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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Ondes millimétriques dans les systèmes de communication. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Radiocommunications civiles À notre époque, il existe un processus rapide de développement de systèmes et de moyens de communication, le développement de bandes d'ondes radio traditionnelles et non traditionnelles, y compris les fréquences micro-ondes, y compris les ondes millimétriques (MMW). Et bien que cette gamme soit relativement jeune par rapport à d’autres qui sont maîtrisées depuis longtemps, il est désormais généralement admis que la bande de fréquences occupée par le MMW dépasse largement celles dont disposait jusqu’ici l’humanité. Pendant longtemps, les IMF ont été considérés comme impropres à une utilisation pratique, car il n'existait aucun moyen techniquement avancé de générer, de recevoir et d'égoutter les oscillations micro-ondes, il n'y avait pas de base d'éléments nécessaire et les lois de propagation des IMF dans l'atmosphère terrestre inhomogène n'étaient pas bonnes. étudié. De plus, il est sans aucun doute intéressant d'examiner la tendance au développement et à l'application de systèmes de communication millimétriques à diverses fins, qui se reflètent dans de nombreuses publications nationales et étrangères. La création de systèmes de communication dans la gamme des ondes millimétriques s'appuie sur des recherches scientifiques sur la propagation de ces ondes et sur le développement de principes et de moyens de génération et de réception de signaux hyperfréquences à des fréquences supérieures à 30 GHz. D'éminents scientifiques et spécialistes de nombreux pays du monde, dont la Russie, ont apporté une contribution significative à la recherche théorique et expérimentale dans le domaine de la propagation du MMW. Et aujourd'hui encore, la théorie et la pratique révèlent de plus en plus de nouveaux avantages liés à l'utilisation de MMW, en particulier dans les systèmes de communication. Il s'agit tout d'abord d'une augmentation du volume et de la vitesse de transmission des informations, de la propagation de ces ondes dans un état environnemental défavorable, d'un gain d'antenne élevé avec une petite ouverture et d'une immunité accrue au bruit. Cependant, lorsque l'IMW se propage, le signal est affaibli dans les gaz atmosphériques et les hydrométéores, ainsi que par la dépolarisation du rayonnement, les changements d'amplitude et de phase. De plus, l'atténuation du signal dans l'atmosphère a tendance à augmenter avec la fréquence et dépend des conditions météorologiques. Dans l’atmosphère, il existe également des bandes constantes d’absorption intense des ondes radio dues à la présence d’oxygène et de vapeur d’eau. Ces phénomènes sont observés à 22,2 GHz (H2O), 60 GHz (O2), 118,8 GHz (O2) et 180 GHz (H2O). Dans des conditions d'humidité modérée de l'atmosphère (~7,5 g/m3 près de la surface terrestre), une atténuation complète des ondes radio dans certaines parties du spectre (dépassant même 200 dB) peut être observée lors de leur unique propagation verticale. Les « fenêtres de transparence » identifiées par la science aux fréquences d'environ 35, 94, 140 et 220 GHz, dans lesquelles il y a une atténuation minimale par rapport aux sections IMW voisines, présentent un intérêt pratique pour la communication. Aux latitudes moyennes avec une humidité et une température modérées près de la surface de la Terre (20 ° C), dans les "fenêtres de transparence", l'atténuation totale est faible et avec une seule propagation verticale à travers l'atmosphère, par exemple à des fréquences de 94 GHz, elle est de 1,3 dB. Nous notons que, jusqu'à récemment, il n'existait pas de statistiques sur les différents niveaux d'absorption dans les études expérimentales d'absorption moléculaire. L'accumulation de ces statistiques est une tâche très laborieuse en raison de la forte variabilité des valeurs d'humidité et de sa dépendance aux conditions climatiques. En raison de l’absorption relativement importante dans l’atmosphère, les SMW sont appelées ondes à courte portée. À l'heure actuelle, le problème de la propagation des IMW a été largement étudié et les résultats des études et des calculs théoriques de l'absorption moléculaire dans les hydrométéores atmosphériques concordent de manière