Noções básicas da tecnologia Millimeter Wave

O que é tecnologia de ondas milimétricas e como ela é caracterizada em comparação com outras tecnologias de frequência mais baixa?

Este artigo fornece uma introdução às ondas milimétricas (mmWaves), incluindo suas frequências, características de propagação e vantagens e desvantagens para aplicações comuns.

O que é uma onda milimétrica?

Como o nome indica, as ondas milimétricas são ondas eletromagnéticas com um comprimento de onda (λ) de aproximadamente 1 mm (1 a 10 mm, para ser mais preciso). Converter esse comprimento de onda em frequência usando a equação f =c / λ, onde c é a velocidade da luz (3 x 10 ⁸ m / s), fornece uma faixa de frequência de 30-300 GHz. A banda de onda milimétrica é designada banda de “frequência extremamente alta” (EHF) pela International Telecommunication Union (ITU). O termo “onda milimétrica” também é freqüentemente abreviado para “mmWave”.

A Figura 1 inclui exemplos de aplicações que utilizam o espectro mmWave e também demonstra a localização do espectro mmWave em relação a outras bandas de frequência eletromagnética.

Figura 1. Visão geral do espectro de ondas milimétricas. Imagem cortesia da Analog Devices

Agora que já conhecemos as definições básicas, vamos falar sobre como os sinais de ondas milimétricas se propagam.

Propagação de ondas milimétricas

A propagação do sinal de onda milimétrica é caracterizada por:

• Grande perda de caminho de espaço livre
• Atenuação atmosférica significativa
• reflexos difusos
• Profundidade de penetração limitada

As subseções a seguir examinarão com mais detalhes cada uma dessas quatro características de propagação.

Perda do caminho do espaço livre

Uma limitação da comunicação de radiofrequência (RF) de ondas milimétricas é a perda de caminho no espaço livre (FSPL) para comunicação direta em linha de visão entre duas antenas. O FSPL é inversamente proporcional ao quadrado do comprimento de onda e é dado pela seguinte equação:

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

Onde:

• d é a distância entre as duas antenas em m
• λ é o comprimento de onda em m.

Como pode ser visto nesta equação, uma diminuição de 10X no comprimento de onda resulta em um aumento de 100X na perda de caminho de espaço livre. Assim, a atenuação em comprimentos de onda milimétricos é muitas ordens de magnitude maior do que a atenuação de frequências de comunicação mais tradicionais, como rádio FM ou Wi-Fi.

Nos cálculos de comunicação de RF, essa equação de perda é frequentemente convertida para fornecer um resultado em dB, com a frequência medida em GHz e a distância medida em km. Após essa conversão, a equação se torna:

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

Uma calculadora gratuita para avaliar a perda no caminho do espaço livre está disponível aqui.

Atenuação atmosférica

Outra desvantagem da transmissão de ondas milimétricas é a atenuação atmosférica. Nessa faixa de comprimentos de onda, há atenuação adicional causada pela presença de gases atmosféricos - principalmente moléculas de oxigênio (O2) e vapor d'água (H2O).

Como pode ser visto na Figura 2, a atenuação atmosférica pode ser muito severa em certas bandas.

Figura 2. Atenuação atmosférica por frequência e elevação. Imagem cortesia de 5G Americas

Por exemplo, o pico de oxigênio em 5 mm (60 GHz). A chuva aumenta a atenuação em todo o espectro.

Reflexão difusa

Os comprimentos de onda mais longos geralmente dependem da potência refletida direta (especular) para auxiliar na transmissão ao redor de obstáculos (pense em reflexos espelhados). No entanto, muitas superfícies parecem “ásperas” para ondas milimétricas, o que resulta em reflexos difusos que enviam a energia em muitas direções diferentes. Isso pode ser visto na Figura 3.

Figura 3. Reflexão difusa e especular. Imagem cortesia de Hermary

Assim, é provável que menos energia refletida alcance uma antena receptora. As transmissões de ondas milimétricas são, portanto, muito suscetíveis a sombras por obstáculos e são normalmente limitadas à transmissão em linha de visão.

Penetração limitada

Por causa de seus comprimentos de onda mais curtos, as ondas milimétricas não penetram profundamente ou através da maioria dos materiais. Por exemplo, um estudo de materiais de construção comuns descobriu que a atenuação variava de aproximadamente 1 a 6 dB / cm e as perdas de penetração através de uma parede de tijolos a 70 GHz podem ser cinco vezes maiores do que a 1 GHz. Ao ar livre, a folhagem também bloqueia a maioria das ondulações milimétricas. Portanto, a maior parte da comunicação de ondas milimétricas é limitada à operação em linha de visão.

