Сантиметровый диапазон волн. СВЧ-терапия: принцип действия, показания и противопоказания аппарата СМВи 200 — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое СВЧ-терапия. Как работает аппарат СМВи 200 для физиотерапии. Какие лечебные эффекты оказывает СВЧ-излучение на организм. При каких заболеваниях показано применение СВЧ-терапии. Какие существуют противопоказания к использованию аппарата СМВи 200.

Содержание

Принцип действия СВЧ-терапии и аппарата СМВи 200

СВЧ-терапия — это физиотерапевтический метод лечения, основанный на воздействии на организм электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона. Аппарат СМВи 200 работает в сантиметровом диапазоне волн с частотой 2,45 ГГц.

Принцип действия СВЧ-терапии заключается в следующем:

СВЧ-излучение проникает в ткани организма на глубину 3-5 см
Энергия электромагнитных волн преобразуется в тепловую энергию
Происходит локальный нагрев тканей в зоне воздействия
Усиливается микроциркуляция крови и лимфы
Активизируются обменные и восстановительные процессы

Аппарат СМВи 200 позволяет проводить процедуры в непрерывном и импульсном режимах работы. Это дает возможность регулировать интенсивность воздействия и добиваться необходимого терапевтического эффекта.

Лечебные эффекты СВЧ-терапии

Воздействие сантиметровых волн на организм вызывает следующие основные лечебные эффекты:

Противовоспалительный
Обезболивающий
Спазмолитический
Сосудорасширяющий
Трофико-регенераторный
Иммуномодулирующий

Как достигаются эти эффекты? СВЧ-излучение стимулирует:

Расширение кровеносных сосудов
Усиление кровообращения
Активизацию обмена веществ
Снижение мышечного тонуса
Уменьшение отечности тканей
Рассасывание воспалительных инфильтратов

За счет улучшения микроциркуляции и метаболизма в тканях ускоряются процессы регенерации и заживления.

Показания к применению аппарата СМВи 200

СВЧ-терапия с использованием аппарата СМВи 200 показана при следующих заболеваниях и состояниях:

Заболевания опорно-двигательного аппарата:

Артриты
Артрозы
Остеохондроз позвоночника
Пяточные шпоры
Миозиты
Травмы суставов и мягких тканей

Заболевания нервной системы:

Невралгии
Невриты
Радикулиты
Плекситы

Заболевания органов дыхания:

Бронхиты
Пневмонии
Бронхиальная астма

Заболевания ЛОР-органов:

Синуситы
Отиты
Тонзиллиты

СВЧ-терапия эффективна также при лечении гинекологических заболеваний, хронических воспалительных процессов в малом тазу, простатита, трофических язв и других патологий.

Противопоказания к применению СВЧ-терапии

Несмотря на высокую эффективность, СВЧ-терапия имеет ряд противопоказаний. Аппарат СМВи 200 нельзя применять в следующих случаях:

Злокачественные новообразования

Беременность
Острые инфекционные заболевания
Активный туберкулез
Системные заболевания крови
Наличие кардиостимулятора
Эпилепсия
Индивидуальная непереносимость

С осторожностью СВЧ-терапию назначают пациентам с сердечно-сосудистыми заболеваниями, нарушениями свертываемости крови, при повышенном артериальном давлении.

Преимущества аппарата СМВи 200

Аппарат СМВи 200 для СВЧ-терапии обладает рядом преимуществ:

Современная элементная база
Микропроцессорное управление
Два режима работы — непрерывный и импульсный
Большой выбор излучателей разного диаметра
Удобная система позиционирования излучателей
Информативный дисплей
Простота в эксплуатации

Благодаря этим особенностям аппарат СМВи 200 позволяет проводить эффективные процедуры СВЧ-терапии с максимальным комфортом для пациента и удобством для медперсонала.

Методика проведения процедур СВЧ-терапии

Процедуры СВЧ-терапии на аппарате СМВи 200 проводятся по следующей методике:

Пациента укладывают в удобное положение
Излучатель устанавливают над зоной воздействия на расстоянии 5-10 см от поверхности тела
Выбирают необходимый режим и мощность излучения
Длительность процедуры составляет 5-15 минут
Курс лечения — 10-15 ежедневных процедур

Во время сеанса пациент ощущает легкое тепло в области воздействия. При появлении дискомфорта процедуру прекращают.

Для достижения максимального терапевтического эффекта врач подбирает оптимальные параметры воздействия индивидуально для каждого пациента.

Сочетание СВЧ-терапии с другими методами лечения

СВЧ-терапия на аппарате СМВи 200 хорошо сочетается с другими физиотерапевтическими методами и лекарственной терапией:

Магнитотерапия
Ультразвуковая терапия
Электрофорез
Лазеротерапия
Массаж
Лечебная физкультура

Комплексное применение СВЧ-терапии с другими методами лечения позволяет повысить эффективность терапии и ускорить выздоровление пациентов.

При этом важно соблюдать правила сочетания различных физиотерапевтических процедур. Например, СВЧ-терапию не рекомендуется проводить в один день с тепловыми процедурами.

Перспективы развития СВЧ-терапии

СВЧ-терапия активно развивается и совершенствуется. Основные направления развития этого метода:

Разработка новых режимов воздействия
Создание многофункциональных аппаратов
Комбинирование СВЧ-излучения с другими физическими факторами
Расширение показаний к применению
Изучение молекулярных механизмов действия СВЧ-излучения

Перспективным направлением является создание портативных аппаратов СВЧ-терапии для домашнего использования. Это позволит сделать метод более доступным для пациентов.

Таким образом, СВЧ-терапия с применением аппарата СМВи 200 является эффективным методом лечения широкого спектра заболеваний. При правильном использовании она позволяет значительно ускорить выздоровление и улучшить качество жизни пациентов.

Аппарат СМВ-терапии СМВи 200 | Атриум-Медикал

Описание

О товаре
Принцип действия:
Медико-физиологический принцип лечения основан на способности микроволн улучшать регулирующую функцию центральной нервной системы, расширять кровеносные сосуды микроциркулярного русла, увеличивать кровообращение и уменьшать гипоксию тканей и органов, изменять иммунологическую реактивность организма.

Глубина проникновения сантиметровых волн в среднем в биологические ткани составляет 3-5 см. Сантиметровые волны малой интенсивности стимулируют эндокринную систему (кору надпочечников, щитовидную и поджелудочную железы).

За счёт увеличения скорости кровотока, количества функциональных капилляров и расширения мелких сосудов сантиметровые волны усиливают регионарную гемо- и лимфодинамику (тепловой эффект). Микроволны оказывают, кроме того, противовоспалительное рассасывающее действие, снижают тонус гладкой мускулатуры бронхов, поперечнополосатых мышц конечностей.

Аппарат может быть применен в физиотерапевтических отделениях и кабинетах лечебно-профилактических и поликлинических учреждений, здравпунктах и других лечебных учреждениях.

Лечебные эффекты: противовоспалительный, пролиферативный, секреторный (низкоинтенсивная СМВ-терапия), катаболический, сосудорасширяющий, фибромодулирующий (высокоинтенсивная СМВ-терапия).

Показания к применению:
подострые и хронические воспалительные заболевания периферической нервной системы (невралгия, невропатии)
дегенеративно-дистрофические заболевания суставов и позвоночника в стадии обострения (остеохондроз, бурсит, периартрит, тендовагинит, разрыв связок)
подострые и хронические воспалительные заболевания органов дыхания, женских половых органов, мочевыводящих путей, предстательной железы, глаз, придаточных полостей носа, слизистых полости рта
Противопоказания:
злокачественные новообразования
воспалительные заболевания с выраженным отеком тканей
наличие металлических предметов в зоне воздействия
тиреотоксикоз
инфаркт миокарда (в первые 1-3 мес. )
вегеталгии
ишемическая болезнь сердца
стенокардия напряжения III ФК
язвенная болезнь со стенозом привратника
ригидный антральный гастрит
Отличительные особенности:
cовременная элементная база
микропроцессорная система программирования, управления и контроля режимов работы
современная элементная база
2 режима работы: постоянный и импульсный
высокой степенью свободы позиционирования индуктородержателей
информационный дисплея высокого разрешения
простота в работе и сервисном обслуживании
cовременный дизайн
Основные технические параметры:
Режимы работы:
Режим работы аппарата непрерывный
импульсный
Время установления рабочего режима, с не более 30
Время работы аппарата в повторно-кратковременном режиме, ч 6
время работы, мин 30
время паузы, мин 10
Диапазон установки таймера, мин 1…30 ±5%;
Характеристики воздействия:
Рабочая частота, ГГц 2,45 ±0,05
Выходная мощность аппарата в непрерывном режиме, Вт 15 / 30 / 45 ±15%
60 / 90 / 120 / 150 / 200 ±10%
Коэффициент стоячей волны излучателей, не более 2,5
Питание:
Напряжение питания, В 220±22
Частота питающей сети, Гц 50
Мощность потребляемая из сети, ВА не более 450
Габариты:
Габаритные размеры аппарата, мм 421 х 285 х 170
Масса аппарата с излучателями, кг не более 15
Дополнительно:
Класс защиты от поражения электрическим током I, тип ВF по ГОСТ Р 50267.0
Срок службы 5 лет
Комплект поставки:
В комплект поставки аппарата входит:

Электронный блок 1
Сменные излучатели:
цилиндрический–Ø90 мм 1
цилиндрический–Ø110мм 1
цилиндрический–Ø140мм 1
прямоугольный 205х95мм 1
облегающий 1
Держатель излучателей в составе:
стойка-тележка 1
планка ограничительная 1
винт М4х15 (ГОСТ 17475-80) 2
заглушки декоративные 4
штанга 1
крепёжный узел 2
винт М6х20 (ГОСТ 17475-80) 2
Кабель соединительный 1
Очки защитные ОРЗ-5 1
Паспорт 1

Сантиметровые волны — Физическая энциклопедия

САНТИМЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ (СМВ) — радиоволны в диапазоне длин волн 1-10 см (частоты 3-30 ГГц). Влияние ионосферы на распространение СМВ невелико — поглощение практически отсутствует, а фазовый сдвиг, пропорц. длине волны, составляет для стандартной дневной ионосферы при вертикальном распространении волн 3-30 рад. В нейтральной атмосфере имеют место молекулярное поглощение СМВ водяным паром (слабая линия вращат. спектра водяного пара с резонансом на длине волны= 1,35 см) и, при наличии облаков и осадков, поглощение в жидкокапельной фракции. Именно мощные облака и дожди приводят к наиб. существенному поглощению СМВ, к-рое достигает в зенитном направлении единиц и даже десятков дБ в KB части диапазона СМВ. Коэф. поглощения и преломления в облаках определяются комплексной диэлектрич. проницаемостью воды , к-рая в диапазоне СМВ имеет резкую частотную зависимость, а также зависит от темп-ры воды и степени её минерализации. Водная среда для СМВ является сильно поглощающей (толщина скин-слоя < 1 см), обладающей большим коэф. преломления и, следовательно, сильно отражающей и рассеивающей. В безоблачной атмосфере поглощение СМВ определяет водяной пар.

Преломление СМВ в атмосфере из-за влияния водяного пара превосходит преломление эл—магн. волн в оптич. диапазоне и, возрастая с ростом зенитного угла, достигает значений 30-40′. Загоризонтное распространение СМВ незначительно и связано гл. обр. с волноводным распространением, к-рое возникает в случаях, когда в приземном слое атмосферы градиент коэф. преломления dn/dh < — 1,57*10

-4 км^-1. Флуктуации интенсивности СМВ вследствие турбулентности атмосферы при величине структурной постоянной см^-2/3 обычно не превышают 5-10%; их поперечный радиус корреляции порядка размера Френеля зоны -(L — длина трассы). Среди эффектов, возникающих при распространении СМВ в атмосфере, следует отметить рассеяние на гидрометеорах (облака, дожди, снег), к-рое имеет рэлеевский характер, а на длинах волн < 3 см — деполяризацию, возникающую из-за отклонения формы частиц гидрометеоров от сферической.

В качестве источников СМВ используются ламповые и транзисторные генераторы, генераторы на туннельных и лавинно-пролётных диодах, диодах Ганна, искровой разряд, клистроны, лампы обратной (ЛОВ) и бегущей (ЛБВ) волн, магнетроны, мазеры на циклотронном резонансе (МЦР). Естеств. источниками СМВ являются галактич. и внегалактич. источники, имеющие, как правило, степенной спектр (радиогалактики, квазары, остатки вспышек сворхновых, центр Галактики, туманности, космич. мазеры на Н

2О), а также Луна, планеты (яркостная темп-pa к-рых К), атмосфера Земли и земные покровы, спорадич. всплески в околоземном пространстве. Солнце [яркостная темп-pa к-рого в диапазонесм составляет Т = 4,5*10⁵К (спокойное Солнце), а в периоды высокой активности увеличивается в 2-3 раза]. Специфика диапазона СМВ — прозрачность ионосферы, возможность реализации узкой диаграммы направленности при сравнительно небольших размерах антенн, возможность генерации коротких импульсов, а также низкий уровень помех — привела к широкому использованию СМВ в радиолокации, радиоастрономии, связи на трассах Земля — космич. аппарат. Зависимость коэф. поглощения и отражения, а следовательно, и теплового излучения СМВ от диэлектрич. параметров, на к-рые сильно влияет наличие влаги, а также тот факт, что излучение проникает или формируется в слое, толщина к-рого пропорц. длине волны, позволяют использовать СМВ для дистанционного зондирования радиолокац. и радиометрич. (по собств. излучению) методами. Так, с ИСЗ определяются увлажнённость полей и уровень грунтовых вод, толщина и водозапас снежного покрова, оцениваются характеристики растительного покрова и прогнозируется урожайность. Определяются также глобальное распределение атмосферного водяного пара, поле темп-р и степень взволнованности морской поверхности, скорость ветра, концентрация, тип и возраст морского льда, его толщина. Измерения рефракции СМВ при радиопросвечивании атмосфер планет с космич. аппаратов используются для восстановления высотных профилей темп-ры, давления и содержания газовых компонент.

