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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 통신 시스템의 밀리미터파. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
오늘날에는 통신 시스템 및 수단의 급속한 개발 과정이 진행되고 있으며, 밀리미터파(MMW)를 비롯한 초고주파를 포함한 전통적 및 비전통적인 전파 범위의 개발이 진행되고 있습니다. 그리고 이 범위는 오랫동안 마스터해온 다른 범위에 비해 상대적으로 어리지만 오늘날 IMV가 차지하는 주파수 대역은 지금까지 인류가 사용할 수 있었던 주파수 대역보다 훨씬 높다는 것이 일반적으로 인정됩니다. 오랫동안 MMW는 실제 사용에 부적합한 것으로 간주되었습니다. 마이크로파 진동을 생성, 수신 및 전달하는 기술적으로 진보된 수단이 없었고, 필요한 요소 기반도 없었으며, 불균일한 지구 대기에서의 MMW 전파 법칙도 존재하지 않았기 때문입니다. 잘 공부했습니다. 더욱이, 수많은 국내외 출판물에 반영되어 있는 다양한 목적을 위한 밀리미터파 통신 시스템의 개발 및 적용 동향을 고려하는 것은 의심의 여지가 없는 흥미로운 일입니다. 밀리미터파 범위의 통신 시스템 생성은 이러한 파동의 전파 특성에 대한 과학적 연구와 30GHz 이상의 주파수에서 마이크로파 신호를 생성하고 수신하기 위한 원리 및 수단의 개발을 기반으로 합니다. 러시아를 포함한 세계 여러 나라의 저명한 과학자와 전문가들이 IMV 전파 분야의 이론 및 실험 연구에 크게 기여했습니다. 그리고 오늘날에도 이론과 실습을 통해 특히 통신 시스템에서 MMV 사용의 이점이 점점 더 많이 드러나고 있습니다. 여기에는 우선 정보 전송의 양과 속도 증가, 불리한 환경 조건에서 이러한 파동의 전파, 작은 조리개로 높은 안테나 이득, 소음 내성 증가가 포함됩니다. 그러나 IWM이 전파됨에 따라 대기 가스 및 대기수성체에서 신호 감쇠가 발생하고 방사선의 탈분극, 진폭 및 위상 변화가 발생합니다. 더욱이, 대기 중 신호 감쇠는 주파수가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있으며 기상 조건에 따라 달라집니다. 또한 산소와 수증기의 존재로 인해 대기 중에 전파를 강하게 흡수하는 일정한 대역이 있습니다. 이러한 현상은 22,2GHz(H2O), 60GHz(O2), 118,8GHz(O2) 및 180GHz(H2O)의 주파수에서 관찰됩니다. 적당한 대기 습도(지구 표면에서 ~7,5g/m3) 조건에서 단일 수직 전파 동안 스펙트럼의 특정 부분(심지어 200dB 초과)에서 전파가 완전히 감쇠되는 것을 관찰할 수 있습니다. 통신에 대한 실질적인 관심은 약 35, 94, 140 및 220 GHz의 주파수에서 과학적으로 식별된 "투명성 창"으로, IMF의 인근 섹션과 비교하여 최소한의 감쇠가 관찰됩니다. "투명 창"에서 지구 표면(20°C)의 적당한 습도와 온도를 갖는 중위도에서는 총 감쇠가 작으며 대기를 통한 단일 수직 전파(예: 94GHz 주파수)의 경우 1,3입니다. dB. 분자 흡수에 대한 실험적 연구에서는 최근까지 다양한 흡수 수준에 대한 통계가 없었습니다. 이러한 통계를 축적하는 것은 습도 값의 강한 변동성과 기후 조건에 대한 의존성으로 인해 매우 노동 집약적인 작업입니다. IMF는 대기 중 상대적으로 큰 흡수로 인해 단거리 파동으로 분류됩니다. 