Basisprincipes van millimetergolftechnologie

Wat is millimetergolftechnologie en hoe wordt deze gekarakteriseerd in vergelijking met andere laagfrequente technologieën?

Dit artikel biedt een inleiding tot millimetergolven (mmWaves) inclusief hun frequenties, voortplantingskenmerken en voor- en nadelen voor veelvoorkomende toepassingen.

Wat is een millimetergolf?

Zoals de naam al aangeeft, zijn millimetergolven elektromagnetische golven met een golflengte (λ) van ongeveer 1 mm (1 tot 10 mm, om precies te zijn). Die golflengte omzetten in frequentie met behulp van de vergelijking f =c /λ, waar c is de lichtsnelheid (3 x 10 ⁸ m/s), geeft een frequentiebereik van 30-300 GHz. De millimetergolfband wordt door de International Telecommunication Union (ITU) aangeduid als de "extreem hoge frequentie" (EHF) band. De term “millimetergolf” wordt ook vaak afgekort tot “mmWave”.

Afbeelding 1 bevat voorbeelden van toepassingen die gebruikmaken van het mmWave-spectrum en toont ook de locatie van het mmWave-spectrum in relatie tot andere elektromagnetische frequentiebanden.

Figuur 1. Overzicht millimetergolfspectrum. Afbeelding met dank aan Analog Devices

Nu we de basisdefinities uit de weg hebben, gaan we het hebben over hoe millimetergolfsignalen zich voortplanten.

Millimetergolfvoortplanting

De voortplanting van het millimetergolfsignaal wordt gekenmerkt door:

• Hoog verlies van vrije ruimtepad
• Aanzienlijke atmosferische demping
• Diffuse reflecties
• Beperkte penetratiediepte

De volgende paragrafen zullen elk van deze vier voortplantingskenmerken nader onderzoeken.

Verlies vrije ruimtepad

Een beperking van millimetergolfradiofrequentiecommunicatie (RF) is het vrije ruimtepadverlies (FSPL) voor directe zichtlijncommunicatie tussen twee antennes. De FSPL is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de golflengte en wordt gegeven door de volgende vergelijking:

$$FSPL =\left( \frac{4πd}{λ} \right) ^2$$

waar:

• d is de afstand tussen de twee antennes in m
• λ is de golflengte in m.

Zoals uit deze vergelijking blijkt, resulteert een 10X afname van de golflengte in een 100X toename van het vrije ruimtepadverlies. De demping bij millimetergolflengten is dus vele ordes van grootte hoger dan de demping van meer traditionele communicatiefrequenties zoals FM-radio of Wi-Fi.

In RF-communicatieberekeningen wordt deze verliesvergelijking vaak omgezet in een resultaat in dB, met de frequentie gemeten in GHz en de afstand gemeten in km. Na deze conversie wordt de vergelijking:

$$FSPL (dB) =20 * log_{10}(d) + 20 * log_{10}(f) + 92.45$$

Een gratis rekenmachine voor het evalueren van het verlies aan vrije ruimte is hier beschikbaar.

Atmosferische demping

Een ander nadeel van millimetergolftransmissie is de atmosferische demping. In dit golflengtebereik is er extra demping veroorzaakt door de aanwezigheid van atmosferische gassen - voornamelijk zuurstof (O2) en waterdamp (H2O) moleculen.

Zoals te zien is in figuur 2, kan de atmosferische demping in bepaalde banden zeer ernstig zijn.

Figuur 2. Atmosferische demping door frequentie en hoogte. Afbeelding met dank aan 5G Americas

Bijvoorbeeld de zuurstofpiek bij 5 mm (60 GHz). Regen verhoogt de demping over het volledige spectrum.

Diffuse reflectie

Langere golflengten zijn vaak afhankelijk van direct (spiegelend) gereflecteerd vermogen om te helpen bij de transmissie rond obstakels (denk aan spiegelachtige reflectie). Veel oppervlakken lijken echter "ruw" tot millimetergolven, wat resulteert in diffuse reflecties die de energie in veel verschillende richtingen sturen. Dit is te zien in figuur 3.

Figuur 3. Diffuse en spiegelende reflectie. Afbeelding met dank aan Hermary

Het is dus waarschijnlijk dat minder gereflecteerde energie een ontvangstantenne bereikt. Transmissies van millimetergolven zijn daarom erg gevoelig voor schaduw door obstakels en zijn doorgaans beperkt tot transmissie in de zichtlijn.

Beperkte penetratie

Door hun kortere golflengte dringen millimetergolven niet diep door in of door de meeste materialen. Uit een onderzoek naar gewone bouwmaterialen bleek bijvoorbeeld dat de demping varieerde van ongeveer 1 tot 6 dB/cm en dat de penetratieverliezen door een bakstenen muur op 70 GHz vijf keer hoger kunnen zijn dan op 1 GHz. Buiten blokkeert gebladerte ook de meeste millimetergolven. Daarom is de meeste millimetergolfcommunicatie beperkt tot zichtlijnwerking.