СМВ находят применение для определения подповерхностного профиля темп-ры и глубины промерзания грунта, определения глубинной темп-ры внутр. тканей тела по измерениям теплового излучения. СМВ применяются для внутр. нагрева, в частности в медицине для неинвазионного лечения опухолей (гипертермия).

Лит.: Альперт Я. Л., Гинзбург В. Л., Ф е й н б е р г Е. Л., Распространение радиоволн, М., 1953; Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967; Фок В. А., Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн, М., 1970; Введенский Б. А., Распространение ультракоротких радиоволн, М.. 1973; Колосов М. А., Шабельников В. А., Рефракция электромагнитных волн в атмосферах Земли, Венеры и Марса, М., 1976; Губанов В. С., Финкельштейн А. М., Фридман П. А., Введение в радиоастрометрию, М., 1983; Ш у т к о А. М., СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов, М., 1986. К. П. Гайкттч.

Предметный указатель >>

ВОЛНОВОЙ ДИАПАЗОН судового радиооборудования — Словарь морских терминов на Корабел.ру

спектр частот радиоволн используемых в установках и приборах судовой радиосвязи, радионавигации, радиолокации. Практически Волновой Диапазон охватывает частоты от 10 кГц до 40 ГГц (длина волны от 30 км до 0,75 см). Волны различной длины имеют различные свойства распространения, поэтому их принято разделять на поддиапазоны. Распространение километровых и мириаметровых радиоволн отличается малыми потерями энергии в подстилающей (морской и земной) поверхности и значительной дифракцией, т. е. легко огибают поверхность Земли. Радиоволны этих поддиапазонов не проникают глубоко в проводящие слои атмосферы (ионосферы), отражаясь от ее нижних границ как в дневные, так и в ночные часы. Они распространяются на большие расстояния и имеют достаточную стабильность амплитуды и фазы колебаний. Благодаря этим свойствам километровые и особенно мириаметровые волны применяются для глобальной морской радионавигации в масштабе всей Земли, а также для передачи сигналов точного времени, предупреждений мореплавателям и других важных сообщений.

Распространение гектометровых волн характеризуется заметным поглощением энергии Землей и ионосферой. Поэтому в дневное время гектометровые волны способны распространяться как поверхностные, а ночью — как поверхностные и пространственные за счет отражения от ионосферы. В дневные часы дальность распространения гектометровых радиоволн над морем не превышает 1 — 1,2 тыс. км (над сушей дальность значительно меньше). Диапазон гектометровых волн широко используется в судовых главных и аварийных приемопередатчиках, в судовых радиопеленгаторах, радиомаяках и других радионавигационных системах. Декаметровые радиоволны распространяются как поверхностные и как пространственные. Энергия поверхностных волн быстро убывает с расстоянием. Дальность поверхностных декаметровых волн лежит в пределах десятков или нескольких сотен километров. Пространственные декаметровые волны отражаются от наиболее высокого слоя ионосферы с большей концентрацией ионов, проходя нижнии слои, где происходит поглощение энергии этих волн. На распространение декаметровых волн оказывают сильное влияние время суток, время года, географическое расположение линий морской радиосвязи. Пространственные декаметровые волны, отражаемые от наиболее высокого слоя ионосферы, используются для связи с судами на больших расстояниях. В дневное время рекомендуется работать на волнах 10 — 25 м, в ночное — 35 — 70 м (уменьшение ионизации ионосферы после захода солнца понижает критическую частоту, и радиоволны длиной 10 — 25 м не отражаются от ионосферы). С особенностями распространения декаметровых волн связано возникновение зон молчания, замирание радиосигналов. Наблюдается также ухудшение слышимости, а зачастую и пропадание радиосигналов в связи с возникновением магнитных и ионосферных возмущений (бурь). Распространение метровых, дециметровых и сантиметровых (ультракоротких) радиоволн происходит в пределах прямой видимости, т. к. дифракция УКВ проявляется очень слабо. Пространственные волны УКВ диапазона от ионосферы не отражаются и уходят в космическое пространство.

Влияние атмосферы на распространение УКВ сказывается двояким образом: рефракция луча при определенных атмосферных условиях; рассеивание и поглощение энергии сантиметровых и миллиметровых волн. Преимуществами УКВ являются: возможность одновременной работы без взаимных помех большого количества радиопередатчиков; отсутствие нарушений радиосвязи во время ионосферных возмущений; отсутствие атмосферных помех, кроме помех, вызываемых космическими шумами и шумами Солнца; возможность использования остронаправленных антенн сравнительно малых размеров. УКВ широко используются: в спутниковой радиосвязи и радионавигации, рейдовой и внутрипортовой связи, в судовых и береговых радиолокационных установках, в радиотелевидении.

По данным
«МОРСКОЙ ЭНЦИКЛОПЕДИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ» в двух томах, том 1. Под редакцией академика Н.Н.Исанина

СВЧ комплекс · ИПА РАН

Каждый радиотелескоп сети «Квазар-КВО» оснащен высокочувствительным приемным СВЧ-комплексом на волны 1.35, 3.5, 6.2, 13 и 18–21 см. Входные приемные устройства охлаждаются парами гелия до сверхнизких температур и позволяют принимать радиоизлучение от космических радиоисточников в двух поляризациях с предельной чувствительностью [публикация]. Для высокоточных позиционных наблюдений в радиоинтерферометрическом режиме используются приемники X и S диапазонов частот (волны 3.5 см и 13 см). В этих диапазонах осуществляется одновременный прием с помощью совмещенного облучателя в виде синфазного биконического рупора.

Блок-схема СВЧ-приемного комплекса
КМ — коммутатор сигналов промежуточных частот десяти приемников на четыре кабеля снижения,
СЧВС — система частотно-временной синхронизации.

Принцип работы и особенности конструкции приемников

Приемники построены по схеме с шумовым пилот-сигналом, сочетающую в себе возможности модуляционного приема для режима одиночного телескопа и корреляционной обработки сигналов в режиме РСДБ сети.

Приемники каждого диапазона выполнены двухканальными — для приема правой и левой поляризаций. В блоках совмещенного S/X приемника объединена аппаратура двух разных диапазонов. Для охлаждения входных каскадов использованы микрокриогенные системы (МКС) замкнутого цикла охлаждения водородного уровня (15 К).

Управление режимами работы приемников, контроль параметров осуществляется дистанционно со специального управляющего компьютера.

Все приемники состоят из двух систем, каждая из которых имеет идентичные независимо управляемые усилительно-преобразовательные каналы для одновременного приема двух поляризаций.

Принимаемые облучателем антенного комплекса СВЧ-сигналы поступают по входному тракту соответствующего канала с ответвителями (для ввода калибровок сигналов и фазового контроля) через разделитель круговых поляризаций на усилитель. Усиленный сигнал с выхода криоблока подается по коаксиальному кабелю на вход блока приемного термостатируемого (Диапазоны L,C,Ku) или блока преобразования частот (S/X приемник)

Криоблок входит в состав приемников в качестве основного устройства, реализующего функции усиления слабых СВЧ-сигналов при минимальном уровне собственных шумов. Охлаждение элементов каждого криоблока обеспечивается соответствующей микрокриогенной системой, причем одна МКС обеспечивает криостатирование одновременно двух криостатов. Установленные внутри криоблока усилители гибкими хладоводами (для уменьшения вибраций) соединены с водородной ступенью (15 К) охладителя МКС. Для снижения теплопритока охлаждаемая часть криоблока дополняется тепловым экраном, который устанавливается на первой ступени (80 К) охладителя. Будучи термически не связанным со второй (водородной) ступенью охладителя и входом, экран служит для отвода тепла, излучаемого внутренней поверхностью криостата на вторую ступень охладителя.

При работе МКС полость криостата должна быть вакуумирована. Чтобы упростить эту операцию в криоблоке установлены крионасосы, представляющие собой активированный уголь, адсорбционная способность которого резко возрастает при азотной температуре. Поэтому откачка внешним форвакуумным насосом производится только до достижения первой ступенью микроохладителя (МО) температуры 70 К, после чего вакуумный насос отключается и дальнейшее улучшение вакуума осуществляется за счет работы крионасоса

Для ввода и вывода СВЧ-сигналов в вакуумируемую полость используются гермовводы.

БПТ коаксиальный (диапазоны L и C)

Блок приемный термостатируемый (БПТ) L,C,K-диапазонов предназначен для окончательного усиления и преобразования СВЧ-сигнала в сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Основным узлом блока является усилительно-преобразовательное устройство (УПУ). В блоке осуществляется амплитудная модуляция входного сигнала и подавление сигналов вне полосы приема. В диапазонах L,C,Ku для преобразования используются внешние гетеродины.

При работе систем в режиме радиометра с пилот-сигналом модулятор и компенсационный генератор шума модулируются в противофазе сигналом от внешнего генератора частоты модуляции. В радиоинтерферометрическом режиме в блок генераторов шума вводится сигнал от внешнего генератора пикосекундных импульсов (ГПИ), который используется для фазовой калибровки системы. Амплитудная калибровка осуществляется сигналом ГШ калибровки.

Полоснопропускающий фильтр предназначен для подавления сигналов СВЧ, лежащих вне рабочей полосы частот, и зеркальной составляющей сигнала, образующейся при частотном преобразовании сигнала в УПУ, а также для формирования полосы приема.

Для обеспечения радиометрического режима работы радиометра на входах каналов установлены модуляторы усиления. В качестве модулятора используются p-i-n переключатель из 2 в 1. Диоды в обоих плечах находятся в насыщенном режиме, что позволяет обеспечить стабильность коэффициента передачи модулятора. Принцип действия модулятора основан на отражении СВЧ-энергии от закрытого плеча переключателя. Поскольку отражение от закрытого плеча происходит в полупериод подачи импульса ГШ, то величина коэффициента отражения (т. е. потерь) не существенна, важно лишь обеспечить стабильность КСВ.

Усилительно-преобразовательное устройство осуществляет малошумящий прием СВЧ-сигнала с последующим усилением, преобразованием и формированием полосы пропускания промежуточной частоты. УПУ выполнено в виде единого модуля. Усилитель высокой частоты — трехкаскадный, смеситель собран по балансной схеме, развязка плеч сигнала и гетеродина лучше 10 дБ, коэффициент передачи не менее 40 дБ с неравномерностью не более 3 дБ.

В БПТ диапазона 6 см все СВЧ-элементы выполнены по интегрально-гибридной технологии и объединены в единые микросборки, что позволило уменьшить массогабаритные и эксплуатационные характеристики аппаратуры, одновременно улучшив технические параметры. Полоса приема при этом расширена с 500 до 900 МГц.

Система термостатирования предназначена для обеспечения стабильных характеристик СВЧ-узлов. Уровень стабилизации (25,5) С в диапазоне температур окружающей среды (5–40) С; точность поддержания температуры в месте установки датчика 0,2 С.

Исполнительным элементом системы термостатирования являются пять последовательно соединенных термобатарей, работа которых основана на эффекте Пельтье. Отвод тепла от термобатарей осуществляется принудительной конвекцией при помощи пластинчатого радиатора и блока вентилятора.

Блок генераторов шума (БГШ) L,C,K-диапазонов предназначен для формирования сигналов калибровки (~1 К) и компенсации (в радиометрическом режиме). Источником импульсно-модулированного сигнала в каналах ГШ компенсации и калибровки является полупроводниковые генераторы шума на лавинно-пролетных диодах (ГШП) с волноводным выводом (в диапазоне K) и с коаксиальным выводом (в остальных диапазонах).

БГШ коаксиальный (диапазоны L, C)
БГШ волноводный (диапазон K)

Сигнал калибровки вводится в тракт ГШ компенсации через направленный ответвитель с переходным затуханием 20 дБ. Для регулировки мощности ГШ компенсации и калибровки применены коаксиальные аттенюаторы на p-i-n диодах.

Одним из основных факторов, определяющим качество работы приемника в радиометрическом режиме является стабильность компенсирующего сигнала. В блоке генераторов шума она зависит от двух элементов — собственно ГШП и p-i-n аттенюатора. Для обеспечения долговременной временной стабильности спектральной плотности мощности шума все СВЧ-элементы и источники опорных напряжений плат питания термостабилизируются. Причем, датчик температуры устанавливается на корпусе p-i-n аттенюатора, как наиболее термочувствительном элементе. Как показали эксперименты, ГШП менее чувствительны к изменениям температуры, чем p-i-n диоды аттенюаторов. Конструктивно термостат блока генераторов шума не отличается от термостата блока приемного термостатированного.

В рабочих диапазонах частот зависимость спектральной плотности мощности шума ГШП от питающего тока имеет ярко выраженный максимум, не всегда соответствующий паспортному значению тока. Поэтому для обеспечения стабильной работы генератора шума устанавливается ток через ГШП, соответствующий минимальной крутизне спектральной плотности мощности как функции тока питания. Неравномерность в этом случае не превышает 1,5 дБ во всей полосе рабочих частот.

Модуляция полупроводниковых генераторов шума осуществляется по питанию. Все ГШП могут работать как в непрерывном, так и в модулированном режиме. СВЧ-разъемы блоков изолированы от корпуса, низкочастотные соединения развязаны оптронами, центральные жилы коаксиальных соединителей имеют разрыв по постоянному току.

Блок обеспечивает следующие основные режимы работы:

Независимое включение режимов работы ГШ компенсации и калибровки (модулированный, непрерывный).
Введение задержки включения СВЧ-сигнала ГШ относительно включения p-i-n модулятора и задержки выключения p-i-n модулятора относительно выключения сигнала ГШ.
Регулирование тока питания управляемого p-i-n аттенюатора, чем обеспечивается достаточная точность в режиме компенсации при хорошей стабильности. Управление платой производится внешним сигналом.

