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毫米波通信的崛起之路

毫米波通信的崛起之路

 

 

随着微电子、光电子技术及纳米技术的飞速发展,卫星通信、遥感技术和全球定位系统、宽频带高速数字综合通信网络、信息压缩与高速传输技术、人工智能技术、多媒体技术和虚拟现实技术等前沿技术不断取得进展,人类将逐步地***进入信息时代。

20世纪是人类历史上科技发展***为辉煌的时代,也是信息技术大显身手的年代。在世纪之交,人们对信息业务的要求愈来愈高,打电话要闻声见影;召开会议与会者虽远隔千里,如晤一室;看电视,图像要比宽银幕电影还要清晰……发展诸如此类大容量的信息业务,在电通信领域,单靠微波接力通信、同轴电缆通信等通信手段是远远不够的。怎样才能解决这些矛盾?“向更高的频率进军”不失为是一种良策。因为只有将传输频率提高,才能使工作频段更宽,通信容量更大。毫米波无线电通信正是在这种情况下东山再起,独树一帜。

说它东山再起,是因为早在20世纪40年代,科学家们就开始对毫米波无线电通信进行过研究,到了50年代,采用电子管作无线电毫米波发生器和放大器研制成功,但由于工作可靠性差、寿命短,而且造价昂贵,没有走出实验室就进了博物馆。毫米波无线电通信未曾得到实际应用。

20世纪70年代,由于毫米波集成电路和毫米波固体器件的研制成功并获得批量生产,生产成本日趋下降,使得毫米波无线电通信获得转机,犹如枯木逢春得到蓬勃发展。

无线电毫米波的波长为10毫米~1毫米,它的对应频率为30吉赫~300吉赫(1吉=109)。科学实验表明,当毫米波沿空间传播时,由于受大气的影响,有的频率衰减得小,有的则大。因为水汽和氧分子的吸收作用,在60、120、180吉赫频率附近传输衰减出现极大值,称为“衰减峰”,相比之下,35、95、140、220吉赫频率附近传输衰减较小,称为“大气窗口”。

因为毫米波频率很高,用它作传输媒质进行通信,哪怕仅仅是它其中的一小部分,其通信容量都将是非常可观的。假设在30吉赫至300吉赫的频段内择其前面的一小部分,即30吉赫至100吉赫,则它的工作频带已达到70吉赫。这个频率范围比微波接力通信和同轴电缆通信等的工作频段的总和还要宽100倍之多,这无疑为发展多种信息业务提供了一个广阔的天地。毫米波通信正是顺应信息时代的到来而涌现出的一种新颖别致的通信方式。

按照电磁波大家族的族系划分,毫米波原本归属于微波门庭。但由于微波通信(微波接力通信和卫星通信)的工作频段大多使用在厘米波(频率为3~30吉赫,波长为10~1厘米)和分米波(频率300~3000兆赫,波长10~1分米)范围,因此,通常将毫米波从微波波段中单独分离出来,成为独树一帜、发展势头看好的通信手段。

有人这样形容毫米波通信:如果说微波通信是40年代早晨八九点钟的太阳,那么,毫米波通信则是90年代早晨八九点钟的太阳。 毫米波通信按其传输方式的不同,可以分为毫米波无线电通信和毫米波有线电通信两大类。毫米波无线电通信又可分为地面无线电通信和空间无线电通信。毫米波有线电通信则是以波导传送30~120吉赫电磁波的通信。

毫米波无线电通信与传统的无线电短波、超短波和微波通信相比,具有不少独特之处。由于毫米波是以微波和光波作左右邻(它的波长介于微波和光波之间),因此兼有微波和光波的某些优长。通信设备的体积很小,可利用小巧尺寸的天线获得很高的方向性,便于通信的隐蔽和保密。毫米波在传播过程中受杂波影响小,对尘埃等微粒穿透能力强,通信比较稳定。

毫米波属于“极高频”(EHF)频段,在庞大的电磁波家族中,它的频率仅次于“至高频”。从工作频段看,目前大多选在38吉赫、60吉赫和90吉赫。毫米波是以极窄的直射波在空间传播,具有很好的电波掩蔽性,是一种不可多得的低截收概率通信。

