毫米波通信技術(shù)課件

毫米波通信技術(shù)劉發(fā)林電子工程與信息科學(xué)系2010年9月8日中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生選修課ES452151毫米波通信技術(shù)劉發(fā)林中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生選修課本課程分章目錄一、電磁頻譜與毫米波通信概述二、通信部件與器件三、毫米波天線四、毫米波傳播特性五、寬帶數(shù)字通信的編碼、調(diào)制與均衡六、無(wú)線寬帶信息交換技術(shù)七、毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)成與典型例子2本課程分章目錄一、電磁頻譜與毫米波通信概述2第一章電磁頻譜與毫米波通信概述§1.1電磁頻譜與毫米波特點(diǎn)§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況1.2.1毫米波波導(dǎo)通信系統(tǒng)1.2.2毫米波無(wú)線電地面通信系統(tǒng)1.2.3毫米波衛(wèi)星通信§1.3毫米波通信在無(wú)線電通信中的地位和作用3第一章電磁頻譜與毫米波通信§1.1電磁頻譜與毫米波特點(diǎn)3緒論通信方式烽火臺(tái)驛站電話電視(廣播)數(shù)據(jù)(多媒體)。。。載頻人工有線中長(zhǎng)波短波微波mmw光纖。。帶寬要求不斷增大、載頻不斷提高mmw擁有更寬的頻帶具有潛在大容量服務(wù)能力4緒論通信方式烽火臺(tái)驛站電話電視(廣播)電磁頻譜llustrationoftheelectromagneticspectrum.(Imageistakenfrom

NASALangleyResearchCenter'sWebsite.ViaMITOpenCourseWare)

§1.1電磁頻譜與毫米波特點(diǎn)5電磁頻譜llustrationoftheelectro微波毫米波波段劃分表1.1部分厘米波和毫米波波段的具體劃分(IEEE標(biāo)準(zhǔn))

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波（頻）段名稱(chēng)頻率范圍（GHz）———————————————————————S2－4C4－8X8－12Ku12－18K18－26.5Ka26.5－40Q36－46V46－56W56－100———————————————————————

§1.1電磁頻譜與毫米波特點(diǎn)6微波毫米波波段劃分表1.1部分厘米波和毫米波波段毫米波波段劃分表1.2毫米波波段的具體劃分(常規(guī))

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波（頻）段名稱(chēng)頻率范圍（GHz）———————————————————————K12－40Ku12－18K18－26.5Ka26.5－40Q33－50U40－60V50－75E60－90W75－110———————————————————————

§1.1電磁頻譜與毫米波特點(diǎn)7毫米波波段劃分表1.2毫米波波段的具體劃分(常規(guī)波長(zhǎng)短、準(zhǔn)光特性，絕對(duì)頻帶寬、器件體積小毫米波特點(diǎn)§1.1電磁頻譜與毫米波特點(diǎn)波長(zhǎng)：10mm－1mm，頻率：30GHz以上相同的相對(duì)帶寬下，絕對(duì)帶寬大，光波段更大S波段BJ3272.14x34.04mmKa波段BJ3207.112x3.556mm波束窄、空間EMC性能好加工精度要求較高，功率容量受限8波長(zhǎng)短、準(zhǔn)光特性，絕對(duì)頻帶寬、器件體積小毫米波特點(diǎn)§1.1能穿透電離層：空間電離層D、E、F1、F2層等，空間電離層的特征頻率<30MHz毫米波特點(diǎn)§1.1電磁頻譜與毫米波特點(diǎn)圖1.49能穿透電離層：空間電離層D、E、F1、F2層等，空間電離層大氣、雨衰影響大毫米波特點(diǎn)§1.1電磁頻譜與毫米波特點(diǎn)10大氣、雨衰影響大毫米波特點(diǎn)§1.1電磁頻譜與毫米波特點(diǎn)10大氣、雨衰影響大（續(xù)）毫米波特點(diǎn)§1.1電磁頻譜與毫米波特點(diǎn)

若干毫米波大氣窗口（阻帶）的資用帶寬

________________________________________________________波長(zhǎng)(mm)8.63.22.11.4

5.0頻率(GHz)3594140220

60帶寬GHz16232670

6_________________________________________________________寬帶、擴(kuò)頻、抗干擾通信保密通信60GHz光電通信11大氣、雨衰影響大（續(xù)）毫米波特點(diǎn)§1.1電磁頻譜與毫米波特印度Bose1890年60GHz電火花實(shí)驗(yàn)毫米波通信實(shí)驗(yàn)研究始于1950年代末，并一直延續(xù)至80年代初。圓波導(dǎo)TE10模傳輸通信。