Особенности приемников диапазонов L, C, K

Криоэлектронный блок диапазона S и L

Криоэлектронные блоки диапазона L выполнены двухканальными, со встроенным разделителем поляризаций в виде 90-градусного двухканального моста. В дециметровом диапазоне длин волн в криорадиометрах применяются коаксиальные линии передачи, что с одной стороны несколько сложнее с точки зрения минимизации шумовой температуры, а с другой — дает возможность охладить большее количество СВЧ-узлов. Поэтому в дециметровом диапазоне удалось разместить входные малошумящие усилители двух каналов в одном криоблоке.

В приемниках предусмотрено криостатирование не только усилителей, но и отдельных устройств входного тракта — ферритовых развязывающих вентилей, разделителя поляризаций, ответвителей для ввода сигналов от ГШ соответствующего канала. Криостатирование осуществляется при температуре 15–18 К.

В диапазоне С и K см приемники сантиметрового диапазона длин волн функционально аналогичны приемникам дециметрового диапазона. Входные сигнальные гермовводы выполнены на волноводах с целью обеспечения минимальных потерь. Гермовводы для ввода сигнала ГШ и выходные сигнальные гермовводы в диапазонах 6 см выполнены на коаксиалах, в диапазоне K — на волноводах, как и МШУ и тракты сигналов калибровки.

Основное конструкции отличие приемников сантиметрового диапазона заключается в реализации входных трактов с разделителями поляризации. В состав каждого тракта входят: ребристо-стержневой преобразователь поляризации и два селектора поляризации в виде H-соединения круглого и прямоугольного волноводов. Они расположены вне криоблоков и не охлаждаются.

Криоэлектронный блок X-диапазона
Криоэлектронный блок K-диапазона

Cистема управления и электропитания приемников L, C и K-диапазонов

Cистема управления и электропитения приемников L, C и Ku-диапазонов состоит из блока связи, блока питания и вспомогательных эелементов: коробки распределительной и соединительных кабелей.

Блок связи представляет собой корпус, в котором смонтированы два модуля питания: БП-134М и БП-133М, а также две платы: главная плата и плата интерфейса датчиков (ИД-2)

Модуль питания БП-134М осуществляет питание узлов блока связи. Модуль питания БП-133М содержит устройство включение, которое по внешней команде включает питание всего приемника, а также первичный источник питания малошумящих усилителей.

Главная плата блока связи выполняет сбор информации о состоянии всех узлов приемника. Центральным элементом платы является микроконтроллер, программное обеспечение которого распознает команды центрального компьютера управления радиотелескопом и преобразует их в импульсы управления работой узлов приемника. По запросу компьютеру предоставляется отчет о состоянии узлов приемника.

Плата интерфейса датчиков (ИД-2) представляет собой четырехканальный преобразователь сопротивления в напряжения. Три из его каналов используются для преобразования сопротивления датчиков криогенной температуры первой ступени охлаждения криоблока, второй ступени и температуры окружающей среды в напряжения, которые затем обрабатываются АЦП микроконтроллера главной платы. Четвертый канал используется в качестве второго каскада усиления для датчика второй ступени охлаждения. Благодаря этому удалось достичь разрешающей способности 0.05 К.

Блок питания содержит чемыре модуля питания (слева направо): БП-109М, обеспечивающий питание термостата БПТ; БП-136М, обеспечивающий питание узлов БГШ; БП-137М(1 — выходное напряжение +24В, 2 — выходные напряжения +24В и -24В), обеспечивающий пиатние узлов БПТ; БП-109М, обеспечивающий пиатние термостата БГШ.

Распределительная коробка содержит датчик температуры окружающей среды

Особенности двухканального совмещенного S/X приемника.

Cовмещенный двухдиапазонный S/X приемник был создан в результате глубокой модернизации, проведенной в 2010–2011 гг. При модернизации, наравне с повышением эксплуатационной надежности, улучшением ремонтопригодности и сокращением габаритов и массы аппаратуры решена и задача существенного улучшения основных технических параметров — в первую очередь расширения полосы в Х-диапазоне до 900 МГц, для проведения наблюдений комплексами уровня Mark IV и Mark V.

В S/X приемнике используется двухканальный S-криоблок и одноканальные X-криоблоки, особенности конструкций которых аналогичны диапазонам L и C соответственно. Криостатирующая аппаратура блоков осталась прежней, но заменены сами малошумящие усилители и СВЧ тракты. Выполнен на современной элементной базе вторичный источник питания, расположенный непосредственно на криоблоке.

Блок-схема одного канала совмещенного S/X приемника

Блок преобразования частоты (БПЧ) используется в совмещенном S/X приемнике и объединяет в себе функции БПТ и гетеродина для двух диапазонов одной поляризации. В каждом БПЧ размещена усилительно-преобразовательная аппаратура S и Х-диапазонов и двухчастотный гетеродин.

Все функциональные узлы блоков разработаны по интегрально-гибридной технологии и размещены в одной для каждого диапазона волн микросборке. В результате исключения разъемных соединений между узлами канала и улучшения согласования снижена неравномерность АЧХ, увеличено ослабление шумов зеркального канала и внеполосных помех в диапазоне S. Двухчастотный гетеродин (8.08 / 2.02 ГГц), размещенный в отдельной микросборке, обслуживает каналы обоих диапазонов волн. БПЧ собран в одном термостатированном блоке типовой конструкции, аналогичном БПЧ и обеспечивает прием сигналов обоих диапазонов волн одновременно. Для приема сигналов двух поляризаций в диапазонах волн S/X достаточно двух аппаратурных блоков.

Двухчастотный блок генераторов шума (S/X БГШ) по исполняемым функциям аналогичен одночастотному БГШ и используется в S/X приемнике.

Двухдиапазонный S/X БГШ (13 и 3,5 см)
Двухчастотный S/X БПЧ (13 и 3,5 см)

В новом блоке СВЧ-тракты формирования шумового сигнала были разработаны на основе интегрально-гибридной технологии и объединены в микросборки. Это позволило существенно упростить конструкцию, увеличить надежность работы и освободить пространство внутри блока для аппаратуры двух диапазонов.

В БГШ установлены также новые полупроводниковые генераторы шума, отличающиеся малыми габаритами, универсальностью применения засчет широкой полосы работы (до 26 ГГц) и положительным напряжением питания. Для управления узлами блока применен стандартный интерфейс I2C, имеющий всего четыре линии.

Рабочая полоса двухдиапазонного блока расширена до 900 МГц в Х-диапазоне при уменьшении неравномерности СПМШ, что повысило точность амплитудных калибровок приемно-усилительных каналов.

Система управления и электропитания S/X приемника

Система управления и электропитания S/X приемника построена по архитектуре, принципиально отличающейся от состемы управления и электропитания одноканального приемника. Ключевыми ее особенностями являются: Ориентированность на дистанционную диагностику неисправностей, широкое применение последовательного шины обмена данными, повышенная информативность.

Состав системы электропитания и управления остался прежним, однако значительно изменились функции ее узлов.

Главная плата блока связи выполняет не только функции сбора и обработки информации, а также и управления генераторами шума и модуляторами. Сбор цифровой информации производится по шине последовательного обмена данными I2C. Аналоговые сигналы обрабатываются встроенным в микроконтроллер АЦП. Коммутация осуществляется прецизионным аналоговым мультиплексором. Благодаря полному пересмотру цепей управления ГШ и модуляторами допускаются любые сочетания режимов их работы, что дает большие возможности для проведения дистанционной диагностики неисправностей.

Плата интерфейса датчиков двухканальная (ИД-2-2) является переработанной версией ИД-2. Полностью заменена элементная база. Количество каналов измерения криогенных температур увеличено до 4, причем два из них — двухкаскадные. Каналы измерения температуры окружающей среды были упразднены и заменены цифровыми датчиками, опрашиваемыми по шине I2C.

Плата измерителя токов (ИТ) является нововведением в конструкцию блока связи. Эта плата содержит четыре канала измерения тока потребления МШУ. В качестве измерительных используются резисторы номиналом 0. 5 Ом. Для усиления сгналов используются специальные операционные усилители, исключающие влияние измерительной цепи на питающие цепи МШУ. Данные, получаемые от платы измерителя токов позволяют дистанционно опеделять неисправности в питающих цепях МШУ и МШУ. Вследствие того что МШУ в процессе эксплуатации многократно подвергается циклам охлаждение/ нагрев, довольно характерной ситуацией является возникновение коротких замыканий и обрвыов в МШУ. Таки неисправности всегда вызывают значительное отклонение тока потребления МШУ от нормы.

Модуль питания БП-133М2 является переработанной версией БП-133М. Полностью изменена конструкция первичного источника питания МШУ. Использование современных малогабаритных элементов позволило разместить в корпусе модуля два источника питания МШУ, причем с помощью малогабаритных механических реле каждый источник может быть включен или выключен независимо. Это позволяет дистанционно проводить различные диагностические эксперименты, позволяющие определить источник неисправности приемника.

В конструкции БГШ для управления аттенюаторами генераторов шума применены ЦАП, управляемые по шине I2C. Это позволяет быстро изменять значение ослабления аттенюаторов, поскольку в ЦАП необходимый код передается непосредственно. Кроме того, дистанционное управление всеми аттенюаторами позволяет использовать несколько уровней сигнала амплитудной калибровки, а также, в диагностических целях, использовать генератор шума компенсации в качестве амплитудной калибровки.

В БПЧ применена плата управления и диагностики, которая собирает информацию о режимах работы узлов, а также позволяет независимо включать и отключать питание гетеродинов и широкополосных преобразовательных каналов. Это позволяет дистанцонно проводит различные эксперименты для обнаружения неисправностей приемника.

Основные характеристики криорадиометров

Общий коэффициент усиления приемников для всех диапазонов не менее 60 дБ при неравномерности не более 3 дБ.

Основные характеристики приемников в обсерватории Светлое

Длина волны, (см)	Диапазон	Диапазон входных частот, (ГГц)	Частота гетеродина, (ГГц)	Диапазон выходных частот, (МГц)	Ширина полосы выходных частот, (МГц)	Шумовая температура, (К), тип транзисторов МШУ
18–21	L	1,38–1,72	1,26	120–460	340	10 (HEMT)
13	S	2,15–2,50	2,02	130–480	350	10 (HEMT)
6	C	4,60–5,50	4,50	100–1000	900	10 (HEMT)
3,5	X	8,18–9,08	8,08	100–1000	900	12 (НEМT)
1,35	K	22,02–22,52	21,92	100–600	500	20 (HEMT)

Основные характеристики приемников в обсерватории Зеленчукская

Длина волны, (см)	Диапазон	Диапазон входных частот, (ГГц)	Частота гетеродина, (ГГц)	Диапазон выходных частот, (МГц)	Ширина полосы выходных частот, (МГц)	Шумовая температура, (К), тип транзисторов МШУ
18–21	L	1,38–1,72	1,26	120–460	340	12 (HEMT)
13	S	2,15–2,50	2,02	130–480	350	12 (HEMT)
6	C	4,60–5,50	4,50	100–1000	900	10 (HEMT)
3,5	X	8,18–9,08	8,08	100–1000	900	15 (НEМT)
1,35	K	22,02–22,52	21,92	100–600	500	20 (HEMT)

Основные характеристики приемников в обсерватории Бадары

Длина волны, (см)	Диапазон	Диапазон входных частот, (ГГц)	Частота гетеродина, (ГГц)	Диапазон выходных частот, (МГц)	Ширина полосы выходных частот, (МГц)	Шумовая температура, (К), тип транзисторов МШУ
18–21	L	1,38–1,72	1,26	120–460	340	10 (HEMT)
13	S	2,15–2,50	2,02	130–480	350	10 (HEMT)
6	C	4,60–5,50	4,50	100–1000	900	10 (HEMT)
3,5	X	8,18–9,08	8,08	100–1000	900	30 (НEМT)

Параметры приемной системы обсерватории Светлое

Диапазон длин волн, см	Т_пр, К	Т_ша, К	Т_сис, К	КИП	SEFD, Ян
18–21	10	38	48	0,6	280
13	10	37	50	0,48	340
6	10	23	33	0,6	180
3,5	12	27	39	0,56	250
1,35	20	80	100	0,3	1143

Параметры приемной системы обсерватории Зеленчукская

Диапазон длин волн, см	Т_пр, К	Т_ша, К	Т_сис, К	КИП	SEFD, Ян
18–21	12	38	50	0,6	285
13	12	40	52	0,5	356
6	10	24	34	0,65	250
3,5	15	26	41	0,57	255
1,35	20	60	80	0,4	700

Параметры приемной системы обсерватории Бадары

Диапазон длин волн, см	Т_пр, К	Т_ша, К	Т_сис, К	КИП	SEFD, Ян
18–21	10	35	45	0,59	280
13	10	40	50	0,53	340
6	22	45	67	0,52	320
3,5	30	47,5	77,5	0,5	300

Т_пр — шумовая температура приемника,К;
Т_ша — шумовая температура антенны (включая АФУ и «небо»), К;
Т_сис — шумовая температура системы К;
КИП — коэффициент использованной поверхности;
SEFD — эквивалентная спектральная плотность потока, Ян

Особенности распространения радиоволн миллиметрового диапазона, перспективы их использования в современных радиотехнических системах Текст научной статьи по специальности «Физика»

X ИНФОРМАЦИОННЫЕ КАНАЛЫ И СРЕДЫ

УДК 621. 396.67

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА, ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СОВРЕМЕННЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

В. Н. Красюк,

д-р техн. наук, профессор О. Ю. Платонов,

ассистент

А. Ю. Мельникова,

ассистент Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП)

Освоение ММД длин волн обусловлено очевидными преимуществами ММД при использовании его в РТС ближней локации. Несомненный интерес вызывают исследования, связанные с изучением особенностей распространения радиоволн ММД в атмосфере, особенно в сложных метеорологических условиях, в условиях тумана и задымленности. В статье приводятся результаты сравнительного анализа основных параметров РЛС, работающих в длинноволновой и коротковолновой частях ММД длин волн (8 и 3 мм). Выделены несколько перспективных направлений развития РТС, использующих ММД длин волн.

