Niezwykle wysoka częstotliwość - Extremely high frequency

Niezwykle wysoka częstotliwość
Niezwykle wysoka częstotliwość (ITU)
Zakres częstotliwości
30 do 300 GHz
Zakres długości fali
10–1 mm
Powiązane zespoły
Pasmo milimetrowe (IEEE)
Zakres częstotliwości
110 do 300 GHz
Zakres długości fali
2,73 do 1 mm
Powiązane zespoły
EHF (IEEE)

Wyjątkowo wysoka częstotliwość ( EHF ) to oznaczenie Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego (ITU) dla pasma częstotliwości radiowych w widmie elektromagnetycznym od 30 do 300 gigaherców (GHz). Leży między pasmem superwysokiej częstotliwości a pasmem dalekiej podczerwieni , którego dolna część to pasmo terahercowe . Fale radiowe w tym paśmie mają długość fali od dziesięciu do jednego milimetra, więc nazywa się je również pasmem milimetrowym, a promieniowanie w tym paśmie nazywa się falami milimetrowymi , czasami w skrócie MMW lub mmWave . Fale elektromagnetyczne o milimetrowej długości zostały po raz pierwszy zbadane przez indyjskiego fizyka Jagadisha Chandrę Bose'a w latach 1894-1896, kiedy  w swoich eksperymentach osiągnął do 60 GHz.

W porównaniu z niższymi pasmami, fale radiowe w tym paśmie mają duże tłumienie atmosferyczne : są pochłaniane przez gazy w atmosferze. W związku z tym mają niewielki zasięg i mogą być używane tylko do komunikacji naziemnej na odległości do około kilometra. Absorpcja wzrasta wraz z częstotliwością, aż w górnym końcu pasma fale są tłumione do zera w ciągu kilku metrów. Absorpcja wilgoci w atmosferze jest znaczna, z wyjątkiem środowisk pustynnych, a tłumienie przez deszcz ( zanikanie deszczu ) jest poważnym problemem nawet na krótkich dystansach. Jednak krótki zakres propagacji umożliwia mniejsze odległości ponownego wykorzystania częstotliwości niż niższe częstotliwości. Krótka długość fali pozwala antenom o niewielkich rozmiarach mieć małą szerokość wiązki , co dodatkowo zwiększa potencjał ponownego wykorzystania częstotliwości. Fale milimetrowe są wykorzystywane w wojskowych radarach kontroli ognia , skanerach bezpieczeństwa na lotniskach , sieciach bezprzewodowych krótkiego zasięgu i badaniach naukowych.

W głównym nowym zastosowaniu fal milimetrowych pewne zakresy częstotliwości w pobliżu dolnej części pasma są wykorzystywane w najnowszej generacji sieci telefonii komórkowej, sieci 5G . Projektowanie obwodów i podsystemów fal milimetrowych (takich jak anteny, wzmacniacze mocy, miksery i oscylatory) również stanowi poważne wyzwanie dla inżynierów ze względu na ograniczenia półprzewodników i procesów, ograniczenia modeli i słabe współczynniki dobroci urządzeń pasywnych.

Propagacja

Tłumienie atmosferyczne w dB/km jako funkcja częstotliwości w paśmie EHF. Piki absorpcji przy określonej częstotliwości jest problemem, ze względu na składniki atmosferze, takiej jak woda pary (H 2 O) i cząsteczkowy tlen (O 2 ). Skala pionowa jest wykładnicza.

