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        東山再起的毫米波通信

        隨著微電子、光電子技術及納米技術的飛速發展,衛星通信、遙感技術和全球定位系統、寬頻帶高速數字綜合通信網絡、信息壓縮與高速傳輸技術、人工智能技術、多媒體技術和虛擬現實技術等前沿技術不斷取得進展,人類將逐步地全面進入信息時代。 


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        世紀是人類歷史上科技發展最為輝煌的時代,也是信息技術大顯身手的年代。在世紀之交,人們對信息業務的要求愈來愈高,打電話要聞聲見影;召開會議與會者雖遠隔千里,如晤一室;看電視,圖像要比寬銀幕電影還要清晰……發展諸如此類大容量的信息業務,在電通信領域,單靠微波接力通信、同軸電纜通信等通信手段是遠遠不夠的。怎樣才能解決這些矛盾?“向更高的頻率進軍”不失為是一種良策。因為只有將傳輸頻率提高,才能使工作頻段更寬,通信容量更大。毫米波無線電通信正是在這種情況下東山再起,獨樹一幟。

         

        說它東山再起,是因為早在20世紀40年代,科學家們就開始對毫米波無線電通信進行過研究,到了50年代,采用電子管作無線電毫米波發生器和放大器研制成功,但由于工作可靠性差、壽命短,而且造價昂貴,沒有走出實驗室就進了博物館。毫米波無線電通信未曾得到實際應用。

         

        20世紀70年代,由于毫米波集成電路和毫米波固體器件的研制成功并獲得批量生產,生產成本日趨下降,使得毫米波無線電通信獲得轉機,猶如枯木逢春得到蓬勃發展。

         

        無線電毫米波的波長為10毫米~1毫米,它的對應頻率為30吉赫~300吉赫(1吉=109)??茖W實驗表明,當毫米波沿空間傳播時,由于受大氣的影響,有的頻率衰減得小,有的則大。因為水汽和氧分子的吸收作用,在60、120、180吉赫頻率附近傳輸衰減出現極大值,稱為“衰減峰”,相比之下,35、95、140、220吉赫頻率附近傳輸衰減較小,稱為“大氣窗口”。 因為毫米波頻率很高,用它作傳輸媒質進行通信,哪怕僅僅是它其中的一小部分,其通信容量都將是非??捎^的。假設在30吉赫至300吉赫的頻段內擇其前面的一小部分,即30吉赫至100吉赫,則它的工作頻帶已達到70吉赫。這個頻率范圍比微波接力通信和同軸電纜通信等的工作頻段的總和還要寬100倍之多,這無疑為發展多種信息業務提供了一個廣闊的天地。毫米波通信正是順應信息時代的到來而涌現出的一種新穎別致的通信方式。

         

        按照電磁波大家族的族系劃分,毫米波原本歸屬于微波門庭。但由于微波通信(微波接力通信和衛星通信)的工作頻段大多使用在厘米波(頻率為330吉赫,波長為101厘米)和分米波(頻率3003000兆赫,波長101分米)范圍,因此,通常將毫米波從微波波段中單獨分離出來,成為獨樹一幟、發展勢頭看好的通信手段。有人這樣形容毫米波通信:如果說微波通信是40年代早晨八九點鐘的太陽,那么,毫米波通信則是90年代早晨八九點鐘的太陽。 毫米波通信按其傳輸方式的不同,可以分為毫米波無線電通信和毫米波有線電通信兩大類。毫米波無線電通信又可分為地面無線電通信和空間無線電通信。毫米波有線電通信則是以波導傳送30120吉赫電磁波的通信。

         

        毫米波無線電通信與傳統的無線電短波、超短波和微波通信相比,具有不少獨特之處。由于毫米波是以微波和光波作左右鄰(它的波長介于微波和光波之間),因此兼有微波和光波的某些優長。通信設備的體積很小,可利用小巧尺寸的天線獲得很高的方向性,便于通信的隱蔽和保密。毫米波在傳播過程中受雜波影響小,對塵埃等微粒穿透能力強,通信比較穩定。

         

        毫米波屬于“極高頻”(EHF)頻段,在龐大的電磁波家族中,它的頻率僅次于“至高頻”。從工作頻段看,目前大多選在38吉赫、60吉赫和90吉赫。毫米波是以極窄的直射波在空間傳播,具有很好的電波掩蔽性,是一種不可多得的低截收概率通信。

         

