毫米波通信技术

毫米波通信技术刘发林电子工程与信息科学系2010年9月8日中国科学技术大学研究生选修课ES452152本课程分章目录一、电磁频谱与毫米波通信概述二、通信部件与器件三、毫米波天线四、毫米波传播特性五、宽带数字通信的编码、调制与均衡六、无线宽带信息交换技术七、毫米波卫星通信系统构成与典型例子3第一章电磁频谱与毫米波通信概述§1.1电磁频谱与毫米波特点§1.2毫米波通信的发展简况1.2.1毫米波波导通信系统1.2.2毫米波无线电地面通信系统1.2.3毫米波卫星通信§1.3毫米波通信在无线电通信中的地位和作用4绪论通信方式烽火台驿站电话电视(广播)数据(多媒体)。。。载频人工有线中长波短波微波mmw光纤。。带宽要求不断增大、载频不断提高mmw拥有更宽的频带具有潜在大容量服务能力5电磁频谱llustrationoftheelectromagneticspectrum.(ImageistakenfromNASALangleyResearchCenter'sWebsite.ViaMITOpenCourseWare)§1.1电磁频谱与毫米波特点6微波毫米波波段划分表1.1部分厘米波和毫米波波段的具体划分(IEEE标准)———————————————————————波（频）段名称频率范围（GHz）———————————————————————S2－4C4－8X8－12Ku12－18K18－26.5Ka26.5－40Q36－46V46－56W56－100———————————————————————§1.1电磁频谱与毫米波特点7毫米波波段划分表1.2毫米波波段的具体划分(常规)———————————————————————波（频）段名称频率范围（GHz）———————————————————————K12－40Ku12－18K18－26.5Ka26.5－40Q33－50U40－60V50－75E60－90W75－110———————————————————————§1.1电磁频谱与毫米波特点8波长短、准光特性，绝对频带宽、器件体积小毫米波特点§1.1电磁频谱与毫米波特点波长：10mm－1mm，频率：30GHz以上相同的相对带宽下，绝对带宽大，光波段更大S波段BJ3272.14x34.04mmKa波段BJ3207.112x3.556mm波束窄、空间EMC性能好加工精度要求较高，功率容量受限9能穿透电离层：空间电离层D、E、F1、F2层等，空间电离层的特征频率30MHz毫米波特点§1.1电磁频谱与毫米波特点图1.410大气、雨衰影响大毫米波特点§1.1电磁频谱与毫米波特点11大气、雨衰影响大（续）毫米波特点§1.1电磁频谱与毫米波特点若干毫米波大气窗口（阻带）的资用带宽________________________________________________________波长(mm)8.63.22.11.45.0频率(GHz)359414022060带宽GHz162326706_________________________________________________________宽带、扩频、抗干扰通信保密通信60GHz光电通信12印度Bose1890年60GHz电火花实验毫米波通信实验研究始于1950年代末，并一直延续至80年代初。圆波导TE10模传输通信。涉及：毫米波传输波导，有、无源器件、收发信机和天线的研制，毫米波传播实验，毫米波通信实验系统，等。80年代中期以后，毫米波有、无源器件日臻成熟和完善，特别是高电子迁移率晶体管系列（HEMT/pHEMT）和异质结晶体管(HBT)等三极管和毫米波/微波(MIMIC)的出现，为毫米波通信设备的更新换代创造了良好的基础，各种实用的毫米波通信系统相继出台。90年代开始，系统应用日益广泛。在宽带多媒体通信、宽带无线接入的个人通信、卫星通信等领域，毫米波通信是不可缺少的重要支柱。