Fale milimetrowe rozchodzą się wyłącznie po ścieżkach linii wzroku . Nie są one odbijane przez jonosferę ani nie przemieszczają się po Ziemi tak jak fale przyziemne, jak fale radiowe o niższej częstotliwości. Przy typowych gęstościach mocy są blokowane przez ściany budynku i ulegają znacznemu osłabieniu przechodząc przez listowie. Absorpcja przez gazy atmosferyczne jest istotnym czynnikiem w całym paśmie i wzrasta wraz z częstotliwością. Jednak absorpcja ta jest maksymalna na kilku konkretnych liniach absorpcyjnych , głównie tlenu przy 60 GHz i pary wodnej przy 24 GHz i 184 GHz. Przy częstotliwościach w „okienkach” pomiędzy tymi szczytami absorpcji, fale milimetrowe mają znacznie mniejsze tłumienie atmosferyczne i większy zasięg, dlatego wiele zastosowań wykorzystuje te częstotliwości. Fale milimetrowe są tego samego rzędu wielkości co krople deszczu , więc opady powodują dodatkowe tłumienie w wyniku rozpraszania ( blaknięcie deszczu ) oraz absorpcji. Wysoka strata wolnej przestrzeni i absorpcja atmosfery ograniczają propagację użyteczną do kilku kilometrów. W związku z tym są przydatne w gęsto upakowanych sieciach komunikacyjnych, takich jak sieci osobiste, które poprawiają wykorzystanie widma poprzez ponowne wykorzystanie częstotliwości .

Fale milimetrowe wykazują „optyczną” charakterystykę propagacji i mogą być odbijane i skupiane przez małe metalowe powierzchnie i soczewki dielektryczne o średnicy od 5 do 30 cm (2 cale do 1 stopy). Ponieważ ich długości fal są często znacznie mniejsze niż sprzęt, który nimi manipuluje, można zastosować techniki optyki geometrycznej . Dyfrakcja jest mniejsza niż przy niższych częstotliwościach, chociaż fale milimetrowe mogą ulegać dyfrakcji przez krawędzie budynku. Przy milimetrowych długościach fali powierzchnie wydają się bardziej chropowate, więc odbicie rozproszone wzrasta. Propagacja wielościeżkowa , szczególnie odbicie od ścian i powierzchni wewnętrznych, powoduje poważne blaknięcie. Dopplerowskie przesunięcie częstotliwości może być znaczące nawet przy prędkościach pieszych. W urządzeniach przenośnych problemem jest zacienienie spowodowane ludzkim ciałem. Ponieważ fale przenikają przez odzież, a ich niewielka długość fali pozwala im odbijać się od małych metalowych przedmiotów, są one używane w skanerach fal milimetrowych do skanowania bezpieczeństwa na lotniskach.

Aplikacje

Badania naukowe

Część Atacama Large Millimeter Array (ALMA), radioteleskopu o falach milimetrowych

Ten zespół jest powszechnie stosowany w radioastronomii i teledetekcji . Naziemne radio astronomia jest ograniczona do wysokości wysokich miejscach takich jak Kitt Peak i Atacama Large Millimeter Array ( ALMA ) z powodu problemów absorpcji atmosferycznych.

Teledetekcja satelitarna w pobliżu 60 GHz może określić temperaturę w górnej atmosferze , mierząc promieniowanie emitowane przez cząsteczki tlenu, które jest funkcją temperatury i ciśnienia. ITU niewyłącznej przydział częstotliwości pasywny w 57-59.3 GHz służy do monitorowania atmosfery w aplikacjach meteorologicznych i klimatycznych wykrywania i jest ważna dla tych celów ze względu na właściwości absorpcji i emisji tlenu w atmosferze ziemskiej. Obecnie działające amerykańskie czujniki satelitarne, takie jak Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU) na jednym satelicie NASA (Aqua) i czterech satelitach NOAA (15-18) oraz specjalny czujnik mikrofalowo- obrazowy (SSMI/S) na satelicie F-Departamentu Obrony 16 korzysta z tego zakresu częstotliwości.

Telekomunikacja

W Stanach Zjednoczonych pasmo 36,0–40,0 GHz jest wykorzystywane do licencjonowanych szybkich mikrofalowych łączy danych, a pasmo 60 GHz może być wykorzystywane do nielicencjonowanych łączy danych krótkiego zasięgu (1,7 km) o przepustowości do 2,5 Gbit /s. Jest powszechnie stosowany w terenie płaskim.

Pasma 71-76, 81-86 i 92-95 GHz są również wykorzystywane do łączy komunikacyjnych typu punkt-punkt o dużej przepustowości. Te wyższe częstotliwości nie cierpią z powodu absorpcji tlenu, ale wymagają licencji na nadawanie w USA od Federalnej Komisji Łączności (FCC). W planach są również łącza 10 Gbit/s wykorzystujące te częstotliwości. W przypadku pasma 92-95 GHz, mały zakres 100 MHz został zarezerwowany dla radiostacji kosmicznych, ograniczając ten zarezerwowany zakres do szybkości transmisji poniżej kilku gigabitów na sekundę.