Vantagens das frequências mmWave

Para muitas aplicações, a perda de caminho de espaço livre, atenuação atmosférica, reflexão difusa e penetração limitada de sinais de ondas milimétricas são prejudiciais. No entanto, essas características também podem ser exploradas como benefícios em determinados aplicativos. As vantagens das ondas milimétricas incluem:

• Larguras de banda amplas
• Altas taxas de dados
• Baixa latência
• Antenas pequenas
• Alcance limitado
• Reflexão limitada
• Penetração limitada
• Maior resolução

Cada uma dessas vantagens e como são exploradas em alguns aplicativos serão explicados nas subseções a seguir.

Larguras de banda amplas e altas taxas de dados

Para aplicações de comunicação, larguras de banda amplas significam taxas de pico de dados mais altas. Isso pode significar a capacidade de lidar com mais canais de comunicação simultâneos para uma determinada taxa de dados ou enviar mais dados em uma única comunicação. Os espectros de frequência mais baixos são muito usados ​​e, portanto, não fornecem essas larguras de banda desejáveis.

Por exemplo, a especificação 5G New Radio (NR) do 3GPP aloca uma largura de banda máxima do canal de apenas 100 MHz abaixo de 6 GHz, mas até 400 MHz em bandas acima de 24 GHz. Como essas especificações 5G continuam a evoluir, algumas partes estão fazendo lobby por alocações de largura de banda ainda mais amplas no espectro mmWave.

É por causa dessas larguras de banda largas e altas taxas de dados que as ondas milimétricas têm sido usadas há muito tempo na comunicação por satélite a 27,5 GHz e 31 GHz. Os avanços na tecnologia de circuito de alta frequência, incluindo carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) e custos de fabricação mais baixos associados, estão trazendo comunicações de ondas milimétricas para aplicações terrestres de consumo de máscara, como 5G NR.

Baixa latência

A latência nas redes de comunicação pode ter vários significados. Com relação à comunicação unilateral, latência é o tempo desde a origem que envia um pacote de dados até o destino que recebe o mesmo pacote de dados. As frequências mais altas de ondas milimétricas significam que mais dados podem ser transmitidos em menos tempo. Portanto, para um tamanho de pacote de dados fixo, um sistema de alta frequência terá menor latência do que um sistema de baixa frequência.

A baixa latência é importante para muitas aplicações sensíveis ao tempo, incluindo automação industrial, realidade virtual ou aumentada sem fio e sistemas de direção automatizados. A ampla largura de banda das ondas milimétricas permite intervalos de tempo de transmissão mais curtos e menor latência da interface de rádio para facilitar a introdução e o suporte para aplicativos sensíveis a baixa latência.

Antenas Pequenas

Uma das vantagens mais importantes das ondas milimétricas são as antenas menores e a capacidade de usar um grande número desses elementos de antena menores em matrizes para permitir a formação de feixes. Por exemplo, os radares automotivos estão passando de 24 para 77 GHz. O comprimento de onda é mais de três vezes menor, então a área do conjunto de antenas pode ser nove vezes menor, conforme ilustrado na Figura 4.

Figura 4. Tamanhos relativos do conjunto de antenas para 24 GHz e 77 GHz. Imagem cortesia da Texas Instruments

Grandes arranjos de elementos de antena muito pequenos também serão usados ​​em sistemas de comunicação de ondas milimétricas como o 5G. Beamforming pode concentrar a energia irradiada em usuários individuais para sinais de maior qualidade e comunicação de longo alcance. Com a formação de feixe adaptável, os feixes podem até ser alterados dinamicamente em função do número de usuários e de sua localização em relação à antena de transmissão.

Alcance, reflexão e penetração limitados

O alcance limitado, os reflexos difusos e as profundidades de penetração limitadas podem realmente ser um benefício para as telecomunicações. Essas características estão sendo exploradas para permitir que muitas células pequenas sejam colocadas muito próximas umas das outras sem interferência. Isso fornece a reutilização espacial do espectro de frequência e, portanto, permite que mais consumidores de alta largura de banda sejam suportados em uma área.

Maior resolução

Em aplicativos de radar, a frequência mais alta e a largura de banda aumentada dos sinais de ondas milimétricas suportam medições de distâncias mais precisas, medições de velocidade mais precisas e a capacidade de resolver entre dois objetos próximos.