현재 IMF 전파 문제는 광범위하게 연구되어 왔으며, 대기 중 대기수체의 분자 흡수에 대한 연구 결과와 이론적 계산은 매우 만족스럽게 일치합니다. 다양한 응용 문제를 해결하기 위해 MMV 범위를 사용하려는 새로운 추세는 이제 지속 가능해졌습니다. 위성 통신 시스템, 무선 중계 회선, 미세 셀룰러 통신, 온보드 통신 회선 및 자동 제어 시스템은 물론 측정 장비에도 사용할 수 있는 가능성이 열렸습니다. 이는 MMV 요소 기반 개발의 성공과 이를 기반으로 하는 기술적으로 진보된 장치의 생성, 그리고 이 범위에서 전파의 장점이 특히 분명한 대량의 정보를 전송해야 하는 필요성으로 설명됩니다. 위성 통신의 MMV. 위성 통신 시스템은 매우 빠른 속도로 발전하고 있습니다. 예를 들어, 1982년 미국 위성 통신에는 각각 150MHz 대역폭을 갖는 약 36개의 중계기 트렁크가 있었고, 90년대 초반에는 위성 발사 속도가 너무 높아져 주파수 범위 6/4 및 14/12가 할당되었습니다. 통신용 GHz는 거의 완전히 점유된 것으로 나타났습니다. 따라서 위성 통신을 위한 MW 범위를 마스터하는 작업이 매우 시급합니다. 이는 지난 15년 동안 미국에서만 3~16GHz 주파수 범위에서 작동하는 장비를 탑재한 40개의 ISXNUMX를 출시했다는 것을 설명합니다. 온보드 중계기는 위성 통신에 MMV를 사용하는 경우의 모든 이점을 대부분 확인했습니다. MMV 안테나의 좁은 방사 패턴은 통신의 비밀성과 간섭 간섭의 약화에 기여했으며, 높은 이득으로 인해 송신기의 전력이 감소하고 위성 장비의 무게와 크기 특성이 감소했습니다. 하지만 그게 전부는 아닙니다. 지향성이 높은 다중 빔 온보드 안테나를 사용하면 빔을 전환하여 커버리지 영역을 확장할 수 있을 뿐만 아니라 다이버시티 수신으로 인해 악천후 조건에서도 통신의 신뢰성을 높일 수 있습니다. 3GHz 이상의 주파수에서 작동하기 위해 80년대 후반과 90년대 초반에 해외에서 개발된 중계기인 IS20의 최우선 순위는 다음과 같습니다. L-SAT/OL YMPUS 위성(서유럽)은 14/11 및 30/20GHz 대역에서 약 6,8GHz의 총 작동 주파수 대역폭을 갖습니다. 트렁크 대역폭은 240MHz로 360Mbit/s의 속도로 정보 전송을 보장하며, 이는 5500개의 전화 채널을 구성하기에 충분합니다. 44/20 GHz 주파수 범위의 광대역 중계기를 갖춘 MILSTART 위성(미국). 잡음 유사 신호, 2GHz 대역의 의사 무작위 주파수 호핑 및 온보드 신호 스위칭을 사용할 수 있도록 준비되어 있습니다. MILSTART 시스템의 위성 간 통신은 60GHz 주파수 범위에서 수행됩니다. 이 경우 대기의 높은 감쇠로 인해 탑재 장비 작동을 위해 지구에서 능동적인 의도적 무선 간섭을 생성하는 것이 거의 불가능합니다. 위성 ECS-2 및 ACTS-E(일본). 장비는 30/20 및 50/40 GHz의 주파수 범위, 250 MHz의 트렁크 대역폭, 최소 400 Mbit/s의 데이터 전송 속도에서 작동합니다. 이러한 유형의 위성을 위해 NTT는 초고속 처리량(IS7920당 최소 3Gbit/s)을 갖춘 시스템을 개발했습니다. 유망한 시스템에 15개의 대형 통신 IC3를 포함하면 최대 119Gbit/s의 위성 통신 시스템의 총 처리량을 얻을 수 있을 것으로 믿어집니다. 