Łącze CableFree MMW zainstalowane w Zjednoczonych Emiratach Arabskich zainstalowane dla aplikacji Safe City , zapewniające przepustowość 1Gbit/s między lokalizacjami. Łącza są szybkie we wdrażaniu i mają niższy koszt niż światłowody.

Pasmo jest zasadniczo nierozwinięte i dostępne do wykorzystania w szerokiej gamie nowych produktów i usług, w tym w szybkich, bezprzewodowych sieciach lokalnych typu punkt-punkt i szerokopasmowym dostępie do Internetu . WirelessHD to kolejna niedawna technologia działająca w zakresie 60 GHz. Wysoce kierunkowe charakterystyki sygnału „wiązka ołówkowa” pozwalają różnym systemom działać blisko siebie bez powodowania zakłóceń. Potencjalne zastosowania obejmują systemy radarowe o bardzo wysokiej rozdzielczości.

W Wi-Fi standardów IEEE 802.11ad i IEEE 802.11ay działać w 60 GHz ( pasma V ) Widmo osiągnąć szybkość przesyłu danych tak wysokie, jak 7 Gbit / s i co najmniej 20 Gbit / s , odpowiednio.

Zastosowania pasm fal milimetrowych obejmują komunikację punkt-punkt, łącza międzysatelitarne oraz komunikację punkt-wielopunkt . Istnieją wstępne plany wykorzystania fal milimetrowych w przyszłych telefonach komórkowych 5G . Ponadto wykorzystanie pasm fal milimetrowych do komunikacji samochodowej staje się również atrakcyjnym rozwiązaniem wspierającym (pół)autonomiczną komunikację samochodową.

Krótsze długości fal w tym paśmie pozwalają na użycie mniejszych anten, aby osiągnąć taką samą wysoką kierunkowość i wysoki zysk, jak większe anteny w niższych pasmach. Bezpośrednią konsekwencją tej wysokiej kierunkowości, w połączeniu z dużymi stratami wolnej przestrzeni przy tych częstotliwościach, jest możliwość bardziej efektywnego wykorzystania częstotliwości w zastosowaniach punkt-wielopunkt. Ponieważ na danym obszarze można umieścić większą liczbę anten o wysokiej kierunkowości, efektem netto jest większe ponowne wykorzystanie częstotliwości i większe zagęszczenie użytkowników. Wysoka użyteczna przepustowość kanału w tym paśmie może pozwolić na obsługę niektórych aplikacji, które w innym przypadku wykorzystywałyby komunikację światłowodową lub bardzo krótkie łącza, takie jak połączenie płytek drukowanych.

Systemy broni

Radar kierowania ogniem o fali milimetrowej do działa CIWS na radzieckim lotnisku Mińsk

Radar fal milimetrowych jest używany w radarach krótkiego zasięgu do kierowania ogniem w czołgach i samolotach oraz w automatycznych działach ( CIWS ) na okrętach wojennych do zestrzeliwania nadlatujących pocisków. Niewielka długość fali fal milimetrowych pozwala im śledzić strumień wychodzących pocisków, a także cel, umożliwiając komputerowemu systemowi kierowania ogniem zmianę celu, aby je połączyć.

Wraz z firmą Raytheon Siły Powietrzne USA opracowały nieśmiercionośny system broni przeciwpiechotnej o nazwie Active Denial System (ADS), który emituje wiązkę milimetrowych fal radiowych o długości fali 3 mm (częstotliwość 95 GHz). Broń powoduje, że osoba znajdująca się w belce odczuwa intensywny, palący ból, jakby jej skóra miała się zapalić. Wersja wojskowa miała moc wyjściową 100 kilowatów (kW), a mniejsza wersja dla organów ścigania, zwana Silent Guardian, która została później opracowana przez Raytheona, miała moc wyjściową 30 kW.