Voordelen van mmWave-frequenties

Voor veel toepassingen zijn het padverlies in de vrije ruimte, atmosferische demping, diffuse reflectie en beperkte penetratie van millimetergolfsignalen nadelig. Het blijkt echter dat deze kenmerken ook kunnen worden benut als voordelen in bepaalde toepassingen. De voordelen van millimetergolven zijn:

• Brede bandbreedtes
• Hoge datasnelheden
• Lage latentie
• Kleine antennes
• Beperkt bereik
• Beperkte reflectie
• Beperkte penetratie
• Verhoogde resolutie

Elk van deze voordelen en hoe ze in sommige toepassingen worden benut, zullen in de volgende paragrafen worden uitgelegd.

Brede bandbreedtes en hoge datasnelheden

Voor communicatietoepassingen betekenen brede bandbreedtes hogere piekdatasnelheden. Dit kan de mogelijkheid betekenen om ofwel meer gelijktijdige communicatiekanalen te verwerken voor een bepaalde datasnelheid, ofwel meer data te verzenden in een enkele communicatie. De lagere frequentiespectra worden intensief gebruikt en bieden daarom niet deze gewenste brede bandbreedtes.

De 5G New Radio (NR)-specificatie van 3GPP kent bijvoorbeeld een maximale kanaalbandbreedte toe van slechts 100 MHz onder 6 GHz, maar tot 400 MHz in banden boven 24 GHz. Terwijl deze 5G-specificaties zich blijven ontwikkelen, lobbyen sommige partijen voor nog bredere bandbreedtetoewijzingen in het mmWave-spectrum.

Het is vanwege deze brede bandbreedtes en hoge datasnelheden dat millimetergolven al lang worden gebruikt in satellietcommunicatie op 27,5 GHz en 31 GHz. Vooruitgang in hoogfrequente circuittechnologie, waaronder siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) en de bijbehorende lagere productiekosten, brengen millimetergolfcommunicatie naar terrestrische consumententoepassingen op de maskermarkt, zoals 5G NR.

Lage latentie

Latentie in communicatienetwerken kan meerdere betekenissen hebben. Met betrekking tot eenrichtingscommunicatie is latentie de tijd vanaf de bron die een datapakket verzendt naar de bestemming die hetzelfde datapakket ontvangt. Door de hogere frequenties van millimetergolven kunnen meer gegevens in een kortere tijd worden verzonden. Daarom zal voor een vaste datapakketgrootte een hoogfrequent systeem een ​​lagere latentie hebben dan een laagfrequent systeem.

Lage latentie is belangrijk voor veel tijdgevoelige toepassingen, waaronder industriële automatisering, draadloze augmented of virtual reality en geautomatiseerde rijsystemen. De brede bandbreedte van millimetergolven maakt kortere transmissietijdintervallen en een lagere latentie van de radio-interface mogelijk om de introductie van en ondersteuning voor low-latency-gevoelige applicaties te vergemakkelijken.

Kleine antennes

Een van de belangrijkste voordelen van millimetergolven zijn kleinere antennes en de mogelijkheid om een ​​groot aantal van deze kleinere antenne-elementen in arrays te gebruiken om beamforming mogelijk te maken. Autoradars gaan bijvoorbeeld over van 24 naar 77 GHz. De golflengte is meer dan drie keer kleiner, dus het gebied van de antenne-array kan meer dan negen keer kleiner zijn, zoals geïllustreerd in afbeelding 4.

Figuur 4. Relatieve antenne-array-afmetingen voor 24 GHz en 77 GHz. Afbeelding met dank aan Texas Instruments

Grote arrays van zeer kleine antenne-elementen zullen ook worden gebruikt in millimetergolfcommunicatiesystemen zoals 5G. Beamforming kan het uitgestraalde vermogen richten op individuele gebruikers voor signalen van hogere kwaliteit en communicatie over een groter bereik. Met adaptieve bundelvorming kunnen de bundels zelfs dynamisch worden gewijzigd in functie van het aantal gebruikers en hun locatie ten opzichte van de zendantenne.

Beperkt bereik, reflectie en penetratie

Het beperkte bereik, diffuse reflecties en beperkte penetratiedieptes kunnen juist een voordeel zijn voor telecommunicatie. Deze eigenschappen worden benut om veel kleine cellen zonder interferentie zeer dicht bij elkaar te kunnen plaatsen. Dit zorgt voor ruimtelijk hergebruik van het frequentiespectrum en maakt het dus mogelijk om meer verbruikers met een hoge bandbreedte in een gebied te ondersteunen.

Verhoogde resolutie

In radartoepassingen ondersteunen de hogere frequentie en grotere bandbreedte van millimetergolfsignalen nauwkeurigere afstandsmetingen, nauwkeurigere snelheidsmetingen en de mogelijkheid om onderscheid te maken tussen twee dicht bij elkaar liggende objecten.

