和机载通信系统以及在城镇中组织宽带通信（包括微微蜂窝数据传输线）方面无疑拥有广阔的前景。 作者：R.Bystrov，工程博士。 科学，教授，A.Sokolov，技术博士。 科学，教授，莫斯科
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