Przegląd bezpieczeństwa

Odzież i inne materiały organiczne są przezroczyste dla fal milimetrowych o określonych częstotliwościach, więc ostatnimi zastosowaniami są skanery do wykrywania broni i innych niebezpiecznych przedmiotów noszonych pod ubraniem, do zastosowań takich jak ochrona lotniska. Zwolennicy prywatności są zaniepokojeni korzystaniem z tej technologii, ponieważ w niektórych przypadkach umożliwia ona osobom przeprowadzającym kontrolę bezpieczeństwa zobaczenie pasażerów lotniska jak bez ubrania.

TSA wdrożyła fal milimetrowych skanerów do wielu głównych lotniskach.

Przed aktualizacją oprogramowania technologia ta nie maskowała żadnej części ciał osób, które były skanowane. Jednak twarze pasażerów zostały celowo zamaskowane przez system. Zdjęcia były przeglądane przez techników w zamkniętym pomieszczeniu, a następnie usuwane natychmiast po zakończeniu wyszukiwania. Zwolennicy prywatności są zaniepokojeni. „Jesteśmy coraz bliżej wymaganego przeszukania, aby wejść na pokład samolotu” – powiedział Barry Steinhardt z Amerykańskiej Unii Swobód Obywatelskich. Aby rozwiązać ten problem, ulepszenia wyeliminowały potrzebę obecności oficera w oddzielnym obszarze widokowym. Nowe oprogramowanie generuje ogólny obraz człowieka. Na obrazie nie ma anatomicznego rozróżnienia między mężczyzną i kobietą, a jeśli obiekt zostanie wykryty, oprogramowanie wyświetla tylko żółtą ramkę na tym obszarze. Jeśli urządzenie nie wykryje niczego interesującego, obraz nie jest wyświetlany. Pasażerowie mogą odmówić skanowania i zostać przebadani przez wykrywacz metali i poklepani.

W dniu 15 maja 2007 r. na lotnisku Schiphol w Amsterdamie oddano do użytku trzy skanery bezpieczeństwa wykorzystujące fale milimetrowe , a kolejne mają zostać zainstalowane później. Głowa pasażera jest zamaskowana przed wzrokiem pracowników ochrony.

Według firmy Farran Technologies, producenta jednego modelu skanera fal milimetrowych, technologia istnieje po to, aby rozszerzyć obszar przeszukiwania nawet do 50 metrów poza obszar skanowania, co pozwoliłoby pracownikom ochrony na przeskanowanie dużej liczby osób bez ich świadomości, że są skanowane.

Pomiar grubości

Ostatnie badania na Uniwersytecie w Leuven dowiodły, że fale milimetrowe mogą być również wykorzystywane jako niejądrowy miernik grubości w różnych gałęziach przemysłu. Fale milimetrowe zapewniają czysty i bezdotykowy sposób wykrywania zmian grubości. Praktyczne zastosowania technologii koncentrują się na wytłaczaniu tworzyw sztucznych , produkcji papieru , produkcji szkła oraz produkcji wełny mineralnej .

Medycyna

Niska intensywność (zwykle 10 mW / cm 2 lub mniej), promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo wysokiej częstotliwości, może być stosowane w ludzkiej medycynie do leczenia chorób . Na przykład: „Krótka ekspozycja na MMW o niskiej intensywności może zmienić tempo wzrostu i proliferacji komórek, aktywność enzymów , stan aparatu genetycznego komórki, funkcję pobudliwych błon i receptorów obwodowych”. Zabieg ten jest szczególnie związany z zakresem 40–70 GHz . Ten rodzaj leczenia można nazwać terapią falą milimetrową (MMW) lub terapią ekstremalnie wysoką częstotliwością (EHF) . Zabieg ten kojarzy się z narodami Europy Wschodniej (np. narody byłego ZSRR ). Russian Journal Millimeter Waves w biologii i medycynie bada podstawy naukowe i kliniczne zastosowania terapii falami milimetrowymi.

Policyjny radar prędkości

Policja drogowa używa radarów wykrywających prędkość w paśmie Ka (33,4-36,0 GHz).

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne