Роль миллиметровых волн в постоянно расширяющихся беспроводных приложениях
Частоты миллиметровых волн, обнаруженные между микроволнами и инфракрасными волнами, могут обеспечить решение растущего спроса на пропускную способность и высокоскоростные коммуникационные потребности. Вот краткий курс в технике миллиметровых волн, проблемах, преимуществах и приложениях.
Миллиметровые волны (MMW) представляют собой чрезвычайно высокочастотные электромагнитные волны в диапазоне от 30 до 300 ГГц (диапазон длины волны 10 мм -1 мм). Взаимодействуя между микроволнами и инфракрасными волнами, миллиметровые волны могут обеспечить решение растущего спроса на пропускную способность и высокоскоростные коммуникационные потребности.
За последние несколько десятилетий доступные технологии позволили более широко использовать миллиметровые волны. Это привело к расширению беспроводной связи и быстрым приложениям данных, одновременно уменьшая давление на более низкие частоты.
При скорости передачи данных до 10 Гбит / с некоторые из возможных приложений включают высокоскоростные двухточечные WLAN и широкополосный доступ, мобильные и беспроводные сети, потоковое видео высокого разрешения, автомобильные радиолокационные решения и многое другое.
Преимущества и проблемы
Спрос на пропускную способность продолжал расти в последние несколько десятилетий, в основном из-за увеличения использования и количества коммуникационных устройств. Однако удовлетворение этих глобальных потребностей в области связи и потребность в высокоскоростных беспроводных передачах данных были проблемой из-за ограниченного спектра (хотя в прошлом было слишком раздуто в этой рекламе).
Большинство приложений ограничено частотой до 30 ГГц. Этот диапазон в настоящее время перегружен, что ограничивает развитие новых технологий. Хорошей новостью является то, что спектр миллиметровых волн, который ранее был зарезервирован для военных и научных приложений, постепенно становится доступным для потребительских и коммерческих приложений.
Это может снизить спрос на более низкие частоты и позволить расширить частотные технологии и приложения.
За пределами контролируемого распределения частот в диапазоне 30-300 ГГц в прошлом не так много компонентов, которые работают на высоких частотах. Однако сейчас есть больше производителей, которые производят компоненты, которые могут обрабатывать миллиметровые волны.
Производители в настоящее время разрабатывают доступные компоненты, которые все чаще делают миллиметровые волны практичными в самых разных областях применения. Новые технологии и полупроводниковые материалы, такие как фосфид индия (InP), нитрид галлия (GaN), арсенид галлия (GaAs), позволяют строить такие компоненты, как транзисторы с субмикронным размером около 40 нм или меньше.
Миниатюрные радары кремния 120 ГГц. Изображение предоставлено SEMICON Europa
Вот некоторые молниеносные, гипотетические преимущества и проблемы, связанные с миллиметровыми волнами:
Преимущества миллиметровых волн
- Большая полоса пропускания. Большая полоса пропускания обеспечивает лучшую скорость передачи данных, достигающую скорости около 10 Гбит / с или более по сравнению с пределом 1 Гбит / с при использовании СВЧ-частот. Это делает реальную передачу видео высокого качества, игр в реальном времени и других приложений с интенсивной полосой пропускания.
- Размеры небольших компонентов: Компоненты и антенны для длин волн более высокого миллиметра обычно очень малы по сравнению с компонентами для более низких частот. Это позволяет проектировать физически меньшие схемы и оборудование. Например, полуволновый диполь, работающий на частоте сотовой связи 900 МГц, составляет около шести дюймов в длину, но это уменьшится до 2, 5 мм при 60 ГГц в свободном пространстве или меньше, если на диэлектрической подложке. Таким образом, можно сделать очень маленькое и легкое радиооборудование, включающее радио и антенну, или построить несколько элементов фазированных массивов на чипе.
- Большие разрешения: узкий луч может позволить возможность достичь большего разрешения.
- Низкие помехи и повышенная безопасность: узкий луч и небольшой радиус действия могут быть полезными, поскольку из соседних радиостанций меньше помех. Кроме того, гораздо сложнее перехватить сигналы, а также повысить безопасность, поскольку сигнал ограничен только небольшой областью.
Проблемы в использовании миллиметровых волн
- Ограниченный диапазон: миллиметровые волны из-за короткой длины волны имеют короткий диапазон передачи около 10 метров для большинства приложений с малой потребляемой мощностью. Однако диапазон расширяется за счет использования высокой мощности передачи и усиления антенны, а также приемников с высокой чувствительностью. Кроме того, короткие длины волн от 10 до 1 мм страдают от высокого атмосферного затухания; с туманом, дождем и влажностью, ослабляющими самые высокие волны и сокращающими расстояния передачи. Все эти факторы уменьшают возможный диапазон до примерно одного километра. Иногда разработчики могут использовать антенные решетки с высоким коэффициентом усиления для повышения эффективной излучаемой мощности и увеличения диапазона передачи.
- Требует прямой видимости: физические объекты, такие как деревья и здания, блокируют волны, приводящие к слабым волновым сигналам и уменьшенному диапазону.
- Дорогостоящие компоненты: изготовление небольших компонентов требует большей точности и осторожности, что увеличивает затраты.
Коммерческие применения миллиметровых волн
Три основные характеристики, влияющие на использование MMW, - это широкая полоса пропускания, короткие длины волн и то, как она взаимодействует с атмосферой. Это может привести к преимуществам или недостаткам в зависимости от целевого приложения.
Миллиметровые волны используются в астрономии, медицине и метеорологии, а также в коммуникациях. Миллиметровые волны с частотами в диапазоне лицензий 71-76, 81-86 и от 92 до 95 ГГц обычно используются для высокоскоростных линий связи «точка-точка», а частота 60 ГГц используется для нелицензированных короткодействующих данных таких как Wireless Gigabit (WiGig), на основе стандартного протокола 802.11ad.
Приложения высокой четкости (HD)
Возможность передавать огромные объемы данных при высоких скоростях передачи данных делает MMW благоприятным для передачи видео высокой четкости (HD), которое требует нескольких гигабит в секунду. MMW обеспечивает превосходную альтернативу, поскольку она сохраняет качество видео, в отличие от альтернативного метода первого сжатия данных и последующей передачи в диапазоне Mbits / rate.
Типичные приложения включают передачу видео с телеприставки, планшета или ноутбука на HDTV, от игры или DVD-плеера до телевизора. Другие приложения включают беспроводные видеокамеры, беспроводные HD-проекторы и т. Д.
Технология IEEE 802.11ad WiGig
Технология WiGig (беспроводной гигабит) позволяет устройствам взаимодействовать с высокой скоростью передачи данных до 7 или 8 Гбит / с. Стандарт связи на коротких расстояниях основан на спектре 60 ГГц, но может иметь ограниченное расстояние около 10 метров. Одним из преимуществ WiGig является высокая скорость передачи данных с небольшими задержками. Устройства WiGig могут использоваться в сочетании с антенными решетками для обеспечения динамического формирования луча. Пока есть только несколько сертифицированных Wi-Fi продуктов WiGig, но его сторонники надеются расширить этот список в ближайшие месяцы и годы.
Одночиповые радиолокационные ИС для коммуникационных и автомобильных радиолокационных решений
Современная полупроводниковая технология теперь позволяет объединять схемы MMW в интегральную схему. Это позволяет разрабатывать одночиповые схемы для различных применений.
Например, чип, предназначенный для приложений для смартфонов и планшетов, состоит из встроенной антенной решетки, радиочастотного приемопередатчика 60 ГГц и процессора основной полосы частот. Это позволяет осуществлять беспроводную передачу видео высокой четкости между устройствами и большими экранами дисплея.
Прекрасные разрешения миллиметровых радаров делают их идеальными для обнаружения небольших движений и объектов, позволяя им определять положение с точностью до миллиметра. Миллиметровые радары в диапазоне от 76 до 81 ГГц широко используются в средствах управления и безопасности транспортных средств. К конкретным приложениям относятся датчики автоматического торможения, вторжения полос, обнаружения слепых пятен, обнаружения столкновения в прямом направлении, круиз-контроля и т. Д. Типичным автомобильным радиолокационным чипсетом является PRDTX11101 от Freescale Semiconductor. Радарный набор микросхем имеет диапазон обнаружения от 20 до 200 метров и настраивается для выполнения различных автомобильных приложений.
Обнаружение пассажиров с использованием радара миллиметрового диапазона и камеры. Изображение предоставлено Toyota
Сканеры человеческого тела
Миллиметровые волны используются в сканерах для тела в аэропортах и других установках. Сканеры обеспечивают контур тела человека и обнаруживают любой скрытый объект. Первоначально были серьезные проблемы в отношении безопасности и конфиденциальности. Они были решены с использованием волн малой мощности, которые получают только контур тела, а не изображение всего тела.
В настоящее время TSA использует миллиметровые сканеры в большинстве аэропортов США для оценки угроз, заявляя, что у него «нет известных неблагоприятных последствий для здоровья».
Миллиметровая волновая терапия
Миллиметровые волны в диапазоне частот от 40 до 70 ГГц или длина волны 7, 5-4, 3 мм используются в самых разных медицинских процессах для лечения различных заболеваний и лечения боли. Терапия известна как Миллиметровая волновая терапия (MMW-терапия) или чрезвычайно высокочастотная (КВЧ) терапия.
Беспроводная передача данных в виртуальных гарнитурах
Исследователи, такие как MIT, даже работают над технологией, которая будет использовать миллиметровые волны для беспроводной передачи высококачественного видео в наушники VR, что устраняет необходимость в проводах. В настоящее время высококачественные гарнитуры Virtual Reality привязаны к быстрым компьютерам. Это ограничивает перемещение пользователя по длине кабелей к компьютеру. Включение беспроводной связи улучшит работу пользователя без снижения качества видео.
Вывод
Миллиметровые волны могут открывать широкий спектр для широкого спектра применений, тем самым ослабляя давление на уже перегруженный спектр 0-30 ГГц.
Регламент и отсутствие доступных компонентов, которые могли бы производить и получать миллиметровые волны, были в свое время проблемой, которая ограничивала использование спектра. Тем не менее, дизайнеры и производители достигли значительного прогресса в разработке недорогих полупроводниковых устройств для коммерческих высокоскоростных коммуникаций и других приложений с миллиметровой волной.