Чрезвычайно высокая частота - Extremely high frequency

Чрезвычайно высокая частота
Чрезвычайно высокая частота (ITU)
Частотный диапазон
От 30 до 300 ГГц
Диапазон длин волн
1 см к 1 мм
Связанные группы
  • K  / L  / M (НАТО)
  • Kа  / V  / W / мм (IEEE)
Миллиметровый диапазон (IEEE)
Частотный диапазон
От 110 до 300 ГГц
Диапазон длин волн
От 2,73 до 1 мм
Связанные группы
EHF (IEEE)
Радио группы
ITU
1 (ELF) 2 (SLF) 3 (УНЧ) 4 (VLF)
5 (НЧ) 6 (СЧ) 7 (ВЧ) 8 (УКВ)
9 (УВЧ) 10 (СВЧ) 11 (КВЧ) 12 (THF)
ЕС / НАТО / США ECM
IEEE
Другое ТВ и радио

Чрезвычайно высокая частота (EHF) это Международный союз электросвязи (ITU) обозначение диапазона радиочастоты в электромагнитный спектр от 30 до 300 гигагерц (ГГц). Он находится между сверхвысокая частота группа, и дальний инфракрасный полоса, нижняя часть которой - терагерцовый диапазон. Радиоволны в этой группе есть длины волн от десяти до одного миллиметра, поэтому его еще называют миллиметровая полоса и излучение в этой полосе называется миллиметровые волны, иногда сокращенно MMW или ммволна. Электромагнитные волны миллиметрового диапазона были впервые исследованы индийским физиком. Джагадиш Чандра Босе в 1894–1896 гг., когда ему исполнилось 60 лет. ГГц в своих экспериментах.[1]

По сравнению с нижними диапазонами, радиоволны в этом диапазоне имеют высокие атмосферный затухание: они поглощаются газами в атмосфере. Следовательно, они имеют малый радиус действия и могут использоваться для наземной связи только на расстоянии около километра. Поглощение увеличивается с увеличением частоты до тех пор, пока в верхнем конце диапазона волны не затухают до нуля в пределах нескольких метров. Поглощение влажностью в атмосфере является значительным, за исключением пустыни, и ослабление дождем (дождь исчезнет ) является серьезной проблемой даже на небольших расстояниях. Однако короткий диапазон распространения позволяет меньше повторное использование частоты расстояния, чем более низкие частоты. Короткая длина волны позволяет антеннам небольшого размера иметь небольшую ширину луча, что дополнительно увеличивает возможность повторного использования частоты. Миллиметровые волны используются для военных радар управления огнем, сканеры безопасности аэропортов, на короткие расстояния беспроводные сети, и научные исследования.

В новом крупном применении миллиметровых волн некоторые частотные диапазоны в нижней части полосы используются в новейшем поколении Сотовый телефон сети, 5G сети.[2]

Распространение

Атмосферное ослабление в дБ / км как функция частоты в диапазоне КВЧ. Пики поглощения на определенных частотах представляют собой проблему из-за таких составляющих атмосферы, как воды пар (H2O) и молекулярные кислород (O2). Вертикальный масштаб экспоненциальный.

Миллиметровые волны распространяются исключительно Поле зрения пути. Они не отражаются ионосфера они не путешествуют по Земле как земные волны как радиоволны более низкой частоты.[3] При типичной плотности мощности они блокируются стенами зданий и испытывают значительное затухание через листву.[3][4][5] Поглощение атмосферными газами является важным фактором во всем диапазоне и увеличивается с частотой. Однако это максимум на нескольких конкретных линии поглощения, в основном из кислород на 60 ГГц и водяной пар на 24 ГГц и 184 ГГц.[4] На частотах в «окнах» между этими пиками поглощения миллиметровые волны имеют гораздо меньшее атмосферное затухание и больший диапазон, поэтому многие приложения используют эти частоты. Миллиметровые длины волн имеют тот же порядок размеров, что и капли дождя, поэтому осадки вызывают дополнительное затухание из-за рассеяние (дождь исчезнет ), а также поглощение.[4][5] Высота потеря свободного места а атмосферное поглощение ограничивает полезное распространение до нескольких километров.[3] Таким образом, они полезны для плотно упакованных сетей связи, таких как персональные сети которые улучшают использование спектра за счет повторное использование частоты.[3]

Миллиметровые волны демонстрируют «оптические» характеристики распространения и могут отражаться и фокусироваться небольшими металлическими поверхностями и диэлектрические линзы от 5 до 30 см (от 2 дюймов до 1 фута) в диаметре. Поскольку их длины волн часто намного меньше, чем у оборудования, которое ими манипулирует, методы геометрическая оптика может быть использован. Дифракция меньше, чем на более низких частотах, хотя они могут дифрагировать на краях здания. На миллиметровых волнах поверхность кажется более шероховатой, поэтому диффузное отражение увеличивается.[3] Многолучевое распространение, особенно отражение от внутренних стен и поверхностей, вызывает серьезное выцветание.[5][6] Доплеровский сдвиг частоты может быть значительным даже на пешеходной скорости.[3] В портативных устройствах слежка из-за человеческого тела это проблема. Поскольку волны проникают через одежду, а их малая длина волны позволяет им отражаться от небольших металлических предметов, они используются в сканеры миллиметровых волн для сканирования безопасности аэропорта.