Evident advantages of millimeter wavelength range, using in the radio-technical systems of near location, had been condition of millimeter range wide mastering. Investigations associating with research of features of the millimeter radio-waves propagation in atmosphere, especially in complete meteorological conditions, such as a fog and a smoke, excite certain interest. The comparative analysis results of basic characteristics of the radar, operating in the different parts of the millimeter wavelength range (8 mm and 3 mm), has been suggested in this article. Therefore, may be selected some perspective directions of radio-technical systems, using of millimeter wavelength range, development.

Активное освоение миллиметрового диапазона (ММД) длин волн, наметившееся в последние годы, обусловлено целым рядом факторов, выгодно отличающих эту область радиоволн от сантиметрового и дециметрового диапазонов.

В ММД существенно выше разрешающая способность РЛС по угловым координатам, при этом габариты антенных систем (АС) могут быть значительно уменьшены. Использование радиоволн ММД позволяет, в силу существенной зависимости их коэффициентов отражения и поглощения от природы и структуры отражающей поверхности, определять свойства этой поверхности, включая ее фазовые состояния (вода, лед, снег) и рельеф (степень волнения, тернистости и др.). Таким образом, в ММД длин волн становится возможным неконтактное измерение характеристик отражающих поверхностей. В ММД длин волн мал уровень атмосфер-

ных и промышленных помех. РТС ММД менее восприимчивы к преднамеренным помехам со стороны противника, так как возможность работы в широкой полосе частот позволяет путем использования широкополосной ЧМ и кодирования сигналов повысить помехозащищенность и скорость обработки принимаемой информации. ММД не перегружен, работающие в нем средства связи имеют хорошую электромагнитную совместимость со средствами связи других диапазонов. Радиоволны ММД со сравнительно небольшим затуханием проходят через плазму. На миллиметровых волнах (ММВ) обеспечивается больший доплеровский сдвиг частоты, что существенно облегчает распознавание и классификацию движущихся и маневрирующих целей.

По сравнению с оптическим диапазоном радиоволны ММД также отличаются рядом преимуществ.

Практически не уступая в своей коротковолновой части по разрешающей способности инфракрасному (ИК) излучению, ММВ обеспечивают большую дальность обнаружения. РТС ММД нормально функционируют в условиях тумана, сильной запыленности, густой облачности (например, в тумане с видимостью до 100 м затухание в ИК- и оптическом диапазонах возрастает до 100 дБ/км и более, в то же время затухание ММВ в этих условиях не превышает нескольких дБ/км) [1]. РТС, работающие в ММД, обладают точностью, близкой к точности электронно-оптических средств и в то же время обеспечивают всепогодность и круглосуточность применения, что характерно для РТС, работающих в диапазоне СВЧ. На условия распространения волн ММД не влияет смена суток и сезонов года.

Несмотря на отсутствие резкой границы в закономерностях распространения между сантиметровыми волнами (СМВ) и волнами ММД, некоторые явления, связанные не только с распространением, но и с излучением и поглощением радиоволн в ММД, качественно отличаются от аналогичных явлений, наблюдаемых на более длинных волнах. Это обстоятельство требует нового подхода к анализу работы РТС в ММД радиоволн.

Для ММВ характерно интенсивное поглощение электромагнитной энергии в атмосфере, а также наличие резонансного поглощения кислородом на длинах волн 5,0, 2,5 и 1,7 мм [2]. Таким образом, в ММД атмосфера имеет ряд окон прозрачности и пиков поглощения, средние частоты и длины волн которых представлены в табл.1 [3]. Там же представлены границы поддиапазонов, соответствующих окнам прозрачности и окнам поглощения, выделенные согласно решению Всемирной административной конференции по радиосвязи.

Радиосвязь, как правило, осуществляется в окнах прозрачности. Большее по сравнению с СМВ поглощение ММВ в гидрометеорах приводит к снижению дальности связи, что требует повышения энергетического потенциала радиолиний для компенсации затухания. В то же время, с точки зрения защищенности передаваемой информации от разведки противника, целесообразно использование окон поглощения. Так, в диапазоне частот в районе 60 ГГц наблюдается самое большое поглощение ММВ кислородом, составляющее 16-17 дБ/км при ясной погоде. Эта особенность по-

Таблица1. Границы поддиапазонов, соответствующих окнам прозрачности и окнам поглощения волн ММД в атмосфере

Поддиапазон Окно прозрачности Участок поглощения

Средняя частота, ГГ ц Средняя длина волны, мм Средняя частота, ГГц Средняя длина волны, мм

30-51,4 35 8,6 — —

51,4-66 — — 60 5

66-105 94 3,2 — —

105-134 — — 120 2,5

134-170 140 2,1 — —

170-190 — — 180 1,7

190-275 230 1,3

Таблица 2. Погонное затухание радиоволн ММД в атмосфере

Погонное поглощение радиоволн ММД в газах атмосферы уд дБ/км

Частота, ГГц Поглощение в парах воды при плотности, г/м3 Поглощение другими газами атмосферы Суммарное поглощение при влажности, г/м

7,5 20,0 7,5 20,0

10 5,3 • 10~3 7 ■ 10’3 8 ■ 10~3 0,013 0,015

35 0,05 0,13 0,05 0,1 0,18

94 0,2 0,52 0,045 0,25 0,57

140 1,0 2,7 0,03 1,0 2,7

Значения параметров Кп и а для расчета погонного затухания в дожде

Кд, ДБ ■ ч/м2 а

Частота, Гц Поляризация

горизон- тальная вертикальная горизон- тальная вертикальная

10 0,0101 0,0089 1,28 1,26

15 0,0367 0,0347 1,15 1,13

30 0,187 0,167 1,02 1,00

80 0,975 0,906 0,769 0,769

90 1,06 0,999 0,753 0,754

Значение коэффициента Кт при температуре 18 °С, дБ ■ м /(г • км)

Длина волны, см

0,2

0,5

0,7

1,0

7,14 1,65 0,876 0,438 0,280 0,112 0,050

1,25

2,0

3,0

Зависимость оптической видимости от водности тумана

Водность Мт, г/м»

Оптическая видимость, м

0,5

0,2

200

0,1

300

Классификация типов снега и погонное ослабление уд на частоте 35 ГГц, дБ/км

Тип снега

Сухой 0,08

Слегка влажный 0,09

Влажный 0,1

Мокрый 0,27

Обводненный 0,5

Дождь 1,0

Плотность снега (дождя), г/м3

Содержание воды, г/м3

0,006 0,05

0,008 0,5

0,01 1,3

0,077 2,3

0,25 3,5

1,0 1,1

Тц

зволяет практически исключить возможность обнаружения и перехвата радиосигналов, если станция перехвата расположена лишь на несколько сотен метров дальше от передатчика, чем приемник. Повышенное затухание в пиках поглощения позволяет передавать информацию на соответствующих им частотах при низком уровне взаимных помех от различных служб и организовывать скрытую связь вдоль поверхности Земли на небольших расстояниях. Кроме того, частоты, соответствующие пикам поглощения в атмосфере, могут использоваться на межспутниковых линиях связи большой протяженности за пределами атмосферы. В этом случае атмосфера выполняет роль заграждающего фильтра по отношению к помехам Земли.

В табл. 2 представлены данные о поглощении радиоволн ММД водяным паром, содержащимся в атмосфере [1]. Плотность водяного пара 7,5 г/м3 считается стандартной для континентальных районов с умеренным климатом, плотность 20,0 г/м3 ха-

рактерна для нижних слоев тропосферы над океанами и морями субтропической, тропической и экваториальных зон, а также для прибрежных районов суши в этих широтах. Из табл. 2 видно, что поглощение ММВ в газах атмосферы, прежде всего в парах воды, требует заметного повышения потенциала РЛС, работающих в коротковолновой части ММД по сравнению с РЛС сантиметрового диапазона. Например, при дальности действия 5 км энергетический потенциал станции на частоте 140 ГГц в зависимости от условий работы должен на 10-27 дБ превосходить потенциал сантиметровых радиолокаторов.

Поглощение в газах атмосферы является прогнозируемым фактором, причем для расчета полного ослабления на трассе с достаточной точностью можно пользоваться климатическими данными. При этом необходимо оценивать наихудшие условия работы, т. е. ориентироваться на времена года с наибольшей влажностью атмосферы.

В отличие от поглощения в газах ослабление ММВ, вызываемое осадками, может прогнозироваться только в вероятностном смысле. В настоящее время разработаны методы расчета вероятностных характеристик ослабления радиосигналов на трассах различной протяженности, в том числе на трассах Земля—Космос. ) при вертикальной поляризации радиосигнала на частоте 10 ГГц; — — ■ ■ — — анало-

уд, дБ/км

1 5 9 13 17 21 J, ММ/Ч

■ Рис. 1. Погонное затухание радиоволн в зависимости от интенсивности дождя

гичная зависимость на частоте 30 ГГц. Вертикальными линиями обозначены расчетные интенсивности осадков 1 мм/ч (—) и 4 мм/ч (—), которые

часто используют при практических оценках затухания радиоволн. Критерием такого выбора является условие, при котором реальное ослабление на трассе не превышает расчетного более 1 % времени в среднем в течение года. При этом интенсивность 1 мм/ч соответствует 99 % обеспеченности работоспособности радиолинии в климатических зонах со среднегодовым количеством осадков 300-500 мм, характерным для большей части Центральной Европы. Интенсивность, равная 4 мм/ч, соответствует такой же обеспеченности для районов со среднегодовым количеством осадков 2000-3000 мм (Юго-Восточная Азия, экваториальные зоны Африки и Латинской Америки, некоторые прибрежные районы субтропиков).

В настоящее время значительное внимание в исследованиях по влиянию осадков на работу радиолиний уделяется вопросам учета неоднородности дождя на трассе распространения, что особенно важно при расчете радиорелейных линий и линий Земля—Космос. Кроме того, при анализе работы радиолокационных систем ММД обычно можно ограничиваться предположением об однородности дождя в пределах дальности действия РЛС. Основанием для этого служит следующее. Как видно из рис. 1, даже при слабых дождях создаваемое ими ослабление достаточно велико. Оценки показывают, что при современном энергетическом потенциале РЛС ММД их дальность действия в таких осадках не превышает 5-10 км. В сильных дождях с интенсивностью более 10 мм/ч во всем ММД погонное ослабление превосходит 5-7 дБ/км, и в этом случае дальность действия РЛС не превышает 1-3 км. Следовательно, предполагая дождь однородным в пределах всей дальности действия РЛС, незначительно завышается суммарное ослабление сигнала.

Ослабление радиоволн ММД в тумане зависит от количества жидкой воды в единице его объема, т.е. водности этого гидрометеорологического образования, а также от его температуры. Величина погонного ослабления в этом случае определяется по формуле

УД = КТМГ>

где Мт — водность, г/м3; /Ст — удельный погонный коэффициент ослабления, дБ • м3/(г • км), значения которого при температуре 18°С представлены в табл. 2.

Следует отметить, что коэффициент Кт имеет сильную температурную зависимость: на длине волны 5 см он изменяется примерно в три раза в интервале температур от 0 до 40 °С, убывая с увеличением температуры. Водность тумана ориентировочно можно определить по оптической видимости в нем, пользуясь данными, также приведенными в табл. 2. Вероятность появления туманов в равнинной местности в холодное время года составляет 3-5 %, а в теплые месяцы — 0,6-2,0 %, причем

приземные туманы могут захватывать большие районы протяженностью 100-1000 км. Высока вероятность возникновения туманов над океанами и морями в высоких широтах, где она может достигать 40 %.

Многообразие форм выпадающего снега и сильная зависимость поглощения радиоволн ММД от влажности снега затрудняют разработку теоретических моделей или подбор эмпирических зависимостей. Классификация типов выпадающего снега и погонное ослабление им радиоволн на частоте 35 ГГц представлены в табл. 2 [1]. Изданных таблицы видно, что в сухом снегу ослабление составляет менее 0,05 дБ/км, т. е. сравнимо с поглощением радиоволн ММД в газах атмосферы, в то время как во влажном снегу ослабление составляет 2,3-3,5 дБ/км, что превосходит затухание радиоволн в дожде той же интенсивности.ЭПР) отражающего объекта, в несколько раз большая разрешающая способность. Кроме того, в ММД вблизи длины волны 3 мм при одной и той же относительной полосе пропускания можно получить большую абсолютную полосу усиливаемых частот. Участок ММД со средней длиной волны 3 мм, уступая более длинноволновым участкам ММД по характеристикам, связанным с потерями в атмосфере (см. рис. 1, табл.2), по ряду других параметров, определяющих дальность, имеет важные преимущества по сравнению с участком ММД вблизи окна прозрачности, соответствующего 8 мм.

Проведем сравнительную количественную оценку некоторых основных радиолокационных параметров в ММД длин волн.

1. При одинаковом эффективном диаметре антенны D коэффициент усиления G — (D/À)2 при Х~ ~ 3 мм почти на порядок больше, чем на участке ММД, соответствующем 8 мм [5].

2. Для плоской отражающей поверхности при угле падения сторонней волны ф > л/4 ЭПР о(ф) пропорциональна 1/Я2. При скользящем угле падения и вертикальной поляризации падающей волны ЭПР пропорциональна 1/А.4. Это позволяет получить на длине волны 3 мм значение ЭПР на порядок большее по сравнению с ЭПР, полученной на длине волны 8 мм.

ЭПР прямоугольной пластины с размерами а, b можно определить из следующего выражения:

ст/ф) _ 4яа2Ь2 Г sin (/са sin (ф)) 1 X2 L Ка sin (ф) J’

где к — волновое число; ф — угол падения сторонней волны, отсчитываемый в азимутальной плоскости относительно нормали к поверхности пластины.

