Grundlagen der Millimeterwellentechnologie

Was ist die Millimeterwellentechnologie und wie wird sie im Vergleich zu anderen Niederfrequenztechnologien charakterisiert?

Dieser Artikel bietet eine Einführung in Millimeterwellen (mmWellen) einschließlich ihrer Frequenzen, Ausbreitungseigenschaften sowie Vor- und Nachteile für gängige Anwendungen.

Was ist eine Millimeterwelle?

Wie der Name schon sagt, sind Millimeterwellen elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge (λ) von etwa 1 mm (genauer gesagt 1 bis 10 mm). Umwandeln dieser Wellenlänge in eine Frequenz mit der Gleichung f =c /λ, wobei c ist die Lichtgeschwindigkeit (3 x 10 ⁸ m/s), ergibt einen Frequenzbereich von 30-300 GHz. Das Millimeterwellenband wird von der International Telecommunication Union (ITU) als „Extremely High Frequency“ (EHF)-Band bezeichnet. Der Begriff „Millimeterwelle“ wird auch oft zu „mmWave“ abgekürzt.

Abbildung 1 enthält Beispiele für Anwendungen, die das mm-Wellen-Spektrum nutzen, und zeigt auch die Lage des mm-Wellen-Spektrums in Bezug auf andere elektromagnetische Frequenzbänder.

Abbildung 1. Überblick über das Millimeterwellenspektrum. Bild mit freundlicher Genehmigung von Analog Devices

Nachdem wir nun die grundlegenden Definitionen aus dem Weg geräumt haben, sprechen wir darüber, wie sich Millimeterwellensignale ausbreiten.

Millimeterwellenausbreitung

Die Signalausbreitung in Millimeterwellen ist gekennzeichnet durch:

• Hoher Freiraumpfadverlust
• Erhebliche atmosphärische Dämpfung
• Diffuse Reflexionen
• Begrenzte Eindringtiefe

In den folgenden Unterabschnitten wird jedes dieser vier Ausbreitungsmerkmale genauer untersucht.

Verlust des freien Speicherplatzes

Eine Einschränkung der Millimeterwellen-Radiofrequenz-(RF)-Kommunikation ist der Freiraumpfadverlust (FSPL) für die direkte Sichtlinienkommunikation zwischen zwei Antennen. Der FSPL ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Wellenlänge und wird durch die folgende Gleichung angegeben:

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

wo:

• d ist der Abstand zwischen den beiden Antennen in m
• λ ist die Wellenlänge in m.

Wie aus dieser Gleichung ersichtlich ist, führt eine 10-fache Abnahme der Wellenlänge zu einer 100-fachen Zunahme des Freiraumpfadverlusts. Somit ist die Dämpfung bei Millimeterwellenlängen um viele Größenordnungen höher als die Dämpfung herkömmlicher Kommunikationsfrequenzen wie FM-Radio oder Wi-Fi.

Bei HF-Kommunikationsberechnungen wird diese Verlustgleichung oft umgerechnet, um ein Ergebnis in dB zu liefern, wobei die Frequenz in GHz gemessen und die Entfernung in km gemessen wird. Nach dieser Umwandlung lautet die Gleichung:

$$FSPL (dB) =20 * log_{10}(d) + 20 * log_{10}(f) + 92,45$$

Ein kostenloser Rechner zum Bewerten des Freiraumpfadverlustes ist hier verfügbar.

Atmosphärische Dämpfung

Ein weiterer Nachteil der Millimeterwellenübertragung ist die atmosphärische Dämpfung. In diesem Wellenlängenbereich kommt es zu einer zusätzlichen Dämpfung durch das Vorhandensein von atmosphärischen Gasen - hauptsächlich Sauerstoff (O2) und Wasserdampf (H2O) Moleküle.

Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, kann die atmosphärische Dämpfung in bestimmten Bändern sehr stark sein.

Abbildung 2. Atmosphärische Dämpfung nach Frequenz und Höhe. Bild mit freundlicher Genehmigung von 5G Americas

Zum Beispiel der Sauerstoffpeak bei 5 mm (60 GHz). Regen erhöht die Dämpfung über das gesamte Spektrum.

