Огляд мікрохвильового діапазону стосовно телекомунікаційних систем

Телекомунікації здійснюють прийом і передачу інформації (звуку, зображення, тексту, даних) на різні відстані по різним електромагнітним системам (кабельним і оптоволоконним каналам, радіоканалам і різним провідним та безпровідним каналам зв'язку).

Зараз спостерігається швидкий розвиток телекомунікацій. Телекомунікаційні системи проникають в усі сфери життя. Вони впливають на економіку та суспільне життя людей.

Тобто, чим швидше будуть розвиватися телекомунікаційні системи, тим стрімкіший ріст буде спостерігатися в усіх сферах життя.

Таким чином: треба удосконалювати телекомунікації. Телекомунікаційні системи - це сукупність апаратно й програмно сумісного обладнання. Для передачі інформації використовують лінії передач - пристрої, які обмежують область розповсюдження електромагнітних коливань, які направляють потік електромагнітної енергії в заданому напрямку.

Дослідження ліній передачі хвиль - дуже важливе для технологій передачі інформацій.

Тому актуальним у наш час буде удосконалення ліній передач. Або створення нової, удосконаленої лінії передач для більш ефективної роботи інформаційних об'єктів.

У даному випадку ми будемо вести розробку метало-діелектричної лінії передач непарних хвиль на основі Т-подібного розгалуження плоских хвилеводів, що є актуальною в наш час.

Було визначено, що прототипна лінія з центральним діелектричним заповненням, але без діелектриков в плечах - є основою для різноманітних базових елементів телекомунікаційних систем, як наприклад антени й тривимірні інтегральні схеми (TDIC).

1. ОГЛЯД МІКРОХВИЛЬВОГО ДІАПАЗОНУ СТОСОВНО ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ

До міліметрового діапазону прийнято відносити радіохвилі із частотою від 30 до 300 ГГЦ і довжиною від 10 до 1мм. Саме ці два параметри й визначають основні переваги й недоліки діапазону.

Міліметровий діапазон ставши досить перспективний саме останнім часом, коли потреба у високих швидкостях вийшла за межі можливостей більш традиційних НВЧ-Діапазонів - 5 ГГц і близьких до нього. З іншого боку, більш високочастотні й швидкісні діапазони, зокрема 57-64 ГГц, які на Заході дозволяється використовувати без усяких ліцензій, мають дуже слабкі вікна прозорості. Загасання сигналу в повітрі занадто велике через атмосферний кисень. На більш високих частотах непереборною перешкодою сигналу виявиться навіть туман, а для лазерних ліній атмосферної оптики FSO (Free Space Optics) - дим і пив.

Переваги:

Гігабітні швидкості передачі даних. Висока несуча частота дозволяє задіяти для передачі сигналу широку смугу частот і використовувати прості методи модуляції, знижуючи навантаження на цифровий сигнальний процесор, а в перспективі - довести швидкість до 10 Гбит/с і вище.

Компактні й технологічні випромінювачі. У міліметровому діапазоні частот навіть короткий провідник стає дуже ефективним випромінювачем. Це дає можливість із мінімальними витратами будувати фазировані антенні решітки MIMO (Multiple Input Multiple Output) і навіть розміщати їх безпосередньо на мікросхемі трансивера.

Дуже вузькі діаграми спрямованості. Для формування променів шириною менш одного градуса можуть використовуватися прості параболічні антени діаметром менш 30 см. Дворазове збільшення діаметра такої антени підвищує її ефективність в 20 разів, що еквівалентно використанню замість стомілліваттного - двухваттного НВЧ-Підсилювача. До такого ж ефекту - під час відсутності в повітрі кисню й пар води - привело б і скорочення вдвічі довжини хвилі.

Висока електромагнітна сумісність. ММДХ-устаткування, перебуваючи навіть у безпосередній близькості, дуже слабко впливає один на одного. Ефекти дифракції, через малість довжини хвилі в порівнянні з розмірами антени, незначні, отже, практично вся енергія «йде» у головну пелюстку діаграми спрямованості. Відбиття від провідних поверхонь (металевих дахів і т.п.), внаслідок малої довжини хвилі й механічних нерівностей, що перевищують довжину хвилі, носять дифузійний характер. Як правило, не відбувається дзеркального відбиття внаслідок нерівностей, а дифузійне випромінювання швидко загасає в міру видалення від неоднорідності.