涉及：毫米波傳輸波導(dǎo)，有、無(wú)源器件、收發(fā)信機(jī)和天線的研制，毫米波傳播實(shí)驗(yàn)，毫米波通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，等。80年代中期以后，毫米波有、無(wú)源器件日臻成熟和完善，特別是高電子遷移率晶體管系列（HEMT/pHEMT）和異質(zhì)結(jié)晶體管(HBT)等三極管和毫米波/微波(MIMIC)的出現(xiàn)，為毫米波通信設(shè)備的更新?lián)Q代創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)，各種實(shí)用的毫米波通信系統(tǒng)相繼出臺(tái)。90年代開(kāi)始，系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛。在寬帶多媒體通信、寬帶無(wú)線接入的個(gè)人通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，毫米波通信是不可缺少的重要支柱。毫米波通信發(fā)展簡(jiǎn)況§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況12印度Bose1890年60GHz電火花實(shí)驗(yàn)毫米波通信發(fā)圓波導(dǎo)TE10模傳輸通信－－有線通信50－60年代，受限于功率，中繼代價(jià)大。電真空器件可靠性、固態(tài)器件發(fā)展，推動(dòng)研究。中國(guó)：科學(xué)院電子所實(shí)驗(yàn)研究。電真空器件、模式轉(zhuǎn)換裝置等

70年代，美、德、日、英等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)技術(shù)可行，適于推廣。但是被激光、光纖沖擊替代。KKao論文1966毫米波波導(dǎo)通信系統(tǒng)§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況13圓波導(dǎo)TE10模傳輸通信－－有線通信毫米波波導(dǎo)通信系統(tǒng)§1.§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況70年代初的兩種毫米波波導(dǎo)通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要性能系統(tǒng)代號(hào)WT—4W—40G研發(fā)廠家美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室日本NTT公司參考線路長(zhǎng)度（km）6,0002,500工作頻率(GHz)38~104.543.4~86.74波導(dǎo)模式圓波導(dǎo),TE圓波導(dǎo),TE波導(dǎo)尺寸(內(nèi)徑,mm)6051傳輸損耗(dB/km)1~32.5~3.1傳輸速率(Mb/s)274800編碼及調(diào)制方式PCM—QPSKPCM—QPSK轉(zhuǎn)發(fā)器間隔（km）50~6020誤碼性能10－7/6,000km10－7/2,500km14§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況70年代初的兩種毫米波波導(dǎo)通信解決通信頻道擁擠，較低風(fēng)險(xiǎn)選用較低的毫米波頻段1969年，日本20GHz的數(shù)字無(wú)線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1976年，實(shí)現(xiàn)了20GHz頻段400Mb/s系統(tǒng)的實(shí)用化該系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)已經(jīng)達(dá)到了甚高的水平。降雨備余量45~55dB誤碼率<10－7(每信道)應(yīng)指出，其設(shè)計(jì)的參考線路長(zhǎng)2,500km，而單跳距離為2.5~5km。這樣一來(lái)，為能進(jìn)行遠(yuǎn)程大容量通信，將以大量的中繼站為代價(jià)。毫米波無(wú)線電地面通信系統(tǒng)§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況15解決通信頻道擁擠，較低風(fēng)險(xiǎn)毫米波無(wú)線電地面通信系統(tǒng)§1.2更高頻段的中、低容量短程毫米波通信設(shè)備也相繼出臺(tái)。1978年，美國(guó)戰(zhàn)術(shù)通信用小型毫米波通信設(shè)備全雙工，38/60-70GHz功率：100mW波束：2-4度速率：5-25Mbps雙筒望遠(yuǎn)鏡式結(jié)構(gòu)毫米波通信機(jī)

