Conceptos básicos de la tecnología de ondas milimétricas

¿Qué es la tecnología de ondas milimétricas y cómo se caracteriza en comparación con otras tecnologías de baja frecuencia?

Este artículo proporciona una introducción a las ondas milimétricas (mmWaves), incluidas sus frecuencias, características de propagación y ventajas y desventajas para aplicaciones comunes.

¿Qué es una onda milimétrica?

Como lo implica el nombre, las ondas milimétricas son ondas electromagnéticas con una longitud de onda (λ) de aproximadamente 1 mm (1 a 10 mm, para ser más precisos). Convertir esa longitud de onda en frecuencia usando la ecuación f =c / λ, donde c es la velocidad de la luz (3 x 10 ⁸ m / s), da un rango de frecuencia de 30-300 GHz. La banda de ondas milimétricas está designada como banda de “frecuencia extremadamente alta” (EHF) por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). El término "onda milimétrica" ​​también se abrevia a menudo como "mmWave".

La Figura 1 incluye ejemplos de aplicaciones que utilizan el espectro mmWave y también demuestra la ubicación del espectro mmWave en relación con otras bandas de frecuencia electromagnética.

Figura 1. Descripción general del espectro de ondas milimétricas. Imagen cortesía de Analog Devices

Ahora que tenemos las definiciones básicas fuera del camino, hablemos de cómo se propagan las señales de ondas milimétricas.

Propagación de ondas milimétricas

La propagación de la señal de ondas milimétricas se caracteriza por:

• Gran pérdida de trayectoria en el espacio libre
• Atenuación atmosférica significativa
• Reflexiones difusas
• Profundidad de penetración limitada

Las siguientes subsecciones examinarán con más detalle cada una de estas cuatro características de propagación.

Pérdida de ruta de espacio libre

Una limitación de la comunicación de radiofrecuencia (RF) de ondas milimétricas es la pérdida de trayectoria en el espacio libre (FSPL) para la comunicación con línea de visión directa entre dos antenas. El FSPL es inversamente proporcional al cuadrado de la longitud de onda y viene dado por la siguiente ecuación:

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

donde:

• d es la distancia entre las dos antenas en m
• λ es la longitud de onda en m.

Como puede verse en esta ecuación, una disminución de 10X en la longitud de onda da como resultado un aumento de 100X en la pérdida de trayectoria en el espacio libre. Por lo tanto, la atenuación en longitudes de onda milimétricas es muchos órdenes de magnitud más alta que la atenuación de las frecuencias de comunicación más tradicionales como la radio FM o Wi-Fi.

En los cálculos de comunicación de RF, esta ecuación de pérdida a menudo se convierte para proporcionar un resultado en dB, con la frecuencia medida en GHz y la distancia medida en km. Después de esta conversión, la ecuación se convierte en:

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

Una calculadora gratuita para evaluar la pérdida de trayectoria de espacio libre está disponible aquí.

Atenuación atmosférica

Otro inconveniente de la transmisión de ondas milimétricas es la atenuación atmosférica. En este rango de longitudes de onda hay una atenuación adicional causada por la presencia de gases atmosféricos, principalmente moléculas de oxígeno (O2) y vapor de agua (H2O).

Como se puede ver en la Figura 2, la atenuación atmosférica puede ser muy severa en ciertas bandas.

Figura 2. Atenuación atmosférica por frecuencia y elevación. Imagen cortesía de 5G Americas

Por ejemplo, el pico de oxígeno a 5 mm (60 GHz). La lluvia aumenta la atenuación en todo el espectro.

Reflexión difusa

Las longitudes de onda más largas a menudo dependen de la potencia reflejada directa (especular) para ayudar en la transmisión alrededor de los obstáculos (piense en un reflejo similar a un espejo). Sin embargo, muchas superficies parecen "rugosas" a las ondas milimétricas, lo que da como resultado reflejos difusos que envían la energía en muchas direcciones diferentes. Esto se puede ver en la Figura 3.

Figura 3. Reflexión difusa y especular. Imagen cortesía de Hermary

Por tanto, es probable que llegue menos energía reflejada a una antena receptora. Por lo tanto, las transmisiones de ondas milimétricas son muy susceptibles a las sombras de los obstáculos y, por lo general, se limitan a la transmisión en línea de visión.

Penetración limitada

Debido a sus longitudes de onda más cortas, las ondas milimétricas no penetran profundamente en la mayoría de los materiales ni a través de ellos. Por ejemplo, un estudio de materiales de construcción comunes encontró que la atenuación variaba de aproximadamente 1 a 6 dB / cm y las pérdidas por penetración a través de una pared de ladrillos a 70 GHz pueden ser cinco veces más altas que a 1 GHz. En el exterior, el follaje también bloqueará la mayoría de las ondulaciones milimétricas. Por lo tanto, la mayoría de las comunicaciones por ondas milimétricas se limitan al funcionamiento con línea de visión.