Diffuse Reflexion

Längere Wellenlängen beruhen oft auf direkter (spiegelnder) reflektierter Leistung, um die Übertragung um Hindernisse herum zu unterstützen (denken Sie an eine spiegelähnliche Reflexion). Viele Oberflächen erscheinen jedoch bis in Millimeterwellen „rauh“, was zu diffusen Reflexionen führt, die die Energie in viele verschiedene Richtungen senden. Dies ist in Abbildung 3 zu sehen.

Abbildung 3. Diffuse und spiegelnde Reflexion. Bild mit freundlicher Genehmigung von Hermary

Somit erreicht wahrscheinlich weniger reflektierte Energie eine Empfangsantenne. Millimeterwellenübertragungen sind daher sehr anfällig für Abschattung durch Hindernisse und sind typischerweise auf Übertragungen in Sichtlinie beschränkt.

Begrenzte Penetration

Aufgrund ihrer kürzeren Wellenlängen dringen Millimeterwellen nicht tief in oder durch die meisten Materialien. Eine Untersuchung gängiger Baumaterialien ergab beispielsweise, dass die Dämpfung im Bereich von ungefähr 1 bis 6 dB/cm lag und die Eindringverluste durch eine Ziegelwand bei 70 GHz fünfmal höher sein können als bei 1 GHz. Im Freien blockiert das Laub auch die meisten Millimeterwellen. Daher ist die meisten Millimeterwellenkommunikation auf den Sichtlinienbetrieb beschränkt.

Vorteile von mmWave-Frequenzen

Für viele Anwendungen sind der Freiraumpfadverlust, die atmosphärische Dämpfung, die diffuse Reflexion und das begrenzte Eindringen von Millimeterwellensignalen schädlich. Es zeigt sich jedoch, dass diese Eigenschaften in bestimmten Anwendungen auch als Vorteile genutzt werden können. Die Vorteile von Millimeterwellen sind:

• Große Bandbreiten
• Hohe Datenraten
• Niedrige Latenz
• Kleine Antennen
• Begrenzte Reichweite
• Begrenzte Reflexion
• Begrenzte Penetration
• Erhöhte Auflösung

Jeder dieser Vorteile und wie sie in einigen Anwendungen genutzt werden, werden in den folgenden Unterabschnitten erläutert.

Breite Bandbreiten und hohe Datenraten

Für Kommunikationsanwendungen bedeuten große Bandbreiten höhere Spitzendatenraten. Dies kann die Fähigkeit bedeuten, entweder mehr gleichzeitige Kommunikationskanäle für eine gegebene Datenrate zu handhaben oder mehr Daten in einer einzigen Kommunikation zu senden. Die unteren Frequenzspektren werden stark genutzt und stellen daher diese wünschenswerten breiten Bandbreiten nicht bereit.

Beispielsweise weist die 5G New Radio (NR)-Spezifikation von 3GPP eine maximale Kanalbandbreite von nur 100 MHz unter 6 GHz zu, aber bis zu 400 MHz in Bändern über 24 GHz. Während sich diese 5G-Spezifikationen weiterentwickeln, setzen sich einige Parteien für noch breitere Bandbreitenzuweisungen im mmWave-Spektrum ein.

Wegen dieser großen Bandbreiten und hohen Datenraten werden Millimeterwellen in der Satellitenkommunikation bei 27,5 GHz und 31 GHz seit langem verwendet. Fortschritte in der Hochfrequenz-Schaltungstechnologie einschließlich Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) und die damit verbundenen niedrigeren Herstellungskosten bringen Millimeterwellen-Kommunikation in terrestrische Verbraucheranwendungen auf dem Maskenmarkt wie 5G NR.

Niedrige Latenz

Latenz in Kommunikationsnetzwerken kann mehrere Bedeutungen haben. In Bezug auf die unidirektionale Kommunikation ist die Latenz die Zeit von der Quelle, die ein Datenpaket sendet, bis zum Ziel, das dasselbe Datenpaket empfängt. Durch die höheren Frequenzen von Millimeterwellen können mehr Daten in kürzerer Zeit übertragen werden. Daher hat ein Hochfrequenzsystem für eine feste Datenpaketgröße eine geringere Latenzzeit als ein Niederfrequenzsystem.

