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1、外军毫米波通信lI外军毫米波通信龚德勇(总参谨辞第六十一研览所)MILrrARYMILLIMETRICWAVEC0MMUNTCAT10NGongDcyongI摘要l从70年代以来.同外开始重橇对毫米坟通信柏研究与开发.奉文简介了毫米被通信的特点.详述了它在军事通信中的适用镶壤,培出了外蕈几种典型毫米坟电台的主要参数,并指出了它的发晨趋势.一.慨述随着电子技术的发展,无线电频段也不断向高端扩展.目前世界各国毫米波技术的应用范围已迅速扩展到军用通信电子对抗雷达等重大领域,在国际上引起了人们广泛的注意和重视.所谓毫米渡就是指波长为1lO毫米(频率为30eGHz一30GHz)的电磁波.由于它的波长介于
2、微波和光波之间.所以兼有敛波和激光的某些优点.在性能上具有不少独特之处.如:(1)测量目标高,分辨能力强;天线尺寸小,方向性强;(3)信息量大;【4)受杂渡影响小;(5)对雨雾,沙尘的穿透性好.具有较好的全天候能力.近十几年来,I瞳着基础材料,生产工艺,固体器件和集成电路等技术的迅猛发展和成本不断下降,可靠性不断提高,毫米波通信设备的研制和应用获得了重大的突破和发展.目前日苏,西欧和美国的毫米波通信技术都已从研制试验阶段进入到中小功率应用阶段.特别是美国已先后研制出多种性能不同的通信试验样机和电子对抗设备,有的已付诸使用.总之,毫米波技术已成为现代电子科学技术的重要领域.将在军用通信和科学研究
3、中发挥越来越南要的作用.二,毫米波传输的基本特点毫米渡属于极高频(EHF)频段,它以极窄的直射波在空间传播.国外大量的传播实验表明,毫米波传播的基本特点主要有三条:(1)信号受空间中的氧和水汽的谐振吸收衰减比微波要大得多,但从传播曲线上可知,毫米波在不同频段衰减程度是不一样的.如在38,94,l40和220GHz四个频段上衰减较小,被称作大气窗口;而在60,120,200GHz三个频段上衰减最大,可达16dB/km.因此,可根据不同的使用要求选择不同的频段:(2)与微渡相比,毫米波信号受降雨的衰减极大.关于降雨引起的衰减的大小,西方不少国家都进行了大量的试验,一致的结论是:毫米波信号受降雨衰减
4、的大小与降雨的瞬时强度距离的长短和雨滴形状密切相关.一般说来,降雨的瞬时强度越大距离越近,雨滴越大,所引起一47的衰减也就越严重.由于雨量和衰减的关系密切.用频率分集是没有什么效果的.由于暴雨往往是在一定地区出现的,大雨槽一般只有:6公里.因此用路由分集可以绕过大雨区,从而能提高传播的可靠性.根据美国在华盛顿的实验数据.降雨时实梗4衰减值与自由空间衰减值相比(在38GHz)平均增大0.38dB/km/mm/h其中mm/h为每小时平均降雨量),此数据可作为设备能力估算中衰减值,表1给出了毫米波无线电台的线路利用率;-(3)毫米波的传播与激光,红外相.比,最大的优点是对雾,云和尘埃的穿透能力较强.
