Миллиметровые волны своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 19.09.2024

В статье рассматривается новое направление в радиосвязи — передача цифровой информации в диапазоне миллиметровых электромагнитных волн. Раскрываются физические особенности этого вида электромагнитного излучения, влияние различных деструктивных факторов на процесс передачи информации в этом диапазоне. Рассматриваются особенности построения каналов передачи информации, приводятся примеры конкретной реализации систем связи в этом участке радиоспектра, оцениваются перспективы их развития.

Современные технологии, наконец, сделали миллиметровые волны пригодными
для практического использования, позволив беспроводным средствам связи
продолжить развитие прежде, чем был исчерпан доступный спектр.

Electronic Design

Введение

В настоящее время происходит интенсивный процесс развития систем связи коммерческого и военного назначения, освоения нетрадиционных диапазонов радио— и оптических волн, в том числе СВЧ и ОВЧ, включая миллиметровые волны (ММВ), волны терагерцового диапазона, ближний ИК-диапазон. На данный момент из стен лабораторий уже выходят системы ММВ, а также лазерного (ИК-диапазона) излучения, предназначенные для работы в атмосферных оптических линиях связи (АОЛС).

Применительно к диапазону ММВ это связано, в первую очередь, его востребованностью для создания сверхскоростных беспроводных транспортных сетей мобильного трафика, а также радиорелейных систем, так как занимаемая ММВ полоса частот намного превышает те, что до сих пор находились в распоряжении проектантов этих систем. Кроме того, использование данного диапазона не требует лицензирования, что дает возможность запустить оборудование в эксплуатацию в кратчайшие сроки. Предполагается также, что этот диапазон будет востребован стандартами беспроводной связи малой дальности IEEE 802.11ad и WirelessHD.

Малораспространенный в настоящее время стандарт 802.11ad является расширением введенного IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике) популярного семейства стандартов беспроводных локальных сетей 802.11, известных как Wi—Fi. Версия 11ad предназначена для 60-ГГц диапазона. Она совместима со всеми предыдущими версиями, включая 11a/b/g/n/ac, поскольку уровни управления доступом к среде (Media Access Control, MAC) у них схожи. Спецификация 11ad также известна под коммерческим названием WiGig.

Миллиметровый диапазон занимает спектр частот от 30 до 300 ГГц. Он находится между СВЧ- (1–30 ГГц) и ближним ИК-диапазоном. Длина волны (λ) находится в диапазоне 1–10 мм.

Несколько десятков лет ММВ считались непригодными для практического использования из-за отсутствия элементной базы для генерации и приема таких ЭМ-колебаний, построения антенно-фидерного тракта в миллиметровом диапазоне, а также из-за отсутствия данных по распространению излучения в земной атмосфере и городской среде.

Преимущества диапазона ММВ

Основные преимущества данного диапазона:

Возможность обеспечить скорость передачи данных до 10 Гбит/с, а в перспективе и более. Эта величина на два порядка выше пропускной способности для существующих радиосистем.
Высокая помехозащищенность от индустриальных ЭМ-помех.
Возможность существенного снижения габаритов антенных систем и получения сверхузких диаграмм направленностей передающей и приемной антенн — 0,3–1,5°, что значительно увеличивает дальность связи по сравнению с традиционными СВЧ-системами сантиметрового диапазона.
Миниатюрные антенны испытывают гораздо меньшую ветровую нагрузку, этот фактор в целом повышает надежность системы связи и положительно сказывается на уменьшении стоимости оборудования.
Поскольку приемо-передающие антенны в диапазоне MMB используют узкие диаграммы направленности, то практически отсутствует взаимовлияние между соседними базовыми станциями и увеличивается дальность действия канала связи MMB. Этот фактор позволяет максимально близко располагать антенны друг к другу, до нескольких сантиметров, что является несомненным преимуществом при создании базовой станции сотовой связи, работающей в мультичастотном режиме.
Благодаря использованию малых углов передающих лучей, системы диапазона ММВ обладают высокой энергетической скрытностью.

Рис. 1. Однокристальный радар 24-ГГц диапазонаHH

Еще одним преимуществом миллиметрового диапазона являются малые размеры оборудования, работающего на этих волнах. Современная микроэлектронная технология позволяет создавать миниатюрные СВЧ-устройства, а в диапазоне ММВ и сами антенны можно уменьшить до размеров микросхемы. Так, например, обычный полуволновый вибратор, предназначенный для работы на частоте 900 МГц, имеет длину 15 см, но полуволновая антенна для частоты 95 ГГц будет иметь длину всего 1,58 мм в свободном пространстве, или даже меньше, если изготовлена на диэлектрической подложке. Это означает, что вся конструкция радиотрансмиттера, включая антенну, может быть очень компактной. На подложке микросхемы несложно создать фазированную антенную решетку с большим количеством элементов, которая будет способна коммутировать и фокусировать энергию для увеличения коэффициента усиления, мощности и дальности передачи.