일본 전문가에 따르면, 실험 중에 축적된 경험을 통해 우리는 MW 범위에서 작동하는 위성 간 통신 회선을 만들 수 있게 되었습니다. 이러한 위성간 링크를 적용할 수 있는 분야 중 하나는 국제 통신입니다. 또한 두 IS3 사이에 직접 통신이 가능하므로 중간 지구국을 사용할 필요가 없습니다. 위성 간 링크를 사용하면 우주 공간의 한 지역에서 서로 수십 킬로미터 떨어진 곳에 위치한 여러 IS3 간의 통신도 가능합니다. 외국 시스템과 유사한 정지궤도, 타원궤도 및 저원형 궤도에 있는 우주선을 갖춘 국내 위성 통신 시스템이 많이 있습니다. 지금까지 0,3~0,4GHz 범위의 무선 주파수가 저궤도 시스템에 할당되었습니다. 그러나 이곳에서는 다양한 무선 전자 서비스가 기본적으로 운영되기 때문에 향후 새로운 위성 통신 네트워크용 대역을 확보하는 것이 거의 불가능합니다. 따라서 저궤도 IC3 중계기에서는 다른 송신기의 간섭을 피하고 동작을 방해하지 않기 위해 광대역 의사 난수 신호를 사용하는 것이 제안됩니다. 이 전송 방법을 사용하면 부분 채널의 속도는 4,8kbit/s가 될 수 있으며 잡음 방지 코딩을 고려하면 2,4kbit/s가 됩니다. 그러한 시스템에서는 MMV 범위의 사용이 고려됩니다. 따라서 통신 시스템의 용량과 전반적인 효율성을 높여야 할 필요성은 30GHz 이상의 주파수 범위를 개발한 이유 중 하나였습니다. 지정된 주파수 범위에서 시스템의 잠재적 성능은 각 채널의 최소 정보 전송 속도가 10Mbit/s 이상인 2개의 통신 채널로 추정됩니다. 2000년에는 Intelsat 위성 통신 네트워크만으로도 약 750만 개의 전화 채널을 제공할 것으로 예상됩니다. 이는 15~6 및 4~14GHz 대역의 시스템 성능보다 12배 더 큰 수치입니다. 위성 통신에서 MW 대역을 사용하는 기술적 문제에는 1Gbit/s의 속도로 디지털 정보를 전송할 때 지상국에서 다이버시티 수신을 구성하는 방법에 대한 연구, 신뢰할 수 있는 페라이트 스위치 및 온보드 중계기용 스위칭 매트릭스 개발, 뿐만 아니라 요소 설계 제조의 정밀도가 향상되어 향상된 다중 빔 안테나를 생성합니다. 이러한 문제를 해결하면 50~40GHz 범위에서 작동할 때, 그리고 최대 60GHz 주파수 범위에서 위성 간 통신을 구성할 때 위성 시스템의 고효율을 달성할 수 있습니다. 미래에는 스펙트럼의 더 높은 주파수 부분을 사용하는 것이 가능합니다. 중요한 것은 밀리미터 범위에서 작동하도록 설계된 온보드 무선 통신 및 정보 전송 라인입니다. 앞으로는 3~5Gbit/s의 처리량과 높은 작동 신뢰성(약 0,99998)을 제공할 것입니다. 따라서, 3Gbit/s 용량, 20km 범위, 항공기 탑재 포물선 안테나 크기가 0,2...0,5m이고 지상 수신 지점 1m인 경사형 무선 링크의 경우, 지상 수신기의 잡음 지수가 ~15dB이고 온보드 장비의 무게와 부피가 작을 경우 온보드 전송 장치의 전력은 0,1~100W 범위에 있습니다. 이러한 무선 링크 장비에 대한 에너지 지표 및 요구 사항은 MMV 기술의 현재 상태를 고려할 때 상당히 실현 가능합니다. 셀룰러 네트워크에서 MMW 사용. 최근 몇 년 동안 세계 선진국에서는 도시와 농촌 지역에서 이동 통신 시스템을 만들고 적용하는 데 상당한 진전이 있었습니다. 다양한 정보의 전송량, 속도 및 품질이 단일 국가 규모뿐만 아니라 다른 대륙에 위치한 국가에서도 전례 없이 증가했습니다. 