毫米波無(wú)線電地面通信系統(tǒng)§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況16更高頻段的中、低容量短程毫米波通信設(shè)備也相繼出臺(tái)。毫米波無(wú)線1990年代，全球信息化浪潮。因特網(wǎng)，交互多媒體業(yè)務(wù)、高寬帶視頻業(yè)務(wù)以及專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線電通信業(yè)務(wù)量急劇增長(zhǎng)，都對(duì)傳輸速率、帶寬和質(zhì)量提出了迫切的要求。用戶對(duì)寬帶接入的要求日益強(qiáng)烈，推動(dòng)了各種寬帶接入網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的研發(fā)。利用毫米波的無(wú)線寬帶接入應(yīng)運(yùn)而生。代表性系統(tǒng)：本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)LMDS（LocalMultipointDistri-butionServices）。具有更高帶寬和雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，可提供交互式數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)。28GHz毫米波室內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）。20~60GHz。小尺寸天線，寬的帶寬。毫米波無(wú)線電地面通信系統(tǒng)§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況171990年代，全球信息化浪潮。毫米波無(wú)線電地面通信系統(tǒng)§1衛(wèi)星通信寫(xiě)下了嶄新的一頁(yè)，成為現(xiàn)代化的通信手段之一。衛(wèi)星通信的主要優(yōu)點(diǎn)是：通信距離遠(yuǎn)，建站成本與通信距離無(wú)關(guān)；以廣播方式工作，便于實(shí)現(xiàn)多址聯(lián)接；通信容量大，能傳送的業(yè)務(wù)類(lèi)型多；可以自發(fā)自收進(jìn)行監(jiān)測(cè)，等等。1970/80年代，同步軌道GEO衛(wèi)星通信）。1990以后，中、低軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)大發(fā)展。90年代10年間發(fā)射同步軌道通信衛(wèi)星多達(dá)200顆。其中C波段的最多，Ku波段的次之。頻譜擁擠、軌道擁擠的問(wèn)題日益突出。毫米波衛(wèi)星通信§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況18衛(wèi)星通信寫(xiě)下了嶄新的一頁(yè)，成為現(xiàn)代化的通信手段之一。毫米波衛(wèi)1970年代初，開(kāi)始毫米波衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)研究。1970年至1974年間只有兩顆工作于18~40GHz頻段衛(wèi)星送入對(duì)地靜止軌道，而到1975~1984年間發(fā)射的這種衛(wèi)星則達(dá)10多顆。1971年，美國(guó)NASA利用應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星（ATS-5）率先進(jìn)行15.3/31.5GHz衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)。1974年，美國(guó)又發(fā)射了ATS-6進(jìn)行了30/20GHz的電波和通信實(shí)驗(yàn)。1976年，林肯同步軌道實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（LES-8/9）演示了37GHz星際鏈路通信，利用星上波束寬度為1.2度的可控天線和0.5W固態(tài)IMPATT放大器，演示了跨越40,000km、100kb/s的鏈路工作情況。毫米波衛(wèi)星通信§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況191970年代初，開(kāi)始毫米波衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)研究。毫米波衛(wèi)星通信§日本，毫米波衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)始于1977年，利用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（ETS-II）進(jìn)行星上裝有34.5GHz的無(wú)線電信標(biāo)。1977年12月，日本將中容量通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（CS-1）射入對(duì)地靜止軌道。衛(wèi)星的基本任務(wù)是檢驗(yàn)星載設(shè)備的工作，并用100Mb/s的速率進(jìn)行電話通信、傳送彩色電視及數(shù)字信號(hào)的實(shí)驗(yàn)。衛(wèi)星在軌重360kg。衛(wèi)星有6部轉(zhuǎn)發(fā)器工作于30/20GHz，2部轉(zhuǎn)發(fā)器工作于6/4GHz。毫米波衛(wèi)星通信§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況20日本，毫米波衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)始于1977年，利用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（E1980至90年代，推出繼續(xù)用于范圍更廣、內(nèi)容更多的Ka/毫米波實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星美國(guó)的ACTS、意大利的ITALSAT—F1、歐洲的OLYMPUS、日本的ECS—II、ETS—VI和COMETS等1983年發(fā)射升空的CS—2被認(rèn)為是世界上第一個(gè)實(shí)用化的Ka(30/20GHz)波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)。意大利的ITALSAT—F2、美國(guó)軍用的MILSTAR等。許多衛(wèi)星采用了一系列先進(jìn)的技術(shù)，包括多波束天線、星上交換、星上處理和高速傳輸?shù)群撩撞ㄐl(wèi)星通信§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況211980至90年代，推出繼續(xù)用于范圍更廣、內(nèi)容更多的Ka/毫§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間衛(wèi)星高度(km)波段多址方式網(wǎng)絡(luò)容量業(yè)務(wù)Astrolink20039GEO36000KaFDMATDMAIP/ATMISDN6.5Gb/s高速率多媒體Cyberstar20013GEO36000KaFDMATDMAIP/ATM幀中繼9.6Gb/s因特網(wǎng)接入VoD業(yè)務(wù)Spaceway200216GEO20MEO3600010352KaFDMATDMAIP/ATM幀中繼ISDN4.4Gb/s高速因特網(wǎng)BoD,多媒體SkyBridge200180LEO(Walker)1469KuCDMAFDMATDMAIP/ATM20M用戶以上高速因特網(wǎng)交互多媒體服務(wù)Teledesic2002288LEO1375Ka,60GHzMF-TDMAATDMAIP/ATMISDN10Gb/s空中因特網(wǎng)高質(zhì)話音/數(shù)據(jù)/圖像新一代的毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)22§1.2毫米波通信的發(fā)展簡(jiǎn)況系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間衛(wèi)星高度(km)波毫米波通信是視距通信。毫米波具有光波的某些特性。在空間也是直線傳播的。一般地說(shuō)，通信雙方在視線上無(wú)阻擋時(shí)，毫米波線路才能暢通。

毫米波通信可提供高速、寬帶和大容量信息傳輸服務(wù)。與較低的無(wú)線電頻段相比，毫米波具有豐富的頻帶資源幾個(gè)即將投入運(yùn)行的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信容量可達(dá)4.4Gb/s-10Gb/s。這一特點(diǎn)，正好符合當(dāng)前和今后社會(huì)對(duì)信息傳輸急劇增長(zhǎng)的需要毫米波通信系統(tǒng)的可用度受天氣（特別是降雨）等）環(huán)境條件制約，有通信窗口。毫米波通信特點(diǎn)§1.3毫米波通信在無(wú)線電通信中的地位和作用23