Результаты расчетов, выполненные в соответствии с (2) для длин волн 8 и 3 мм, представлены на рис. 2. Сплошной линией на рисунке обозначена диаграмма рассеяния (ДР) в азимутальной плоскости от прямоугольной отражающей пластины при падении сторонней волны с длиной 8 мм; штриховой линией — ДР в азимутальной плоскости такой же пластины при падении волны с длиной 3 мм. — частота падающей волны; с — скорость света.

Результаты расчета доплеровского сдвига частоты представлены в табл. 4.

Факторы, перечисленные в пп. 1-3, компенсируют уменьшение дальности на участке ММД вблизи длины волны 3 мм, вызванное увеличением удельных потерь на 3-4 дБ при сложных метеорологических условиях.

4. Разрешающая способность по дальности ДЯ обеспечивается в основном параметрами зондирующего импульса и, казалось бы, от несущей частоты радиосигнала не зависит. Однако при внут-риимпульсной ЛЧМ она определяется следующим образом:

ДЯ = — —

с 1

2 ДР’

где с — скорость света; ДР — абсолютная девиация ЛЧМ-сигнала.

Очевидно, что при ЬЗ мм большее значение ДЯ достигается при меньшей относительной девиации частоты, чем при Х = 8 мм. Так, при ДР0ТН = = 0,5 % на несущей частоте 94 ГГц (ДР- 400 МГц) реализуется ДЯ = 37,5 см, в то время как при таком же значении ДР0ТН на несущей частоте 35 ГГц может быть получено значение ДЯ= 85,7 см.

0,6

0,4

0,2

-10

-6

Рис. 2. Диаграмма рассеяния прямоугольной пластины, ориентированной ортогонально направлению падения волны

Таблица 4. Зависимость доплеровского сдвига частоты от длины падающей радиоволны

X, м 0,03 0,008 0,003 0,002

Гц 1 . ю10 3,75 ■ Ю10 1 • 1011 1,5 • 1011

5. Разрешающая способность по азимуту определяется главным образом шириной диаграммы направленности антенны ДФ, которая, в свою очередь, зависит от отношения эффективного диаметра антенны О к длине волны Я. Преимущество трехмиллиметрового диапазона перед восьмимиллиметровым при одинаковом значении О в этом случае очевидно. При одинаковом значении ДФ в трехмиллиметровом диапазоне достигается значительное (приблизительно в 3 раза) уменьшение О.

Основные параметры РЛС ММД, работающих на длинах волн 8 и 3 мм, приведены в табл. 5.

При проводимой сравнительной оценке следует принять во внимание параметры, характеризующие мощность излучения и шумы приемных устройств. В этих случаях, безусловно, участок ММД со средней длиной волны 8 мм имеет преимущество.

При переходе к окну прозрачности в атмосфере, соответствующему средней длине волны 2 мм, выигрыш в значениях 6и о составляет лишь 2,25 раза, тогда как увеличение потерь в сложных метеоусловиях составляет примерно 6-8 дБ, не считая значительного затухания в волноводном тракте. Следовательно, переход к еще более коротковолновому участку ММД не оправдан.

Рассмотрев особенности распространения волн ММД и сравнив РТС ММД с оптическими системами и РТС, работающими на СМВ, можно сделать следующий вывод: эффективность использования РТС ММД и выбор рабочей частоты определяются

Таблица 5. Основные параметры РЛС ММД, работающих на длинах волн 8 и 3 мм [5]

Параметр Длина волны, мм

8 3

Диаметр антенны, м, при одинаковом отношении ОД 2,0 0,75

Диаметр антенны, м,при ширине ДН по уровню половинной мощности 0,5 град 1,9 0,5

Относительная ЭПР (при одинаковой геометрической площади отражения) 1,0 7,8

Поперечная разрешающая способность, мин 22 (ОД-225) 8 (ОД-150)

Разрешающая способность по дальности, м 0,86 0,38

Доплеровский сдвиг частоты, ГГц 37,5 100,0

Массогабаритные характеристики СВЧ-части, отн. ед. 1,0 0,25

не только конкретными задачами, но и условиями применения.

Как правило, функционирование РТС ММД осуществляется на длинах волн, соответствующих окнам прозрачности, т. е. 8,6 и 3,2 мм. При сильной запыленности местности, в пустынных районах Африки, Средней Азии и Ближнего Востока, более эффективным представляется использование длинноволновой области ММД, поскольку на более коротких волнах, тем более в ИК- и оптическом диапазонах, велико рассеяние электромагнитного излучения на частицах пыли, песка и т. п. По этим же причинам затруднено использование волн ИК и оптического диапазонов в условиях сильной задымленности местности, где предпочтительно применение ММД. Вследствие существенного поглощения волн ММД водяным паром, содержащимся в атмосфере, и осадками затруднено применение волн ММД над поверхностью океанов и морей а также над прибрежными районами субтропических, тропических и экваториальных зон Юго-Восточной Азии, Африки и Латинской Америки. В этих районах возможно использование длинноволновой области ММД, а также коротковолновой части диапазона СМВ. В районах с сухим континентальным климатом либо в районах, характеризующихся умеренной интенсивностью осадков (Центральная Европа, Сибирь и т. п.), в системах ближней локации различного назначения предпочтительно использование РТС, работающих в коротковолновой области ММД. В этой же области ММД представляется эффективным функционирование средств обеспечения ледовой разведки при навигации судов в условиях Заполярья, Арктики и Антарктиды.

Для защиты передаваемой информации целесообразно использовать окна поглощения. Это позволяет передавать информацию при низком уровне взаимных помех и организовывать скрытую связь на небольших расстояниях. Кроме того, частоты, соответствующие пикам поглощения в атмосфере, могут использоваться на межспутниковых линиях связи большой протяженности. В этом случае атмосфера выполняет роль заграждающего фильтра по отношению к помехам Земли.

Работа выполнена в рамках гранта Т02-02.5-3650 Минобразования РФ (конкурс 2002 г.) по фундаментальным исследованиям в области технических наук.

Литература /~

1. Кулемин Г. П., Разсказовский В. Б. Рассеяние миллиметровых радиоволн поверхностью Земли под малыми углами. — Киев: Наук, думка, 1987. — 232 с.

2. Белоцерковский Г. Б. Антенны. — М.: Оборонгиз, 1962. — 491 с.

3. Гассанов Л. Г., Липатов А. А., Марков В. В., Мо-гильченко Н. А. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. — М.: Радио и Связь, 1988. — 288 с.: ил.

4. Красюк В. Н., Михайлов В. Ф. Бортовые антенны гиперзвуковых летательных аппаратов: Учебное пособие. — СПб.: СПбГААП, 1994. — 216 с.

5. Гельвич Э. А. Преимущества использования 3-мм диапазона длин волн для обеспечения безопасности полетов и судовождения//Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. — Вып. 1(467). — 1996. — с. 55-57.

6. Финкельштейн М. И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. — М.: Радио и Связь, 1983. — 535 с.

Высокоэффективный релятивистский гиротрон сантиметрового диапазона длин волн с микросекундной длительностью СВЧ-импульса

Высокоэффективный релятивистский гиротрон

сантиметрового диапазона длин волн

с микросекундной длительностью СВЧ-импульса

Н. И. Зайцев, Н. С. Гинзбург, Н. А. Завольский, В. Е. Запевалов, Е. В. Иляков,

И. С. Кулагин, В. К. Лыгин, М А. Моисеев, P. М. Розенталь

В настоящее время гиротроны являются наиболее высокоэффективными источниками мощного излучения

миллиметрового диапазона. Так, на длине волны =З мм получена мощность излучения 2 МВт при длительно-

сти импульсов 30 мкс [1]. Тем не менее, возможности этих приборов как по уровню мощностей излучения, так

и по рабочим диапазонам, где эти приборы могут быть конкурентоспособны, далеко не исчерпаны.

Очевидно, увеличение мощности излучения должно быть связано с увеличением рабочих токов и напря-

жений, включая переход в релятивистскую область энергий. В теоретической работе [2] в рамках приближен-

ной модели, в которой уравнения релятивистского гиротрона с точностью до замены переменных сводились к

уравнениям слаборелятивистских гиротронов, было показано, что КПД гиротрона остается достаточно высоким

в релятивисткой области энергий и может достигать 30-35%. Однако в предшествующих экспериментах [3, 4]

КПД релятивистских гиротронов не превышал 20%, при этом использовались электронные пучки, формируе-

мые со взрывоэмиссионных катодов, и длительность СВЧ-импульсов не превышала нескольких десятков нано-

секунд.

На новом этапе исследований моделирование гиротрона проводилось с использованием двух методов: на

основе хорошо разработанного метода, включающего усредненные релятивистские уравнения движения и

уравнения возбуждения в виде уравнений неоднородной струны, определяющих самосогласованный профиль

поля [5], и с использованием двумерной версии PIC-кода KARAT, непосредственно моделирующего уравнения

Максвелла в совокупности с уравнениями движения макрочастиц.

Интегрирование усредненных уравнений показало, что падение КПД при переходе в релятивистскую об-

ласть энергий меньше, чем предсказывалось ранее приближенной асимптотической теорией [2], и при дополни-

тельной оптимизации профиля резонатора КПД гиротронов может превышать 50% [6]. Результаты моделиро-

вания были положены в основу разработки высокоэффективного релятивистского гиротрона на моде ТЕ01 с

рабочей частотой 9,2 ГГц.

Оптимизация профиля резонатора проводилась на основе стационарной модели релятивистского гиротро-

на с самосогласованной нефиксированной структурой поля. В качестве рабочих принимались следующие зн а-

чения параметров: рабочая мода – ТЕ01, длина волны



 3,25 см (f  9,2 ГГц), радиус однородного участка

резонатора R0 = 2 см, радиус инжекции электронного пучка в пространство взаимодействия Rb = 0,75 см, уско-

ряющее напряжение U = 280 кВ, ток пучка I = 60 А, питч-фактор g = 1,3, относительный разброс электронов по

поперечным скоростям





= 30%. Оптимальная конфигурация резонатора, длина однородного участка которо-

го составляет 11 см, приведена на рис. 1. На этом же рисунке показаны самосогласованная структура поля р а-

бочей моды и зависимости текущего электронного КПД от продольной координаты в оптимальном режиме ге-

нерации, полученные на основе стационарной теории и кода KARAT.

На рис. 2 приведены зависимости КПД от величины магнитного поля для последовательно возрастающих

величин напряжения, реализующихся в процессе включения гиротрона. Как видно из рис. 2, максимум КПД

48% достигается на кривой 4 при значении магнитного поля 4,25-4,3 кЭ и соответствует жесткому режиму са-

мовозбуждения. Тем не менее, при напряжениях менее 180 кВ при той же величине магнитного поля режим

– stationary model

– KARAT simulation

Рис. 1. Продольная структура рабочей моды и изменение электронного КПД в пространстве взаимодействия

в оптимальном режиме генерации.

5G и миллиметровые волны

За последние 30 лет мобильная сеть стала важной частью нашей повседневной жизни, а использование мобильных услуг начинает достигать невероятно высокого уровня спроса. В этом году через мобильные сети по всему миру каждый месяц будет передано 30 Экзабайт информации (30•10¹⁸ байт). И это еще не предел: по прогнозам специалистов, ежемесячный объем передаваемой информации с учетом интернета вещей к 2020 г. будет измеряться уже в Зеттабайтах (1•10²¹ байт). Этот показатель будет ежегодно увеличиваться примерно на 50%. Спрос на передачу данных будет и дальше продолжать расти, причем высокими темпами. Уже прямо сейчас около 15% взрослого населения в США используют LTE (LTE — стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных 4G [2]) на постоянной основе, оставляя Wi-Fi выключенным (они говорят, что управление точками доступа Wi-Fi может раздражать). Что же касается молодого поколения, то уже сейчас молодежь потребляет 50 ГБ мобильного видео каждый месяц, полагаясь на «безлимитные планы». Признаки тренда здесь очевидны — спрос на передачу данных будет и дальше продолжать увеличиваться, причем высокими темпами.

Использование малых сот поддерживает технология LAA (License Assisted Access) компании Ericsson. Операторы связи увеличивают скорость передачи в перегруженных зонах, например в помещениях, устанавливая небольшие базовые станции с этой технологией. Концепция LAA предусматривает использование еще одной передовой технологии — агрегации несущих частот, которая позволяет эксплуатировать разные диапазоны LTE, подключая любую неиспользуемую полосу в диапазоне 5 ГГц, в т. ч. нелицензированные частоты [3]. На практике малая сота непрерывно сканирует нелицензированные частоты и, найдя свободный канал, создает 4G-соединение. Впервые в России успешно протестировал технологии LAA сотовый оператор МТС [4].

Как известно, увеличение скорости передачи информации требует роста пропускной способности каналов связи. Теорема Шеннона–Хартли [5] устанавливает шенноновскую емкость канала связи (верхнюю границу максимального количества безошибочных цифровых данных) с заданной полосой пропускания в присутствии шума. Способность канала связи определяется следующим образом:

где Δf — занимаемая полоса частот; Р_с — средняя мощность сигнала; N — средняя мощность шума; Еσ — энергия бита; N₀ — спектральная плотность мощности шума.

Из этого выражения видно, что имеются два пути повышения пропускной способности канала связи: увеличение средней мощности сигнала Р_с по отношению к суммарной энергии шума и помех или расширение полосы частот Δf занимаемой сигналом. Увеличение мощности сигнала Р_с для мобильной связи ограничивается стандартами на допустимые уровни электромагнитного излучения базовых станций и мобильных телефонов. Следовательно, основной путь для увеличения скорости информационного обмена в сетях мобильной связи заключается, главным образом, в расширении полосы частот Δf [4].