Примером может служить 24-ГГц однокристальный радар BGT24MTR11 компании Infineon, который работает в ISM-диапазоне 24–24,25 ГГц. Приемник и передатчик размещены на одном кристалле в корпусе QFN. Устройство исключительно просто в использовании, поскольку разработчику не нужно устанавливать на плату радиочастотные согласующие элементы и заниматься расчетом высокочастотных соединений (рис. 1).

При построении радиолиний, работающих в диапазоне ММВ, в настоящее время используются двухзеркальные параболические антенны Кассегрена. Выбор антенн этого типа обусловлен меньшим затенением поверхности зеркала и, следовательно, более высоким коэффициентом использования поверхности (КИП).

Физические характеристики и особенности диапазона ММВ

Как показали проведенные исследования, результаты которых подробно изложены в [1], на распространение электромагнитных волн миллиметрового диапазона влияют такие факторы, как затухание радиоволн, рассеяние, поглощение, деполяризация, а также сезонный фактор. Рассмотрим их подробнее.

Затухание радиоволн

Затухание в тропосфере существует двух типов: резонансное и нерезонансное. Резонансное обусловлено свойством молекул поглощать ЭМ-волны и ЭМ-поле собственных спектров излучения. Поглощение энергии происходит при совпадении частоты приходящей электромагнитной волны с одной из дискретных частот внутримолекулярных квантовых энергетических уровней. Обратный переход с более высокого энергетического уровня на более низкий сопровождается излучением электромагнитных квантов на собственной резонансной частоте, которое является одним из полей шумов в радиодиапазоне.

Нерезонансное затухание обусловлено тепловыми потерями энергии при распространении электромагнитной волны в различных метеорологических условиях. Под этими условиями подразумеваются гидрометеоры (дождь умеренной и большой интенсивности, туман), облака и другие метеорологические явления в нижних слоях тропосферы. Ослабление в осадках особенно существенно сказывается на частотах более 10 ГГц. График зависимости затухания сигнала ММВ от частоты в логарифмическом масштабе представлен на рис. 2.

Рис. 2. График зависимости атмосферного затухания сигнала ММВ диапазона от частоты при температуре +20 °С

Рассеяние

Рассеяние сигнала происходит на молекулах и агрегатах молекул, в частности в условиях дымки.

Поглощение

Речь идет о поглощении сигнала в тропосфере твердыми частицами (пыли, дыма и т. д.), т. е. в условиях мглы. Это свойство должно учитываться при расчете диаграммы направленности приемо-передающей антенны, поскольку осевшие на поверхность антенн частицы пыли могут изменить свойства поверхности и ухудшить характеристики антенн.

Деполяризация

Наводимые в каплях дождя или тумана токи являются источником рассеянного, или вторичного, излучения, что приводит к возникновению эффекта деполяризации [2]. Дождь может значительно уменьшить развязку между ортогонально поляризованными радиоволнами, необходимую для повторного использования частот свыше 10 ГГц. Деполяризация в этом случае приводит к появлению взаимных помех между каналами.

В углекислом газе, озоне и метане поглощения миллиметровых радиоволн не происходит.

Сезонный фактор

Влияние времени года на условия распространения за счет рассеяния в тропосфере проявляется в том, что на трассах, расположенных в северном полушарии, уровень сигнала в летние месяцы выше, чем в зимние. В средних широтах сезонные изменения уровня сигнала достигают значений порядка 10–12 дБ [1].

Как показано в [1], из всех перечисленных деструктивных факторов наиболее существенное влияние на распространение миллиметровых радиоволн оказывают поглощение в гидрометеорах и деполяризация радиоволн, меньшее влияние оказывает поглощение в кислороде и водяных парах.

Значительное ослабление ММВ в гидрометеорах приводит к необходимости повышения энергетического потенциала радиолинии. Энергетический потенциал (ЭП) линии связи определяет общую величину потерь из-за геометрии распространения, затухания и других факторов, определяющих ослабление сигнала между передатчиком и приемником. ЭП выражается формулой [3]:

где: P — мощность принятого сигнала, дБ; P₀ — мощность передатчика, дБ; G1, G2 — коэффициенты усиления передающей и приемной антенн соответственно, дБ; L₁ — коэффициент геометрических потерь на трассе, дБ; L₂ — коэффициент потерь на затухание, дБ.

Коэффициент геометрических потерь рассчитывается по следующей формуле:

где d — расстояние между передающей и приемной антеннами в пределах прямой видимости, выраженное в км, f — частота в ГГц.