毫米波通信发展简况§1.2毫米波通信的发展简况13圆波导TE10模传输通信－－有线通信50－60年代，受限于功率，中继代价大。电真空器件可靠性、固态器件发展，推动研究。中国：科学院电子所实验研究。电真空器件、模式转换装置等70年代，美、德、日、英等实验系统。系统技术可行，适于推广。但是被激光、光纤冲击替代。KKao论文1966毫米波波导通信系统§1.2毫米波通信的发展简况14§1.2毫米波通信的发展简况70年代初的两种毫米波波导通信实验系统主要性能0101系统代号WT—4W—40G研发厂家美国贝尔实验室日本NTT公司参考线路长度（km）6,0002,500工作频率(GHz)38~104.543.4~86.74波导模式圆波导,TE圆波导,TE波导尺寸(内径,mm)6051传输损耗(dB/km)1~32.5~3.1传输速率(Mb/s)274800编码及调制方式PCM—QPSKPCM—QPSK转发器间隔（km）50~6020误码性能10－7/6,000km10－7/2,500km15解决通信频道拥挤，较低风险选用较低的毫米波频段1969年，日本20GHz的数字无线电实验系统1976年，实现了20GHz频段400Mb/s系统的实用化该系统在当时已经达到了甚高的水平。降雨备余量45~55dB误码率10－7(每信道)应指出，其设计的参考线路长2,500km，而单跳距离为2.5~5km。这样一来，为能进行远程大容量通信，将以大量的中继站为代价。毫米波无线电地面通信系统§1.2毫米波通信的发展简况16更高频段的中、低容量短程毫米波通信设备也相继出台。1978年，美国战术通信用小型毫米波通信设备全双工，38/60-70GHz功率：100mW波束：2-4度速率：5-25Mbps双筒望远镜式结构毫米波通信机毫米波无线电地面通信系统§1.2毫米波通信的发展简况171990年代，全球信息化浪潮。因特网，交互多媒体业务、高宽带视频业务以及专用网络和无线电通信业务量急剧增长，都对传输速率、带宽和质量提出了迫切的要求。用户对宽带接入的要求日益强烈，推动了各种宽带接入网络和设备的研发。利用毫米波的无线宽带接入应运而生。代表性系统：本地多点分配业务LMDS（LocalMultipointDistri-butionServices）。具有更高带宽和双向数据传输的特点，可提供交互式数据及多媒体业务。28GHz毫米波室内无线局域网络（WLAN）。20~60GHz。小尺寸天线，宽的带宽。毫米波无线电地面通信系统§1.2毫米波通信的发展简况18卫星通信写下了崭新的一页，成为现代化的通信手段之一。卫星通信的主要优点是：通信距离远，建站成本与通信距离无关；以广播方式工作，便于实现多址联接；通信容量大，能传送的业务类型多；可以自发自收进行监测，等等。1970/80年代，同步轨道GEO卫星通信）。1990以后，中、低轨道卫星通信系统大发展。90年代10年间发射同步轨道通信卫星多达200颗。其中C波段的最多，Ku波段的次之。频谱拥挤、轨道拥挤的问题日益突出。毫米波卫星通信§1.2毫米波通信的发展简况191970年代初，开始毫米波卫星通信实验研究。1970年至1974年间只有两颗工作于18~40GHz频段卫星送入对地静止轨道，而到1975~1984年间发射的这种卫星则达10多颗。1971年，美国NASA利用应用技术卫星（ATS-5）率先进行15.3/31.5GHz卫星通信实验。1974年，美国又发射了ATS-6进行了30/20GHz的电波和通信实验。1976年，林肯同步轨道实验卫星（LES-8/9）演示了37GHz星际链路通信，利用星上波束宽度为1.2度的可控天线和0.5W固态IMPATT放大器，演示了跨越40,000km、100kb/s的链路工作情况。毫米波卫星通信§1.2毫米波通信的发展简况20日本，毫米波卫星通信实验始于1977年，利用技术试验卫星（ETS-II）进行星上装有34.5GHz的无线电信标。