Р. БЫСТРОЕ, доктор техн. наук, проф.,

А. СОКОЛОВ, доктор техн. наук, проф., г. Москва

    В наше время происходит бурный процесс развития систем и средств связи, освоения традиционных и нетрадиционных диапазонов радиоволн, в том числе сверхвысоких частот, включая миллиметровые волны (ММВ). И хотя этот диапазон сравнительно молод по сравнению с другими, давно освоенными, сегодня уже общепризнано, что занимаемая ММВ полоса частот намного превышает те, что до сих пор находились в распоряжении человечества.

    Длительное время ММВ считались непригодными для практического использования, так как отсутствовали технически совершенные средства генерации, приема, канализации СВЧ колебаний, не было необходимой элементной базы, не были достаточно хорошо изучены законы распространения ММВ в неоднородной земной атмосфере. Тем более, несомненный интерес представляет рассмотрение тенденции развития и применения миллиметровых систем связи различного назначения, получивших отражение в многочисленных отечественных и зарубежных публикациях.

    Создание систем связи в миллиметровом диапазоне волн опирается на научные исследования особенностей распространения этих волн и разработки принципов и средств генерации и приема СВЧ сигналов на частотах свыше 30 ГГц.

    Значительный вклад в теоретические и экспериментальные исследования в области распространения ММВ внесли видные ученые и специалисты многих стран мира, в том числе и России. И еще сегодня теория и практика выявляют все новые и новые преимущества применения ММВ, в частности в системах связи. К ним, прежде всего, следует отнести увеличение объема и скорости передачи информации, распространение этих волн при неблагоприятном состоянии окружающей среды, высокое усиление антенн при малой их апертуре и повышенная помехозащищенность.

    Однако, при распространении ММВ возникает ослабление сигнала в атмосферных газах и гидрометеорах, а также деполяризация излучения, амплитудные и фазовые изменения. Причем ослабление сигнала в атмосфере имеет тенденцию возрастать с повышением частоты и зависит от погодных условий. В атмосфере имеются и постоянные полосы интенсивного поглощения радиоволн, обусловленные наличием кислорода и водяного пара. Эти явления наблюдаются на частотах 22,2 ГГц (Н2О), 60 ГГц (О2), 118,8 ГГц (02) и 180 ГГц (Н20). В условиях умеренной влажности атмосферы (-7,5 г/м3 у поверхности Земли) полное ослабление радиоволн в отдельных участках спектра (даже превышающее 200 дБ) может наблюдаться при их однократном вертикальном распространении.

    Практический интерес для связи представляют выявленные наукой "окна прозрачности" на частотах около 35, 94, 140 и 220 ГГц, в которых наблюдается минимальное затухание по сравнению с соседними участками ММВ. На средних широтах при умеренной влажности и температуре у земной поверхности (20°С) в "окнах прозрачности" полное ослабление невелико и при однократном вертикальном распространении через атмосферу, например, на частотах 94 ГГц, составляет 1,3 дБ.

    Заметим, что в экспериментальных исследованиях молекулярного поглощения вплоть до последнего времени отсутствовала статистика различных уровней поглощения. Накопление этой статистики представляет собой весьма трудоемкую задачу из-за сильной изменчивости значений влажности и ее зависимости от климатических условий.

    Из-за сравнительно большого поглощения в атмосфере ММВ относятся к волнам ближнего действия. В настоящее время в значительной мере изучена проблема распространения ММВ, результаты исследований и теоретических расчетов молекулярного поглощения в гидрометеорах атмосферы вполне удовлетворительно совпадают. Наметившаяся тенденция к использованию диапазона ММВ для решения различных прикладных задач приобрела теперь устойчивый характер. Открылась возможность их применения в системах спутниковой связи, радиорелейных линиях, в микросотовой связи, бортовых линиях связи и автоматизированных системах управления, а также в измерительной аппаратуре. Это объясняется успехами в разработке элементной базы ММВ и создании технически совершенных устройств на ее основе, потребностью в передаче больших объемов информации, где особенно проявляются преимущества радиоволн этого диапазона.