Для отслеживания изменений спроса нескольких операторов на мобильные данные измеряется уровень трафика в занятом секторе при пиковой нагрузке в единицах гигабит в секунду на квадратный километр на 1 МГц спектра (Гбит/с/км²/МГц), или ГкМ. Чтобы понять, как современным сетям справляться с экстремальной нагрузкой в городах, сравниваются показатели ГкМ сетей разных операторов. Результаты сравнения позволяют установить, что необходимо для работы с трафиком, – небольшие ячейки, группы MIMO (технология использования нескольких передающих и нескольких приемных антенн в одной сотовой ячейке) или использование миллиметровых волн (рис. 1).

Рис. 1. Данные сравнительного анализа для плотности мобильного трафика в Гбит/с/км2/МГц, или ГкМ

Плотность трафика в единицах ГкМ неуклонно растет уже в течение многих лет. В наибольшей мере это заметно, например, по использованию сетей передачи данных в токийском или сеульском метро, где тысячи людей смотрят видео. Однако статистический рост плотности является на удивление плавным по мере того, как новые приложения и видеоконтент становятся доступными на мобильных платформах.

Выше уровня плотности трафика 0,02 ГкМ операторы мобильной связи, как правило, используют небольшие соты. Другими словами, макросеть насыщается при плотности 0,02 ГкМ, и небольшие ячейки являются более экономичным способом увеличения емкости. В последнее время сети превысили уровень 0,1 ГкМ, что привело к необходимости широкого использования технологии MIMO.

В настоящее время становятся заметными некоторые признаки того, что плотность трафика сетей OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) достигнет 0,15–0,2 ГкМ. Эта технология способна преодолеть такой барьер, но выход за пределы 0,2 ГкМ в диапазонах частот 1–3 ГГц станет весьма дорогим удовольствием, поскольку потребуется большое количество радиоузлов с очень низким энергопотреблением.

Сократить плотность трафика мобильных сетей позволяет технология 5G. Например, плотность трафика сетей одного из ведущих корейских операторов должна сократиться благодаря полосе 100 МГц при несущей 3,5 ГГц. Дополнительные 800 МГц спектра на частотах несущей в области 28 ГГц (т. е. в диапазоне миллиметровых волн) позволят уменьшить плотность трафика в ключевых точках доступа до гораздо более управляемых уровней, как это видно из рис. 2.

Рис. 2. Изменение плотности трафика с добавлением спектра 5G в области миллиметровых волн

Итак, в большинстве случаев операторы для управления плотностью трафика могут использовать спектр 5G, поскольку именно его добавление является лучшим вариантом, когда при высокой плотности увеличение емкости сети с помощью других технологических ухищрений становится экономически нецелесообразным.

Миллиметровые волны

После исчерпания возможностей использования удобных лицензированных полос ниже частоты 5 ГГц операторы мобильной связи заинтересовались спектром миллиметровых волн. Однако его использование сопряжено не только с чисто техническими проблемами. Так, например, США являются ярким примером того, когда из-за недоступности широких участков спектра сантиметровых длин волн C‑диапазона (частоты 3,4–8 ГГц) операторам мобильной связи пришлось вложить значительные средства в полосы частот 28 и 39 ГГц в миллиметровом диапазоне.

Емкости крупных мобильных сетей США в главных городских кварталах не хватает на частотах ниже 6 ГГц. Во время международных спортивных мероприятий плотность трафика превышает 0,12 ГкМ. Компания Mobile Experts смоделировала спрос на мобильные данные в четырех сегментах сетей США (городские сети с плотным трафиком, городские сети, пригородные сети, сети в сельской местности) и оценила общую емкость мобильной сети при использовании базовых макростанций, небольших сот, сервиса CBRS, технологий LAA и MIMO на частотах ниже 6 ГГц. Даже при полностью используемой гетерогенной сети с максимальной пропускной способностью спрос в плотных городских кварталах превысит пропускную способность в 2023 г., как это следует из данных моделирования (рис. 3).

Рис. 3. Спрос и емкость мобильной городской сети с высокой плотностью трафика в США

Поскольку числовые данные на рис. 3 иллюстрируют общий спрос и пропускную способность всех городских мобильных сетей с плотным трафиком в США, в местах с высокой емкостью трафика спрос превысит пропускную способность уже в 2021–2022 гг. Соответственно, экстраполируя контрольные показатели плотности трафика, можно считать, что к 2022 г. ежедневные уровни плотности в городских районах Нью-Йорка в часы пик превысят уровень 0,1 ГкМ.

В России аукционы по распределению спектра частот 24,5–29,5 ГГц для сетей 5G должны были пройти до конца 2019 г. При этом приоритетным для развертывания связи пятого поколения является диапазон 4,4–4,9 ГГц, а освободить диапазон 3,4–3,8 ГГц не представляется возможным [6]. Согласно [5], диапазон частот до 57 ГГц, который также подходит для поколения 5G, уже частично занят под нужды разных служб и активно используется в спутниковой связи. Кроме того, нельзя задействовать для 5G частоты, которые раньше были выделены ряду служб. К этим диапазонам относятся 28,35–29,1 ГГц; 76–81 ГГц; 86–92 ГГц; 94–94,1 ГГц. Тем не менее, в диапазоне 71–95 ГГц суммарный интервал незанятых частот превышает 12 ГГц, что позволяет использовать широкополосные системы связи поколения 5G, не оказывая негативного влияния на другие радиосистемы миллиметрового диапазона.

Однако еще в конце прошлого года правительство РФ заявило о том, что на появление 5G в 2020 г. рассчитывать не стоит – ожидается, что лишь к концу 2021 г. появятся условия, необходимые для полномасштабного запуска в стране сетей пятого поколения. Одним из камней преткновения в этом вопросе является выбор диапазона частот, на которых будут разворачиваться сети 5G в России [6]. Чем закончится эта бюрократическая волокита разных, в т. ч. очень влиятельных ведомств, предположить трудно. А пока вернемся к странам, в которых проблема с выделением необходимого частотного спектра решается оперативнее в пользу потребителей.

Как и когда связь на миллиметровых волнах окажется полезной

Многие опытные инженеры, работающие в области радиочастот, сомневаются в эффективности использовании радиосвязи на основе миллиметровых волн в мобильной среде. Дело в том, что связь на таких волнах при обеспечении разумного энергетического бюджета зависит от диаграммы направленности – как правило, требуется узкий луч. Любое нарушение на пути распространения сигнала может внести нарушения, как и качество исполнения радиочастотной части на аппаратном уровне. Кроме того, связь в этом диапазоне зависит от целого ряда физических факторов, возникающих в тракте передачи сигнала. К ним относятся туман, дождь, лиственный покров [5].

Качество и надежность самой передачи в сети 5G на миллиметровых волнах были продемонстрированы в тестовых системах во время проведения Олимпийских игр в Сеуле и на скоростях выше 200 км/ч на гоночной трассе: структура кадра 5G признана пригодной для переключений даже при максимальном доплеровском сдвиге.

Однако, учитывая имеющиеся аппаратные и физические ограничения, операторы мобильной связи изначально не станут использовать канал 5G на миллиметровых волнах в качестве автономного. В качестве первичного канала будет задействована несущая LTE в диапазоне 1–2 ГГц, а передача управляющих сигналов будет осуществляться в более надежной нижней полосе. И только затем, для загрузки или передачи больших объемов данных в игру вступит канал 5G на миллиметровых волнах, когда он станет доступным.

Таким образом, пропускная способность передатчика на миллиметровых волнах возрастет на уровне агрегации несущих, благодаря чему скорость повысится. Однако он не будет обязателен для формирования непрерывного канала связи и передачи информации, связанной с сервисами сети. В какой-то момент операторы смогут принять решение перейти к использованию 5G на миллиметровых волнах в качестве основной мобильной сети, но пока ни один из операторов не планирует работать только в рамках технологии 5G в миллиметровом диапазоне.

Реализация радиочастотного тракта базовых станций

Базовая станция для работы в диапазоне миллиметровых волн будет разительно отличаться от базовых станций LTE, работающих на частотах ниже 6 ГГц. На фундаментальном уровне передатчики миллиметрового диапазона отличаются более низкой эффективностью усилителя мощности, причем даже в относительно низкочастотном диапазоне 24–40 ГГц; следовательно, уровень подводимой к антенне выходной мощности передатчика будет намного ниже, чем у низкочастотных базовых станций LTE. Основным ограничением является уровень тепловыделения, допустимый в пассивно охлаждаемом радиопередающем блоке на вершине мачты с антеннами сотовой связи. Учитывая, что уровень рассеиваемой мощности блока в небольшом корпусе не должен превышать 250 Вт, РЧ-мощность будет ниже 10 Вт в любой конфигурации оборудования.

Чтобы обойти это ограничение, системные инженеры обратились к групповым архитектурам MIMO, рассчитанным как минимум на 64 антенны, чтобы использовать их высокий коэффициент усиления. Для формирования диаграммы направленности сначала использовались 64–256 антенных элементов на луч, чтобы усиление составило 25–30 дБи. Таким образом, низкая подводимая мощность достигает величины ЭИИМ(линейная эквивалентная изотропно-излучаемая мощность) в диапазоне до 60 дБм. Каждый луч диаграммы также несет несколько потоков, а массивы MIMO базовых станции сконфигурированы в виде антенных решеток с двойной поляризацией, так что каждый луч может работать с MIMO структурами 2×2.

Несколько лучей диаграммы направленности поддерживаются радиопередатчиком с помощью массива из нескольких антенных решеток. Производители оборудования используют антенные решетки с заданным количеством элементов (64–256 на решетку). Полученное изделие масштабируется в зависимости от требуемых уровней емкости. В частности, применение нашли четыре 256‑элементные решетки для 1024 антенных элементов, поддерживающих четыре луча и 2×2 MIMO в каждом луче.

Заметим, что конфигурация лучей диаграммы и потоков не определяется оборудованием. OEM-производитель может изменить конфигурацию с помощью программного обеспечения при условии, что элементы антенны оснащены аналоговыми фазовращателями и компонентами с регулируемым усилением, которыми можно управлять по отдельности. Такой подход «гибридного формирования луча» используется почти во всех прототипах, поскольку полное цифровое формирование луча при очень широкой полосе пропускания может быть дорогостоящим с точки зрения управления мощностью по отношению к стоимости.

Кроме того, в настоящее время для обеспечения высокого уровня интеграции и низкой стоимости во многих базовых станциях используется полупроводниковые технологии SOI (кремний на изоляторе) и SiGe (кремниево‑германиевые транзисторы). Широкозонный нитрид галлия (GaN) также обладает большим потенциалом, благодаря которому уменьшается рассеивание мощности при высоких уровнях ЭИИМ. В результате мощность возрастает до 60 дБм и выше при меньшем количестве элементарных антенн.

На основе данных об эффективности усилителей мощности и размере/эффективности радиаторов, полученных с помощью демонстрационной установки на выставке MWC Barcelona 2019, было определено потребление энергии от источников напряжения постоянного тока (рис. 4). Оказалось, что линейные усилители мощности на базе GaN-транзисторов имеют значительное преимущество по эффективности на частоте 28 ГГц. Тем не менее все крупные OEM-производители до сих пор применяют технологии SOI или SiGe, которые обеспечивают более высокие уровни интеграции, использование больших пластин и, как следствие, меньшую стоимость конечного оборудования.

Рис. 4. Сравнение рассеяния мощности в GaN-, SOI- и SiGe-усилителях антенных решеток

Ожидается, что в течение следующих пяти лет значительно скорректируется баланс между узкой диаграммой направленности (для передачи на дальние расстояния) и широкой (для повышения мобильности). Оптимальный компромисс для сетей, работающих в условиях плотного трафика, пока не совсем понятен; скорее всего, придется воспользоваться отдельными конфигурациями так, чтобы мобильные терминалы на движущихся транспортных средствах использовались иначе, чем сотовые телефоны пешеходов. В частности, ожидается, что большие антенные массивы на основе технологии SOI будут поддерживать приложения для городских районов с высокой плотностью трафика, где требуются и вертикальное, и горизонтальное управление диаграммой направленности антенн, а скорости перемещения пешеходов являются типовыми. В других приложениях для реализации более высокой мобильности, не требующих управления диаграммой направленности по вертикали, скорее всего, будут применяться устройства на основе технологии нитрида галлия.

Решающее значение также будет иметь физическая интеграция внешнего радиочастотного интерфейса. Поскольку для обеспечения низких вносимых потерь в полосах частот 24–40 ГГц потребуется очень плотная интеграция, для встраивания активной матрицы и пассивных элементов будут использоваться либо низкотемпературная совместно обжигаемая керамика (LTCC), либо 3D-структуры на стекле (рис. 5).

Рис. 5. Корпусирование (интеграция) внешних радиочастотных интерфейсов, работающих в диапазоне миллиметровых волн

Один из наиболее удобных способов реализации радиочастотного блока состоит в использовании специальной радиочастотной интегральной схемы (РЧ ИС) на четыре антенных элементах. Одну РЧ ИС для формирования луча диаграммы направленности (путем настройки фазы и амплитуды) можно установить между четырьмя антенными элементами, используя для маршрутизации сигнала короткие трассы и минимум переходных отверстий (рис. 6) (важность решения проблемы переходных отверстий см. в [7]).

Рис. 6. Типичная антенная решетка с четырьмя секциями; всего 64256 антенн с двойной поляризацией

Пока остается открытым один важный вопрос, который касается использования фильтров в интерфейсе радиостанций миллиметровых волн. В настоящее время на входе приемника полосовые фильтры не используются. В них не было надобности, поскольку во время полевых испытаний спектр был достаточно чистым и для обеспечения внеполосного подавления можно было полагаться на естественный спад АЧХ патч-антенны и распределенной антенны. Однако уже в ближайшем будущем, когда пройдут аукционы по использованию спектра и станут разворачиваться сети сразу нескольких операторов, возникнут взаимные помехи. На самом деле, даже при высоком уровне ЭИИМ и очень узких лучах диаграммы направленности помехи велики и, как известно, появляются там, где их не ждешь. Недавний анализ показывает, что фильтры будут установлены в интерфейсы радиостанций миллиметровых волн уже в ближайшие три года.