tout à fait satisfaisante. La tendance émergente vers l'utilisation de la gamme MMW pour résoudre divers problèmes appliqués a désormais acquis un caractère stable. La possibilité de leur application dans les systèmes de communication par satellite, les lignes de relais radio, les communications microcellulaires, les lignes de communication embarquées et les systèmes de contrôle automatisés, ainsi que dans les équipements de mesure s'est ouverte. Cela est dû au succès du développement de la base d'éléments MMW et à la création de dispositifs techniquement avancés basés sur celle-ci, à la nécessité de transmettre de grandes quantités d'informations, où les avantages des ondes radio de cette gamme se manifestent particulièrement. MMV dans les communications par satellite. Les systèmes de communication par satellite se développent à un rythme très rapide. Par exemple, en 1982, dans les communications par satellite aux États-Unis, il y avait environ 150 lignes de répéteurs avec une bande passante de 36 MHz chacune, et au début des années 90, le taux de lancement des satellites avait tellement augmenté que les bandes de fréquences allouées aux communications étaient 6/4 et 14/12 GHz étaient presque entièrement occupés. Par conséquent, la tâche consistant à maîtriser la gamme MMW pour les communications par satellite est très urgente. Cela explique pourquoi, au cours de la dernière décennie, seuls les États-Unis ont lancé 15 IC3 dotés d'équipements fonctionnant dans la gamme de fréquences 16...40 GHz. Leurs répéteurs embarqués ont largement confirmé tous les avantages de l'utilisation du MMW pour les communications par satellite. Les diagrammes de rayonnement étroits des antennes MMW ont contribué au secret de la communication et à l'affaiblissement des interférences, et le gain important a entraîné une diminution de la puissance des émetteurs et une réduction des caractéristiques de poids et de taille de l'équipement satellite. Mais ce n'est pas tout. L'utilisation d'antennes embarquées multifaisceaux étroitement orientées a permis de commuter les faisceaux pour étendre les zones de couverture, ainsi que d'augmenter la fiabilité des communications dans de mauvaises conditions météorologiques grâce à la réception en diversité. Parmi les IC3 les plus prioritaires, dont les répéteurs ont été développés à l'étranger à la fin des années 80 et au début des années 90 pour fonctionner à des fréquences supérieures à 20 GHz, figurent les suivants. Le satellite L-SAT/OL YMPUS (Europe occidentale) dispose d'une largeur de bande de fréquences opérationnelle totale dans les bandes 14/11 et 30/20 GHz d'environ 6,8 GHz. La bande passante du tronc est de 240 MHz, ce qui permet une transmission d'informations à une vitesse de 360 Mbps, suffisante pour organiser 5500 XNUMX canaux téléphoniques. Satellite MILSTART (USA) avec un transpondeur large bande dans la gamme de fréquences 44/20 GHz. L'utilisation de signaux de type bruit, le réglage de fréquence pseudo-aléatoire dans la bande 2 GHz et la commutation de signal à bord sont fournis. La communication intersatellite dans le système MILSTART s'effectue dans la gamme de fréquences de 60 GHz, dans laquelle une forte atténuation dans l'atmosphère rend pratiquement impossible la création d'interférences radio actives intentionnelles depuis la Terre pour le fonctionnement des équipements embarqués. Satellites ECS-2 et ACTS-E (Japon). L'équipement fonctionne dans les gammes de fréquences 30/20 et 50/40 GHz avec une bande passante de 250 MHz, avec un taux de transfert de données d'au moins 400 Mbps. Pour ce type de satellite, NTT a développé des systèmes à très haute capacité (pas moins de 7920 Gbps par IC3). On pense que l'inclusion de 15 grands systèmes de communication IC3 dans le futur système permettra d'obtenir un débit total des systèmes de communication par satellite jusqu'à 119 Gbit/s. Selon les experts japonais, l'expérience accumulée au cours des expérimentations permet de commencer à créer des liaisons de communication inter-satellites fonctionnant dans la gamme MMW. L'une des applications possibles de ces liaisons inter-satellites concerne les communications internationales. Dans le même temps, la présence d’une connexion directe entre deux IC3 élimine le besoin de recourir à des stations terriennes intermédiaires. Grâce aux liaisons inter-satellites, il