    ММВ в спутниковой связи. Системы спутниковой связи развиваются весьма быстрыми темпами. К примеру, в 1982 г. в спутниковой связи США имелось около 150 стволов ретрансляторов с шириной полосы пропускания 36 МГц каждый, а к началу 90-х годов темпы запуска спутников настолько увеличились, что выделенные для связи диапазоны частот 6/4 и 14/12 ГГц оказались практически полностью занятыми.

    В числе наиболее приоритетных ИСЗ, ретрансляторы которых разработаны за рубежом в конце 80-х и начале 90-х годов для работы на частотах свыше 20 ГГц, можно привести следующие.

    Спутник L-SAT/OL YMPUS (Западная Европа) имеет общую ширину полос рабочих частот в диапазонах 14/11 и 30/20 ГГц около 6,8 ГГц. Полоса пропускания ствола составляет 240 МГц, что обеспечивает передачу информации со скоростью 360 Мбит/с, достаточную для организации 5500 телефонных каналов.

    Спутник MILSTART (США) с широкополосным ретранслятором в диапазоне частот 44/20 ГГц. Предусмотрены использование шумоподобных сигналов, псевдослучайная перестройка частот в полосе 2 ГГц и коммутация сигналов на борту. Межспутниковая связь в системе MILSTART осуществляется в диапазоне частот 60 ГГц, в котором большое затухание в атмосфере делает практически невозможным создание активных преднамеренных радиопомех с Земли для работы бортовой аппаратуры.

    Спутники ECS-2 и ACTS-E (Япония). Аппаратура работает в диапазонах частот 30/20 и 50/40 ГГц при полосе пропускания ствола 250 МГц со скоростью передачи данных не ниже 400 Мбит/с. Для такого типа спутников фирма NTT разработала системы со сверхвысокой пропускной способностью (не ниже 7920 Гбит/с на один ИСЗ). Считается, что включение в состав перспективной системы 15 больших связных ИСЗ позволит получить общую пропускную способность систем спутниковой связи до 119 Гбит/с. Как считают японские специалисты, накопленный в процессе экспериментов опыт позволяет приступить к созданию линий межспутниковой связи, функционирующих в диапазоне ММВ.

    Одной из возможных областей применения таких межспутниковых линий является международная связь. При этом наличие прямой связи между двумя ИСЗ устраняет необходимость использования промежуточных земных станций. С помощью межспутниковых линий можно также осуществлять связь между несколькими ИСЗ, находящимися на расстоянии в несколько десятков километров друг от друга в каком-либо одном районе космического пространства.

    Известен ряд отечественных систем спутниковой связи с космическими аппаратами на геостационарной, элиптических и низких круговых орбитах, аналогичных зарубежным системам.

    До сего времени для низкоорбитальных систем выделялись радиочастоты в диапазоне 0,3...0,4 ГГц. Но поскольку здесь функционируют на первичной основе различные радиоэлектронные службы, в дальнейшем получить полосы для новых спутниковых сетей связи вряд ли возможно. Поэтому в ретрансляторах низкоорбитальных ИСЗ предполагается использовать широкополосные псевдослучайные сигналы, позволяющие избежать помехи от других передатчиков и, в свою очередь, не мешать им своей работой. При таком методе передачи скорость в парциальном канале может быть 4,8 кбит/с, а с учетом помехоустойчивого кодирования — 2,4 кбит/с. Рассматривается применение в таких системах диапазона ММВ.

    Таким образом, необходимость увеличения пропускной способности и общей эффективности систем связи явилась одной из причин освоения диапазона частот свыше 30 ГГц. Потенциальные возможности систем в указанном диапазоне частот оцениваются в 10 тысяч каналов связи с минимальной скоростью передачи информации в каждом канале не менее 2 Мбит/с. Предполагается, что в 2000 г. только сеть спутниковой связи Intelsat обеспечит работу около 750 тысяч телефонных каналов, что в 15 раз превышает возможности системы в диапазонах 6...4 и14...12ГГц.