Проблемы реализации РЧ-тракта конечного оборудования

В фиксированной беспроводной связи ключевой частью системы является оборудование конечных пользователей, которое может не принадлежать коммуникационному оператору. Оборудование может принадлежать клиенту, может быть взято им в лизинг или арендовано. Такое оборудование обычно используется для соединения абонента с публичной или частной сетью оператора по любой существующей технологии.

Сначала развертывание сетей 5G на базе миллиметровых волн основывалось на высоком усилении антенны и высоком уровне ЭИИМ оборудования конечного пользователя, чтобы обеспечить требуемую пропускную способность. В настоящее время внешние радиочастотные интерфейсы оборудования конечного пользователя построены с помощью метода, который схож с реализацией сетевой инфраструктуры с матрицей антенных элементов, поддерживаемых путем формирования необходимой диаграммы направленности с помощью РЧ ИС; далее осуществляется преобразование с повышением/понижением частоты, а затем обработка сигнала в основной полосе частот. В типовом конечном оборудовании используются 32 антенных элемента с двойной поляризацией, поддерживающих 2×2 MIMO с усилением около 20 дБи от антенной системы.

Поскольку оборудование конечного пользователя всегда подключено к основной питающей электросети, эффективность усилителя мощности не является ограничивающим фактором; оно часто обеспечивает более высокое усиление и мощность передачи (поскольку линейный показатель ЭИИМ достигается в диапазоне до 40 дБм).

Проблемы реализации РЧ-тракта мобильных устройств

Самая большая проблема, с которой сталкивается канал 5G, работающий в области миллиметровых волн, связана с тем, что пользователь мобильного переносного устройства, например смартфона, блокирует его антенны. В полосе частот 28 ГГц рука пользователя ослабляет сигнал как минимум на 30–40 дБ. Во избежание этой крайне серьезной проблемы предлагается использовать несколько методов.

1. Несколько связанных антенных решеток на каждом телефоне. Во всех прототипах мобильных телефонов 5G образца 2018 г., работающих в диапазоне миллиметровых волн, применяется несколько вспомогательных антенных решеток, расположенных по обеим сторонам смартфона.

2. Размеры складных мобильных телефонов, например Samsung Galaxy Fold и Huawei Mate X, в разложенном виде намного больше ладони, что решает вопрос размещения антенн.

3. Вместо установки радиочастотных интерфейсов миллиметровых волн непосредственно на смартфон можно использовать мобильные точки доступа. Это полностью исключит проблему с блокированием, но может увеличить помехи в нелицензируемых диапазонах. Поскольку ограничения по размеру и емкости батареи смартфона в данном случае неприменимы, для обеспечения гораздо более высокой мощности ЭИИМ количество антенн можно увеличить.

Возможности физической реализации радиочастотных интерфейсов с несколькими антенными решетками, РЧ ИС и формированием диаграммы направленности непосредственно на телефоне ограничены с точки зрения стоимости и занимаемого пространства. Чтобы сделать эту реализацию экономичной, каждое подмножество блоков миллиметровых волн включает в себя повышающий/понижающий преобразователь для смещения сигнала до промежуточной частоты примерно на уровень 4–6 ГГц (рис. 7). В результате сигналы проще проходят через печатную плату к централизованному радиочастотному приемопередатчику, и обеспечивается их целостность.

Для реализации технологии 3D beamforming требуется несколько антенн. Вместо того чтобы отправлять сигнал во все стороны, мобильное устройство обнаруживает базовую станцию (с помощью низкочастотной технологии), формирует узкую диаграмму направленности в ее направлении и отправляет СВЧ-сигнал непосредственно на станцию. При этом она пытается обнаружить телефон пользователя, тоже формирует узкий луч диаграммы антенны и отправляет сигнал на мобильное устройство. Эта технология – ключевое свойство устройств 5G, позволяющее преодолеть некоторые проблемы миллиметровых волн, связанные с затуханием и прохождением. Именно поэтому антенны располагаются в перпендикулярной плоскости к материнской плате на краю телефона, как видно из рис. 7.

Рис. 7. Расположение трех связанных антенных решеток миллиметровых волн на мобильном телефоне

В составе каждой связанной антенной решетки миллиметровых волн в настоящее время используются четыре двухполяризованные патч-антенны, каждая из которых имеет переключатель передачи/приема, малошумящий усилитель и усилитель мощности, тесно интегрированные с использованием радиочастотной технологии на базе SOI. Поскольку каждый такой усилитель может генерировать только около 15 дБм линейной мощности, для обеспечения уровня ЭИИМ выше 20 дБм потребуется использовать до восьми антенн. Трехмерное формирование диаграммы направленности на платформе смартфона является сложной задачей, особенно в среде с металлическими поверхностями и человеческими руками, находящимися в непосредственной близости от антенны. Даже при использовании восьми связанных антенн результаты измерения прототипов показали, что усиление антенны не превышает 5 дБи.

Ожидается, что точки доступа, в которых используются 32 или более антенны, обеспечат гораздо более высокий коэффициент усиления до 20 дБи (15 дБи – доля массива и 5 дБи – коммутационной антенны). У изделий этого типа уровень линейной мощности ЭИИМ должен превышать 35 дБм. С системной точки зрения, 35 дБм – отправной уровень, поскольку канал 5G требует замкнутого контура с обратной связью канала дуплексной связи с временным разделением для обеспечения непрерывного соединения.

Поскольку уменьшение уровня ЭИИМ клиентского устройства приводит к сокращению диапазона покрытия канала, оператор сети должен развернуть больше узлов сотовой связи, чтобы обеспечить полное покрытие. Другими словами, низкая мощность передачи от клиентских устройств сделает бизнес-кейс 5G неработоспособным для оператора мобильной связи.

Коммерческий аспект проблемы 5G

Развертывание базовых станций для рынка США в этом году уже идет полным ходом, и рынок Южной Кореи отстает в этом направлении лишь незначительно. Последние прогнозы показывают, что к 2024 г. будет развернуто не менее 600 тыс. радиостанций.

Коммерческие услуги фиксированной беспроводной связи уже были запущены в нескольких городах США, причем в настоящее время оборудование конечного пользователя поддерживается крупнейшими производителями аппаратуры. В сообществе ODM-производителей появилось несколько вариантов такого оборудования для миллиметрового диапазона волн, но пока еще с низкой эффективностью. Ожидается, однако, что характеристики такого оборудования быстро улучшатся, что поддержит тенденцию роста его выпуска и использования.

Пока ни один оператор не заявил о полном отказе от LTE. Более того, текущие планы операторов подразумевает усовершенствование LTE параллельно с вводом 5G-сетей. Однако технология беспроводной связи уникальна тем, что мобильные телефоны с поддержкой 5G появятся еще до того, как сеть на миллиметровых волнах будет запущена в большинстве стран. Первый мобильный телефон 5G для этого диапазона уже выпущен – это 5G Moto MOD компании Motorola (рис. 8) [8–9]. По крайней мере, еще восемь смартфонов других производителей появятся к концу 2019 г.

Рис. 8. В состав смартфона 5G Mod входят батарея, процессор Snapdragon 855, модем X50 5G и четыре антенны 5G

Выводы

Миллиметровые системы сотовой связи 5G являются более сложными, более дорогими и менее надежными (по причине особенностей прохождения радиоволн этого диапазона [5]), чем соединения по технологии LTE на частотах 1–2 ГГц. Чтобы не отставать от растущего спроса на объемы трафика, полосы миллиметровых волн так или иначе будут введены в эксплуатацию. В настоящее время отрасль вкладывает средства в развертывание базовых станций и разработку клиентских устройств этой пока еще во многом новой технологии. Положительным фактором в этом отношении стало то, что исходные показатели фиксированной беспроводной связи оказались на удивление достойными. Тем не менее, переход на использование мобильного варианта 5G в области миллиметровых волн будет сложным – потребуется компромисс по пропускной способности [5], бюджету канала, мобильности и стоимости. Как бы то ни было, технология 5G в области миллиметровых волн станет важной частью будущих мобильных сетей.

Частота

— Диаграмма длины волны

Частота — Диаграмма длины волны Консультации и обучение по электромагнитной совместимости

Частота	Длина волны	1/4 длины волны	1/20 Длина волны	1/100 Длина волны
1 МГц	300 метров	75 метров	15 метров	3 метра
10 МГц	30 метров	7.5 метров	1,5 метра	30 см
50 МГц	6.0 метров	1,5 метра	30 см	6,0 см
100 МГц	3,0 метра	0,75 метра	15 см	3,0 см
200 МГц	1,5 метра	37,5 см	7,5 см	1.5 см
300 МГц	1,0 метр	25 см	5,0 см	1,0 см
400 МГц	0,75 метра	18,8 см	3,75 см	7,5 мм
500 МГц	0,6 метра	15 см	3,0 см	6.0 мм
600 МГц	0.5 метров	12,5 см	2,5 см	5,0 мм
700 МГц	42,9 см	10,7 см	2,15 см	4,29 мм
800 МГц	37,5 см	9,38 см	1.88 см	3,75 мм
900 МГц	33,3 см	8,33 см	1.67 см	3,33 мм
1,0 ГГц	30 см	7,5 см	1,5 см	3,0 мм
1,2 ГГц	25 см	6,25 см	1,25 см	2,5 мм
1,4 ГГц	21,4 см	5,36 см	1,07 см	2,14 мм
1.6 ГГц	18,8 см	4,7 см	9,4 мм	1.88 мм
1,8 ГГц	16,7 см	4,18 см	8,35 мм	1,67 мм
2,0 ГГц	15 см	3,75 см	7,5 мм	1,5 мм
2,5 ГГц	12 см	3.0 см	6.0 мм	1,2 мм
3,0 ГГц	10 см	2,5 см	5,0 мм	1.0 мм
4,0 ГГц	7,5 см	1.88 см	3,75 мм	0,75 мм
5,0 ГГц	6,0 см	1,5 см	3,0 мм	0,6 мм
10 ГГц	3.0 см	7,5 мм	1,5 мм	0,3 мм

Для 1/2 длины волны умножьте число 1/4 длины волны на два.
Для длины волны 1/10 умножьте число длины волны 1/20 на два.
Для длины волны 1/50 умножьте число длины волны 1/100 на два.

Чтобы преобразовать метры в дюймы, умножьте на 39,37.
Чтобы преобразовать см в дюймы, разделите на 2,54.
Чтобы преобразовать миллиметры в дюймы, разделите на 25,4.

2000 Генри У.Отт Консультанты Генри Отта, 48 Бейкер Роуд Ливингстон, Нью-Джерси 07039 (973) 992-1793

Вернуться к началу страницы.

Вернуться на домашнюю страницу HOC.

Генри Отт Консультанты

48 Baker Road Livingston, NJ 07039

Телефон: 973-992-1793, ФАКС: 973-533-1442

14 февраля 2001 г.

Сантиметровая непрозрачность аммиака в условиях глубокого юпитера

Основные моменты

•: Мы измерили и смоделировали непрозрачность NH ₃ в микроволновом диапазоне, расширенную H ₂, He и H ₂ O.
•: Мы заметили, что H ₂ O эффективно расширяет инверсионные переходы NH ₃ и усиливает его микроволновую сигнатуру.
•: Эта работа применима к интерпретации спектра микроволнового излучения внешних планет.
•: Эта работа позволит точно интерпретировать данные прибора Juno-MWR на Юпитере.

Abstract

Обширные измерения непрозрачности аммиака в сантиметровых длинах волн были проведены в смоделированных глубоководных условиях с использованием системы измерения сверхвысокого давления, созданной в Технологическом институте Джорджии.Было проведено более 1000 измерений непрозрачности аммиака в диапазоне длин волн 5–20 см в смоделированных условиях Юпитера (давление от 0,05 до 99 бар, температура от 330 до 500 К) в водородно-гелиевой атмосфере. Эти и предыдущие измерения, проведенные Hanley et al. (Hanley et al. [2009]. Icarus, 202, 316–355) и Devaraj et al. (Devaraj et al. [2011]. Icarus, 212, 224–235) были использованы для эмпирического получения согласованной модели непрозрачности аммиака для диапазона длин волн 2–20 см в условиях давления и температуры, характерных для среднего и глубокого юпитера. Атмосфера.Эта модель может надежно использоваться в миллиметровом диапазоне длин волн до 3 бар при давлении и температуре до 300 К и в сантиметровом диапазоне длин волн до 100 бар давления и температурах до 500 К. Кроме того, проведено более 800 измерений. непрозрачности длины волны 5–20 см аммиака, расширенного под давлением водяным паром, водородом и гелием, были впервые проведены в смоделированных условиях глубокого Юпитера с целью изучения влияния водяного пара на спектр поглощения аммиака.На основе этих измерений была разработана новая модель. Эти лабораторные данные и модель показывают, что водяной пар оказывает измеримое влияние на непрозрачность аммиака в условиях Юпитера. Лабораторное исследование и модели помогут улучшить наше понимание поглощения сантиметрового диапазона длин волн аммиаком на планетах-гигантах в целом и, в частности, улучшат извлечение аммиака и водяного пара с микроволнового радиометра Juno (MWR) на Юпитере.

Ключевые слова

Атмосферы, состав

Юпитер, атмосфера

Спектроскопия

Экспериментальные методы

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

Цитирующие статьи

ACP — Синергетическое использование миллиметра

7 апреля 2010 г.

Матросов С.Ю. С. Ю. Матросов С. Ю. Матросов

Кооперативный институт исследований в области наук об окружающей среде, Университет Колорадо и NOAA / Лаборатория исследований системы Земли, Боулдер, Колорадо, США

Кооперативный институт исследований в области наук об окружающей среде, Университет Колорадо и NOAA / Лаборатория исследования системы Земли, Боулдер, Колорадо, США

Скрыть сведения об авторе Получено: 14 декабря 2009 г. — Начало обсуждения: 18 января 2010 г. — Исправлено: 22 марта 2010 г. — Принято: 29 марта 2010 г. — Опубликовано: 7 апреля 2010 г.