        毫米波的傳輸頻帶很寬,其頻段是無線電短波、超短波和微波頻段總和的十幾倍,由于載頻很高,瞬時射頻頻帶可以做得很寬,因此,通信容量很大。目前,衛星通信系統的上行/下行頻率(無線電波從衛星通信地球站射向通信衛星叫“上行線路”;從通信衛星射向衛星通信地球站稱“下行線路”)大多采用4/612/14吉赫頻段,這些頻段的使用已接近飽和,而每顆衛星的通話路數只有幾千個,倘若采用毫米波頻段,則一下子就可增至幾萬以至幾十萬個話路。毫米波除用于地面與衛星通信外,還特別適合于衛星與衛星之間的通信,是一條理想的星際鏈路。在茫茫的外層空間,毫米波能量幾乎不受到衰減,因此只需很小的功率就可實現遠距離通信,這對軍事空間通信十分有利。

             

        毫米波不僅是空間通信的良好傳輸媒質,在海洋通信中也可一顯身手。長期以來,潛艇指揮通信一直是困擾科學家們的問題。潛艇通信最怕暴露目標,如果潛艇浮到海面進行通信,很容易被敵方反潛武器發現。因為毫米波通信設備(包括天線)體積很小,可以將它直接裝在潛艇的潛望鏡上,只要將潛望鏡露出海面就可以通過衛星進行高速通信,不影響潛艇的隱蔽。

         

        毫米波不僅適用于兩固定點之間的通信,在移動通信中同樣有用武之地。最近,日本在列車上首次試用了毫米波通信并獲得了成功。他們在列車的前端設置毫米波通信設備(小型發信機和收信機),與各車站、沿線的地面通信局內的毫米波收發信機互相聯通,利用這套互聯系統,不僅可以傳輸話音信息,而且能使信息的傳輸量比過去增加10倍多。此外,列車毫米波通信系統在圖像和高速數字通信等大容量傳送信息方面也能發揮作用。

        毫米波無線電通信以其寬頻帶、大容量和高速率的優勢,自然贏得了“信息高速公路”設計者的青睞。在這一方面,毫米波波導通信也不示弱,而且在某些方面還優于毫米波無線電通信。

         

        毫米波在大氣中傳播時,由于水汽、氧分子對它的吸收作用,能量要受到衰減。其中,降雨所引起的衰減最為嚴重,有時一陣暴雨就可能使通信中斷,因此傳輸可靠性差。此外,雨、雪和霧也對毫米波有散射作用,從而不同程度地破壞了毫米波的定向傳輸特性。因此,毫米波通信通常不是一種全天候的通信方式。它大都用于近距離點對點的保密通信和衛星通信。日本等國就曾將工作在毫米波頻段的試驗衛星送入了同步軌道。

        有什么辦法使毫米波不受大氣衰減影響,用于長途通信干線呢?早在20世紀初,科學家們透過“管子能傳聲”(聲波)的現象,從理論上推斷出在金屬管內能傳送電磁波。1936年,科學家用一根內徑為12.5厘米的圓柱狀金屬管將波長為9厘米的電磁波傳送了260米遠。雖然,當時還不是毫米波(波長為9厘米的電磁波為“厘米波”),而且傳播距離也不遠,但它破天荒地證實了金屬管的確能傳遞電磁波的設想。這個實驗為實現毫米波波導通信從理論和實踐上都打下了基礎。這種能傳播電磁波的金屬管子就叫做“波導管”,簡稱波導。利用波導以電磁波的形式傳遞信息,就稱作“波導通信”。如果電磁波的頻段是毫米波,就是“毫米波波導通信”。

         

        毫米波波導通信是一種特殊的通信方式,它兼具有線電通信和無線電通信的特點。因為波導是有形的物體,在作用上與電線、電纜等傳輸媒質沒有什么兩樣,可以看做是有線電通信;而毫米波又是一種無形的物質,用它載送信息,與一般的無線電通信在本質上沒有什么區別,因此,毫米波波導通信可以認為是有線電通信與無線電通信的“聯姻”,是“‘有線'的無線電通信”。

         

        在毫米波波導通信中,因為電磁波是被束縛在波導管內的特定空間中傳播的,因此,比較安全、保密、可靠,抗干擾能力強,不易受大氣衰減的影響;毫米波沿波導傳播,衰耗小,傳輸距離遠,一般每隔四五十千米設置一個中繼接力站,與微波接力距離相近;加上它傳輸頻率很高,通信容量很大,可作為大容量通信干線。隨著“信息高速公路”的興建,毫米波波導通信這門新興的技術將會得到迅速的應用與發展。

         


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