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無線電子工学および電気工学の百科事典 通信システムにおけるミリ波。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
私たちの時代では、システムと通信手段の開発、ミリ波（MMW）を含むマイクロ波周波数を含む従来型および非従来型の電波帯域の開発が急速に進んでいます。 そして、この周波数帯は古くから習得されている他の周波数帯に比べて比較的新しいものですが、MMW が占有する周波数帯はこれまで人類が自由に使用できる周波数帯をはるかに超えていることが現在では一般に認識されています。 長い間、IMF は実用には適さないと考えられていました。その理由は、マイクロ波振動を発生、受信、下水道に流す技術的に高度な手段がなく、必要な元素ベースがなく、不均質な地球の大気中での IMF 伝播の法則が十分に研究されていなかったためです。 さらに、国内外の多数の出版物に反映されている、さまざまな目的のためのミリ波通信システムの開発と応用の傾向を考慮することは、間違いなく興味深いことです。 ミリ波範囲の通信システムの構築は、ミリ波の伝播に関する科学的研究と、30 GHz を超える周波数でマイクロ波信号を生成および受信するための原理と手段の開発に基づいています。 ロシアを含む世界の多くの国の著名な科学者や専門家が、MMW伝播の分野における理論的および実験的研究に多大な貢献をしてきました。 そして今日でも、理論と実践により、特に通信システムにおいて MMW を使用することの新たな利点がますます明らかになってきています。 これらには、まず第一に、情報伝送の量と速度の増加、環境の不利な状態でのこれらの波の伝播、小さな開口での高いアンテナ利得、およびノイズ耐性の向上が含まれます。 ただし、IMW が伝播すると、信号は大気ガスや水流星で弱くなり、放射線の偏光解消、振幅、位相の変化も起こります。 さらに、大気中での信号の減衰は周波数が増加するにつれて増加する傾向があり、気象条件に依存します。 大気中には、酸素と水蒸気の存在により、電波が強く吸収される帯域が一定に存在します。 これらの現象は、22,2 GHz (H2O)、60 GHz (O2)、118,8 GHz (O2)、および 180 GHz (H2O) で観察されます。 大気の適度な湿度 (地表で約 7,5 g/m3) の条件下では、単一の垂直伝播中にスペクトルの特定の部分で電波が完全に減衰する (200 dB を超える場合もある) ことが観察されます。 通信にとって実際に興味深いのは、約 35、94、140、および 220 GHz の周波数で科学によって特定されている「透明窓」です。この窓では、隣接する IMW セクションと比較して最小限の減衰しかありません。 「透明窓」における地表近く（20℃）の適度な湿度と温度の中緯度では、総減衰は小さく、大気中を通る単一の垂直伝播では、たとえば94 GHzの周波数では1,3 dBです。 最近まで、分子吸収の実験研究ではさまざまな吸収レベルの統計が存在しなかったことに注意してください。 湿度値は変動しやすく、気候条件に依存するため、これらの統計の蓄積は非常に骨の折れる作業です。 SMW は大気中での吸収が比較的大きいため、短距離波と呼ばれます。 現在、IMW 伝播の問題は主に研究されており、大気流星における分子吸収の研究結果と理論計算は完全に一致しています。 さまざまな応用問題を解決するために MMW 範囲を使用するという新たな傾向は、現在では安定した性格を獲得しています。 計測機器だけでなく、衛星通信システム、無線中継線、マイクロセルラー通信、車載通信線、自動制御システムなどへの応用の可能性が開かれています。 これは、MMW要素ベースの開発とそれに基づく技術的に高度なデバイスの作成の成功、大量の情報を送信する必要性によるもので、この範囲の電波の利点が特に現れます。 衛星通信におけるMMV。 衛星通信システムは非常に速いペースで開発されています。 たとえば、1982 年の米国の衛星通信には、それぞれ 150 MHz の帯域幅を持つ約 36 の中継トランクがあり、90 年代初頭までに、衛星の打ち上げ率が非常に増加し、通信に割り当てられた 6/4 GHz および 14/12 GHz の周波数帯域がほぼ完全に占有されました。 