est également possible de communiquer entre plusieurs IS3 situés à plusieurs dizaines de kilomètres les uns des autres dans une même région de l'espace. Il existe un certain nombre de systèmes nationaux de communication par satellite avec des engins spatiaux sur des orbites géostationnaires, elliptiques et circulaires basses, similaires aux systèmes étrangers. Jusqu'à présent, des fréquences radio comprises entre 0,3 et 0,4 GHz étaient attribuées aux systèmes en orbite basse. Mais comme divers services radioélectroniques fonctionnent ici à titre primaire, il n'est guère possible d'obtenir à l'avenir des bandes pour de nouveaux réseaux de communication par satellite. Par conséquent, dans les répéteurs de l'IC3 en orbite basse, il est censé utiliser des signaux pseudo-aléatoires à large bande, qui permettent d'éviter les interférences provenant d'autres émetteurs et, par conséquent, de ne pas interférer avec leur travail. Avec cette méthode de transmission, la vitesse dans le canal partiel peut être de 4,8 kbps, et en tenant compte du codage antibruit - 2,4 kbps. L'application de la gamme MMW dans de tels systèmes est envisagée. Ainsi, la nécessité d'augmenter le débit et l'efficacité globale des systèmes de communication a été l'une des raisons du développement de la gamme de fréquences supérieure à 30 GHz. Les capacités potentielles des systèmes dans la gamme de fréquences spécifiée sont estimées à 10 2 canaux de communication avec un taux de transfert d'informations minimum dans chaque canal d'au moins 2000 Mbps. On suppose qu'en 750, le réseau de communications par satellite Intelsat assurera à lui seul l'exploitation d'environ 15 6 canaux téléphoniques, ce qui est 4 fois supérieur aux capacités du système dans les bandes 14...12 et XNUMX...XNUMX GHz. Les problèmes techniques liés à l'utilisation de la gamme MMW dans les communications par satellite comprennent l'étude de méthodes d'organisation de la réception en diversité dans les stations au sol lors de la transmission d'informations numériques à un débit de 1 Gbit/s, le développement de commutateurs en ferrite fiables et de matrices de commutation pour les répéteurs embarqués, comme ainsi que la création d'antennes multifaisceaux améliorées avec une précision accrue dans la fabrication des éléments. La solution de ces problèmes permettra d'atteindre une efficacité élevée des systèmes satellitaires fonctionnant dans la gamme de 50...40 GHz, ainsi que dans l'organisation des communications intersatellites également dans la gamme de fréquences allant jusqu'à 60 GHz. À l’avenir, il sera possible d’utiliser des parties du spectre à fréquences encore plus élevées. Les liaisons radio embarquées pour la communication et la transmission d'informations, conçues pour fonctionner dans la gamme millimétrique, présentent un intérêt considérable. À l'avenir, ils fourniront une bande passante de 3 à 5 Gbit/s et une fiabilité élevée (environ 0,99998). Ainsi, pour une liaison radio inclinée d'une bande passante de 3 Gbit/s, d'une portée de 20 km, avec les dimensions des antennes paraboliques à bord d'un avion de 0,2... 0,5 m et au sol en point de réception de 1 m, avec un facteur de bruit d'un récepteur au sol ~ 15 dB, un faible poids et un faible volume de l'équipement embarqué, la puissance de l'émetteur embarqué sera comprise entre 0,1...100 W. Les indicateurs énergétiques, les exigences pour l'équipement d'une telle liaison radio, avec l'état actuel de la technologie MMW, sont tout à fait réalisables. L'utilisation de MMW sur les réseaux cellulaires. Ces dernières années, dans les pays développés du monde, des progrès significatifs ont été réalisés dans la création et l'application de systèmes de communication mobile dans les zones urbaines et rurales. Une croissance sans précédent du volume, de la vitesse et de la qualité du transfert d'informations diverses a été réalisée à l'échelle non seulement d'un seul pays, mais également de pays situés sur différents continents. Cela est devenu possible grâce au développement de l’électronique à semi-conducteurs, de la microélectronique, de la photonique, de l’acoustoélectronique et des systèmes de communication par satellite. Cependant, l'utilisation massive d'ondes radio décimétriques et plus encore métriques dans les systèmes de communication urbaine crée un certain nombre de difficultés dans la