Типичный ЭП линии связи Е-диапазона составляет 190–197 дБ.

При расчетах радиоканалов диапазона ММВ для конкретного региона необходимо учитывать статистические данные об осадках и использовать районные карты их интенсивности.

Сравнительный анализ каналов передачи информации диапазона ММВ с АОЛС

Ближайшими конкурентами систем связи диапазона ММВ в секторе широкополосных систем являются АОЛС. Поэтому целесообразно рассмотреть их основные характеристики.

К преимуществам АОЛС относятся:

Существующая на данный момент оптоэлектронная элементная база позволяет создавать АОЛС с пропускной способностью до 10 Гбит/с.

Особенности атмосферного распространения ИК-излучения следующие:

Зависимость от гидрометеоров, от наличия дыма, пыли и других загрязнений воздуха. В сильный туман или снегопад затухание может достигать 60–70 дБ/км.
Турбулентные явления в атмосфере при повышенной температуре и ветре, которые приводят к флуктуации показателя преломления воздуха, вследствие чего происходит искажение волнового фронта, приводящее к мерцающим низкочастотным (0,5 Гц–3 кГц) замираниям луча и потерям передаваемых цифровых пакетов. Влияние турбулентности проявляется на дистанциях свыше 1 км. Для ослабления влияния турбулентности на работу АОЛС больших дистанций в последнее время стали применяться достаточно дорогие ($5000–6000) системы адаптивной оптики, позволяющие компенсировать искажения волнового фронта.

Несмотря на указанные проблемы, атмосферная лазерная связь оказалась вполне надежной на расстояниях порядка 1–2 км, и коэффициент доступности АОЛС оценивается как 99% [3].

В настоящее время наиболее востребованы лазерные системы передачи информации в ближнем и дальнем космосе для связи между космическими аппаратами, хотя пока до конца не решены задачи защиты приемо-передающих зеркал от микрометеоритов и автоматического помехоустойчивого взаимонаведения передатчика и приемника.

Любопытный пример: в 2013 г. зонд LADEE передавал данные посредством специального устройства Lunar Laser Communication Demonstration, находящегося на борту космического аппарата. Согласно данным специалистов НАСА, скорость передачи информации на расстояние в 385 000 км (расстояние между Землей и зондом) составила 622 Мбит/с для входящего сигнала и 20 Мбит/с для исходящего.

Подводя итог сравнению атмосферных систем миллиметрового и оптического диапазонов, можно сделать следующие выводы:

на дистанциях порядка 1–2 км данные системы имеют схожие технические характеристики;
на атмосферных линиях большой протяженности (5–10 км и выше) по сравнению с ИК-диапазоном преимущество имеют системы диапазона ММВ — из-за иных физических характеристик распространения сигналов.

Практическая реализация беспроводных систем диапазона ММВ

Достигнутая скорость передачи в настоящий момент является наивысшим мировым достижением в индустрии магистральной беспроводной связи. Максимальная скорость канала, которую обеспечивает РРС-10G, составляет 10 Гбит/с Full duplex, минимальная — 350 Мбит/с Full duplex. Занимаемая полоса сигнала — от 250 до 2000 МГц (в зависимости от скорости передачи данных). Радиомост РРС-10G обладает системой адаптивной модуляции (QPSK–256QAM). Модель РРС-10G имеет встроенный коммутатор второго уровня и систему управления Ethernet-сервисами.

Привет всем мозгочинам! Посмотрите, как маленькая волна становится большой волной!

Модель мини волны небольшая, но мощная. После нескольких минут настройки вы сможете продемонстрировать большую волну. Данная модель является отличным устройством, которое пригодится в учебных классах для демонстрации движения и колебания волн.

Устройство: Модель мини волны
Применение: демонстрация волн, их распространение, физические характеристики
Время: ~15 минут на сборку
Цена: ~$1.50 доллара
Материалы:
- Болты x 2 (с соответствующими гайками)
- Гайки x 40 (примерно)
- Палочки (я использовал палочки от леденцов, но обрезки штифтов или другие палочки также подойдут)
- Бечевка
- Деревянный брусок (2×4 отлично подойдет)
- Дрель
- Горячий клей / пистолет для горячего клея
- Линейка
- Ножницы
- Форма
Шаг 1: Начало сборки

Возьмите сверло для дрели диаметром немного меньше, чем болт и просверлите деревянный брусок наполовину. Наденьте гайку на болт и вкрутите его. Повторите для второй стороны.

При желании можно добавить две стойки на каждой стороне. Это обеспечит более устойчивое положение модели.

