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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA
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Onde millimetriche nei sistemi di comunicazione. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Al giorno d'oggi, esiste un rapido processo di sviluppo di sistemi e mezzi di comunicazione, lo sviluppo di gamme di onde radio tradizionali e non tradizionali, comprese le frequenze ultraelevate, comprese le onde millimetriche (MMW). E sebbene questa gamma sia relativamente giovane rispetto ad altre che sono state padroneggiate per molto tempo, oggi è generalmente accettato che la banda di frequenza occupata dall'IMV sia molto più alta di quelle finora a disposizione dell'umanità.

Per molto tempo le MMW sono state considerate inadatte all'uso pratico, poiché non esistevano mezzi tecnicamente avanzati per generare, ricevere e incanalare le oscillazioni delle microonde, non esisteva una base elementare necessaria e le leggi della propagazione delle MMW nell'atmosfera disomogenea della terra non erano ben studiato. Inoltre, è di indubbio interesse considerare le tendenze nello sviluppo e nell'applicazione dei sistemi di comunicazione a onde millimetriche per vari scopi, che si riflettono in numerose pubblicazioni nazionali ed estere.

La creazione di sistemi di comunicazione nella gamma delle onde millimetriche si basa sulla ricerca scientifica sulle caratteristiche di propagazione di queste onde e sullo sviluppo di principi e mezzi per generare e ricevere segnali a microonde a frequenze superiori a 30 GHz.

Scienziati e specialisti di spicco provenienti da molti paesi del mondo, inclusa la Russia, hanno dato un contributo significativo alla ricerca teorica e sperimentale nel campo della propagazione dell'IMV. E anche oggi la teoria e la pratica rivelano sempre più vantaggi derivanti dall'utilizzo di MMV, in particolare nei sistemi di comunicazione. Questi, prima di tutto, includono un aumento del volume e della velocità di trasmissione delle informazioni, la propagazione di queste onde in condizioni ambientali sfavorevoli, un elevato guadagno dell'antenna con una piccola apertura e una maggiore immunità al rumore.

Tuttavia, con la propagazione dell'IWM, si verifica l'attenuazione del segnale nei gas atmosferici e nelle idrometeore, nonché la depolarizzazione delle radiazioni, i cambiamenti di ampiezza e fase. Inoltre l'attenuazione del segnale in atmosfera tende ad aumentare con l'aumentare della frequenza e dipende dalle condizioni meteorologiche. Sono inoltre presenti bande costanti di intenso assorbimento delle onde radio nell'atmosfera, dovute alla presenza di ossigeno e vapore acqueo. Questi fenomeni si osservano alle frequenze di 22,2 GHz (H2O), 60 GHz (O2), 118,8 GHz (O2) e 180 GHz (H2O). In condizioni di moderata umidità atmosferica (~7,5 g/m3 sulla superficie terrestre), si può osservare una completa attenuazione delle onde radio in alcune parti dello spettro (anche superiori a 200 dB) durante la loro singola propagazione verticale.

Di interesse pratico per le comunicazioni sono le “finestre di trasparenza” identificate dalla scienza alle frequenze di circa 35, 94, 140 e 220 GHz, in cui si osserva un’attenuazione minima rispetto alle sezioni vicine del FMI. Alle medie latitudini con umidità e temperatura moderate sulla superficie terrestre (20° C) nelle "finestre di trasparenza" l'attenuazione totale è piccola e per una singola propagazione verticale attraverso l'atmosfera, ad esempio, alle frequenze di 94 GHz, è 1,3 dB.

Si noti che negli studi sperimentali sull'assorbimento molecolare, fino a poco tempo fa, non esistevano statistiche sui vari livelli di assorbimento. L’accumulo di queste statistiche è un compito molto laborioso a causa della forte variabilità dei valori di umidità e della sua dipendenza dalle condizioni climatiche.

A causa dell’assorbimento relativamente elevato nell’atmosfera, le IMF sono classificate come onde a corto raggio.