5、红外和光学系统的衰减分别为i25dB/km,70dB/km,而21OGHz的毫米波只有1.5dB/km.图1毫米波舶大气衰藏f上面的曲线为4公里高度.下面曲线为海平面)毫1毫米波无线电台的墟路刊用搴指挥所毫米波无线电台在最坏情况时的线路利用率美围新泽西州的赶瓦克意大利的米兰华盛帻特区美国佐治亚州的戈叠量美国佛罗里选州的塔拉畴西夏戚夷群岛(毛伊岛.兰尼岛,马i各飘岛美唇拂罗里选州的迈阿密99.88%99.S7%99S2%9974%9956%99%阱97%199.42%9994%99.94%99.91%99.87%99.97%99.78%(9999%9970%三外军毫米波通信的应用概况毫米波通信虽
6、然问世不久,但由于它与传统的短波,超短波和微波相比,具有48通信容量大电波隐蔽和设备轻小等优点,故已引起各国军界构极大关切.美国在1976年首先在陆军中试用了毫米波全双工电台,现已陆续扩大到海,空军以及其它特种部队使用.下面就外军毫米波通信的几种应用方式作一简要评述.口置I.用于近距离点对点的保密通信众所周知,军用传输系统对防窃听和抗干扰能力的要求越来越高.为此,_人们研究了各种各样的对抗措施,如采用自适应调零天线猝发传输扩频技术和跳频技术等,都收到了一定的效果.与这些措施相比,毫米波通信是独具特色的,它主要是靠电波信号传播的隐蔽性来达到防窃听和抗干扰的.如前所述,毫米波具有不少优点,但其最本
7、质的优点就在于近距离内的电渡隐蔽性.故被国外称之为低窃听概率通信.主要原因是:(1)毫米波由于在大气中传播受氧,水汽和降雨的吸收衰减很大,点对点的直通距离一般均在10公里以内,超过这个距离电波就变得十分微弱.无法窃听;(2)在毫米波频段,由于频率高用小口径天线就能获得极窄的波束和很小的旁瓣.如美国AN/GRC-173W一1)38GHz毫米波电台的波束宽度只有几十米,这自然就使电波具有极大的跑蔽性能,从而使得截收和干扰变得非常困难.近年来,随着电子侦察技术不断发展和完善,军队各级指挥所的生存能力已严重受到威胁,为较好解决这一问题,要求指挥所必须远离通信枢纽,以防止敌方测向定位,但是使用现有的短波
8、,超短渡电台全向辐射保密性差,使用有线遥控虽保密性能较好,但抗毁性差.而使用毫米波电台遥控,则既灵活又不易被窃听.从而可大大提高指挥所的生存能力.这一点早已为各国军方所认识,如美国1976年将38.5GHz毫米波全双工电台用于陆军指挥所,对部署在8公里以外的野战部队进行遥控.试用效果甚好.1977年美国国防部办公大楼与国防部住宿区也装了3638.6GHz宽带数字毫米波通信系统进行通信,通信距离10公里.美陆军已做出决定,从1983年开始装备毫米波双工电台,做为近距离内的点对点的保密通信.2.用于传输高速数据电话和视频信号近年来,随着传输超大容量宽带数据通信需要增长,美,El等国都在积极开发毫米
9、渡频段.毫米波频段是包括短波超短波和微波频段总和的十几倍.由于毫米波载频很高,瞬时射频带宽可做得很宽,因此通信容量可达到很大.例如94GHz频段,可用带宽达23GHz,通信容量可比厘米波提高12个数量级.目前美国雷声公司研制的38GHz垒双工毫米波电台的数据率已达236Mb/s,在华盛顿特区的野外试验表明,它很适合于在短距离内实时传输和接收高质贯图象和数据;El本NTT公司研制的40GHz可视电话系统,也是用来传输电视信号的便携式收发系统,这种系统的特点是轻便,易安装,安装后就可直接使用.另外,由于目前大城市地区安装的微波接力机系统El益增多,使无线频率产生严重拥挤现象.如果用毫米波取而代之,
10、既能较好避免与现有微波系统相互干扰,又可年1J用城市中各种建筑物或电线杆作为中继站,极为灵活方便.近些年来,美国,苏联都已建立了几十公里的准毫米波中继设备,通信容量为400Mb/s.该系统的天线放在塔顶,电源放在塔底,中继站跨距3公里,1973年进行了13跳接力试验工作,预定全年降雨等引起的故障时间为0.1%.3.用于卫星通信毫米波用于卫星通信包括地一星一地.地一星和星一星几种通信方式.目前卫星通信多采用4/6或12/14GHz频段,这些频段的使用已接近饱和.如美国在1982年,其卫星通信系统就已经拥有150个转发器通道,每个通道带宽为36MHz,并且卫星的发射频度也十分可观,到80每代末期分