Toepassingen van millimetergolftechnologie

Radar

Vele jaren waren lucht- en ruimtevaartradartoepassingen de primaire toepassing van millimetergolftechnologie. De brede bandbreedtes zijn ideaal voor het bepalen van de afstand tot een object, voor het oplossen tussen twee verre objecten die dicht bij elkaar staan ​​en het meten van de relatieve snelheid tot het doel.

Bijvoorbeeld, in zijn meest basale vorm, aangenomen dat twee objecten direct naar elkaar toe of van elkaar af bewegen, wordt de Doppler-frequentieverschuiving (Δf) gegeven door de vergelijking:

$$Δf =\frac{(2 * V_{rel})}{λ}$$

waar

• Vrel is de relatieve snelheid (m/s)
• λ is de golflengte (m)

Omdat de frequentieverschuiving groter is bij kortere golflengten (zoals millimetergolven), is het gemakkelijker om de resulterende frequentieverschuiving te meten. De mogelijkheid om kleinere antennes met meerdere elementen te gebruiken en adaptieve bundelvorming maken millimetergolven ook ideaal voor radartoepassingen.

Om dezelfde redenen dat millimetergolfradar wenselijk is voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen, wordt hij op grote schaal toegepast voor geautomatiseerde voertuigtoepassingen, waaronder noodremmen, adaptieve cruisecontrol (ACC) en dodehoekdetectie (zoals geïllustreerd in afbeelding 5).

Figuur 5. Toepassingen van millimetergolfradar voor autonome voertuigen. Afbeelding met dank aan Rohde &Schwarz

De mogelijkheid om snel en nauwkeurig afstand en relatieve snelheid te meten is duidelijk belangrijk voor autonoom rijden met voertuigen.

Telecommunicatie

Satellietsystemen gebruiken al lang millimetergolven voor hun communicatie vanwege de grote bandbreedtes, lage latentie, kleine antennes en bundelvorming met meerdere antennes. Deze zelfde kenmerken zorgen ervoor dat veel terrestrische telecommunicatienetwerken gebruik maken van millimetergolven.

Door de grotere bandbreedte kunnen millimetergolven bijvoorbeeld de draadloze transmissie van ultra high definition (UHD) video ondersteunen. Bovendien ondersteunen de kleinere antennes integratie in apparaten zoals smartphones, digitale settopboxen, gamestations en meer. Opkomende industriestandaarden die millimetergolven zullen gebruiken, zijn onder meer 5G en IEEE 802.11ad WiGig voor Gb/s-gegevenssnelheden.

Met name in binnen- en stedelijke omgevingen zullen ruimtelijk hergebruik en adaptieve bundelvorming van millimetergolven de levering van communicatie met hoge bandbreedte aan een groot aantal gebruikers mogelijk maken, zoals te zien is in figuur 6.

Figuur 6. Adaptieve beamforming ter ondersteuning van zowel stationaire als mobiele gebruikers. Afbeelding met dank aan Fujitsu via Phys.org

Enorme MIMO-systemen (Multiple Input Multiple Output) maken ruimtelijke diversiteit, ruimtelijke multiplexing en beamforming mogelijk om meer gebruikers betere functionaliteit te bieden bij een lager energieverbruik.

Beveiligingsscanners

Millimetergolven worden ook gebruikt voor beveiligingsscanners voor het menselijk lichaam. Duizenden zend- en ontvangstantennes werken samen om met hoge precisie te scannen, zoals geïllustreerd in afbeelding 7.

Figuur 7. Millimeter-wave body scanner systeem. Afbeelding met dank aan Rohde &Schwarz

Deze systemen zenden uit in een frequentiebereik tussen 70 GHz en 80 GHz en zenden slechts ongeveer 1 mW vermogen uit. ​​De millimetergolven gaan door de meeste kleding en weerkaatsen via de huid en andere oppervlakken terug naar de ontvangende antennes. Het ontvangen signaal kan worden gebruikt om een ​​gedetailleerd beeld van het individu te creëren en artikelen die onder de kleding verborgen zijn te onthullen. Het lage vermogen en de beperkte penetratiediepte van millimetergolven zorgen voor meer veiligheid.

Andere toepassingen van millimetergolven

Dit zijn slechts enkele van de vele toepassingen van millimetergolftechnologie. Andere toepassingen die zijn voorgesteld of geïmplementeerd omvatten, maar zijn zeker niet beperkt tot:

• Radioastronomie
• Evaluatie bodemvocht
• Sneeuwbedekking metingen
• Ijsberglocatie
• Aanvullende optische detectie bij slecht weer
• Weerkaarten
• Meet windsnelheden
• Medische behandelingen

Samenvatting

Millimetergolven worden al lang gebruikt in radartoepassingen en worden steeds vaker toegepast in nieuwe toepassingen, met als meest prominente telecommunicatie met hoge datasnelheid. De korte golflengten en unieke voortplantingskenmerken bieden zowel uitdagingen als kansen voor ontwerpers die op deze gebieden werken.