1977年12月，日本将中容量通信实验卫星（CS-1）射入对地静止轨道。卫星的基本任务是检验星载设备的工作，并用100Mb/s的速率进行电话通信、传送彩色电视及数字信号的实验。卫星在轨重360kg。卫星有6部转发器工作于30/20GHz，2部转发器工作于6/4GHz。毫米波卫星通信§1.2毫米波通信的发展简况211980至90年代，推出继续用于范围更广、内容更多的Ka/毫米波实验卫星美国的ACTS、意大利的ITALSAT—F1、欧洲的OLYMPUS、日本的ECS—II、ETS—VI和COMETS等1983年发射升空的CS—2被认为是世界上第一个实用化的Ka(30/20GHz)波段卫星通信系统。意大利的ITALSAT—F2、美国军用的MILSTAR等。许多卫星采用了一系列先进的技术，包括多波束天线、星上交换、星上处理和高速传输等毫米波卫星通信§1.2毫米波通信的发展简况22§1.2毫米波通信的发展简况系统运营时间卫星高度(km)波段多址方式网络容量业务Astrolink20039GEO36000KaFDMATDMAIP/ATMISDN6.5Gb/s高速率多媒体Cyberstar20013GEO36000KaFDMATDMAIP/ATM帧中继9.6Gb/s因特网接入VoD业务Spaceway200216GEO20MEO3600010352KaFDMATDMAIP/ATM帧中继ISDN4.4Gb/s高速因特网BoD,多媒体SkyBridge200180LEO(Walker)1469KuCDMAFDMATDMAIP/ATM20M用户以上高速因特网交互多媒体服务Teledesic2002288LEO1375Ka,60GHzMF-TDMAATDMAIP/ATMISDN10Gb/s空中因特网高质话音/数据/图像新一代的毫米波卫星通信系统23毫米波通信是视距通信。毫米波具有光波的某些特性。在空间也是直线传播的。一般地说，通信双方在视线上无阻挡时，毫米波线路才能畅通。毫米波通信可提供高速、宽带和大容量信息传输服务。与较低的无线电频段相比，毫米波具有丰富的频带资源几个即将投入运行的卫星通信系统的通信容量可达4.4Gb/s-10Gb/s。这一特点，正好符合当前和今后社会对信息传输急剧增长的需要毫米波通信系统的可用度受天气（特别是降雨）等）环境条件制约，有通信窗口。毫米波通信特点§1.3毫米波通信在无线电通信中的地位和作用24无线高速、宽带通信；宽带接入网（解决多媒体服务到家“最后1英里”连接问题）；卫星个人通信；星际间通信或中继；利用大气吸收峰毫米波频段的保密通信；交互式大容量电视广播（VOD）；信息互动（智能交互课堂）等等。更多新颖的毫米波通信方式与应用。。。。。。毫米波通信的应用场合§1.3毫米波通信在无线电通信中的地位和作用25“天生我才必有用”。从完善人类通信手段的观点看，毫米波通信是其他通信手段的扩展，有互补性。毫米波－－光纤－－毫米波－－？例子：2001年2月9日，海底光缆阻断，卫星应急通信，当时卫星线路容量有限。说明建立能提供大容量的毫米波卫星通信系统的必要性。限于“视距”毫米波通信，许多难以覆盖的地方，需要短波、超短波、微波较低频段，以及光、电缆等手段的补充和配合。在许多场合下，光缆是唱主角的，而在光缆难以施展的地方，便要靠无线手段其中包括毫米波的应用了。有理由相信，毫米波通信的前途是广阔而光明的。毫米波通信与其他通信方式的关系§1.3毫米波通信在无线电通信中的地位和作用26§1.3毫米波通信在无线电通信中的地位和作用典型的毫米波通信系统的组成信道编码、调制双工器解调、解码基带及接口设备接收机下变频发射机低噪放上变频功放交换网络用户终端用户终端交换网络用户终端用户终端天线天线双工器解调、解码基带及接口设备接收机下变频发射机低噪放功放上变频编码、调制27谢谢！