11、配给通信用的4/6和j2/14GHz一49的频段已经全部被占用.近些年l来,为了扩大通信容量和提高抗干扰性能,各国都在积极开发毫米波频段.目前每个卫星的话路只有几千个,若用毫米波频段,则可增至几万以至几十万个话路.此外,毫米波的天线射柬很窄,有利于通信隐蔽,减少干扰,而高天线增益系数又可降低对发射功率的要求和缩小卫星设备的重量与体积.采用锐方向的多射束星载天线,可实现射束转换以扩大卫星的覆盖面积,还可通过分集接收提高恶劣气候条件下的通信可靠性.为了满足通信容量的要求,1979年世界无线电行政大会作出了央定,可采用30/20和4.5/4.0GHz频段.30/20GHz由于频段高,干扰阿题少,地面
12、天线也小,特别适合于宽带传输各种军用,民用业务.国外在各种气象条件下所作的传输试验表明,线路可用度每年达95-95%,与6/4,14/12GHz频段卫星相比,其某些参数具有不少优点如表2所示(45/4.0GHz与30/20GHz频段).相比,抗干扰能力更强,窃听概率也更低.虽然其可用度较低,但通过增加系统备份可以得到补偿.目前国外在4OGHz以下频段的天线,强放,低噪声放大器等硬件技术都已比较成熟.从目前有关情况看,美,日等国大多数的军用毫米波卫星通信还是放在3O/20GHz频段.l976年,美国发射了LES一8和LES一9两颗军用试验卫星,由林肯实验室研制,其主要用途是检验设备的工作情况和进
13、行毫米波通信试验.LES一8和LES一9的工作频段为36/38GHz.经过7年的运行试验表明,系统工作稳定可靠.在7年试验期问,只有一个卫星的接收机的晶体振荡器发生了一次故障.在试验过程中积累的经验.使人们可以着手组建毫米波频段实用的星际通信线路.一50一寰2不同工作援段的通信卫重的某些参数的比较期段foH劫参数rlT一一一6/4lI4/l23o/20卫星在同步轨道上最2-321小间璃渲1在同步轨道65弧长22-23”66上驻阿点敷能覆盖美国一个州面积的针状渡束星载天93l5线的直径(米)在197”/年,日本也把一个毫米波频段的试验卫星送人了同步轨道.该卫星的主要任务是用来检验星载设备的工作情
14、况,并进行电话,彩色电视或数字信息传输试验,传输速枣达100Mb/s.卫星在轨道上的重量为360公斤.卫星转发器有6个通道工作在30/20GHz和2个通道工作在6/4GHz频段,转发器8个通道的总通信容量可通4000路无线电话或传送8套彩色电视节目.经过一年的连续试验之后得出的结沦是:用两颗这样的卫星即可建立起日本国家实用通信系统.1983年,日本还将一颗工作频段为30/20GHz频段的CS-2型实用卫星送到了同步轨道西径132.的驻留点上.备用卫星CS一2B也于同年发射升天.转发器各通道的总带宽为1140MHz,完全由日本公司研制的这些卫星的设计工作年限为5年.如上所述,毫米渡技术除了用于地
15、面和卫星通信外,也特别适合于卫星与卫星之间通信.例如要保障军舰在任何海域都能进行通信,就必须利用空中卫星组成通信刚,即卫星之间的通信.众所周知,在外层空问,毫米波在大气层中的严重衰减目问题已不存在了,只需较小的功率就可实现远距离直线通信.为了防止地面干扰可采用60GHz频段,因为外层空间不存在大气所造成的衰减,但与地面之间的衰减却极大.因此能避免地面的干扰和窃听.美国的试验表明,可以使得1万米以上高空飞行的飞机与卫星之间的通信不受地面窃听.早在1973年.美国体斯公司就成功地研制了工作在60GHz的卫星与卫星之间的通信转发器,在试验中成功地传输了1000Mb/s的调相信号.近些年来,西德德律风
16、根公司也研制了60GHz卫星通信用的一些重要部件.4.用于快速保密通信在毫米波频段,设备与天线尺寸都大为减小.特别是目前已基本实现了全固体化.设备就变得更加轻小可靠.如美国研制的4OGHz频段的毫米波电台,包括天线在内重量仅为15磅,可装在一英尺见方的盒子内;而美国的AN/GRC-3800毫米波电台更轻,重量只有5.磅.设备的结构新颖,耗电也很低.通常只有几十瓦.可以使用太阳能电池.高能锂电池供电,方便而可靠.故这种手段特别适合于各种紧急情况下使用.比如在有线电缆一时难以跨跃的江河H点对点双工联络或者在两个深山峡谷间进行双工联络,既保密叉抗干扰,这是短波超短波单工电台所无法相比的.近些年来,美