Niedrige Latenzzeiten sind für viele zeitkritische Anwendungen wichtig, darunter industrielle Automatisierung, drahtlose Augmented oder Virtual Reality und automatisierte Fahrsysteme. Die große Bandbreite von Millimeterwellen ermöglicht kürzere Übertragungszeitintervalle und eine geringere Latenz der Funkschnittstelle, um die Einführung und Unterstützung von Anwendungen mit geringer Latenzzeit zu erleichtern.

Kleine Antennen

Einer der wichtigsten Vorteile von Millimeterwellen sind kleinere Antennen und die Möglichkeit, eine große Anzahl dieser kleineren Antennenelemente in Arrays zu verwenden, um eine Strahlformung zu ermöglichen. Automobilradare gehen beispielsweise von 24 auf 77 GHz über. Die Wellenlänge ist mehr als dreimal kleiner, sodass die Antennenfeldfläche mehr als neunmal kleiner sein kann, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4. Relative Antennen-Array-Größen für 24 GHz und 77 GHz. Bild mit freundlicher Genehmigung von Texas Instruments

Große Arrays von sehr kleinen Antennenelementen werden auch in Millimeterwellen-Kommunikationssystemen wie 5G verwendet. Beamforming kann die abgestrahlte Leistung auf einzelne Benutzer fokussieren, um Signale mit höherer Qualität und Kommunikation mit größerer Reichweite zu erzielen. Beim adaptiven Beamforming können die Beams sogar dynamisch in Abhängigkeit von der Anzahl der Benutzer und deren Standort in Bezug auf die Sendeantenne geändert werden.

Begrenzte Reichweite, Reflexion und Penetration

Die begrenzte Reichweite, diffuse Reflexionen und begrenzte Eindringtiefen können für die Telekommunikation sogar von Vorteil sein. Diese Eigenschaften werden ausgenutzt, um viele kleine Zellen störungsfrei sehr nahe beieinander zu platzieren. Dies stellt eine räumliche Wiederverwendung des Frequenzspektrums bereit und ermöglicht daher die Unterstützung von mehr Verbrauchern mit hoher Bandbreite in einem Gebiet.

Erhöhte Auflösung

In Radaranwendungen unterstützen die höhere Frequenz und die größere Bandbreite von Millimeterwellensignalen genauere Distanzmessungen, genauere Geschwindigkeitsmessungen und die Fähigkeit, zwischen zwei nahe beieinander liegenden Objekten aufzulösen.

Anwendungen der Millimeterwellentechnologie

Radar

Radaranwendungen in der Luft- und Raumfahrt waren viele Jahre die Hauptanwendung der Millimeterwellentechnologie. Die großen Bandbreiten sind ideal, um die Entfernung zu einem Objekt zu bestimmen, zwischen zwei entfernten, nahe beieinander liegenden Objekten aufzulösen und die Relativgeschwindigkeit zum Ziel zu messen.

In seiner einfachsten Form beispielsweise, unter der Annahme, dass sich zwei Objekte entweder direkt aufeinander zu oder voneinander weg bewegen, wird die Doppler-Frequenzverschiebung (Δf) durch die Gleichung angegeben:

$$Δf =\frac{(2 * V_{rel})}{λ}$$

wo

• Vrel ist die relative Geschwindigkeit (m/s)
• λ ist die Wellenlänge (m)

Da die Frequenzverschiebung bei kürzeren Wellenlängen (wie Millimeterwellen) größer ist, ist es einfacher, die resultierende Frequenzverschiebung zu messen. Die Möglichkeit, kleinere Multi-Element-Antennen und adaptives Beamforming zu verwenden, machen Millimeterwellen auch ideal für Radaranwendungen.