이는 고체 전자공학, 마이크로전자공학, 포토닉스, 음향전자공학, 위성 통신 시스템의 개발 덕분에 가능해졌습니다. 그러나 도시 통신 시스템에서 데시미터 및 미터 전파의 광범위한 사용으로 인해 트랜시버 및 안테나-도파관 시스템 설계에 많은 어려움이 발생하고 상호 전자기 간섭 수준이 증가하며 전송 주파수 대역이 제한됩니다. 정보 전달의 왜곡이 증가합니다. 밀리미터파를 사용하지 않으면 도시에서 셀룰러 통신 네트워크 배포를 추가로 확장하는 것이 불가능합니다. 셀룰러 시스템에서 MW로 전환하는 가능성은 러시아 과학 아카데미 무선 공학 및 전자 연구소 실험실에서 수행된 연구 결과에 의해 확인되었습니다. 연구 결과의 체계화 및 분석을 통해 어려운 도시 조건에서도 방사선원으로부터 수백 미터에서 수십 킬로미터 떨어진 곳에서 전자기장의 가장 중요한 특성을 예측할 수 있다는 낙관적인 결론에 도달했습니다. 이러한 예측은 건물 밀도, 건물 높이 및 수평 치수, 벽을 만드는 건축 자재 및 도시 레이아웃을 고려한 데이터를 기반으로 도시의 지형도를 사용하는 통계적 방법으로 수행할 수 있습니다. 지역, 지형 및 안테나 시스템의 위치. 컴퓨터 데이터베이스를 이용하여 도시 조건에서 통신선을 설계할 때 현장 특성을 계산하는 방법도 개발되었습니다. 이를 통해 에너지 특성, 편파장 매개변수 분포를 계산할 수 있을 뿐만 아니라 도시 이동 통신 채널에서 무선 간섭의 통계적 특성을 분류할 수 있습니다. 특히, 송신기 전력(Rizl)이 5...10mW라고 가정하고, 수신기 감도는 10MHz 대역에서 ~1W이고, 안테나 이득은 15mm 파장에서 약 5dB이고 신호를 취하면 - 대잡음비 ~10이면 물과 산소 증기의 공명 흡수 중심을 고려하여 자기장에 대한 결합 효과의 최소 범위를 추정할 수 있습니다(그림 1). 최악의 전파 조건에서도 이러한 회선의 길이는 항상 0,5km 이상이며 이는 해당 통신 시스템의 요구 사항을 충족합니다.
현재의 반도체 기술 발전 수준과 마이크로 전자회로의 발전 현황을 고려하면, 다양한 국내 트랜시버는 물론 도시 환경의 단거리 정보 전송 선로용 안테나-도파관 시스템을 활용할 수 있는 실질적인 기회가 있다. 특정 지역의 기지국을 갖춘 셀룰러 통신 시스템의 안정적인 구성 요소가 될 수 있습니다. 대량 생산을 통해 MW에서 이러한 시스템의 비용은 UHF 및 미터파에 기존 시스템과 상당히 비슷할 수 있습니다. 또한 도시 상황에서는 혼잡한 공기 문제를 완전히 해결하고 전송되는 메시지의 양을 적어도 한 단계 이상 늘릴 수 있는 실질적인 기회를 창출합니다. 예를 들어, 도시와 교외 지역에서 소위 미세 셀룰러 및 피코셀룰러 시스템을 통해 메시지를 전달하기 위해 동일한 주파수를 사용하는 것에 대해 이야기하고 있습니다. 연구에 따르면 MMV 사용의 또 다른 중요한 이점이 밝혀졌습니다. 데시미터파 및 미터파 장비를 작동할 때 언급된 것처럼 트랜시버가 설치된 공간에서는 사람에게 유해한 영향을 미치지 않습니다. 그림에서. 그림 2는 도시와 교외 지역에서 미세 셀룰러 및 피코셀룰러 통신 시스템을 사용하는 예를 보여줍니다. 기지국 A는 이동 통신 개체와의 정보 교환을 보장하는 매크로 셀룰러 네트워크 B, C, D, D, E를 통해 통신합니다. 도시에서 사용할 수 있는 마이크로셀 b와 c는 고정된 물체와 통신하기 위한 것이며 산업용 건물 Z의 마이크로셀 1, 2, 3...9는 개별 층에서 작동합니다.