Aplicações da tecnologia de ondas milimétricas

Radar

Por muitos anos, os aplicativos de radar aeroespacial foram a principal aplicação da tecnologia de ondas milimétricas. As larguras de banda largas são ideais para determinar a distância a um objeto, para resolver entre dois objetos distantes que estão próximos e medir a velocidade relativa ao alvo.

Por exemplo, em sua forma mais básica, supondo que dois objetos se movam diretamente em direção ou para longe um do outro, a mudança de frequência Doppler (Δf) é dada pela equação:

$$ Δf =\ frac {(2 * V_ {rel})} {λ} $$

Onde

• Vrel é a velocidade relativa (m / s)
• λ é o comprimento de onda (m)

Como a mudança de frequência é maior com comprimentos de onda mais curtos (como ondas milimétricas), é mais fácil medir a mudança de frequência resultante. A capacidade de usar antenas multielementares menores e formação de feixe adaptável também tornam as ondas milimétricas ideais para aplicações de radar.

Pelas mesmas razões que o radar de onda milimétrica é desejável para aplicações aeroespaciais, ele está sendo amplamente adotado para aplicações de veículos automatizados, incluindo frenagem de emergência, controle de cruzeiro adaptativo (ACC) e detecção de ponto cego (conforme ilustrado na Figura 5).

Figura 5. Aplicações do radar de ondas milimétricas para veículos autônomos. Imagem cortesia da Rohde &Schwarz

A capacidade de medir a distância e a velocidade relativa com rapidez e precisão são claramente importantes para a operação autônoma do veículo.

Telecomunicações

Os sistemas de satélite há muito usam ondas milimétricas para suas comunicações devido às larguras de banda, baixa latência, antenas pequenas e formação de feixes de conjuntos de antenas múltiplas. Essas mesmas características estão levando muitas redes de telecomunicações terrestres a empregar ondas milimétricas.

Por exemplo, devido ao aumento da largura de banda, as ondas milimétricas podem suportar a transmissão sem fio de vídeo de ultra alta definição (UHD). Além disso, as antenas menores suportam integração em dispositivos como smartphones, decodificadores digitais, estações de jogos e muito mais. Os padrões emergentes da indústria que empregarão ondas milimétricas incluem 5G e IEEE 802.11ad WiGig para taxas de dados Gb / s.

Particularmente em ambientes internos e urbanos, a reutilização espacial e a formação de feixes adaptativos de ondas milimétricas permitirão a entrega de comunicações de alta largura de banda para um grande número de usuários, como pode ser visto na Figura 6.

Figura 6. Formação de feixe adaptável para oferecer suporte a usuários fixos e móveis. Imagem cortesia da Fujitsu via Phys.org

Os sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) maciços permitirão diversidade espacial, multiplexação espacial e formação de feixe para fornecer melhor funcionalidade a mais usuários, usando menos energia.

Scanners de segurança

Ondas milimétricas também são empregadas em scanners de segurança do corpo humano. Milhares de antenas de transmissão e recepção trabalham juntas para fazer a varredura com alta precisão, conforme ilustrado na Figura 7.

Figura 7. Sistema de varredura de corpo de ondas milimétricas. Imagem cortesia da Rohde &Schwarz

Esses sistemas transmitem em uma faixa de frequência entre 70 GHz a 80 GHz e emitem apenas cerca de 1 mW de potência. As ondas milimétricas passam pela maioria das roupas e se refletem na pele e em outras superfícies de volta às antenas receptoras. O sinal recebido pode ser usado para criar uma imagem detalhada do indivíduo e revelar artigos escondidos sob a roupa. A baixa potência e a profundidade de penetração limitada das ondas milimétricas proporcionam maior segurança.

Outras aplicações de ondas milimétricas

Essas são apenas algumas das muitas aplicações da tecnologia de ondas milimétricas. Outros aplicativos que foram propostos ou implementados incluem, mas certamente não estão limitados a:

• Radioastronomia
• Avaliação da umidade do solo
• Medidas da cobertura de neve
• Localização do iceberg
• Complementando a detecção óptica em clima adverso
• Mapeamento do clima
• Meça a velocidade do vento
• Tratamentos médicos

Resumo

As ondas milimétricas têm sido usadas há muito tempo em aplicações de radar e estão cada vez mais sendo aplicadas a novas aplicações, sendo a mais proeminente as telecomunicações de alta taxa de dados. Os comprimentos de onda curtos e as características de propagação exclusivas oferecem desafios e oportunidades para os engenheiros de projeto que trabalham nessas áreas.