《电子技术应用》

毫米波通信的特点及前景

2017/11/13 5:00:00

毫米波的波长从10毫米至1毫米、频率从30吉赫(GHz)至300吉赫(GHz)的电磁波称为毫米波,利用毫米波进行通信的方法叫毫米波通信。毫米波通信分毫米波波导通信和毫米波无线电通信两大类。

传播特性

通常毫米波频段是指30GHz~300GHz,相应波长为1mm~10mm。毫米波通信就是指以毫米波作为传输信息的载体而进行的通信。目前绝大多数的应用研究集中在几个“大气窗口”频率和三个“衰减峰”频率上。

1)是一种典型的视距传输方式

毫米波属于甚高频段,它以直射波的方式在空间进行传播,波束很窄,具有良好的方向性。一方面,由于毫米波受大气吸收和降雨衰落影响严重,所以单跳通信距离较短;另一方面,由于频段高,干扰源很少,所以传播稳定可靠。因此,毫米波通信是一种典型的具有高质量、恒定参数的无线传输信道的通信技术。

2)具有“大气窗口”和“衰减峰”

“大气窗口”是指35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz频段,在这些特殊频段附近,毫米波传播受到的衰减较小。一般说来,“大气窗口”频段比较适用于点对点通信,已经被低空空地导弹和地基雷达所采用。而在60GHz、120GHz、180GHz频段附近的衰减出现极大值,约高达15dB/km以上,被称作“衰减峰”。通常这些“衰减峰”频段被多路分集的隐蔽网络和系统优先选用,用以满足网络安全系数的要求。

3)降雨时衰减严重

与微波相比,毫米波信号在恶劣的气候条件下,尤其是降雨时的衰减要大许多,严重影响传播效果。经过研究得出的结论是,毫米波信号降雨时衰减的大小与降雨的瞬时强度、距离长短和雨滴形状密切相关。进一步的验证表明:通常情况下,降雨的瞬时强度越大、距离越远、雨滴越大,所引起的衰减也就越严重。因此,对付降雨衰减最有效的办法是在进行毫米波通信系统或通信线路设计时,留出足够的电平衰减余量。

4)对沙尘和烟雾具有很强的穿透能力

大气激光和红外对沙尘和烟雾的穿透力很差,而毫米波在这点上具有明显优势。大量现场试验结果表明,毫米波对于沙尘和烟雾具有很强的穿透力,几乎能无衰减地通过沙尘和烟雾。甚至在由爆炸和金属箔条产生的较高强度散射的条件下,即使出现衰落也是短期的,很快就会恢复。随着离子的扩散和降落,不会引起毫米波通信的严重中断。

毫米波通信的研究现状

当前的毫米波通信系统主要包括地球上的点对点通信和通过卫星的通信或广播系统。现在地球上的点对点毫米波通信一般用于对保密要求较高的接力通信中。毫米波本身就具有很强的隐蔽性和抗干扰性,同时由于毫米波在大气中的衰减和使用小口径天线就可以获得极窄的波束和很小的旁瓣,所以对毫米波通信的截获和干扰变得非常困难。

1、毫米波地面通信

毫米波地面通信系统的传统应用是接力 ( 中继)通信。毫米波传播的大量试验表明,利用多跳的毫米波接力(中继)通信是可行的。为了减少风险,首先从毫米波频段的低端和厘米波频段的高端入手。在开发高频段大容量通信系统的同时, 更高频段的中、低容量短程毫米波通信设备也相继出台。

到 20 世纪 90 年代,迎来了全球信息化的浪潮。因特网迅猛发展,交互多媒体业务、宽带视频业务以及专用网络和无线电通信的业务量的急剧增长,迫切需要提高传输速率、传输带宽和传输质量。用户对宽带接入的需求日益强烈,推动了各种宽带接入网络和设备的研发,利用毫米波的无线宽带接入技术应运而生。

2、毫米波卫星通信

由于丰富的频率资源,在卫星通信中毫米波通信得到了迅速发展。例如,在星际通信时一般使用5mm(60GHz)波段,因为在此频率处大气损耗极大,地面无法对星际通信内容进行侦听。而在星际由于大气极为稀薄,不会造成信号的衰落。美国的“战术、战略和中继卫星系统”就是一个例子。该系统由五颗卫星组成,上行频率为44GHz,下行频率为20GHz,带宽为2GHz,星际通信频率为60GHz。

