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什么是微波通信?对当前社会的发展有哪些影响?

2024-03-13 21:42:50

微波通信,这个似乎听起来距离我们很遥远却时时刻刻伴随我们的身边。微波通信其实从上世纪中国刚刚成立没多久就应用于多种实际生活中。


一、什么是微波通信?

关于无线微波通信知识【讲解篇】

(图源网络,侵删)


微波通信一般指使用波长在0.1毫米至1米之间的电磁波——微波进行的通信。该波长段电磁波所对应的频率范围是300MHz至3000GHz。与我们常见的光纤、同轴电缆不同的是,微波通信传输的介质不需要固体介质,只需要借助微波即可。


现如今多应用在无线通讯、卫星通讯、雷达系统等领域广泛应用,拥有高速率、高精度的数据传输,具有较低的延迟和更高的抗干扰能力。同时,在医疗民生、现代安防与智慧交通拥有着举足轻重的地位。


无线微波


从以上图我们不难看错,微波从细分类分为:分米波、厘米波、毫米波、亚毫米波。根据波的频率范围,我们可以很好寻找出对应的波,比如我们常见2.4G和5.8G频率就可以很清楚分辨出来。波长越短,波的频率则越高,相对穿透能力则越强。

因此发展越短的微波通信对于时代的技术的发展则表现为更为先进,尤其是地面到卫星的通信。


二、发展史


微波通讯的历史最初可以追随到上世纪初。1901年,马克尼使用800KHz中波信号进行了从英国到北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的无线电波的通信试验,开创了人类无线通信的新纪元。但由于受当时时代的局限性,在无线通信初期,人们常用的还是长波和中波。知道20世纪20年代短波通信才开始进入人们的视野。


微波通讯技术的发展总离不开战争的大力推导。可以说,二战是微波通讯发展最为迅速的一个时代,其中包括军事通信和雷达系统等一系列电子对抗。对于战争,谁掌握了信息的优先权,谁就有最大的战争率先决策权和有利打击条件。


直到二战结束后,微波通讯才开始慢慢应用于民用领域。经过60-70年代的发展,各种微波器件相继问世,同时包括着众多集成电路。在推动后续人造卫星和光纤通讯的出世中,微波通讯也迎来新一轮的发展与挑战。


我国的微波通讯研究启动计划相对于世界其他领先国家相对较晚。50 年代初期我国研制出第一台米波防空雷达,相较世界先进技术差距约二十年。从60年代开始,微波技术才得到进一步重大发展,我国彻底开始针对性建立相对应的系统性体系。而此时,模拟微波开始逐渐走向没落,数字微波开始登上国际舞台。而数字微波通信,又分为PDH(准同步)和SDH(同步)两个阶段。80年代后期至本世纪初,SDH在传输系统中占据统治地位,微波通信技术发展非常迅速。从后续的发展上,微波通信技术也和有线通信技术一样,进入了IP时代。但对于中国微波产业而言,加速赶超仍然处于白热化阶段。


尽管目前中国的微波技术已经取得非常瞩目的效果。但在高频器件、产业化和系统设计三个领域存在较大差距。其中表现为:5G高频微波器件频段技术的差距、微波器件产业化仍无法打破成本与可靠性上的差距以及小型电子化微波器件供电、散热问题等。


微波卫星通信

(图源网络,侵删)

三、微波技术对当前社会形态下的影响


以目前民用而言。基本以光纤通信为主导,只有在某些特殊环境应用中我们才会使用微波通信的方式。如:偏远地区面对传统布线难度大成本过高问题,微波通信则成为一个很好的替代。专网通信用户,如电网、铁路,也多采用微波通信作为远距离孤立站点数据传输。


诸如此类的应用环境还有很多,比如灾难应急通信、海上油田通信、西部电力远程监控、森林保护区、边防守卫等。相对这些距离很远且需求定时传达信息的地方仍然是微波通信应用最多的地区。


四、微波通信的基本组成


发射端,将电信号转化为微波信号发射到对应的接收器。微波发射机的组成包括射频发生器、射频放大器、微波发射天线等。

微波天线,作为通讯系统最重要的组成,它的作用即是将发送或接收信号,根据发射的功能形态不同,应用较广的有抛物面天线、喇叭抛物面天线、喇叭天线、透镜天线、开槽天线介质天线潜望镜天线等。


对工作于微波波段天线的要求:

(1)机械强度及运用可靠性要高;

(2)天线的尺寸和重量要小;

(3)天线与馈线要匹配,而且易于调谐;

(4)天线的制造和装配要简便,成本要低。


微波接收端:微波接收机主要负责接收天线接收到的微波信号,并将其转换为电信号。微波接收机的组成包括微波接收天线、低噪声放大器、射频带通滤波器、射频混频器、中频放大器等。


传输介质:传输介质是指微波信号在传输过程中所经过的媒介,如空气、导体、光纤等。不同的传输介质对于微波信号的传输有不同的影响,需要根据不同的应用场景进行选择。


控制系统:控制系统主要负责对微波通讯系统进行监控和控制,包括对微波发射机和接收机进行控制、调整天线方向、维护系统安全等功能。


五、微波设备的组成


一般微波设备主要由IDU(室内单元)、ODU(室外单元)、中频电缆、天线等部分组成。

IDU负责完成业务接入、复分接和调制解调,在室内将业务信号转换成中频模拟信号。

ODU负责完成信号的变频和放大。

中频是指发射机将信号载波变换成发射频率,或者将接收频率变换成基带的一个中间频率,一般由系统架构决定。

天线将射频信号转换成电磁波,向空中进行辐射。或者接收电磁波,转换成射频信号,送给ODU。

微波天线,除了鼓一样的天线,还有抛物面天线和卡塞格伦天线,卫星通信一般都是锅面。

微波通信组成

(图片来源橙色云,侵删)


室外微波设备的安装方式,也分为两种。

一种是ODU和天线分开的分离式安装,还有一种是ODU和天线扣在一起的直扣式安装。

当存在两个ODU时(用于1+1 HSB热备份,或者1+1 FD频分),还会有一个合路器,用于功率分配或合成。

1+1 HSB热备份(一个主用,一个备用,以防ODU故障造成业务中断)

微波通信里,站点分为三种:终端站、中继站、枢纽站。

中继站和枢纽站,都会涉及到信号转发(中继)。中继的方式,分为无源和有源。无源除了刚才我们图里看到的无源反射板之外,还有背靠背天线。而有源的话,就分为再生中继、中频中继和射频中继。所谓的“有源”,就是有能量源、电源,也就是说,通过外部能源进行了加强。虽然效果会更好,但是成本更高,而且故障点更多。


总结


在微波通讯高度集成化的今天,高数据传输、多路信号信号转化、信号稳定性以及适用范围领域,微波通信都具有得天独厚的优势,不仅打破了地形的限制,同时实现了领域移动通讯。诸如无线网桥、无线AP、WIFI和5G、专网等诸多网络信息的联合通信,对于接下来的万物互联高速数据传输以及对未来探索6G以及更高的通信手段都拥有着不可替代的发展作用。