    Технические проблемы использования диапазона ММВ в спутниковой связи включают изучение методов организации разнесенного приема на наземных станциях при передаче цифровой информации со скоростью 1 Гбит/с, разработку надежных ферритовых переключателей и коммутационных матриц для бортовых ретрансляторов, а также создание усовершенствованных многолучевых антенн с повышенной точностью изготовления элементов конструкции. Решение указанных задач позволит достичь высокой эффективности спутниковых систем при работе в диапазоне 50...40 ГГц, а при организации межспутниковой связи также и в диапазоне частот до 60 ГГц. В будущем возможно использование еще более высокочастотных участков спектра.

    Значительный интерес представляют бортовые радиолинии связи и передачи информации, рассчитанные на работу в миллиметровом диапазоне. Они обеспечат в перспективе пропускную способность 3...5 Гбит/с, высокую надежность работы (порядка 0,99998). Так, для наклонной радиолинии с пропускной способностью 3 Гбит/с, дальностью в 20 км, при размерах параболических антенн на борту летательного аппарата 0,2...0,5 м и на Земле в пункте приема 1 м, при коэффициенте шума наземного приемника -15 дБ, малом весе и объеме бортовой аппаратуры мощность бортового передающего устройства будет находиться в пределах 0,1... 100 Вт. Энергетические показатели, требования к аппаратуре такой радиолинии при современном состоянии техники ММВ вполне реализуемы.

    Применение ММВ на сотовых сетях связи. В последние годы в развитых странах мира наблюдается значительный прогресс в создании и применении подвижных систем связи в городских условиях и сельской местности. Достигнут небывалый рост объема, скорости и качества передачи различной информации в масштабе не только отдельно взятой страны, но и стран, расположенных на различных континентах. Это стало возможным благодаря развитию твердотельной электроники, микроэлектроники, фотоники, акустоэлектроники, а также систем спутниковой связи.

Однако массовое использование дециметровых и тем более метровых радиоволн в системах городской связи создает ряд трудностей при конструировании приемопередающих и антенно-волноводных систем, увеличивает уровень взаимных электромагнитных помех и ограничивает полосу передаваемых частот, что приводит к росту искажений при передаче информации.

    Дальнейшее расширение масштабов развертывания сотовых сетей связи в городах, очевидно, невозможно без применения миллиметровых волн. Целесообразность перехода на ММВ в сотовых системах подтверждают результаты исследований, проведенных в лабораториях Института радиотехники и электроники РАН.

    Систематизация и анализ результатов исследований приводят к оптимистичному выводу о том, что в сложных условиях города возможен прогноз наиболее важных характеристик электромагнитного поля на расстояниях от нескольких сотен метров до десятков километров от источника излучения. Такой прогноз может выполняться статистическими методами по топографической карте города на основе данных о плотностях застройки, высотах и горизонтальных размерах зданий, строительных материалах, из которых изготовлены стены, а также учета планировки городских районов, рельефа местности и расположения антенных систем. Разработаны и методики расчета характеристик поля при проектировании линий связи в условиях города с применением компьютерных баз данных. Они позволяют произвести расчеты энергетических характеристик, распределений поляризационных параметров поля, а также классифицировать статистические характеристики радиопомех в каналах городской подвижной связи.

    В частности, считая, что мощность передатчика (Риэг) 5...10 мВт, чувствительность приемника -10 Вт в полосе 1 МГц, усиление антенн порядка 15 дБ на волне 5 мм и принимая отношение сигнал/шум -10, можно оценить минимальную дальность действия связи на ММВ с учетом центров резонансного поглощения в парах воды и кислорода (рис. 1). Даже при наихудших условиях распространения протяженность такой линии всегда больше 0,5 км, что отвечает требованиям, предъявляемым к таким системам связи.

