Fale milimetrowe - właściwości i aplikacje

Na propagację fal milimetrowych ma wpływ kilka zjawisk. Takim jest tłumienie sygnału w wolnej przestrzeni (free space path loss, FSPL). Jest ono odwrotnie proporcjonalne do kwadratu długości fali, zgodnie z następującą zależnością:

gdzie d to odległość między dwoma antenami w metrach, a λ to długość fali również wyrażona w metrach. Jak wynika z tego wzoru, na przykład 10-krotne zmniejszenie długości fali spowoduje aż 100-krotny wzrost tłumienia w wolnej przestrzeni. Dlatego tłumienie na falach milimetrowych jest o wiele rzędów wielkości większe niż niższych częstotliwości komunikacyjnych, na których działa na przykład radio FM lub Wi-Fi.

Kolejnym ograniczeniem fal milimetrowych jest tłumienie atmosferyczne. W tym zakresie długości fal występuje dodatkowe silne tłumienie spowodowane obecnością gazów atmosferycznych, przede wszystkim cząsteczek tlenu i pary wodnej. Jak wynika z rysunku 1, dla niektórych częstotliwości może być ono znaczące – przykładem jest częstotliwość 60 GHz. Deszcz zwiększa tłumienie w całym paśmie.

W przypadku dłuższych fal często wykorzystuje się bezpośrednie odbicie sygnału, aby polepszyć jakość transmisji w obecności przeszkód. Niestety fale milimetrowe wiele powierzchni rozprasza zamiast odbijać. Przez to mniej energii sygnału dociera do anteny odbiorczej. Dlatego przeszkody znacząco pogarszają jakość transmisji. Fale milimetrowe w rezultacie najlepiej sprawdzają się w transmisji przy bezpośredniej widoczności między anteną nadawczą i odbiorczą.

W ten sposób omijane jest także kolejne ograniczenie ekstremalnie wysokich częstotliwości, które polega na tym, że nie wnikają one ani nie przenikają przez większość materiałów. Przykładowo w przypadku popularnych materiałów budowlanych tłumienie waha się od około 1 do 6 dB/cm, a straty przy przenikaniu przez ceglaną ścianę dla częstotliwości 70 GHz są aż pięciokrotnie większe niż dla częstotliwości 1 GHz. Większość pasma fal milimetrowych jest też blokowana przez liście.

W wielu zastosowaniach silne tłumienie w wolnej przestrzeni i atmosferyczne, odbicia rozproszone i ograniczona penetracja fal milimetrowych dyskwalifikują je. Okazuje się jednak, że w pewnych sytuacjach z wad wymienione cechy ekstremalnie wysokich częstotliwości stają się ich zaletami.

Zalety fal milimetrowych

Szersze pasmo zapewnia większą maksymalną prędkość transmisji. To pozwala na równoczesną obsługę większej liczby kanałów komunikacji przy określonej prędkości transmisji albo przesłanie większej ilości danych w ramach jednego łącza. Niższe częstotliwości są w większości intensywnie wykorzystywane i dlatego nie zapewniają tak pożądanych dużych szerokości pasma.

Przykładowo w specyfikacji sieci 5G maksymalna szerokość pasma kanału wynosi zaledwie 100 MHz poniżej 6 GHz, ale już do 400 MHz w pasmach powyżej 24 GHz. W miarę rozwoju sieci piątej generacji można oczekiwać jeszcze szerszych przedziałów w zakresie fal milimetrowych.

To właśnie ze względu na szerokie pasma i duże prędkości transmisji danych ekstremalnie wysokie częstotliwości od dawna są wykorzystywane w komunikacji satelitarnej na częstotliwościach 27,5 GHz i 31 GHz. Postęp w technologii obwodów wysokiej częstotliwości dzięki nowym materiałom jak węglik krzemu obniżającym koszty produkcji oraz poprawiającym ich parametry sprawia, że komunikacja na falach milimetrowych upowszechnia się też w zastosowaniach konsumenckich, jak sieci 5G.