与其他通信方式相比, 卫星通信的主要优点是:

a)通信距离远,建站成本与通信距离无关。

b)以广播方式工作, 便于实现多址连接。

c)通信容量大, 能传送的业务类型多。

d)可以自发、 自收、 监测等。

20 世纪 70~80 年代,卫星通信大多是利用对地静止轨道(又称同步轨道)进行的。到20 世纪90 年代以后,利用中、低轨道的卫星通信系统纷至沓来。但是在大容量通信服务方面,利用对地静止轨道的卫星通信系统仍然是唱主角的。据统计,20 世纪90 年代的10 年间,发射送入同步轨道上的通信卫星多达200 颗,其中C波段的最多,Ku 波段的次之。由此带来的卫星通信频谱拥挤问题也日益突出,向更高频段推进已成为必然趋势。

实际上早在 20 世纪 70 年代初, 就已经开始了毫米波卫星通信的实验研究。此领域大部分开发工作在美国、前苏联和日本进行。到 20 世纪 80 年代末至 90 年代,除了推出继续用于范围更广、内容更多的毫米波频段实验卫星外,开始出现了实用化的Ka 波段卫星通信系统。需要指出的是,其中许多卫星采用了一系列先进的技术,包括多波束天线、星上交换、星上处理和高速传输等。

3、毫米波通信在电子对抗中的应用

军事上的需要是推动毫米波系统发展的重要因素。目前, 毫米波在雷达、 制导、 战术和战略通信、 电子对抗、 遥感、 辐射测量等方面得到了广泛应用。其中战略通信与电子对抗是非常重要的应用方向。电子对抗是指敌对双方均利用电子设备或器材所进行的电磁斗争, 是现代化战争中的一种重要手段。

随着毫米波雷达和制导系统的发展, 相应的电子对抗手段也发展起来。现代战争除去强火力和高密度外, 一个重要的特点就是整个战斗是在激烈的电子对抗中进行的。因此, 要求通信设备必须具有很强的抗干扰能力, 而毫米波在这方面表现出明显的优势。例如, 选择 60GHz、 120GHz、 200GHz 三个“ 衰减峰” 频段上的舰对舰的毫米波通信,利用这些频段上信号严重衰减的特点, 可极大提高舰对舰之间通信的抗干扰和抗截获能力。国外还大力开展了毫米波频段的测向机、 干扰机和信号分析器等电子对抗设备的研制。

毫米波波束很窄, 天线的旁瓣可以做得很低,使侦察和有源干扰都比较困难, 因此, 无源干扰在毫米波段有较大的发展。对 35GHz 以下的毫米波,目前最常用的干扰手段就是投放非谐振的毫米波箔条和气溶胶, 对敌方毫米波雷达波束进行散射,它可以干扰较宽的频段而不必事先精确测定敌方雷达的频率。除此之外, 也还可以利用爆炸、 热电离或放射性元素产生等离子体, 对毫米波进行吸收和散射, 以干扰敌方雷达。

现役的多数雷达侦察、告警系统的频率覆盖范围均已扩展到0.5GHz~40GHz。据报道, 美国的电子对抗设备中部分雷达侦察设备频率可达到110GHz, 正在向 300GHz 发展。雷达告警设备频率已扩展到 40GHz~60GHz, 北约正研制一种车载毫米波告警设备, 频段为 40GHz~140GHz。此外, 通信侦察频段覆盖 10GHz 毫米波段, 通信干扰部分40GHz 以下已实用化, 正在向 110GHz 发展。在毫米波段还可以利用隐身技术。在对付有源毫米波雷达时, 同在微波波段一样, 可以采用减小雷达截面的外形设计, 或者在表面涂敷铁氧体等毫米波吸收材料, 以减小反射波的强度。对于通过检测金属目标的低毫米波辐射与背景辐射之间的反差来跟踪目标的无源雷达, 则要在目标表面涂敷毫米波辐射较强的伪装物, 使其辐射和背景辐射基本相等, 从而使目标融合于背景中。

总之,毫米波通信应用于军事上是非常必要和有重大意义的, 是很有发展前途的通信手段,具有波束窄、数据率高、电波隐蔽、保密和抗干扰性能好、开设迅速、使用方便灵活以及全天候工作的特点。除了应用于电子对抗领域外,军用毫米波通信的应用包括远(外空间)近(大气层)距保密通信、快速应急通信、对潜通信、卫星通信、星际通信、微波干线上下山的走线和电缆中断抢通设备等

毫米波通信前景展望

毫米波通信技术是一个典型的军民两用技术。在军事领域中可以应用于星际间通信或中继、毫米波频段的保密通信和毫米波敌我识别系统等;而在民用领域可以应用于宽带多媒体移动通信系统、测量雷达、车船防撞、地形测绘、射电天文、以交互式大容量电视广播及卫星的毫米波链路系统等诸多方面,并将进一步扩大其市场。

总之,国内、外在毫米波通信领域进行了大量的研究工作,内容涉及了从基础传播理论到实际系统应用的方方面面,这些都充分说明了毫米波通信是一种很有发展前景的无线通信技术。


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