Aus den gleichen Gründen, aus denen Millimeterwellenradar für Luft- und Raumfahrtanwendungen wünschenswert ist, wird es weithin für automatisierte Fahrzeuganwendungen einschließlich Notbremsung, adaptive Geschwindigkeitsregelung (ACC) und Erkennung des toten Winkels verwendet (wie in Abbildung 5 dargestellt).

Abbildung 5. Anwendungen des Millimeterwellenradars für autonome Fahrzeuge. Bild mit freundlicher Genehmigung von Rohde &Schwarz

Die Fähigkeit, Distanz und Relativgeschwindigkeit schnell und genau zu messen, ist für den autonomen Fahrzeugbetrieb eindeutig wichtig.

Telekommunikation

Satellitensysteme haben aufgrund der großen Bandbreiten, der geringen Latenz, der kleinen Antennen und der Strahlformung mit mehreren Antennengruppen seit langem Millimeterwellen für ihre Kommunikation verwendet. Dieselben Merkmale veranlassen viele terrestrische Telekommunikationsnetze, Millimeterwellen zu verwenden.

Aufgrund der erhöhten Bandbreite können Millimeterwellen beispielsweise die drahtlose Übertragung von Ultra High Definition (UHD)-Video unterstützen. Darüber hinaus unterstützen die kleineren Antennen die Integration in Geräte wie Smartphones, digitale Set-Top-Boxen, Spielstationen und mehr. Zu den aufkommenden Industriestandards, die Millimeterwellen verwenden, gehören 5G und IEEE 802.11ad WiGig für Gbit/s-Datenraten.

Insbesondere in Innenräumen und städtischen Umgebungen wird die räumliche Wiederverwendung und adaptive Strahlformung von Millimeterwellen die Bereitstellung von Kommunikationen mit hoher Bandbreite an eine große Anzahl von Benutzern ermöglichen, wie in Abbildung 6 zu sehen ist.

Abbildung 6. Adaptives Beamforming zur Unterstützung sowohl stationärer als auch mobiler Benutzer. Bild mit freundlicher Genehmigung von Fujitsu über Phys.org

Massive MIMO-Systeme (Multiple Input Multiple Output) ermöglichen räumliche Diversität, räumliches Multiplexing und Beamforming, um mehr Benutzern eine bessere Funktionalität bei geringerem Stromverbrauch zu bieten.

Sicherheitsscanner

Millimeterwellen werden auch für Sicherheitsscanner für den menschlichen Körper verwendet. Tausende von Sende- und Empfangsantennen arbeiten zusammen, um mit hoher Präzision zu scannen, wie in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7. Millimeterwellen-Körperscanner-System. Bild mit freundlicher Genehmigung von Rohde &Schwarz

Diese Systeme senden in einem Frequenzbereich zwischen 70 GHz bis 80 GHz und emittieren nur etwa 1 mW Leistung. ​​Die Millimeterwellen durchdringen die meisten Kleidungsstücke und werden von der Haut und anderen Oberflächen zurück zu den Empfangsantennen reflektiert. Das empfangene Signal kann verwendet werden, um ein detailliertes Bild der Person zu erstellen und unter der Kleidung versteckte Gegenstände zu enthüllen. Die geringe Leistung und die begrenzte Eindringtiefe von Millimeterwellen sorgen für mehr Sicherheit.

Andere Anwendungen von Millimeterwellen

Dies sind nur einige von vielen Anwendungen der Millimeterwellen-Technologie. Andere vorgeschlagene oder implementierte Anwendungen sind unter anderem:

• Radioastronomie
• Bodenfeuchtebewertung
• Schneedeckenmessungen
• Standort Eisberg
• Ergänzende optische Erkennung bei schlechtem Wetter
• Wetterkartierung
• Windgeschwindigkeiten messen
• Medizinische Behandlungen

Zusammenfassung

Millimeterwellen werden seit langem in Radaranwendungen verwendet und werden zunehmend für neue Anwendungen verwendet, wobei die bekannteste Telekommunikation mit hoher Datenrate ist. Die kurzen Wellenlängen und die einzigartigen Ausbreitungseigenschaften bieten sowohl Herausforderungen als auch Chancen für auf diesen Gebieten tätige Ingenieure.