したがって、衛星通信の MMW 範囲をマスターするという課題は非常に緊急です。 これは、過去 15 年間に米国だけが 3 ～ 16 GHz の周波数範囲で動作する機器を備えた 40 個の ICXNUMX を発売した理由を説明しています。 同社の車載中継器は、衛星通信に MMW を使用する利点をほぼ確認しました。 MMW アンテナの狭い放射パターンは通信の秘密性と干渉干渉の弱化に貢献し、大きな利得は送信機の出力の低下につながり、衛星機器の重量とサイズ特性を軽減しました。 しかし、それだけではありません。 狭指向性マルチビーム搭載アンテナの採用により、ビームを切り替えてカバーエリアを拡大することができるほか、ダイバーシティ受信により悪天候時の通信信頼性も向上しました。 最も優先度の高い IC3 の中で、80 GHz を超える周波数で動作するために 90 年代後半から 20 年代前半に海外で開発された中継器は次のとおりです。 L-SAT/OL YMPUS 衛星 (西ヨーロッパ) の合計動作周波数帯域幅は、14/11 GHz および 30/20 GHz 帯域で約 6,8 GHz です。 トランクの帯域幅は 240 MHz で、360 Mbps の速度で情報を送信できます。これは、5500 の電話チャネルを編成するのに十分です。 44/20 GHz 周波数範囲のブロードバンド トランスポンダーを備えた MILSTART 衛星 (米国)。 ノイズのような信号の使用、2 GHz 帯域の擬似ランダム周波数調整、およびボード上の信号スイッチングが提供されます。 MILSTART システムの衛星間通信は 60 GHz の周波数範囲で実行されますが、この周波数範囲では大気中での減衰が大きいため、搭載機器の操作のために地球から積極的に意図的な無線干渉を引き起こすことは事実上不可能です。 衛星 ECS-2 および ACTS-E (日本)。 この装置は、30/20 GHz および 50/40 GHz の周波数範囲、250 MHz の帯域幅で動作し、少なくとも 400 Mbps のデータ転送速度で動作します。 このタイプの衛星用に、NTT は超大容量システム (IC7920 あたり 3 Gbps 以上) を開発しました。 将来のシステムには、15個の大型通信IC3を搭載することで、衛星通信システムの総スループットが最大119Gbit/sまで得られると考えられています。 日本の専門家によると、実験の過程で蓄積された経験により、MMW範囲で動作する衛星間通信リンクの作成を開始することが可能になります。 このような衛星間リンクの可能な用途の 3 つは国際通信です。 同時に、3 つの ICXNUMX 間に直接接続が存在するため、中間地球局を使用する必要がなくなります。 衛星間リンクの助けを借りて、宇宙空間の任意の領域内で、互いに数十キロメートルの距離にある複数の ISXNUMX 間で通信することも可能です。 外国のシステムと同様に、静止軌道、楕円軌道、低円軌道の宇宙船を使用した国内の衛星通信システムが多数あります。 これまで、0,3 ～ 0,4 GHz の範囲の無線周波数が低軌道システムに割り当てられてきました。 しかし、ここではさまざまな無線電子サービスが主に運用されているため、将来的に新しい衛星通信ネットワークの帯域を獲得することはほとんど不可能です。 したがって、低軌道IC3の中継器では、他の送信機からの干渉を回避し、その結果、送信機の動作に干渉しない広帯域の擬似ランダム信号を使用することになっています。 この伝送方法では、部分チャネルの速度は 4,8 kbps、ノイズ補正コーディングを考慮すると 2,4 kbps になります。 このようなシステムにおける MMW 範囲の適用が検討されます。 したがって、通信システムのスループットと全体的な効率を向上させる必要性が、30 GHz を超える周波数範囲の開発の理由の 10 つでした。 指定された周波数範囲におけるシステムの潜在能力は、各チャネルの最小情報転送速度が少なくとも 2 Mbps である 2000 の通信チャネルと推定されます。 750 年には、Intelsat 衛星通信ネットワークだけで約 15 の電話チャネルの運用が可能になると想定されています。これは、6 ～ 4 GHz および 14 ～ 12 GHz 帯域のシステム能力の XNUMX 倍です。 