Радиочастотная фильтрация для 5G устройств миллиметровых волн. Часть 1
МИЛЛИМЕТРОВЫЕ ЧАСТОТЫ
Часть электромагнитного спектра в миллиметровом диапазоне находится на верхнем уровне микроволновой области (которая охватывает ~ 300 МГц до 300 ГГц) и обычно принимается за средние частоты от ~ 30 ГГц до 300 ГГц и длины волн в диапазоне от 1 мм до 1см. Обозначением ITU для диапазона от 30 ГГц до 300 ГГц является КВЧ (чрезвычайно высокая частота - EHF).
Одной из характеристик, что делает эту часть спектра такой интересной для коммуникационных устройств, является то, что частоты значительно выше, чем те, которые исторически использовались в беспроводных устройствах, поэтому доступный спектр в mmWave потенциально открывает в 200 раз больше спектра, доступного ниже 3 ГГц [2].
Из-за резкого увеличения доступной пропускной способности происходит увеличение достижимых скоростей передачи данных, что делает эти частоты чрезвычайно интересными для групп по всему миру, работающих над связью 5G.
Однако, с этим увеличением частоты приходит и ряд сложностей. Уравнение потерь в свободном пространстве (FSPL) позволяет рассчитать затухание сигнала в свободном пространстве или в вакууме. Это говорит нам о том, что потеря сигнала увеличивается как квадрат расстояния и квадрат частоты. Чем выше частота, тем больше сигнал будет ухудшаться на расстоянии, ограничивая эти частоты для коротких и / или мощных коммуникаций.
В дополнение к потерям в открытом пространстве радиосигналы ослабляются как атмосферными составляющими, так и физическими объектами (деревья, здания), с которыми они встречаются. mmWave частоты оказались особенно восприимчивы к этим факторам. Например, есть зона поглощения кислорода в диапазоне 60 ГГц, потеря сигнала из-за дождя и влажности является серьезным вызовом для инженеров в миллиметровом диапазоне, а ослабление сигнала через такие материалы как бетон или кирпич увеличивается для высоких частот.
С учетом сказанного, хотя эти проблемы не являются непреодолимыми даже до того, как 5G стал вызывать большой интерес, значительное количество приложений использовало миллиметровые частоты.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ MMWAVE ТЕХНОЛОГИИ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ
Коммуникации
Микроволны (к которым относятся и mmWaves) широко использовались в двухпунктовой связи. Примером двухпунктовой связи может служить связь в транзитном соединении, где микроволновые частоты используются для передачи данных по прямой линии связи между сотовой базовой станцией и контроллером базовой станции. Двухпунктовая связь на mmWave частотах привлекательно, так как снижение длины волны позволяет антеннам удобного размера фокусироваться в узкие лучи, которые могут быть напрямую нацелены на принимающую антенну. Это предотвращает помехи от микроволнового оборудования, находящегося поблизости и использующего ту же частоту, что позволяет развернуть больше каналов в одной зоне. В США 36 ГГц до 40 ГГц лицензируются как высокоскоростные микроволновые каналы данных, а нелицензируемая 60 ГГц зона может использоваться для соединений данные короткого диапазона.
Другое устройство в нелицензируемой 60 ГГц зоне – это WiGig, или IEEE 802.11ad, предназначенное для поддержки игр с высокой пропускной способностью и потокового видео 4k через WiFi. Новый стандарт добавляет новую зону частот 60 ГГц наряду с существующими предложениями 2,4 и 5 ГГц.
Военная отрасль
Приложения для военной отрасли в микроволнах и mmWave имеют длинную историю. Таблица 2 показывает примеры военных устройств на частотах в диапазоне от 2 ГГц до 40 ГГц. Обычно при увеличении частоты устройства перемещаются в устройства с более высоким разрешением.
Автомобилестроение
mmWave частоты также используются в радарах на основе Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), помогая водителям управлять транспортными средствами и помогать в автоматизированных функциях. Эти системы часто используют как радар короткого диапазона (на 24 ГГц), так и длинного диапазона (на 77 ГГц) для сканирования окружающего пространства вокруг машины. Высокая частота и, соответственно, короткие длины волны, являются ключевым преимуществом для mmWaves в этом устройстве. Система радара, работающая на 77 ГГц, имеет длину волны примерно 3,8 мм. Следовательно, размер компонентов системы, такие как антенны, требующийся для обработки сигнала, уменьшается. Дополнительное преимущество использования такой короткой длины волны – увеличение уровня точности, так как такая система будет обладать возможностью обнаруживать движение, составляющие всего лишь доли миллиметра.