conception des systèmes émetteur-récepteur et antenne-guide d'ondes, augmente le niveau d'interférence électromagnétique mutuelle et limite la bande de fréquences transmise, ce qui conduit à un augmentation de la distorsion lors de la transmission des informations. L'expansion du déploiement des réseaux de communication cellulaire dans les villes est évidemment impossible sans l'utilisation des ondes millimétriques. L'opportunité de passer au MMW dans les systèmes cellulaires est confirmée par les résultats d'études menées dans les laboratoires de l'Institut d'ingénierie radio et d'électronique de l'Académie des sciences de Russie. La systématisation et l'analyse des résultats de la recherche conduisent à une conclusion optimiste selon laquelle, dans des conditions urbaines difficiles, il est possible de prédire les caractéristiques les plus importantes du champ électromagnétique à des distances de plusieurs centaines de mètres à des dizaines de kilomètres de la source de rayonnement. Une telle prévision peut être effectuée par des méthodes statistiques sur une carte topographique de la ville sur la base de données sur les densités de construction, les hauteurs et les dimensions horizontales des bâtiments, les matériaux de construction à partir desquels les murs sont fabriqués, ainsi que en tenant compte de la disposition des zones urbaines. , le terrain et l'emplacement des systèmes d'antennes. Des techniques ont également été développées pour calculer les caractéristiques du terrain lors de la conception de lignes de communication en milieu urbain à l'aide de bases de données informatiques. Ils permettent de calculer les caractéristiques énergétiques, les distributions des paramètres de polarisation du champ, ainsi que de classer les caractéristiques statistiques des interférences radio dans les canaux de communication mobile urbains. En particulier, en supposant que la puissance de l'émetteur (Rizl) est de 5 à 10 mW, la sensibilité du récepteur est d'environ 10 W dans une bande de 1 MHz, le gain de l'antenne est d'environ 15 dB pour une onde de 5 mm, et en supposant un signal -sur bruit de ~ 10, il est possible d'estimer la plage minimale de l'effet de la liaison sur le MMW, en tenant compte des centres d'absorption résonante dans les vapeurs d'eau et d'oxygène (Fig. 1). Même dans les pires conditions de propagation, la longueur d'une telle liaison est toujours supérieure à 0,5 km, ce qui répond aux exigences de tels systèmes de communication.
Compte tenu du niveau actuel de développement de la technologie des semi-conducteurs et de l'état de développement des circuits microélectroniques, il existe une réelle opportunité d'utiliser divers émetteurs-récepteurs domestiques, ainsi que des systèmes antenne-guide d'ondes pour les lignes courtes de transmission d'informations dans les zones urbaines. Ils peuvent devenir des composants fiables des systèmes de communication cellulaire avec des stations de base dans certaines régions. Avec une production de masse, le coût de tels systèmes sur le MMW pourrait être tout à fait comparable à ceux existant sur les ondes décimétriques et métriques. De plus, dans les conditions de la ville, ils résoudront complètement le problème de la surpopulation des ondes et créeront une réelle opportunité d'augmenter le volume des messages transmis, au moins d'un ordre de grandeur ou plus. Il s'agit par exemple de l'utilisation des mêmes fréquences pour relayer des messages à travers les systèmes dits microcellulaires et picocellulaires dans les zones urbaines et périurbaines. Des études ont montré un autre avantage important de l’utilisation de MMW. Ils n'ont pas d'effet nocif sur une personne dans les locaux où sont installés les émetteurs-récepteurs, comme on le constate lors du fonctionnement des équipements à ondes décimétriques et métriques. Sur la fig. La figure 2 montre une application de systèmes de communication microcellulaires et picocellulaires dans des zones urbaines et suburbaines. La station de base A communique via les réseaux macrocellulaires B, C, D, D, E, qui assurent l'échange d'informations avec les objets de communication mobile. Parallèlement, les microcellules b et c disponibles dans la ville sont destinées à la communication avec des objets fixes, et les pixots 1, 2, 3... 9 du bâtiment industriel G fonctionnent sur ses étages séparés.