Attualmente, il problema della propagazione del FMI è stato ampiamente studiato; i risultati della ricerca e dei calcoli teorici dell'assorbimento molecolare nelle idrometeore atmosferiche coincidono in modo abbastanza soddisfacente. La tendenza emergente verso l'utilizzo della gamma MMV per risolvere vari problemi applicativi è ormai diventata sostenibile. Si è aperta la possibilità del loro utilizzo nei sistemi di comunicazione satellitare, nelle linee di relè radio, nelle comunicazioni microcellulari, nelle linee di comunicazione di bordo e nei sistemi di controllo automatizzati, nonché nelle apparecchiature di misurazione. Ciò è spiegato dai successi nello sviluppo della base dell'elemento MMV e nella creazione di dispositivi tecnicamente avanzati basati su di essa, nonché dalla necessità di trasmettere grandi volumi di informazioni, dove i vantaggi delle onde radio in questa gamma sono particolarmente evidenti.

MMV nelle comunicazioni satellitari. I sistemi di comunicazione satellitare si stanno sviluppando a un ritmo molto rapido. Ad esempio, nel 1982, le comunicazioni satellitari statunitensi disponevano di circa 150 trunk ripetitori con una larghezza di banda di 36 MHz ciascuno e all'inizio degli anni '90 il ritmo dei lanci satellitari era aumentato così tanto che le gamme di frequenza 6/4 e 14/12 erano assegnate per le comunicazioni i GHz sono risultati quasi completamente occupati.

Pertanto, il compito di padroneggiare la gamma di MW per le comunicazioni via satellite è molto urgente. Ciò spiega che nell'ultimo decennio solo gli Stati Uniti hanno lanciato 15 IS3, a bordo dei quali erano presenti apparecchiature funzionanti nella gamma di frequenze 16...40 GHz. I loro ripetitori di bordo hanno ampiamente confermato tutti i vantaggi dell'utilizzo di MMV per le comunicazioni satellitari. Gli stretti schemi di radiazione delle antenne MMV hanno contribuito alla segretezza delle comunicazioni e all'indebolimento delle interferenze, e l'elevato guadagno ha portato ad una diminuzione della potenza dei trasmettitori e ha ridotto le caratteristiche di peso e dimensioni delle apparecchiature satellitari.

Ma non è tutto. L'uso di antenne di bordo multiraggio altamente direzionali ha consentito di commutare i raggi per espandere le aree di copertura, nonché di aumentare l'affidabilità delle comunicazioni in condizioni meteorologiche avverse grazie alla diversità di ricezione.

Tra gli IS3 con la massima priorità, i cui ripetitori sono stati sviluppati all'estero tra la fine degli anni '80 e l'inizio degli anni '90 per funzionare a frequenze superiori a 20 GHz, sono i seguenti.

Il satellite L-SAT/OL YMPUS (Europa occidentale) ha una larghezza di banda operativa totale nelle bande 14/11 e 30/20 GHz di circa 6,8 GHz. La larghezza di banda del trunk è di 240 MHz, che garantisce la trasmissione delle informazioni ad una velocità di 360 Mbit/s, sufficiente per organizzare 5500 canali telefonici.

Satellite MILSTART (USA) con ripetitore a banda larga nella gamma di frequenze 44/20 GHz. È previsto l'uso di segnali simili al rumore, salto di frequenza pseudo-casuale nella banda da 2 GHz e commutazione del segnale a bordo. La comunicazione intersatellitare nel sistema MILSTART viene effettuata nella gamma di frequenza di 60 GHz, in cui l'elevata attenuazione nell'atmosfera rende quasi impossibile creare interferenze radio intenzionali attive dalla Terra per il funzionamento delle apparecchiature di bordo.

Satelliti ECS-2 e ACTS-E (Giappone). L'apparecchio funziona nei campi di frequenza 30/20 e 50/40 GHz con una larghezza di banda di 250 MHz con una velocità di trasferimento dati di almeno 400 Mbit/s. Per questa tipologia di satelliti NTT ha sviluppato sistemi con throughput ultra elevato (almeno 7920 Gbit/s per IS3). Si ritiene che l'inclusione di 15 grandi comunicazioni IC3 nel promettente sistema consentirà di ottenere una velocità totale dei sistemi di comunicazione satellitare fino a 119 Gbit/s. Secondo gli esperti giapponesi, l'esperienza accumulata durante gli esperimenti ci consente di iniziare a creare linee di comunicazione intersatellitare operanti nella gamma dei MW.