衛星通信で MMW 範囲を使用する場合の技術的問題には、デジタル情報を 1 Gbit/s の速度で送信するときに地上局でダイバーシティ受信を組織する方法の研究、航空機中継器用の信頼性の高いフェライト スイッチとスイッチング マトリックスの開発、構造要素の製造精度が向上した改良されたマルチビーム アンテナの作成などが含まれます。 これらの問題を解決することにより、50 ～ 40 GHz の範囲で動作する場合、および最大 60 GHz の周波数範囲での衛星間通信の構成において、衛星システムの高効率を達成することが可能になります。 将来的には、スペクトルのさらに高い周波数部分を使用することが可能になります。 非常に興味深いのは、ミリメートル範囲で動作するように設計された通信および情報送信用の車載無線リンクです。 将来的には、3...5 Gbps の帯域幅と高い信頼性 (約 0,99998) を提供する予定です。 したがって、帯域幅が 3 Gbit/s、範囲が 20 km、航空機上のパラボラ アンテナの寸法が 0,2 ～ 0,5 m、地上の受信点で 1 m、地上受信機の雑音指数が約 15 dB、搭載機器の重量と体積が小さい、傾斜無線リンクの場合、搭載送信機の電力は 0,1 ～ 100 W の範囲になります。 エネルギー指標、そのような無線リンクの機器の要件は、MMW 技術の現状では非常に実現可能です。 セルラー ネットワークでの MMW の使用。 近年、世界の先進国では、都市部や農村部における移動通信システムの構築と応用が著しく進んでいます。 さまざまな情報の転送の量、速度、質は前例のないほど、単一の国だけでなく、異なる大陸に位置する国々の規模でも達成されています。 これは、ソリッドステートエレクトロニクス、マイクロエレクトロニクス、フォトニクス、音響エレクトロニクス、および衛星通信システムの開発により可能になりました。 しかし、都市通信システムではデシメートル、さらにはメートルの電波が大量に使用されるため、トランシーバーやアンテナ導波管システムの設計に多くの困難が生じ、相互電磁干渉のレベルが増大し、送信周波数の帯域幅が制限されるため、情報送信中の歪みの増加につながります。 ミリ波の使用なしには、都市におけるセルラー通信ネットワークの展開をさらに拡大することは明らかに不可能です。 携帯電話システムにおける MMW への切り替えの利便性は、ロシア科学アカデミーの無線工学および電子研究所の研究室で実施された研究結果によって確認されています。 研究結果の体系化と分析により、都市の困難な状況においては、放射線源から数百メートルから数十キロメートルの距離にある電磁場の最も重要な特性を予測することが可能であるという楽観的な結論が得られます。 このような予測は、都市エリアのレイアウト、地形、アンテナ システムの位置を考慮するだけでなく、建物の密度、建物の高さ、水平寸法、壁を構成する建築材料に関するデータに基づいて、都市の地形図上の統計的手法によって実行できます。 都市環境で通信回線を設計する際に、コンピュータデータベースを使用してフィールド特性を計算する技術も開発されています。 これらにより、フィールドのエネルギー特性や偏波パラメータの分布を計算したり、都市のモバイル通信チャネルにおける無線干渉の統計的特性を分類したりすることが可能になります。 特に、送信電力 (Rizl) が 5 ～ 10 mW、受信感度が 10 MHz 帯域で約 1 W、アンテナ利得が 15 mm の波長で約 5 dB、信号対雑音比が約 10 であると仮定すると、水と酸素蒸気の共鳴吸収中心を考慮して、MMW での最小通信距離を推定することができます (図 1)。 最悪の伝播条件下でも、このようなリンクの長さは常に 0,5 km を超えており、このような通信システムの要件を満たしています。
現在の半導体技術の開発レベルと超小型電子回路の開発状況を考慮すると、都市部の短い情報伝送路にアンテナ導波路システムだけでなく、さまざまな家庭用トランシーバを使用する実際の機会があります。 これらは、特定の地域の基地局を備えたセルラー通信システムの信頼できるコンポーネントになる可能性があります。 大量生産が行われると、MMW でのこのようなシステムのコストは、デシメートル波やメートル波で存在するシステムとほぼ同等になる可能性があります。 さらに、都市の状況においては、電波の過密の問題を完全に解決し、送信メッセージの量を少なくとも一桁以上増加させる本当の機会を生み出すでしょう。 