17、军已开始在炮兵分队,坦克分队和航空母舰甲板上使用毫米波通信电台.同时,由于毫米波电台具有重量轻截收困难等优点,长期以来在五角大楼制定的现代.快速.技术性强的战斗部队的方案中起着重要的作用.5.在多雾,云和尘埃地区使用与红外,激光相比,毫米渡最突出的优点是对雾,云和尘埃等有较强的穿透能力,较少受复杂气象条件和人为干扰影响,这一点在军事上是十分重要的.显然.可见光只能在白天工作,或者必须在目标上附加有发光物质.在雾云等情况下基本上不能工作;在烟雾弥漫的战场上,特别是苏联发展火箭烟雾器,在大范围内形成烟雾屏障.使光学系统无能为力.而毫米波却好得多.国外有人试验表明.对于陆地短距离来说.战场上的尘埃所
18、引起的散射对激光系统是一个严重的问题,但对于毫米渡影响则非常小.因此,毫米波很可能在多雾云等复杂气象地区作近距离内的保密通信使用.但如前所述,限制毫米波传播的一个重要原因是降雨所引起的衰减.对此目前国外工程技术人员已设计出雨衰耗模型根据雨衰耗模型进行足够增益余量的最佳设计,就可以确保无线电线路的最佳性能,使通信的短暂的中断仅发生在大暴雨期间.美国根据过去30年所收集的降雨资料.预测了38GHz毫米波电台发射功率为100roW.在5公里线路上传播可靠度最差为99.7%.在8公里线路上最差为99.4%,完全可以满足太多数战术条件下的使用要求.6.可作为大功率对流层散射机或无线微波中缝设备到指挥所的
19、引接手段现代战争的一个显着特点就是大纵深全方位和立体化,要求通信联络必须具有高度的抗毁性保密性,时效性,机动性和互通性,在这种情况下,各级指挥所.尤其是高级作战指挥所,为提高其生存能力,减少干扰和进行电磁隐蔽都不允许天线高,功率大的发信机设置在自己的周围,通常要求隔开几公里以上.目前各国的主要解决方法是用有线连接.使用有线连接.虽然保密性好,但一则战时临时架设较难.二则极易受炮火袭击.虽也可能采用野战光缆进行连接,坦从目前情况看.仍有不少尚待解决的同题,比如中断后的连接问题等.而毫米波通信电台,由一57于轻小和电磁隐蔽性强,是一种比较灵活有效的接手段此外,毫米波通信设备还可以作为微波干线的上下
20、上设备.目前美,法和奥地利等国都已有这种用法.7.在激烈的电子对抗中使用现代战争除去火力强度和密度很强外.一个重要的特点是在激烈的电子对抗中进行的.因此.目前世界各国都十分重视电子对抗工作,尤其美苏两国都不惜花大量经费建立电子对抗部队和设施,并大力开展电子战的研究.对各种新型无线电设备不仅应有盘好的技术性能和多种功能,还应具备较强的抗电子干扰能力.在这方面.毫米渡有着独特的优点.如在60,l20,200GHz三个最大衰减频段,由于传播损耗很大,两点之间直通距离只有几公里.以前有人认为把毫米波用于地面通信不切实际,其实正是利用这一现象和它的极窄波束来获得高保密性能.因此,各国在电子战中启用毫米波
21、频段日益增长.1974年,美海军研制的66GHz的舰对舰的保密发信机已投入使用.该机发射功率70roW,接收灵敏度为-60dBm,天线口径3英寸,波束宽度4.5.,增益为3】dB.整机重量2磅.通信距离为1.6公里,用它来代替已有上百年历史的传统灯光闪烁通信设备.与此同时,各国还纷纷研制毫米波频段的测向机,干扰机,信号分析器和各种专门对付通信系统,监视系统和武器系统的对抗措施.美国的毫米波侦察,干扰收发信机的频带范围已扩展到4oGHz,目前已有26.540GHz瞬时频率测量鉴别装置,26533.5GHz和33-40GHz两个频段的高灵敏度,高可靠的接收装置.26.540GHz的电子愤察接收机的
22、特点是采用砷化镓二极管并采用了YIG电调谐调谐砷化镓振荡器作为本振源,在39GHz时输出功率为10roW,目前正在进一步研制60-120GHz频段的电子侦一52一察设备.8.用于潜艇通信多年来,潜艇指挥通信一直未圆满解决.看来用毫米通信是一种比较理想的解决途径.毫米渡设备口径很小,可装在潜艇的潜望镜上,只要把潜望镜露出海面就可通过卫星进行高速通信,不影响潜艇的隐蔽.美国海军已研制了潜艇天线系统中的圃波导元件,供通信使用的38GHz频段的连续波1kW的行渡管也已制成.四,毫米波通信的发展趋势根据有关资料报道,军用毫米渡通信主要有以下几个发展趋势:1.根据不同使用需要,向更高频段扩展日前,各国毫米