Приложения

Научное исследование

Часть Большая миллиметровая матрица Atacama (ALMA), миллиметровая волна радиотелескоп

Эта группа обычно используется в радиоастрономия и дистанционное зондирование. Наземное радио астрономия ограничено высотными участками, такими как Китт Пик и большая миллиметровая матрица Atacama (АЛМА ) из-за проблем с атмосферным поглощением.

Спутниковый дистанционное зондирование около 60 ГГц может определять температуру в верхняя атмосфера путем измерения излучения, испускаемого молекулами кислорода, которое является функцией температуры и давления. В ITU Неисключительное пассивное распределение частот 57–59,3 ГГц используется для атмосферного мониторинга в метеорологических приложениях и приложениях для измерения климата и важно для этих целей из-за свойств поглощения и эмиссии кислорода в атмосфере Земли. В настоящее время используются спутниковые датчики США, такие как Усовершенствованный прибор для микроволнового зондирования (AMSU) на одном спутнике НАСА (Aqua) и четырех спутниках NOAA (15–18) и специальный датчик микроволновая печь / тепловизор (SSMI / S) на спутнике Министерства обороны F-16 используют этот частотный диапазон.[7]

Телекоммуникации

В США полоса 36,0-40,0 ГГц используется для лицензированных высокоскоростных микроволновых каналов передачи данных, а полоса 60 ГГц может использоваться для нелицензированных каналов передачи данных на короткие расстояния (1,7 км) с пропускной способностью до 2,5 Гбит / с. Он обычно используется на ровной местности.

Полосы 71–76, 81–86 и 92–95 ГГц также используются для точка-точка каналы связи с высокой пропускной способностью. Эти более высокие частоты не страдают от поглощения кислорода, но требуют лицензии на передачу в США от Федеральная комиссия связи (FCC). Планируется, что на этих частотах будут использоваться каналы со скоростью 10 Гбит / с. В случае диапазона 92–95 ГГц небольшой диапазон 100 МГц был зарезервирован для космических радиостанций, ограничивая этот зарезервированный диапазон скоростью передачи до нескольких гигабит в секунду.[8]

Линия CableFree MMW, установленная в ОАЭ для Безопасный город приложения, обеспечивающие пропускную способность 1 Гбит / с между сайтами. Каналы развертываются быстро и имеют более низкую стоимость, чем волоконно-оптические.

Полоса пропускания практически не развита и доступна для использования в широком спектре новых продуктов и услуг, включая высокоскоростные, двухточечные беспроводные локальные сети и широкополосную связь. доступ в Интернет. WirelessHD - еще одна недавняя технология, работающая в диапазоне 60 ГГц. Характеристики сигнала с высокой направленностью, «карандашным лучом» позволяют различным системам работать близко друг к другу, не вызывая помех. Возможные приложения включают радар системы с очень высоким разрешением.

В Wi-Fi стандарт IEEE 802.11ad работает в диапазоне 60 ГГц (Группа V ) спектр для достижения скорости передачи данных до 7 Гбит / с.

Использование диапазонов миллиметровых волн включает прямую связь, межспутниковые связи, и многоточечная связь. Есть предварительные планы на использование миллиметровых волн в будущем. 5G мобильные телефоны.[9] Кроме того, использование миллиметровых диапазонов волн для автомобильной связи также становится привлекательным решением для поддержки (полу) автономной автомобильной связи.[10]

Более короткие длины волн в этом диапазоне позволяют использовать меньшие антенны для достижения такой же высокой направленности и высокого усиления, что и большие в более низких диапазонах. Непосредственным следствием такой высокой направленности в сочетании с большими потерями в свободном пространстве на этих частотах является возможность более эффективного использования частот для приложений точка-множество точек. Поскольку в данной области можно разместить большее количество высоконаправленных антенн, конечный результат будет выше. повторное использование частоты, и более высокая плотность пользователей. Высокий полезный пропускная способность канала в этой полосе может позволить ему обслуживать некоторые приложения, которые в противном случае использовали бы волоконно-оптическая связь.