Недоліки:

Високе поглинання випромінювання в атмосфері. За дивним збігом обставин, рівно посередині міліметрового діапазону, на частоті 60 Ггц розташований пік резонансного електромагнітного поглинання молекулами кисню. Відмічувані явища при поширенні такої хвилі те саме що процесам, що відбуваються у СВЧ-пічці, - значна частина її енергії витрачається впусту, на нагрівання повітря. Найбільш помітний вплив на загасання міліметрових хвиль в атмосфері виявляють піки резонансного поглинання молекулами води й кисню.

У загальних умовах лінія зв'язку на 2,4 ГГц може заважати нормальній роботі інших ліній, що працюють у цьому діапазоні на дальності до 32 км, а для лінії, що працює на 60 ГГц, цей поріг обмежений усього 2,5 км, навіть без обліку можливості використання більш гостроспрямованих антен у ММДХ. Взаємний вплив ліній у діапазоні 60 ГГц - проблема, скоріше, гіпотетична, але легко розв'язувана перебудовою по частоті. Адже доступна смуга частот у цьому діапазоні - ні багато ні мало 7 ГГц.

Високе поглинання випромінювання дощем. Дощ, мабуть, найбільш серйозна проблема ММДХ-ліній. Ослаблення, залежно від сили дощу, може досягати 40-50 дб/км і обумовлено двома механізмами: поглинанням енергії хвилі в об'ємі краплі дощу й дифракційним розсіюванням випромінювання краплею в зовнішній простір. Таке ослаблення унеможливить передачу даних. Більше того, у результаті дифракції з'являється паразитне бічне випромінювання, яке може вплинути на працюючі в цій місцевості лінії, особливо якщо один із променів проходить недалеко від трансиверів. Втім і із цим ефектом можна боротися - наприклад, за допомогою частотного поділу прийомного й передавального каналів. Через вплив дощу середня дальність роботи ММДХ-ліній з операторським рівнем надійності обмежена приблизно 1,6 км для діапазону частот 71-95 ГГц і 0,6 км для діапазону 60 ГГц і сильно залежить від географічного положення лінії. Таким чином, для діапазону 71-95 ГГц дальність становить від 1 км у дощових районах і до 2 км - у посушливі (за даними компанії Gigabeam).

Поглинання листям і іншими предметами. На частоті близько 40 Ггц одне велике дерево із кроною діаметром близько 10 м здатне послабити сигнал на 20 дб. Проте, хвилі міліметрового діапазону відмінно проникають через перешкоди, що є непереборною перешкодою для світла (шар пластмаси, пили або навіть корпус мікросхеми). Це робить застосування ММДХ особливе привабливим не тільки для зв'язку, але й, наприклад, в автомобільній промисловості. Як передбачається, скануючі датчики відстані (або ММДХ-відеокамери), що працюють у не ліцензованому діапазоні 60 ГГц, будуть широко використовуватися в автомобільних системах безпеки, повідомляючи про предмети, що швидко наближаються, або про пішоходів. Параметри їх роботи практично не будуть залежати від шару бруду, що налипнув на автомобіль[2].