Les émetteurs-récepteurs de laboratoire et industriels et l'état de la base des éléments inspirent confiance dans la possibilité d'une utilisation pratique du MMW dans les systèmes cellulaires considérés dans la ville. Lignes à travée unique de relais radio sur MMV. Récemment, il est devenu nécessaire d'organiser des lignes de communication à travée unique très fiables, conçues pour la transmission de téléphonie multicanal, ainsi que pour l'échange de données entre ordinateurs et périphériques. À ces fins, les lignes de relais radio de la gamme MMW sont les plus adaptées. Ils ont une immunité élevée au bruit, une petite taille et un petit poids, une bande passante élevée et une faible consommation d'énergie. De tels systèmes comprennent une station d'émission-réception duplex (PPS) fonctionnant dans la bande 42,5 ... 43,5 GHz et conçue pour organiser des lignes de relais radio numériques à travée unique jusqu'à 5 km de long avec un taux de transfert d'informations de 8,448 Mbps (129 canaux téléphoniques). Pour transmettre des informations, une modulation de fréquence avec un indice de modulation égal à un est sélectionnée. L'espacement de fréquence entre les canaux de réception et d'émission, ainsi que la valeur de la fréquence intermédiaire, est de 480 MHz, ce qui permet, d'une part, d'assurer l'isolation nécessaire entre les canaux, et d'autre part, d'organiser automatiquement réglage de la fréquence par rapport à l'oscillateur local stabilisé du récepteur. Avec une atténuation totale de 170 dB sur une liaison radio de 5 km de long, la station fonctionnera normalement si le gain de l'antenne émettrice-réceptrice est d'au moins 40 dB, la puissance de l'émetteur est de 30 ... 50 mW, le facteur de bruit du récepteur n'est pas plus de 13 dB. Le schéma fonctionnel d'un tel PPS est représenté sur la fig. 3. Elle se compose des unités fonctionnelles suivantes : une antenne parabolique à deux miroirs 1 d'un diamètre de 300 mm ; passe-bande de guide d'ondes recevant 2 et transmettant 4 filtres micro-ondes ; séparateur de polarisation 3 (horizontal E et vertical H) ; des mélangeurs de la voie de réception 5 et de la voie AFC 6 sur diodes à barrière Schottky, fonctionnant à la quatrième harmonique de l'oscillateur local ; Générateur de micro-ondes basé sur la diode Gunn 7 avec réglage de fréquence Varakora ; FI préliminaire sur transistors bipolaires en silicium 8 ; générateur micro-onde à transistor 9, stabilisé par un résonateur diélectrique ; canal de détection de fréquence AFC 10 ; amplificateur vidéo modulateur émetteur 11 et module détecteur de fréquence 12. Ce module est réalisé sur un seul circuit imprimé en fibre de verre et se compose d'une FI principale à contrôle automatique de gain 13, d'un détecteur de fréquence sur circuits désaccordés 14 et d'un amplificateur vidéo 15. L'alimentation secondaire l'alimentation 16 assure une conversion de tension continue de +60 V en tensions stabilisées de +12 V, -12 V et +5 V, nécessaires à l'alimentation des unités fonctionnelles de la station.
L'antenne parabolique, les émetteurs-récepteurs et la source d'alimentation secondaire sont structurellement placés dans un conteneur cylindrique scellé d'un diamètre de 300 mm et d'une longueur de 250 mm. Les caractéristiques de faible poids et de taille du PPS permettent dans la plupart des cas d'abandonner la construction de structures de mât spéciales. Ces exemples d'utilisation de MMW dans les systèmes de communication n'épuisent pas le problème de leur utilisation pratique. Ils ont certainement un grand avenir dans le domaine des communications et des applications à large bande, dans les stations au sol pour les communications avec IC3 et dans les systèmes de communications inter-satellites et aéroportés, ainsi que pour organiser les communications à large bande dans les villes et villages, y compris les données pico-cellulaires. lignes de transmission. Auteurs : R.Bystrov, docteur en ingénierie. sciences, prof., A. Sokolov, docteur en technologie. sciences, prof., Moscou
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