Системы вооружения

РЛС управления огнем миллиметрового диапазона для пушки CIWS на Советский авианосец Минске

Миллиметровая волна радар используется в ближнем бою радар управления огнем в танках и самолетах, а также в автоматических пушках (CIWS ) на кораблях для сбивания приближающихся ракет. Небольшая длина волны миллиметрового диапазона позволяет им отслеживать поток исходящих пуль, а также цель, позволяя компьютерной системе управления огнем изменять цель, чтобы свести их вместе.[нужна цитата ]

С участием Raytheon то ВВС США разработал систему несмертельного противопехотного оружия, названную Система активного отказа (ADS), который излучает пучок миллиметровых радиоволн с длиной волны 3 мм (частота 95 ГГц).[11] Оружие вызывает у человека в луче сильную жгучую боль, как будто его кожа собирается загореться. Военная версия имела выходную мощность 100 киловатты (кВт),[12] и уменьшенная версия правоохранительных органов, называемая Безмолвный страж который позже был разработан Raytheon, имел выходную мощность 30 кВт.[13]

Проверка безопасности

Основная статья: Сканер миллиметрового диапазона

Одежда и другие органические материалы прозрачны для миллиметровых волн определенных частот, поэтому недавно были применены сканеры для обнаружения оружия и других опасных предметов, носимых под одеждой, для таких приложений, как безопасность в аэропортах.[14] Защитники конфиденциальности обеспокоены использованием этой технологии, потому что в некоторых случаях она позволяет проверяющим видеть пассажиров аэропорта, как будто они без одежды.

В TSA развернула сканеры миллиметрового диапазона во многих крупных аэропортах.

До обновления программного обеспечения технология не маскировала какие-либо части тел сканируемых людей. Однако лица пассажиров были намеренно скрыты системой. Фотографии были просмотрены техническими специалистами в закрытом помещении, а затем удалены сразу после завершения поиска. Защитники конфиденциальности обеспокоены. «Мы все ближе и ближе приближаемся к обязательному досмотру с раздеванием для посадки в самолет, - сказал Барри Стейнхардт из Американского союза гражданских свобод.[15] Чтобы решить эту проблему, обновления устранили необходимость в офицере в отдельной зоне обзора. Новое программное обеспечение создает общий образ человека. На изображении нет анатомических различий между мужчиной и женщиной, и если объект обнаружен, программа отображает только желтую рамку в этой области. Если устройство не обнаруживает ничего интересного, изображение не отображается.[16] Пассажиры могут отказаться от сканирования и пройти досмотр с помощью металлоискателя и похлопать.[нужна цитата ]

Три сканеры безопасности миллиметровые волны были внедрены на Схипхол аэропорт в Амстердаме 15 мая 2007 г., и ожидается, что другие будут установлены позже. Голова пассажира скрыта от глаз сотрудников службы безопасности.

Согласно Farran Technologies, производителю одной модели сканера миллиметрового диапазона, существует технология, позволяющая расширить зону поиска до 50 метров за пределы зоны сканирования, что позволило бы сотрудникам службы безопасности сканировать большое количество людей, не осознавая, что они сканируются.[17]

Измерение толщины

Недавние исследования, проведенные в Университете Левена, доказали, что миллиметровые волны также могут использоваться в качестве неядерного толщиномера в различных отраслях промышленности. Миллиметровые волны обеспечивают чистый и бесконтактный способ обнаружения изменений толщины. Практическое применение технологии сосредоточено на экструзия пластмасс, производство бумаги, производство стекла и производство минеральной ваты.

Лекарство

Низкий интенсивность (обычно 10 мВт / см2 или меньше) электромагнитное излучение чрезвычайно высокой частоты может использоваться человеком. лекарство для лечения болезни. Например, "Кратковременное воздействие ММВ низкой интенсивности может изменить рост клеток и скорости распространения, активность ферменты, состояние генетического аппарата клетки, функция возбудимых мембран и периферических рецепторов ».[18] Это лечение особенно ассоциируется с диапазоном 40 - 70 ГГц.[19] Этот вид лечения можно назвать миллиметровая волна (MMW) терапия или чрезвычайно высокочастотная (КВЧ) терапия.[20] Это лечение связано с восточноевропейский нации (например, бывшие СССР народов).[18] Русский журнал Миллиметровые волны в биологии и медицине изучает научные основы и клиническое применение терапии миллиметровыми волнами.[21]