실험실 및 산업용 트랜시버 장치와 요소 기반의 상태는 도시 조건에서 고려되는 셀룰러 시스템에서 MMV의 실제 사용 가능성에 대한 자신감을 불러일으킵니다. MMV의 라디오 릴레이 단일 스팬 라인. 최근에는 다채널 전화 통신의 전송은 물론 컴퓨터와 주변 장치 간의 데이터 교환을 위해 설계된 신뢰성이 높은 단일 범위 통신 회선을 구성할 필요가 있습니다. 이러한 목적을 위해서는 MMV 범위의 무선 중계 회선이 가장 적합합니다. 이 제품은 높은 소음 내성, 작은 크기 및 무게, 높은 처리량 및 낮은 에너지 소비를 갖추고 있습니다. 이러한 시스템에는 42,5~43,5GHz 범위에서 작동하고 정보 전송 속도가 5Mbit/s(8,448 전화 채널). 정보 전송을 위해 변조 지수가 129인 주파수 변조가 선택됩니다. 수신 채널과 전송 채널 사이의 주파수 간격과 중간 주파수 값은 480MHz입니다. 이는 채널 간에 필요한 격리 정도를 제공하고 다른 한편으로는 구성을 허용합니다. 수신기의 안정화된 국부 발진기를 기준으로 자동 주파수 조정. 170km 길이의 무선 회선에서 총 감쇠가 5dB인 경우, 송수신기 안테나의 이득이 40dB 이상이고, 송신기 전력이 30~50mW이고, 수신기 잡음 수치가 다음과 같은 경우 스테이션이 정상적으로 작동합니다. 13dB를 넘지 않습니다. 그러한 교직원의 블록 다이어그램이 그림 3에 나와 있습니다. 1. 여기에는 다음과 같은 기능 장치가 포함됩니다. 직경 300mm의 포물선형 2개 거울 안테나 4개; 도파관 대역통과 수신 3개 및 송신 5개 마이크로파 필터; 편광 분리기 6(수평 E 및 수직 H); 국부 발진기의 7차 고조파에서 작동하는 쇼트키 장벽이 있는 다이오드의 채널 8와 AFC 채널 9을 수신하는 믹서; varacore 주파수 튜닝 기능을 갖춘 Gunn 다이오드 10을 기반으로 한 마이크로파 발생기; 실리콘 바이폴라 트랜지스터(11) 상의 예비 IF; 유전체 공진기에 의해 안정화된 트랜지스터 마이크로파 발생기(12); AFC 채널 13의 주파수 검출기; 송신기 변조기 비디오 증폭기 14 및 주파수 검출기 모듈 15. 이 모듈은 단일 유리 섬유 인쇄 회로 기판에 만들어지며 자동 이득 제어 기능이 있는 주 증폭기 16, 디튜닝된 회로의 주파수 검출기 60 및 비디오 증폭기 12로 구성됩니다. 공급 장치 12은 스테이션의 기능 장치에 전원을 공급하는 데 필요한 +5V의 DC 전압을 안정화된 전압 +XNUMXV, -XNUMXV 및 +XNUMXV로 변환합니다.
파라볼라 안테나, 트랜시버 장치 및 보조 전원은 직경 300mm, 길이 250mm의 밀봉된 원통형 컨테이너에 구조적으로 배치됩니다. PPS의 작은 무게와 크기 특성으로 인해 대부분의 경우 특수 마스트 구조의 건설을 포기할 수 있습니다. 통신 시스템에서 MMV를 사용하는 위의 예는 실제 사용 문제를 모두 해결하지는 않습니다. 그들은 광대역 통신 및 응용 분야, IS3와의 통신을 위한 지상 기반 지점, 위성 간 및 내장 통신 시스템뿐만 아니라 다음을 포함한 도시와 마을의 광대역 통신 조직 분야에서 의심할 여지 없이 큰 미래를 가지고 있습니다. 피코셀룰러 정보 전송 라인. 저자: R. Bystrov, 공학박사. 과학, 교수, A. Sokolov, 공학박사. 과학, 교수, 모스크바
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