Uno dei possibili ambiti di applicazione di tali collegamenti intersatellitari sono le comunicazioni internazionali. Inoltre la presenza della comunicazione diretta tra due IS3 elimina la necessità di utilizzare stazioni terrestri intermedie. Utilizzando i collegamenti intersatellitari è anche possibile comunicare tra diversi IS3 situati a distanza di diverse decine di chilometri l'uno dall'altro in una qualsiasi regione dello spazio.

Esistono numerosi sistemi di comunicazione satellitare domestici con veicoli spaziali in orbite geostazionarie, ellittiche e circolari basse, simili ai sistemi stranieri.

Finora per i sistemi in orbita bassa erano riservate frequenze radio nell'intervallo 0,3...0,4 GHz. Ma poiché qui operano principalmente diversi servizi radioelettronici, in futuro difficilmente sarà possibile ottenere bande per nuove reti di comunicazione satellitare. Pertanto, nei ripetitori IC3 in orbita bassa si propone di utilizzare segnali pseudo-casuali a banda larga per evitare interferenze con altri trasmettitori e, a loro volta, non interferire con il loro funzionamento. Con questo metodo di trasmissione la velocità nel canale parziale può essere di 4,8 kbit/s e tenendo conto della codifica resistente al rumore - 2,4 kbit/s. Viene considerato l'uso della gamma MMV in tali sistemi.

Pertanto, la necessità di aumentare la capacità e l’efficienza complessiva dei sistemi di comunicazione è stata una delle ragioni per lo sviluppo della gamma di frequenza superiore a 30 GHz. Le potenzialità potenziali dei sistemi nell'intervallo di frequenza specificato sono stimate in 10mila canali di comunicazione con una velocità minima di trasmissione delle informazioni in ciascun canale di almeno 2 Mbit/s. Si prevede che nel 2000 la sola rete di comunicazioni satellitari Intelsat fornirà circa 750mila canali telefonici, ovvero 15 volte superiori alle capacità del sistema nelle bande 6...4 e 14...12 GHz.

I problemi tecnici legati all'utilizzo della banda MW nelle comunicazioni via satellite comprendono lo studio di metodi per organizzare la ricezione della diversità nelle stazioni di terra durante la trasmissione di informazioni digitali a una velocità di 1 Gbit / s, lo sviluppo di interruttori in ferrite affidabili e matrici di commutazione per ripetitori di bordo, nonché la creazione di antenne multiraggio migliorate con maggiore precisione nella realizzazione dei progetti degli elementi. La risoluzione di questi problemi consentirà di raggiungere un'elevata efficienza dei sistemi satellitari quando operano nella gamma 50...40 GHz e quando si organizzano le comunicazioni intersatellitari anche nella gamma di frequenze fino a 60 GHz. In futuro sarà possibile utilizzare anche parti dello spettro con frequenze più elevate.

Di notevole interesse sono le linee di comunicazione radio e di trasmissione delle informazioni di bordo progettate per funzionare nella gamma millimetrica. In futuro forniranno una velocità di trasmissione di 3...5 Gbit/s ed un'elevata affidabilità operativa (circa 0,99998). Pertanto, per un collegamento radio inclinato con una capacità di 3 Gbit/s, una portata di 20 km, con le dimensioni delle antenne paraboliche a bordo dell'aereo di 0,2...0,5 m e sulla Terra nel punto di ricezione di 1 m, con una figura di rumore del ricevitore di terra ~15 dB, peso e volume ridotti delle apparecchiature di bordo, la potenza del dispositivo di trasmissione di bordo sarà compresa tra 0,1 e 100 W. Considerando lo stato attuale della tecnologia MMV, gli indicatori energetici e i requisiti per l'attrezzatura di un tale collegamento radio sono abbastanza fattibili.

L'uso di MMW su reti cellulari. Negli ultimi anni, i paesi sviluppati del mondo hanno visto progressi significativi nella creazione e nell’applicazione di sistemi di comunicazione mobile nelle aree urbane e rurali. Un aumento senza precedenti del volume, della velocità e della qualità della trasmissione di varie informazioni è stato raggiunto non solo su scala di un singolo paese, ma anche su paesi situati in diversi continenti. Ciò è diventato possibile grazie allo sviluppo dell'elettronica a stato solido, della microelettronica, della fotonica, dell'acustoelettronica e dei sistemi di comunicazione satellitare.