Ventajas de las frecuencias mmWave

Para muchas aplicaciones, la pérdida de trayectoria en el espacio libre, la atenuación atmosférica, la reflexión difusa y la penetración limitada de las señales de ondas milimétricas son perjudiciales. Sin embargo, resulta que estas características también pueden aprovecharse como beneficios en determinadas aplicaciones. Las ventajas de las ondas milimétricas incluyen:

• Amplios anchos de banda
• Altas velocidades de datos
• Baja latencia
• Antenas pequeñas
• Rango limitado
• Reflexión limitada
• Penetración limitada
• Mayor resolución

Cada una de estas ventajas y cómo se explotan en algunas aplicaciones se explicarán en las siguientes subsecciones.

Amplios anchos de banda y altas velocidades de datos

Para las aplicaciones de comunicación, los anchos de banda amplios significan velocidades máximas de datos más altas. Esto puede significar la capacidad de manejar más canales de comunicación simultáneos para una velocidad de datos determinada o enviar más datos en una sola comunicación. Los espectros de frecuencia más baja se utilizan mucho y, por lo tanto, no proporcionan estos anchos de banda deseables.

Por ejemplo, la especificación 5G New Radio (NR) de 3GPP asigna un ancho de banda de canal máximo de solo 100 MHz por debajo de 6 GHz, pero hasta 400 MHz en bandas por encima de 24 GHz. A medida que estas especificaciones 5G continúan evolucionando, algunas partes presionan por asignaciones de ancho de banda aún más amplias en el espectro de ondas milimétricas.

Debido a estos anchos de banda amplios y altas velocidades de datos, las ondas milimétricas se han utilizado durante mucho tiempo en las comunicaciones por satélite a 27,5 GHz y 31 GHz. Los avances en la tecnología de circuitos de alta frecuencia, incluidos el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), y los costos de fabricación más bajos asociados, están llevando las comunicaciones de ondas milimétricas a las aplicaciones de consumo terrestres del mercado de máscaras como 5G NR.

Baja latencia

La latencia en las redes de comunicación puede tener múltiples significados. Con respecto a la comunicación unidireccional, la latencia es el tiempo desde que la fuente envía un paquete de datos hasta el destino que recibe el mismo paquete de datos. Las frecuencias más altas de ondas milimétricas significan que se pueden transmitir más datos en un período de tiempo más corto. Por lo tanto, para un tamaño de paquete de datos fijo, un sistema de alta frecuencia tendrá una latencia más baja que un sistema de baja frecuencia.

La baja latencia es importante para muchas aplicaciones urgentes, incluida la automatización industrial, la realidad virtual o aumentada inalámbrica y los sistemas de conducción automatizada. El amplio ancho de banda de ondas milimétricas permite intervalos de tiempo de transmisión más cortos y una latencia de interfaz de radio más baja para facilitar la introducción y la compatibilidad con aplicaciones sensibles a la latencia baja.

Antenas pequeñas

Una de las ventajas más importantes de las ondas milimétricas son las antenas más pequeñas y la capacidad de utilizar una gran cantidad de estos elementos de antena más pequeños en arreglos para permitir la formación de haces. Por ejemplo, los radares de automoción están pasando de 24 a 77 GHz. La longitud de onda es más de tres veces menor, por lo que el área del conjunto de antenas puede ser nueve veces menor, como se ilustra en la Figura 4.

Figura 4. Tamaños relativos de la matriz de antenas para 24 GHz y 77 GHz. Imagen cortesía de Texas Instruments

También se utilizarán grandes conjuntos de elementos de antena muy pequeños en sistemas de comunicación de ondas milimétricas como 5G. Beamforming puede enfocar la energía irradiada hacia usuarios individuales para señales de mayor calidad y comunicación de mayor alcance. Con la formación de haces adaptativa, los haces pueden incluso cambiarse dinámicamente en función del número de usuarios y su ubicación con respecto a la antena transmisora.

Alcance, reflexión y penetración limitados

El alcance limitado, los reflejos difusos y las profundidades de penetración limitadas pueden en realidad ser un beneficio para las telecomunicaciones. Estas características se están aprovechando para permitir que muchas celdas pequeñas se coloquen muy cerca unas de otras sin interferencias. Esto proporciona una reutilización espacial del espectro de frecuencias y, por lo tanto, permite admitir más consumidores de ancho de banda alto en un área.

Mayor resolución

En las aplicaciones de radar, la frecuencia más alta y el mayor ancho de banda de las señales de ondas milimétricas permiten mediciones de distancia más precisas, mediciones de velocidad más precisas y la capacidad de resolver entre dos objetos poco espaciados.