これは、たとえば、都市部と郊外部でいわゆるマイクロセルラーおよびピコセルラー システムを介してメッセージを中継するために同じ周波数を使用することです。 研究では、MMW を使用することのもう XNUMX つの重要な利点が示されています。 デシメートル波機器やメートル波機器の動作中に認められるように、トランシーバーが設置されている敷地内では人体に悪影響を与えることはありません。 図上。 図２は、都市および郊外地域におけるマイクロセルラー通信システムおよびピコセルラー通信システムの応用を示す。 基地局 A は、移動通信オブジェクトとの情報交換を提供するマクロセルラー ネットワーク B、C、D、D、E を介して通信します。 同時に、市内で利用可能なマイクロセル b および c は静止物体との通信を目的としており、工業用建物 G のピクソット 2、1、2 ... 3 は別のフロアで機能します。
実験室用および産業用トランシーバーと要素ベースの状態は、都市で検討されているセルラー システムでの MMW の実用化の可能性に対する確信を引き起こします。 MMVの無線中継シングルスパン回線。 近年、コンピュータと周辺機器間のデータ交換だけでなく、マルチチャネル電話の伝送のために設計された信頼性の高い単一スパンの通信回線を組織する必要があります。 これらの目的には、MMW 範囲の無線中継回線が最適です。 高いノイズ耐性、小型サイズと重量、高帯域幅、低消費電力を備えています。 このようなシステムには、42,5 ～ 43,5 GHz 帯域で動作し、5 Mbps (8,448 電話チャネル) の情報転送速度で最大 129 km の長さの単一スパンのデジタル無線中継回線を編成するように設計された二重送受信局 (PPS) が含まれます。 情報を送信するには、変調指数が 480 に等しい周波数変調が選択されます。 受信チャネルと送信チャネル間の周波数間隔、および中間周波数の値は XNUMX MHz です。これにより、一方ではチャネル間に必要な分離が提供され、他方では、受信機の安定化された局部発振器に対する自動周波数調整が可能になります。 長さ 170 km の無線リンクでの合計減衰が 5 dB の場合、トランシーバ アンテナのゲインが少なくとも 40 dB、送信電力が 30 ～ 50 mW、受信雑音指数が 13 dB 以下であれば、ステーションは正常に機能します。 このような PPS のブロック図を図に示します。 これは、以下の機能ユニットから構成されます。直径 3 mm の 1 ミラーパラボラ アンテナ 300。 導波管バンドパス受信 2 および送信 4 マイクロ波フィルター。 偏波分離器 3 (水平 E および垂直 H)。 局部発振器の第 5 高調波で動作する、ショットキー バリアを備えたダイオード上の受信チャネル 6 と AFC チャネル 7 のミキサー。 バラコラ周波数調整を備えたガン ダイオード 8 をベースとしたマイクロ波発生器。 シリコンバイポーラトランジスタ８上の予備ＩＦ。 誘電体共振器によって安定化されたトランジスタマイクロ波発生器９。 周波数検出器チャンネル AFC 9; このモジュールは、単一のグラスファイバープリント基板上に作られ、自動利得制御を備えたメイン IF 10、離調回路上の周波数検出器 11、およびビデオアンプ 12 で構成されています。二次電源 13 は、DC 電圧 +14 V を、局の機能ユニットに電力を供給するために必要な安定化電圧 +15 V、-16 V、および +60 V に変換します。
直径300mm、長さ250mmの密閉円筒容器内にパラボラアンテナ、送受信機、二次電源を配置した構造となっています。 PPS は重量とサイズが小さいという特徴により、ほとんどの場合、特別なマスト構造の構築を放棄することができます。 通信システムにおける MMW の使用例は、これらの実際の使用の問題を網羅したものではありません。 これらは、ブロードバンド通信およびアプリケーションの分野、IC3 との通信のための地上局、衛星間および航空通信システム、さらにはピコセル データ伝送線を含む都市や町でのブロードバンド通信の組織化において、確かに大きな将来性を持っています。 著者: R.ビストロフ、工学博士。 科学、教授、A.ソコロフ、技術博士。 科学、教授、モスクワ
庭の花の間引き機
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