Tuttavia, l'uso massiccio di onde radio decimali e ancor più metriche nei sistemi di comunicazione urbana crea una serie di difficoltà nella progettazione dei sistemi ricetrasmettitori e antenne-guida d'onda, aumenta il livello di interferenza elettromagnetica reciproca e limita la banda delle frequenze trasmesse, che porta ad un aumento delle distorsioni nella trasmissione delle informazioni.

Un’ulteriore espansione della diffusione delle reti di comunicazione cellulare nelle città è ovviamente impossibile senza l’uso delle onde millimetriche. La fattibilità del passaggio a MW nei sistemi cellulari è confermata dai risultati degli studi condotti nei laboratori dell'Istituto di radioingegneria ed elettronica dell'Accademia russa delle scienze.

La sistematizzazione e l'analisi dei risultati della ricerca portano alla conclusione ottimistica che in condizioni urbane difficili è possibile prevedere le caratteristiche più importanti del campo elettromagnetico a distanze da diverse centinaia di metri a decine di chilometri dalla sorgente di radiazione. Tale previsione può essere effettuata con metodi statistici utilizzando una mappa topografica della città basata su dati sulla densità degli edifici, altezze e dimensioni orizzontali degli edifici, materiali da costruzione con cui sono costituiti i muri, nonché tenendo conto della disposizione urbana aree, terreno e posizione dei sistemi di antenne. Sono stati inoltre sviluppati metodi per calcolare le caratteristiche del campo durante la progettazione di linee di comunicazione in condizioni urbane utilizzando database informatici. Consentono di calcolare le caratteristiche energetiche, la distribuzione dei parametri del campo di polarizzazione, nonché di classificare le caratteristiche statistiche delle interferenze radio nei canali di comunicazione mobile urbana.

In particolare, supponendo che la potenza del trasmettitore (Rizl) sia 5...10 mW, la sensibilità del ricevitore sia ~10 W nella banda di 1 MHz, il guadagno dell'antenna sia di circa 15 dB su un'onda di 5 mm e prendendo il segnale- rapporto rumore ~10, possiamo stimare l'intervallo minimo dell'effetto del legame sul campo magnetico, tenendo conto dei centri di assorbimento risonante nell'acqua e nel vapore di ossigeno (Fig. 1). Anche nelle peggiori condizioni di propagazione, la lunghezza di tale linea è sempre superiore a 0,5 km, il che soddisfa i requisiti per tali sistemi di comunicazione.

Onde millimetriche nei sistemi di comunicazione

Considerando l'attuale livello di sviluppo della tecnologia dei semiconduttori e lo stato di sviluppo dei circuiti microelettronici, esiste una reale opportunità di utilizzare vari ricetrasmettitori domestici, nonché sistemi di guida d'onda d'antenna per linee di trasmissione di informazioni a breve distanza in ambienti urbani.

Possono diventare componenti affidabili dei sistemi di comunicazione cellulare con stazioni base in determinate regioni. Con la produzione di massa, il costo di tali sistemi su MW potrebbe essere abbastanza paragonabile a quelli esistenti su onde UHF e metriche.

Inoltre, in condizioni urbane risolveranno completamente il problema dell'aria affollata e creeranno una reale opportunità per aumentare il volume dei messaggi trasmessi, almeno di un ordine di grandezza o più. Si tratta, ad esempio, di utilizzare le stesse frequenze per trasmettere messaggi attraverso i cosiddetti sistemi microcellulari e picocellulari nelle aree urbane e suburbane. La ricerca ha dimostrato un altro importante vantaggio derivante dall’utilizzo di MMV. Non hanno un effetto dannoso sugli esseri umani nelle stanze in cui sono installati i ricetrasmettitori, come si nota quando si utilizzano apparecchiature a onde decimali e metriche.

Nella fig. La Figura 2 presenta un esempio dell'uso di sistemi di comunicazione microcellulari e picocellulari nelle aree urbane e suburbane. La stazione base A comunica tramite reti macrocellulari B, C, D, D, E, che garantiscono lo scambio di informazioni con oggetti di comunicazione mobile. Le microcelle bec disponibili in città sono destinate alla comunicazione con oggetti fissi, mentre le microcelle 1, 2, 3...9 nell'edificio industriale Z operano sui singoli piani.