    Учитывая современный уровень развития полупроводниковой технологии и состояние разработок микроэлектронных схем, имеется реальная возможность использовать различные отечественные приемопередающие, а также антенно-волноводные системы для линий передачи информации небольшой протяженности в городских условиях.

    Они могут стать надежными составными частями сотовых систем связи с базовыми станциями в отдельных регионах. При массовом производстве стоимость подобных систем на ММВ могла бы быть вполне сравнимой с существующими на дециметровых и метровых волнах.

    На рис. 2 представлен вариант применения микросотовых и пикосотовых систем связи в городских и пригородных районах. Базовая станция А осуществляет связь по макросотовым сетям Б, В, Г, Д, Е, обеспечивающим обмен информацией с объектами подвижной связи. Имеющиеся при этом в городе микросоты были предназначены для связи со стационарными объектами, а пиксоты 1, 2, 3...9 в производственном здании Ж функционируют на отдельных его этажах.

    Лабораторные и промышленные приемопередающие устройства и состояние элементной базы вселяют уверенность в возможность практического использования ММВ в рассмотренных сотовых системах в условиях города.

    Радиорелейные однопролетные линии на ММВ. В последнее время возникла потребность в организации высоконадежных однопролетных линий связи, предназначенных для передачи многоканальной телефонии, а также обмена данными между ЭВМ и периферийными устройствами. Для этих целей в наибольшей степени подходят радиорелейные линии диапазона ММВ. Они обладают высокой помехозащищенностью, малыми габаритами и массой, высокой пропускной способностью и небольшим потреблением энергии. К таким системам относится дуплексная приемопередающая станция (ППС), работающая в диапазоне 42,5...43,5 ГГц и предназначенная для организации однопролетных цифровых радиорелейных линий протяженностью до 5 км со скоростью передачи информации 8,448 Мбит/с (129 телефонных каналов). Для передачи информации выбрана частотная модуляция с индексом модуляции равным единице. Разнос частот между каналами приема и передачи, а также значение промежуточной частоты составляют 480 МГц, что позволяет, с одной стороны, обеспечить необходимую величину развязки между каналами, а с другой — организовать автоматическую подстройку частоты относительно стабилизированного гетеродина приемника.

    При общем затухании 170 дБ на радиолинии протяженностью 5 км, станция будет нормально функционировать, если коэффициент усиления приемопередающей антенны не менее 40 дБ, мощность передатчика 30...50 мВт, коэффициент шума приемника не более 13 дБ.

    Структурная схема такой ППС приведена на рис. 3. В ее состав входят следующие функциональные узлы: параболическая двухзеркальная антенна 1 диаметром 300 мм; волноводные полосовые приемные 2 и передающие 4 СВЧ фильтры; разделитель поляризаций 3 (горизонтальной Е и вертикальной Н); смесители приемного канала 5 и канала АПЧ 6 на диодах с барьером Шоттки, работающие на четвертой гармонике гетеродина; СВЧ генератор на диоде Ганна 7 с варакорной перестройкой частоты; предварительный УПЧ на кремниевых биполярных транзисторах 8; транзисторный СВЧ генератор 9, стабилизированный диэлектрическим резонатором; частотный детектор канала АПЧ 10; видеоусилитель модулятора передатчика 11 и модуль частотного детектора 12. Этот модуль выполнен на единой стеклотекстолитовой печатной плате и состоит из главного УПЧ с автоматической регулировкой усиления 13, частотного детектора на расстроенных контурах 14 и видеоусилителя 15. Источник вторичного электропитания 16 обеспечивает преобразование постоянного напряжения +60 В в стабилизированные напряжения +12 В, -12 В и +5 В, необходимые для питания функциональных узлов станции.

    Параболическая антенна, приемопередающие устройства и источник вторичного питания конструктивно размещены в герметическом цилиндрическом контейнере диаметром 300 мм и длиной 250 мм. Малые массогабаритные характеристики ППС дают возможность в большинстве случаев отказаться от строительства специальных мачтовых сооружений.