Aplicaciones de la tecnología de ondas milimétricas

Radar

Durante muchos años, las aplicaciones de radar aeroespacial fueron la principal aplicación de la tecnología de ondas milimétricas. Los anchos de banda amplios son ideales para determinar la distancia a un objeto, para resolver entre dos objetos distantes que están muy juntos y medir la velocidad relativa al objetivo.

Por ejemplo, en su forma más básica, asumiendo que dos objetos se mueven directamente hacia o alejándose el uno del otro, el cambio de frecuencia Doppler (Δf) viene dado por la ecuación:

$$ Δf =\ frac {(2 * V_ {rel})} {λ} $$

donde

• Vrel es la velocidad relativa (m / s)
• λ es la longitud de onda (m)

Debido a que el cambio de frecuencia es mayor con longitudes de onda más cortas (como ondas milimétricas), es más fácil medir el cambio de frecuencia resultante. La capacidad de utilizar antenas de elementos múltiples más pequeñas y la formación de haces adaptativa también hace que las ondas milimétricas sean ideales para aplicaciones de radar.

Por las mismas razones por las que el radar de ondas milimétricas es deseable para aplicaciones aeroespaciales, se está adoptando ampliamente para aplicaciones automáticas de vehículos que incluyen frenado de emergencia, control de crucero adaptativo (ACC) y detección de puntos ciegos (como se ilustra en la Figura 5).

Figura 5. Aplicaciones del radar de ondas milimétricas para vehículos autónomos. Imagen cortesía de Rohde &Schwarz

La capacidad de medir de forma rápida y precisa la distancia y la velocidad relativa es claramente importante para el funcionamiento autónomo de un vehículo.

Telecomunicaciones

Los sistemas de satélite han utilizado durante mucho tiempo ondas milimétricas para sus comunicaciones debido a los anchos de banda amplios, la baja latencia, las antenas pequeñas y la formación de haces de la matriz de múltiples antenas. Estas mismas características están impulsando a muchas redes de telecomunicaciones terrestres a emplear ondas milimétricas.

Por ejemplo, debido al mayor ancho de banda, las ondas milimétricas pueden admitir la transmisión inalámbrica de video de ultra alta definición (UHD). Además, las antenas más pequeñas admiten la integración en dispositivos como teléfonos inteligentes, decodificadores digitales, estaciones de juegos y más. Los estándares emergentes de la industria que emplearán ondas milimétricas incluyen 5G e IEEE 802.11ad WiGig para velocidades de datos Gb / s.

Particularmente en ambientes interiores y urbanos, la reutilización espacial y la formación de haces adaptativa de ondas milimétricas permitirán la entrega de comunicaciones de gran ancho de banda a un gran número de usuarios, como se puede ver en la Figura 6.

Figura 6. Formación de haz adaptable para soportar tanto a usuarios fijos como móviles. Imagen cortesía de Fujitsu a través de Phys.org

Los sistemas Massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) permitirán la diversidad espacial, la multiplexación espacial y la formación de haces para brindar una mejor funcionalidad a más usuarios mientras utilizan menos energía.

Escáneres de seguridad

Las ondas milimétricas también se emplean para los escáneres de seguridad del cuerpo humano. Miles de antenas de transmisión y recepción trabajan juntas para escanear con alta precisión, como se ilustra en la Figura 7.

Figura 7. Sistema de escáner corporal de ondas milimétricas. Imagen cortesía de Rohde &Schwarz

Estos sistemas transmiten en un rango de frecuencia entre 70 GHz y 80 GHz y emiten solo alrededor de 1 mW de potencia. Las ondas milimétricas atraviesan la mayor parte de la ropa y se reflejan en la piel y otras superficies hacia las antenas receptoras. La señal recibida se puede utilizar para crear una imagen detallada del individuo y revelar artículos ocultos debajo de la ropa. La baja potencia y la profundidad de penetración limitada de las ondas milimétricas proporcionan una mayor seguridad.

Otras aplicaciones de ondas milimétricas

Estas son solo algunas de las muchas aplicaciones de la tecnología de ondas milimétricas. Otras aplicaciones que se han propuesto o implementado incluyen, pero ciertamente no se limitan a:

• Radioastronomía
• Evaluación de la humedad del suelo
• Medidas de la capa de nieve
• Ubicación del iceberg
• Complementar la detección óptica en condiciones climáticas adversas
• Mapeo meteorológico
• Mida la velocidad del viento
• Tratamientos médicos

Resumen

Las ondas milimétricas se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones de radar y se están aplicando cada vez más a nuevas aplicaciones, siendo las más destacadas las telecomunicaciones de alta velocidad de datos. Las longitudes de onda cortas y las características de propagación únicas brindan tanto desafíos como oportunidades para los ingenieros de diseño que trabajan en estos campos.