1.2.2 Субміліметровий діапазон

Сьогодні ще не всі країни у світі розгорнули в собі стільникові мережі третього покоління, одиниці готуються до мереж 4G. Однак дослідників не влаштовують можливості ні 3G, ні 4G, тому в Європі вистав прототип нової бездротової системи зв'язку, здатної в теорії передавати до 12,5 гігабит даних у секунду. Нова технологія не схожа ні на Wifi, ні на Wimax, тому що працює вона в міліметровому й субміліметровому діапазоні радіочастот. Дотепер цей діапазон стосовно до телекомунікацій майже ніхто не розглядав, сфера його застосувань - це радарні системи, системи безпеки, радіоастрономічні телезбери, військові системи. Розроблювачі технології говорять, що хоч їм і вдалося зробити "стрибок" у продуктивності за рахунок об'єднання перспективних радіо- і оптичних технологій, практична реалізація новинки в Європі з'явиться не раніше, чим в 2012-2014 роках. Розробка системи над швидкої передачі даних велася в рамках проекту IPHOBAC (Integrated Photonic mm-Wave Functions For Broadband Connectivity), спонсіруемого Євросоюзом. У розробці брали участь представники як академічних, так і промислових кіл. Теоретично, субмілліметрова система здатна функціонувати в діапазоні від 30 до 300 ГГц (в Wimax 2,4-2,6 ГГц), а довжина хвилі отут може бути від 1 до 10 міліметрів, у деяких модифікаціях передбачені хвилі довжиною менш 1 мм. За словами творців новинки, зараз цей діапазон майже по усьому світу являє собою "чисте поле" і не працює в ньому майже ніхто.

Субміліметрові хвилі, до яких відносять електромагнітні хвилі довжиною 100-1000 мкм, займають проміжну область між довгохвильовим інфрачервоним і надвисокочастотним радіодіапазоном. Вони становлять значний інтерес для радіотехнічних застосувань, радіоастрономії й астрофізики, фізики атмосфери, біології й вивчення речовин у всіх агрегатних станах. Особливість цієї ділянки спектра полягає в тому, що властиві йому хвилі занадто довгі для застосування гарно розвинутой оптичної техніки і у той же час занадто короткі для перенесення в нього радіометодів. Якісні властивості електромагнітних коливань, що проявляються при взаємодії їх з речовиною й зарядженими частками, чітко виражені лише на досить високих частотах. На низьких частотах, навпаки, проявляються хвильові властивості. Тому в надвисокочастотних радіодіапазонах безроздільно панують класична електродинаміка й електроніка, в інфрачервоній й більш короткохвильових - методи й засобу, відповідні до квантової електроніки й оптиці. Субміліметрові хвилі (цей діапазон хвиль вусі частіше називають терагерцевым: 1 ТГц = 1012 Гц) перебувають на стику між цими областями.

До останнього часу, незважаючи на проникнення методів і апаратури, властивих як оптичному, так і міліметровому діапазонам хвиль, субміліметровий діапазон залишається одним з технічно слабко оснащених ділянок спектра. Протягом багатьох років його йменували в літературі білою плямою, спектроскопічним провалом.

Однак робота із субміліметровим діапазоном дуже важлива. Розглянемо області застосування: субміліметровий діапазон охоплює випромінювання із хвилями від 0.3 до 1 мм. Він вміщує у собі відповіді на багато проблем астрономії. Субміліметровими телескопами можна заглянути глибоко усередину хмар міжзоряного газу, недоступних оптичним телескопам.

Міжзоряний пил теж виявляється в субміліметровому діапазоні. Холодний пил з температурами від 10 до 80 К випускає теплове випромінювання. Теплий пил, навпаки, нагрітий світлом молодих зірок, має максимум випромінювання в інфрачервоному діапазоні. Але якщо розглядати дуже далекі галактики, то їх спектр через довгий шлях через Всесвіт, що розширюється, випробовує червоний зсув. Тому світло від гарячого пилку далеких яскравих галактик можна спостерігати в субмм- діапазоні й одержати досить коштовні картини раннього Космосу.

У діапазоні субміліметрових хвиль лежать частоти спектрів і крутильних коливань полярних молекул, частоти коливань атомів в іонні; йому відповідають енергії фазових переходів у сегнетоэлектриках, надпровідниках і ферромагнетиках, практично весь спектр збуджених станів дрібних домішок у полупровідники, а також енергії зв'язку домішкових комплексів, екситонів, частоти зеемановских і штарковских переходів для збуджених станів домішок, резонансні частоти эл-новий провідності й дірок та ін[3].

2. ОСНОВНІ ВИДИ ЛІНІЙ ПЕРЕДАЧ