Описывается метод дистанционного зондирования для одновременного получения параметров облаков и осадков в вертикальном столбце над Центром климатических исследований Министерства энергетики США (DOE) на участке Дарвина в тропической западной части Тихого океана (TWP) в Австралии.В этом подходе используются измерения с вертикальным наведением от радара DOE K _{с диапазоном} и сканирование с близлежащего радара с диапазоном C, направленного на объект TWP в Дарвине. Ограничения по извлечению осадков обеспечиваются данными дисдрометра для измерения ударов поверхности. Этот подход применим к слоистым системам осаждающих облаков, когда разделение между жидким гидрометеорным слоем, содержащим дождевые и жидкие водяные облака, и ледяным гидрометеорным слоем обеспечивается яркой полосой радиолокатора.Абсолютные коэффициенты отражения в полосе C и градиенты вертикальной отражательной способности в диапазоне K, , _и в жидком слое используются для восстановления средней интенсивности дождя в слое и пути облака жидкости и воды (CLWP). Коэффициенты отражения радара C-диапазона также используются для оценки пути ледяной воды (IWP) в регионах над слоем таяния. Погрешности восстановления CLWP и IWP для типичных стратиформных систем осадков составляют около 500–800 г м ^–2 (для CLWP) и коэффициент 2 (для IWP). Неопределенности определения CLWP возрастают с увеличением интенсивности дождя, поэтому поиск для более высоких значений интенсивности дождя может оказаться непрактичным.Ожидаемая погрешность восстановления средней интенсивности дождя в слое составляет около 20%, что отчасти связано с ограничениями, доступными из данных дисдрометра. Применимость предлагаемого подхода проиллюстрирована для двух характерных событий, наблюдаемых на площадке TWP в Дарвине во время сезона дождей 2007 года. Будущее развертывание радаров W-диапазона на объектах исследования тропического климата Министерства энергетики США может повысить точность оценки CLWP и обеспечить извлечение более широкий диапазон явлений слоистых осаждающих облаков.

Преобразование волнового числа

в длину волны | Sciencing

Обновлено 6 декабря 2020 г.

Ли Джонсон

Большинство людей знакомы с длинами волн, но «волновое число» немного более загадочно. Если вы пытаетесь понять смысл этого термина и решить, что с ним делать, обучение преобразованию волнового числа в длину волны поможет вам понять, что такое волновое число, и извлечь дополнительную полезную информацию о волне, которую оно описывает.Преобразование становится простым, как только вы узнаете определение волнового числа.

TL; DR (слишком длинный; не читал)

Преобразуйте волновое число в длину волны, разделив 1 на волновое число. Если волновое число выражено в 1 / м, вы получите результат в м. Если волновое число выражено в 1 / см, вы получите результат в см. Вы можете преобразовать результат в нужную единицу обычным способом.

Что такое волновое число?

Волновое число — величина, обратная длине волны.Это говорит вам, сколько длин волн соответствует единице расстояния. Это аналогично частоте, которая сообщает вам, как часто волна завершает цикл за единицу времени (для бегущей волны это то, сколько полных длин волн проходит заданную точку в секунду).

Стандартной научной единицей измерения расстояния (СИ) является метр (м), но во многих случаях длины волн могут выражаться в сантиметрах (см) или других единицах. Длине волны обозначается символ λ, а волновому числу — символ k .Он определяется следующим образом:

k = \ frac {1} {\ lambda}

Волновое число имеет единицы измерения 1 / расстояние или расстояние ^— ¹. Для длин волн, выраженных в метрах, это m ^– ¹, а если длина волны выражена в см, единицы измерения волнового числа — см ^– ¹.

Преобразование волнового числа в длину волны

Определение волнового числа довольно простое и зависит только от длины волны.{-1}} = 0,01 \ text {m}

Длина волны 1 см. Если эта длина волны представляет собой электромагнитное излучение, это будет микроволновая печь, находящаяся за пределами инфракрасной области спектра.

Выбор правильных единиц

Волновые числа могут быть выражены в различных единицах, в частности в см ^— ¹. Если у вас есть волновое число в других единицах измерения, вы можете преобразовать его в длину волны так же, как в предыдущем разделе. Единственная разница в том, что длина волны, которую вы получите, будет в другой единице.Если волновое число было выражено в см ^— ¹, результирующая длина волны будет в см. Если волновое число было выражено в нм ^– ¹ (^– ¹ нм), то длина волны будет в нм.

Если вам нужен ответ в конкретных единицах, преобразуйте полученную длину волны в требуемые единицы. Как правило, чтобы перейти на меньшую единицу измерения, вы умножаете ее на коэффициент преобразования (количество меньших единиц на большую единицу).Чтобы перейти на более крупную единицу измерения, разделите на коэффициент преобразования.

Например, если вы получаете результат в метрах, а вам он нужен в нанометрах, умножьте результат в метрах на 1 000 000 000 (или 10 ⁹). Чтобы преобразовать нанометры в метры, нужно разделить результат на 1 000 000 000. Если вы получили результат в сантиметрах, но вам нужны метры, разделите результат на 100. Чтобы преобразовать из метров в сантиметры, умножьте результат на 100. Вы можете использовать таблицу преобразования или онлайн-конвертер, чтобы сделать это, если вы неуверенный.

Однослойные светоизлучающие устройства в диапазоне

сантиметров и видимой длины волны (Журнальная статья)

Чо, Джой, Амани, Матин, Лиен, Дер-Сянь, Ким, Хёнджин, Йе, Мэтью, Ван, Вивиан, Тан, Чаолян и Джави, Али. Однослойные светоизлучающие устройства сантиметрового диапазона и видимой длины волны. США: Н. п., 2019. Интернет. DOI: 10.1002 / adfm.201907941.

Чо, Джой, Амани, Матин, Лиен, Дер-Сянь, Ким, Хёнджин, Йе, Мэтью, Ван, Вивиан, Тан, Чаолян и Джави, Али.Однослойные светоизлучающие устройства сантиметрового диапазона и видимой длины волны. Соединенные Штаты. DOI: https: //doi.org/10.1002/adfm.201907941

Чо, Джой, Амани, Матин, Лиен, Дер-Сянь, Ким, Хёнджин, Йе, Мэтью, Ван, Вивиан, Тан, Чаолян и Джави, Али. Пн. "Однослойные светоизлучающие устройства сантиметрового диапазона и видимой длины волны". Соединенные Штаты. doi: https: // doi.org / 10.1002 / adfm.201907941. https://www.osti.gov/servlets/purl/1639002.

@article {osti_1639002, title = {Однослойные светоизлучающие устройства сантиметрового диапазона и видимой длины волны}, автор = {Чо, Джой и Амани, Матин и Лиен, Дер-Сянь и Ким, Хёнджин и Йе, Мэтью и Ван, Вивиан и Тан, Чаолян и Джави, Али}, abstractNote = {Однослойные двумерные дихалькогениды переходных металлов (TMDC) показали большие перспективы для оптоэлектронных приложений из-за их прямой запрещенной зоны и уникальных физических свойств.В частности, они могут обладать квантовыми выходами фотолюминесценции (PL QY), приближающимися к единице при предельной толщине, что делает их применение в светоизлучающих устройствах весьма перспективным. В этом исследовании синтезирован WS2 большой площади, выращенный путем химического осаждения из газовой фазы, и охарактеризован для устройств, излучающих видимый (красный) свет. Проведены детальные оптические характеристики синтезированных пленок, которые показывают, что пик PL QY достигает 12%. Излучение синтетического WS2 с электрической накачкой достигается за счет использования структуры устройства электролюминесценции в переходном режиме, которая состоит из единственного контакта металл-полупроводник и переменных полей затвора для достижения биполярного излучения.Используя эту вышеупомянутую структуру, демонстрируется видимый (640 нм) дисплей сантиметрового масштаба (≈0,5 см2), изготовленный с использованием TMDC, чтобы продемонстрировать потенциал этой системы материалов для приложений отображения.}, doi = {10.1002 / adfm.201907941}, journal = {Расширенные функциональные материалы}, число = 6, объем = 30, place = {United States}, год = {2019}, месяц = {12} }

3.7 Электромагнитная энергия: Преобразование единиц

Электромагнитный спектр охватывает широкий диапазон длин волн или энергий света. Ученые, работающие в разных дисциплинах, будут использовать единицы длины волны или энергии, которые наиболее удобны для области электромагнитной энергии, в которой они работают. Различные научные дисциплины, работающие в одной и той же области света, также могут использовать разные единицы измерения из-за установленного соглашения в их соответствующих областях.Например, астроном, работающий в инфракрасной области, строит спектры, используя длину волны в микрометрах, а геохимик или химик использует волновые числа, которые являются единицей измерения, пропорциональной энергии.

Полезно иметь возможность конвертировать единицы измерения, чтобы можно было сравнивать данные по научным дисциплинам.

Цели обучения

Преобразование длин волн электромагнитной энергии между обычно используемыми единицами измерения.
Преобразует длину волны электромагнитной энергии в волновые числа (^-1 см), обычно используемую единицу в инфракрасной и рамановской спектроскопии.
Опишите отношения между энергией, длиной волны, частотой и волновым числом с помощью уравнения Планка.

Предыдущие знания и навыки

3.2 Электромагнитный спектр
3.3 Поведение волн
3.6 Двойная природа электромагнитной энергии

Ключевые термины

Постоянная Планка
Фотон

Управляемый запрос

Преобразование единиц: длина волны

Таблица 3.7.1 . Выбранные общие единицы длины волны и их символы.

* Ангстрем не является стандартной единицей длины, но в прошлом обычно использовался для описания расстояний между связями и атомных радиусов в минералах.

3.7.1. Преобразование оранжевого света с длиной волны 630 нм в единицы Ангстрем:

3.7.2 Преобразование оранжевого света с длиной волны 630 нм в сантиметры:

Преобразование единиц: длина волны в волновые числа

В 3.6, мы видели, что электромагнитная энергия имеет характеристики как волны, так и частицы (фотона). Уравнение Планка связывает энергию фотона с его частотой:

Уравнение 3.7.1. E = h ν

Где E = энергия, h — постоянная Планка (6,62607004 × 10 ^-34 м ² кг / с), а ν «ню» — частота.

Мы можем объединить это с уравнением 3.2.1, которое связывает длину волны (λ) и частоту ( ν) электромагнитной энергии:

Уравнение 3.2.1 c = ν λ

Где c = 299 792 458 м / с или 3 × 10 ⁸ м / с.

Преобразование уравнения 3.2.1:

и замена ν в уравнении 3.7.1 приводит к:

Уравнение 3.7.2.

3.7.3. Уравнение 3.7.2 связывает длину волны с энергией. Длина волны пропорциональна или обратно пропорциональна энергии?

Волновое число () — это обычная единица, используемая для построения спектров в инфракрасной области.Волновое число определяется как

Уравнение 3.7.3.

Инфракрасные спектры и спектры комбинационного рассеяния обычно отображаются как волновые числа в единицах см. ^–1.

3.7.4. Волновое число пропорционально энергии или обратно пропорционально ей?

3.7.5. Ваш друг-астроном сообщает, что в своих измерениях видел полосу поглощения на длине волны 3 мкм. Что это за длина волны в единицах волновых чисел (см ^-1)?

Резюме

Ученые используют разные единицы длины волны и энергии в зависимости от области применения и их конкретной дисциплины.Спектроскописты используют волновое число как единицу измерения, пропорциональную энергии и удобную для сравнения с длиной волны.

Существует множество веб-калькуляторов — например, вот страница, которая конвертирует сразу несколько единиц энергии: http://halas.rice.edu/conversions. Можно просто выполнить поиск в Google «конвертировать нанометры в сантиметры», и в окне результатов поиска появится всплывающий калькулятор. Однако полезно иметь практические знания о приблизительных преобразованиях между часто используемыми единицами измерения в различных областях.

Решение проблемы 3.7.4.

Волновое число пропорционально энергии.

Решение проблемы 3.7.5.

Космический магнетизм в сантиметровых и метровых волнах Радиоастрономия — Университет Кюсю

TY — JOUR

T1 — Космический магнетизм в сантиметровых и метровых волнах Радиоастрономия

AU — Kahori, Takuya

AU — Nakanishi, Hiroy11, Hiroy11

AU — Sofue, Yoshiaki

AU — Fujita, Yutaka

AU — Ichiki, Kiyotomo

AU — Ideguchi, Shinsuke

AU — Kameya, Osamu

AU — Kudoh

8 AU — Мачида, Мами

AU — Miyashita, Yoshimitsu

AU — Ohno, Hiroshi

AU — Ozawa, Takeaki

AU — Takahashi, Keitaro

AU — Takizawa, Yoshimitsu

N1 — Информация о финансировании: Авторы хотели бы поблагодарить членов Рабочей группы по науке о космическом магнетизме Японского консорциума SKA за их вклад в науку о магнетизме и их полезные комментарии, предложения и поддержку. Эта статья частично мотивирована архивной белой книгой «Разрешение четырехмерной природы магнетизма с помощью деполяризации и томографии Фарадея» (arXiv: 1603.01974), написанной участниками. Авторы также очень благодарны членам Международной рабочей группы SKA по космическому магнетизму за предоставленные нам возможности для открытого обсуждения и сотрудничества.Работа частично поддержана грантами JSPS KAKENHI: 26400218 (MT), 15H03639 (TA), 15K05080 (YF), 15H05896 (KT), 15K17614 (TA), 16H05999 (KT), 16K20927 (DGY), 17H01110 (TA, KI, KT) и Национальным исследовательским фондом Кореи через грант: 2007-0093860 (SI).

PY — 2018/1/1

Y1 — 2018/1/1

N2 — Магнитное поле повсеместно во Вселенной.