Шаг 2: Надежно привяжите бечевку

Начните с первой стойки, надежно привяжите бечевку, оберните вокруг второй стойки, затем вернитесь к первой стойке и завяжите узел. Натяните как можно сильнее. Обрежьте излишки и нанесите горячий клей, чтобы обеспечить надежность крепления бечевки.

Шаг 3: Маленькие гантели

Сделайте самые маленькие в мире гантели!

Начните с выравнивания ваших палочек, а затем нанесите метку по центру каждой палочки. Далее на каждый кончик палочки наденьте гайку. Нанесите немного горячего клея на место установки гаек и повторите процедуру для остальных палочек. Эти гантели помогут продемонстрировать возникновение и распространение волны.

Шаг 4: Измерение, разметка и приклеивание

Рассчитайте расстояние между гантелями и нанесите соответствующие метки на бечевке. Я нанес метки через каждые 1,3 см, но затем решил приклеить гантели через каждые 2,5 см вдоль всей бечевки. Нанесите клей на обе бечевки и прочно закрепите каждую гантель. После завершения данной процедуры пора проверить работу полученной волны!

В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали маленький и мощный чип для медицинских изображений. Этот миллиметровый излучатель способен сканировать ткани и органы или стать частью интернета вещей.

Изобретение ученых Калифорнии отличается наивысшей мощностью и эффективностью из доступных сейчас, и самым низким уровнем помех, который когда-либо был зафиксирован в подобном устройстве. Он регулирует сигнал до желаемой частоты, поляризует излучение и выполняет другие задачи, за которые раньше отвечали отдельные микрочипы или приборы.

Размеры и мощность этого чипа позволяют использовать его в компактных портативных устройствах наподобие ручных сканеров, которые проникают на заданную глубину, например, чтобы сделать снимок раковой опухоли. Также изобретение может найти применение в вездесущем интернете вещей, в частности, для передачи информации, необходимой для автономного движения беспилотников. Спонсором исследования выступил Samsung Advanced Institute of Technology. Хейдари и его коллеги представят свое открытие на конференции IEEE на этой неделе, сообщает TechCrunch.

Препараты для восстановления зубной ткани заменят пломбы

Микроволновые сканеры с искусственным интеллектом осенью 2016 году начала тестировать компания Evolv Technology. Они позволят пассажирам авиарейсов проходить досмотр без задержек, не останавливаясь и не выворачивая карманы. При этом система хранит полученные данные так, что их невозможно сопоставить с определенной персоной.

Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.

Последние посетители 0 пользователей онлайн

Эти блоки питания тяжелы в ремонте были и 25 лет тому назад. Куча модификаций схем. Сегодня ремонтируеш одну модификацию, через месяц (год) другую. В ОЦСиМ в старые времена собиралась дока по всем приборам. Но нет тех людей, которые их могут найти. Да и не надо это никому. А по метрологическим характеристикам этот БП г---о. И свист его я ни когда не забуду. Переключатели у него отдельная тема. Доку не ищите, не найдёте на конкретный БП. Лучше в его корпус внедрить что-то более новое и более ремонтопригодное. Корпус там шикарный.

@kecha , доброго времени , дорогой ты наш. Давненько не общались. Всё занят я делами рутинными. Но вот столь содержательную и увлекательную беседу я пропустить не смог. Не буду вдаваться с Вами в около научные беседы, ибо моей компетенции явно не хватит для ведения диалога с адептом непознанного. Я лишь позволю себе чуть влить в Ваш монолог некой субстанции которая может чуть подтолкнуть к размышлению несколько в другом направлении: 1. Нет цветов как таковых, нет вообще, от слова "совсем". 2. Мы воспринимаем цвета благодаря лишь строению/не совершенству наших глаз. 3. Есть отрезки (диапазоны) электромагнитных волн, кои по разному раздражают наши зрительные рецепторы. Ах простите, помнится мне, что Вы отрицаете само существование электромагнетизма и сводите всё к простому магнетизму, ну уж пойми меня, не согласного. 4. Великий изобретатель Нин Цунь-Чжэн (действительно великий, честь ему и хвала), при создании своего устройства ограничил линейные размеры предлагаемого излучателя малостью для того, чтобы мозг наш мог нас обмануть и принять три раздельных порока энергии как за единое целое - белое. То есть не создан конгломерат единого, а всего лишь фантом успешно дурящий вводящий в заблуждение наши, так несовершенные, органы чувств. Собственно о чём сам автор и не скрывает. И последнее - осмысли значение "черный лазер". А он есть, и есть не как криминальное понятие! .

Там было что то не полярное, заменил на Panasonic FC. Решилось все банально, нашел в загашнике bc550 и перепаял vt10 (в наборе были 560), свист ушел! Спасибо всем огромное!)

Читайте также: