Миллиметровые волны — это электромагнитные волны длиной примерно 1 мм, а точнее в диапазоне от 1 до 10 мм. После преобразования в частоту получаем диапазон 30 – 300 ГГц. Диапазон миллиметровых волн называют чрезвычайно высокими частотами EHF (Extremely High Frequency).
На распространение миллиметровых волн влияет несколько явлений. Это затухание сигнала в свободном пространстве (потери на пути в свободном пространстве, FSPL). Оно обратно пропорционально квадрату длины волны согласно следующему соотношению:
где d — расстояние между двумя антеннами в метрах, а л — длина волны, также выраженная в метрах. Как показывает формула, уменьшение длины волны в 10 раз приведет к увеличению затухания в свободном пространстве в 100 раз, поэтому затухание на миллиметровых волнах на много порядков больше, чем на более низких частотах связи, на которых работает, например, FM-радио или Wi-Fi.
Еще одним ограничением миллиметровых волн является затухание в атмосфере, вызванное присутствием атмосферных газов, в первую очередь кислорода и молекул водяного пара. Для некоторых частот это может быть существенно — примером является частота 60 ГГц. Дождь же увеличивает затухание во всем диапазоне.
Для более длинных волн часто используется прямое отражение сигнала для улучшения качества передачи при наличии препятствий. Но и тут незадача: многие поверхности рассеивают миллиметровые волны, а не отражают их. В результате меньше энергии сигнала достигает приемной антенны. Поэтому препятствия существенно ухудшают качество передачи. В итоге миллиметровые волны лучше всего подходят для передачи при прямой видимости между передающей и приемной антеннами.
Это также обходит еще одно ограничение чрезвычайно высоких частот, заключающееся в том, что они не проникают или плохо проникают в большинство материалов. Например, в случае популярных строительных материалов затухание колеблется примерно от 1 до 6 дБ/см, а потери при проникновении через кирпичную стену на частоте 70 ГГц в 5 раз выше, чем на частоте 1 ГГц. Значительная часть миллиметрового диапазона волн также блокируется листьями.
Преимущества миллиметровых волн
Но оказывается, что в определенных ситуациях упомянутые особенности сверхвысоких частот превращаются из недостатков в преимущества.
Более широкая полоса пропускания обеспечивает и более высокую максимальную скорость передачи. Это позволяет одновременно работать большему количеству каналов связи при заданной скорости передачи или отправлять больший объем данных по одному каналу. Более низкие частоты в основном используются интенсивно и поэтому не обеспечивают столь желательной широкой полосы пропускания.
Например, в спецификации сети 5G максимальная полоса пропускания канала составляет всего 100 МГц ниже 6 ГГц, но до 400 МГц в диапазонах выше 24 ГГц. По мере развития сетей пятого поколения можно ожидать еще более широкого диапазона миллиметровых волн.
Именно из-за широкой полосы пропускания и высоких скоростей передачи данных в спутниковой связи уже давно используются сверхвысокие частоты 27,5 ГГц и 31 ГГц. Прогресс в технологии высокочастотных схем благодаря новым материалам, таким как карбид кремния, которые снижают производственные затраты и улучшают их параметры, означает что связь миллиметрового диапазона также становится популярной в потребительских приборах, таких как сети 5G.
Меньшая задержка и формирование луча
Благодаря более высоким частотам миллиметровых волн, можно передать больше данных за меньшее время. Следовательно, в случае постоянного размера пакета можно ожидать меньших задержек, чем при связи на более низких частотах. А низкие задержки имеют решающее значение для связи в системах промышленной автоматизации, беспроводных устройствах виртуальной реальности и автономных транспортных средствах.
Одним из наиболее важных преимуществ миллиметровых волн являются меньшие по размеру антенны. Например, при переходе с частоты передачи 24 на 77 ГГц (после уменьшения длины волны более чем в 3 раза), площадь антенной системы может уменьшиться более чем в 9 раз. Кроме того, благодаря меньшему размеру антенн, можно разместить их больше на определенном пространстве. Благодаря этому можно реализовать антенную систему с возможностью адаптивного формирования диаграммы направленности. Этот метод позволяет динамически, в зависимости от количества пользователей и их расположения относительно передающей антенны, фокусировать излучаемую энергию на отдельных получателей, улучшая качество сигнала и увеличивая дальность действия.
Ограниченная дальность действия, диффузные отражения и малая глубина проникновения миллиметровых волн могут тоже быть преимуществами. Эти функции, например, позволяют размещать множество небольших сетевых ячеек очень близко друг к другу, не опасаясь взаимных помех. Благодаря этому данная полоса используется более эффективно, что позволяет обслуживать большее количество получателей на заданной территории.
Применение миллиметровых волн
В течение многих лет основным применением передачи миллиметровых волн были радары самолетов. Благодаря своей широкой полосе пропускания они лучше, чем другие диапазоны волн, показали себя лучше при определении расстояния до объекта, при различении двух удаленных объектов, расположенных близко друг к другу, и при измерении относительной скорости до цели. Поэтому радары работающие в миллиметровом диапазоне, также используются в системах помощи водителю, в том числе: в адаптивном круиз-контроле и обнаружении слепых зон. Способность быстро и точно измерять расстояние и скорость будет иметь ключевое значение и для развития технологий беспилотных транспортных средств.
Миллиметровые волны используются в сканерах тела. Устройства состоят из антенных решеток, работающих в диапазоне частот от 70 ГГц до 80 ГГц и излучающих мощность около 1 мВт. Миллиметровые волны проходят через большую часть одежды и отражаются от кожи и других поверхностей. Полученный сигнал используется для создания детального изображения сканируемого человека и выявления скрытых под одеждой предметов. Низкая мощность и ограниченная глубина проникновения миллиметровых волн обеспечивают безопасность испытуемых.
Спутниковые системы уже давно осуществляют связь в диапазоне миллиметровых волн, пользуясь такими его преимуществами, как широкая полоса пропускания, низкая задержка, небольшие антенны и многоантенное формирование диаграммы направленности. Эти особенности также означают, что многие наземные телекоммуникационные сети используют миллиметровые волны. Например, благодаря более высокой пропускной способности миллиметровые волны могут поддерживать беспроводную передачу видео сверхвысокой четкости.
Кроме того, антенны меньшего размера легче интегрировать с такими устройствами, как смартфоны, цифровые и игровые приставки. Внедряются новые стандарты, использующие миллиметровые волны, такие как 5G и IEEE 802.11ad WiGig со скоростью передачи порядка Гбит/с. Преимущества чрезвычайно высоких частот будут особенно заметны при связи в зданиях и вообще в городских условиях, где пространственное и адаптивное формирование диаграммы направленности в миллиметровом диапазоне обеспечит связь с высокой пропускной способностью для большого числа пользователей.
Таким образом, даже кажущиеся недостатки могут, при иных подходах и требованиях, превратиться в несомненные достоинства.