毫米波的传输频带很宽,其频段是无线电短波、超短波和微波频段总和的十几倍,由于载频很高,瞬时射频频带可以做得很宽,因此,通信容量很大。目前,卫星通信系统的上行/下行频率(无线电波从卫星通信地球站射向通信卫星叫“上行线路”;从通信卫星射向卫星通信地球站称“下行线路”)大多采用4/6或12/14吉赫频段,这些频段的使用已接近饱和,而每颗卫星的通话路数只有几千个,倘若采用毫米波频段,则一下子就可增至几万以至几十万个话路。毫米波除用于地面与卫星通信外,还特别适合于卫星与卫星之间的通信,是一条理想的星际链路。在茫茫的外层空间,毫米波能量几乎不受到衰减,因此只需的功率就可实现远距离通信,这对军事空间通信十分有利。

毫米波不仅是空间通信的良好传输媒质,在海洋通信中也可一显身手。长期以来,潜艇指挥通信一直是困扰科学家们的问题。潜艇通信***怕暴露目标,如果潜艇浮到海面进行通信,很容易被敌方反潜武器发现。因为毫米波通信设备(包括天线)体积很小,可以将它直接装在潜艇的潜望镜上,只要将潜望镜露出海面就可以通过卫星进行高速通信,不影响潜艇的隐蔽。

毫米波不仅适用于两固定点之间的通信,在移动通信中同样有用武之地。***近,日本在列车上首次试用了毫米波通信并获得了成功。他们在列车的前端设置毫米波通信设备(小型发信机和收信机),与各车站、沿线的地面通信局内的毫米波收发信机互相联通,利用这套互联系统,不仅可以传输话音信息,而且能使信息的传输量比过去增加10倍多。此外,列车毫米波通信系统在图像和高速数字通信等大容量传送信息方面也能发挥作用。

毫米波无线电通信以其宽频带、大容量和高速率的优势,自然赢得了“信息高速公路”设计者的青睐。在这一方面,毫米波波导通信也不示弱,而且在某些方面还优于毫米波无线电通信。

毫米波在大气中传播时,由于水汽、氧分子对它的吸收作用,能量要受到衰减。其中,降雨所引起的衰减***为严重,有时一阵暴雨就可能使通信中断,因此传输可靠性差。此外,雨、雪和雾也对毫米波有散射作用,从而不同程度地破坏了毫米波的定向传输特性。因此,毫米波通信通常不是一种全天候的通信方式。它大都用于近距离点对点的保密通信和卫星通信。日本等国就曾将工作在毫米波频段的试验卫星送入了同步轨道。

有什么办法使毫米波不受大气衰减影响,用于长途通信干线呢?早在20世纪初,科学家们透过“管子能传声”(声波)的现象,从理论上推断出在金属管内能传送电磁波。1936年,科学家用一根内径为12.5厘米的圆柱状金属管将波长为9厘米的电磁波传送了260米远。虽然,当时还不是毫米波(波长为9厘米的电磁波为“厘米波”),而且传播距离也不远,但它破天荒地证实了金属管的确能传递电磁波的设想。这个实验为实现毫米波波导通信从理论和实践上都打下了基础。这种能传播电磁波的金属管子就叫做“波导管”,简称波导。利用波导以电磁波的形式传递信息,就称作“波导通信”。如果电磁波的频段是毫米波,就是“毫米波波导通信”。

毫米波波导通信是一种特殊的通信方式,它兼具有线电通信和无线电通信的特点。因为波导是有形的物体,在作用上与电线、电缆等传输媒质没有什么两样,可以看做是有线电通信;而毫米波又是一种无形的物质,用它载送信息,与一般的无线电通信在本质上没有什么区别,因此,毫米波波导通信可以认为是有线电通信与无线电通信的“联姻”,是“‘有线'的无线电通信”。

在毫米波波导通信中,因为电磁波是被束缚在波导管内的特定空间中传播的,因此,比较安全、保密、可靠,抗干扰能力强,不易受大气衰减的影响;毫米波沿波导传播,衰耗小,传输距离远,一般每隔四五十千米设置一个中继接力站,与微波接力距离相近;加上它传输频率很高,通信容量很大,可作为大容量通信干线。随着“信息高速公路”的兴建,毫米波波导通信这门新兴的技术将会得到迅速的应用与发展。

 


 

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