Mniejsze opóźnienia, kształtowanie wiązki

Dzięki większym częstotliwościom fal milimetrowych można przesłać więcej danych w krótszym czasie. Dlatego w przypadku stałego rozmiaru pakietu spodziewać się można mniejszych opóźnień niż w komunikacji na niższych częstotliwościach. Małe opóźnienia są kluczowe w komunikacji w systemach automatyki przemysłowej, bezprzewodowych urządzeniach rzeczywistości wirtualnej, pojazdach autonomicznych.

Jedną z najważniejszych zalet fal milimetrowych są mniejsze anteny. Przykładowo przy przejściu z częstotliwości transmisji 24 na 77 GHz, czyli po ponad trzykrotnym zmniejszeniu długości fali, powierzchnię układu antenowego można zmniejszyć ponad dziewięciokrotnie. Dodatkowo dzięki mniejszym rozmiarom anten w danej przestrzeni można ich pomieścić więcej. Dzięki temu z kolei można zrealizować układ antenowy z możliwością adaptacyjnego kształtowania wiązki. Ta technika pozwala dynamicznie, w zależności od liczby użytkowników oraz ich lokalizacji względem anteny nadawczej, skupiać wypromieniowaną energię w kierunku poszczególnych odbiorców, poprawiając jakość sygnału i zwiększając zasięg.

Ograniczony zasięg, rozproszone odbicia i ograniczona głębokości penetracji fal milimetrowych mogą być w pewnych okolicznościach zaletami. Cechy te na przykład pozwalają na rozmieszczenie wielu małych komórek sieci bardzo blisko siebie bez obawy o to, że będą się wzajemnie zakłócały. Dzięki temu dane pasmo jest efektywniej wykorzystywane, co umożliwia obsługę większej liczby odbiorców na danym obszarze.

Przykłady aplikacji

Przez lata głównym zastosowaniem transmisji na falach milimetrowych były radary lotnicze. Dzięki szerokiemu pasmu sprawdzały się lepiej niż inne zakresy fal w określaniu odległości do obiektu, w rozróżnianiu dwóch odległych obiektów, które są blisko siebie w pomiarze prędkości względnej do celu. Dlatego radary pracujące w zakresie pasmie milimetrowych wykorzystuje się też w systemach wspomagania kierowcy, m.in. w adaptacyjnym tempomacie oraz wykrywaniu martwego pola. Możliwość szybkiego i dokładnego pomiaru odległości oraz prędkości będzie również kluczowa dla rozwoju technologii pojazdów autonomicznych.

Fale milimetrowe są także wykorzystywane w skanerach ciała. Są one zbudowane z matryc anten, które pracują w zakresie częstotliwości od 70 GHz do 80 GHz i emitują tylko około 1 mW mocy. Fale milimetrowe przechodzą przez większość odzieży i odbijają się od skóry i innych powierzchni. Odebrany sygnał jest wykorzystywany do stworzenia szczegółowego obrazu prześwietlanej osoby i ujawnienia przedmiotów ukrytych pod ubraniem. Mała moc i ograniczona głębokość penetracji fal milimetrowych zapewniają bezpieczeństwo osób badanych.

Systemy satelitarne od dawna komunikują się w zakresie fal milimetrowych, korzystając z takich ich zalet jak szerokie pasmo, małe opóźnienia, małe anteny i kształtowanie wiązki w układzie wielu anten. Te cechy sprawiają też, że wiele naziemnych sieci telekomunikacyjnych wykorzystuje fale milimetrowe. Na przykład dzięki większej przepustowości fale milimetrowe mogą obsługiwać bezprzewodową transmisję wideo o ultrawysokiej rozdzielczości. Ponadto mniejsze anteny łatwiej zintegrować z urządzeniami takimi jak smartfony, cyfrowe dekodery, stacje do gier. Wprowadzane są nowe standardy, które wykorzystują fale milimetrowe, jak 5G oraz IEEE 802.11ad WiGig z szybkościami transmisji rzędu Gb/s. Zalety ekstremalnie wysokich częstotliwości zauważalne będą zwłaszcza w komunikacji w budynkach i generalnie w środowisku miejskim, gdzie przestrzenne i adaptacyjne kształtowanie wiązki fal milimetrowych zapewni łączność o dużej przepustowości dużej liczbie użytkowników.

Monika Jaworowska