Onde millimetriche nei sistemi di comunicazione

I dispositivi ricetrasmittenti di laboratorio e industriali e lo stato dell'elemento base ispirano fiducia nella possibilità di uso pratico di MMV nei sistemi cellulari considerati in condizioni urbane.

Linee a campata singola di relè radio su MMV. Recentemente è nata la necessità di organizzare linee di comunicazione a campata singola altamente affidabili progettate per la trasmissione della telefonia multicanale, nonché per lo scambio di dati tra computer e dispositivi periferici. Per questi scopi sono particolarmente adatte le linee relè radio della serie MMV. Hanno un'elevata immunità al rumore, dimensioni e peso ridotti, elevata produttività e basso consumo energetico. Tali sistemi includono una stazione ricetrasmittente duplex (TPS), operante nella gamma 42,5...43,5 GHz e progettata per organizzare linee di ripetitori radio digitali a campata singola lunghe fino a 5 km con una velocità di trasmissione delle informazioni di 8,448 Mbit/s (129 canali telefonici). Per la trasmissione delle informazioni viene selezionata la modulazione di frequenza con un indice di modulazione pari a uno. La distanza di frequenza tra i canali di ricezione e trasmissione, nonché il valore della frequenza intermedia, è di 480 MHz, il che consente, da un lato, di fornire la necessaria quantità di isolamento tra i canali e, dall'altro, di organizzare regolazione automatica della frequenza rispetto all'oscillatore locale stabilizzato del ricevitore.

Con un'attenuazione totale di 170 dB su una linea radio lunga 5 km, la stazione funzionerà normalmente se il guadagno dell'antenna del ricetrasmettitore non è inferiore a 40 dB, la potenza del trasmettitore è di 30...50 mW e la figura di rumore del ricevitore non è superiore a 13 dB.

Lo schema a blocchi di tale corpo docente è mostrato in Fig. 3. Comprende le seguenti unità funzionali: antenna parabolica a due specchi 1 con diametro di 300 mm; banda passante della guida d'onda che riceve 2 e trasmette 4 filtri a microonde; separatore di polarizzazione 3 (orizzontale E e verticale H); miscelatori del canale di ricezione 5 e del canale AFC 6 su diodi con barriera Schottky, operanti sulla quarta armonica dell'oscillatore locale; Generatore di microonde basato sul diodo Gunn 7 con sintonia a frequenza varacore; IF preliminare sui transistor bipolari al silicio 8; generatore di microonde a transistor 9, stabilizzato da un risonatore dielettrico; rilevatore di frequenza del canale AFC 10; trasmettitore modulatore amplificatore video 11 e modulo rilevatore di frequenza 12. Questo modulo è realizzato su un unico circuito stampato in fibra di vetro ed è composto da un amplificatore principale con controllo automatico del guadagno 13, un rilevatore di frequenza sui circuiti non sintonizzati 14 e un amplificatore video 15. Un'alimentazione secondaria l'alimentatore 16 prevede la conversione di una tensione continua di +60 V in tensioni stabilizzate +12 V, -12 V e +5 V, necessarie per alimentare le unità funzionali della stazione.

Onde millimetriche nei sistemi di comunicazione

L'antenna parabolica, i dispositivi ricetrasmittenti e la fonte di alimentazione secondaria sono strutturalmente collocati in un contenitore cilindrico sigillato con un diametro di 300 mm e una lunghezza di 250 mm. Le caratteristiche di peso e dimensioni ridotte del PPS consentono nella maggior parte dei casi di abbandonare la costruzione di strutture speciali per alberi.

Gli esempi sopra riportati dell'uso di MMV nei sistemi di comunicazione non esauriscono il problema del loro uso pratico. Hanno senza dubbio un grande futuro nel campo delle comunicazioni e delle applicazioni a banda larga, nei punti terrestri per la comunicazione con IS3 e nei sistemi di comunicazione intersatellitare e di bordo, nonché per l'organizzazione delle comunicazioni a banda larga nelle città e nei paesi, compresi linee di trasmissione dell'informazione picocellulari.

Autori: R. Bystrov, dottore in ingegneria. Scienze, prof., A. Sokolov, dottore in ingegneria. Scienze, prof., Mosca

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