Полицейский радар скорости

Дорожная полиция использует определение скорости радарные пушки в Ka-диапазоне (33,4 - 36,0 ГГц).[22]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ "Вехи: первые эксперименты по связи в миллиметровом диапазоне, Дж. К. Бозе, 1894-96 гг.". Список основных этапов IEEE. Институт инженеров по электротехнике и электронике. Получено 1 октября 2019.
  2. ^ Радиопередача и прием пользовательского оборудования (UE); Часть 3: Диапазон 1 и Диапазон 2 Взаимодействие с другими радиостанциями (PDF) (Техническая спецификация). 3GPP TS 38.101-3 версия 15.2.0 Выпуск 15. ETSI. Июль 2018. с. 11. Получено 5 декабря 2019.
  3. ^ а б c d е ж Хуанг, Као-Ченг; Чжаочэн Ван (2011). Системы связи миллиметрового диапазона. Джон Вили и сыновья. С. Разделы 1.1.1–1.2. ISBN  978-1-118-10275-6.
  4. ^ а б c «Распространение миллиметровых волн: последствия для управления спектром» (PDF). Управление разработки и технологий, Бюллетень № 70. Федеральная комиссия по связи (FCC), Министерство торговли США. Июль 1997 г.. Получено 20 мая, 2017. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  5. ^ а б c дю Пре, Жако; Синха, Саураб (2016). Антенны миллиметрового диапазона: конфигурации и применения. Springer. С. 13–14. ISBN  978-3319350684.
  6. ^ Сейболд, Джон С. (2005). Введение в радиочастотное распространение. Джон Уайли и сыновья. С. 55–58. ISBN  0471743682.
  7. ^ FCC.gov[постоянная мертвая ссылка ], Комментарии Общества геофизики и дистанционного зондирования IEEE, FCC RM-11104, 17.10.07.
  8. ^ Rfdesign.com В архиве 2012-07-16 в Wayback Machine, Мультигигабитная беспроводная технология на 70 ГГц, 80 ГГц и 90 ГГц, RF дизайн, Май 2006 г.
  9. ^ Раппапорт, Т.С.; Солнце, Шу; Mayzus, R .; Чжао, Ханг; Azar, Y .; Wang, K .; Wong, G.N .; Schulz, J.K .; Самими, М. (01.01.2013). "Мобильная связь миллиметрового диапазона для сотовой связи 5G: это будет работать!". Доступ IEEE. 1: 335–349. Дои:10.1109 / ACCESS.2013.2260813. ISSN  2169-3536.
  10. ^ Асади, Араш; Клос, Сабрина; Сим, Гек Хонг; Кляйн, Аня; Холлик, Матиас (2018-04-15). «FML: быстрое машинное обучение для автомобильной связи 5G мм-волны». IEEE Infocom'18.
  11. ^ «Слайд-шоу: скажи привет прощальному оружию». Проводной. 5 декабря 2006 г.. Получено 16 августа 2016.
  12. ^ «Система активного отказа: военное средство сдерживания терагерцового диапазона для безопасного сдерживания толпы». Terasense Group Inc. 29 мая 2019 г.. Получено 2020-05-03.
  13. ^ Хэмблинг, Дэвид (2009-05-08). "'Первая коммерческая продажа ткацких станков Pain Ray ". Проводной. Получено 2020-05-03.
  14. ^ Newscientisttech.com В архиве 11 марта 2007 г. Wayback Machine
  15. ^ Фрэнк, Томас (18 февраля 2009 г.). «Сканеры тела заменяют металлоискатели на испытаниях в аэропорту Талсы». USA Today. Получено 2 мая 2010.
  16. ^ «Заявление Роберта Кейна в Палате представителей» (PDF). 2011-11-03. п. 2. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-11-25.
  17. ^ esa. «Летучая мышь вдохновляет космические технологии на безопасность аэропортов». esa.int. Получено 7 апреля 2018.
  18. ^ а б Пахомов А.Г., Мерфи П.Р. (2000). «Миллиметровые волны низкой интенсивности как новый терапевтический метод». IEEE Transactions по науке о плазме. 28 (1): 34–40. Bibcode:2000ITPS ... 28 ... 34P. Дои:10.1109/27.842821. S2CID  22730643.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  19. ^ Бецкий О. В., Девятков Н. Д., Кислов В. (2000). «Миллиметровые волны низкой интенсивности в медицине и биологии». Критические обзоры в биомедицинской инженерии. Begellhouse.com. 28 (1&2): 247–268. Дои:10.1615 / CritRevBiomedEng.v28.i12.420. PMID  10999395.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  20. ^ М. Рожавин, М. Зискин (1998). «Медицинское применение миллиметровых волн» (PDF). QJM: Международный медицинский журнал. 91 (1): 57–66. Дои:10.1093 / qjmed / 91.1.57. PMID  9519213.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  21. ^ Benran.ru В архиве 2011-07-18 на Wayback Machine
  22. ^ «Диапазоны частот радио и радаров». copradar.com. Получено 30 апреля 2020.

внешние ссылки