23、渡电台大多选在38GHz频段.这主要因为元器件较成熟,电波传播损耗也较小的缘故.随着新的元器件不断研制成功和使用的需要.正向更高频段扩展.如为尽量提高传播可靠性或延长通信距离,通常选用传播衰减最小的四个大气窗口:3894140和220GHz;而出于防窃昕和抗干扰性能的考虑,则通常选择衰耗最大的三个衰减峰:60120和200GHz频段.美国Norden公司已研静J了6OGHz手持式毫米波电台,通信距离在15公里.2.向更大通信容量扩展随着毫米波集成电路的发展和传输超太容量的数字信息的使用需要,目前国外毫米波通信的数据率正向500Mb/s以上扩展.3.向全固体化和无人值守化发展目前,不少国家的军用
24、毫米波通信设备已实现了全固体化结构,在机内装有自动检测,故障告警预置频率和自动调整输出功率等装黉.故设备轻小,使用简单.可靠性高,为无人值守创造了条件.4.大力发展毫米波元器件和有关测试设备,以进一步降低成本目前,各国毫米波技术脱离实验室进行全面的研翻和大规模的应用工作仅是在近几年才开始的.其原因是生产毫米通信系统的成本过高,妨碍了它的发展.国外为了解决这个问题做了太量工,高达100GHz.据估算,个由平衡混频器,滤波器,耿式本机振荡器和中频前置放大器组成的接收机前端,其生产费用将下降到几百美元,而离散波导元件组成的相同组件目前的费用是几千美元.实现毫米波组件的关键是集成电路.5.毫米波通信有
25、着广阔的发展前途,但从总的发展趋势看,它与红外,激光技术的发展将是互相补充而不能是互相代替五国外几种典型毫米波通信设备的主要性能如前所述,毫米波通信是一种剐剐投入使用不久的新型通信方式,近几年来发展很陕,从土作频段看,目前大多选在38GHz频段,国外几种典型的毫米波通信设备主要性能如下:t.AN/G12C一173毫米波通信设备该设备由美国雷声公司研制,主要性能指标是:工作频段:3344GHz通信容量:250Mb/s通信距离:lO公里r可进行多次中继1输出功率:10mW传播可靠度:99.8%误码率:110用途:供美陆,海和空军使用.2.AN/GRC-209(3800-8)毫米波电台该设备由美国N
26、orden系统研制.可进行全双工通信,亦可单工传输彩电信号.整机采用模块结构,天线与信道机连在一起.可安在三角架或杆子上,其主要性能指标是:工作频段:3638.6GHz调制方式:FM容量:双工方式:话音数据f1.52Mb/s】单工方式:电视信号输出功率:100mW天线:透镜天线口径:20cm增益:33.5dB噪声系数:l1dB接收机带宽:10MHz通信距离:8公里电源:l15VAC,5O/60Hz耗电:38W信道机重量:5.5磅工作温度:一30.-50U3.4444DH毫米波设备该设备由美国体斯公司研制,主要在舰船上使用,其主要性能指标是:工作频率:3640GHz工作方式:异频双工通信距离:宽
27、带工作时为s英里一53窄带工作时为15英里天线:主瓣角:5.增益:30dB传输信息种类:音频,视频数据率:5Mb/s输出功率:150roW重量:43磅(可以背负或便携)电源:115VAC,50/60Hz4.美38.5GHz毫米波设备该设备由美国联合技术公司研制.它主要用于美陆军,可把司令部和8公里以外的野战部队连接起来,具有较好的防窃听能力.其主要性能指标是:工作频段:385GHz通信距离:8公里工作方式:全双工传输信息种类:话和数据5.TFH720毫米波设备该设备由法国汤姆逊公司研制生产.主要特点是电渡保密性强.不易受干扰或被窃昕,可用来传输数字数据或宽带视频信号.整扭采用积木式结构.天线和
28、收发信机连在一起.可固定在三角架上.使用和维修都比较方便,其主要性能指标是:工作频段:3638GHz通信容量:12MHz宽带视频信号2.048/8.448Mb/s输出功率:100mW频率精度:10MHz噪声系数:1ldB中频频率:70MHz电源:220VAC,50Hz耗电:100W天线:卡塞格伦天线.口径加crn:可垂直,水平极化工作;三角架高140cm,折叠后为l15cm重量:整机重量40公斤工作温度:-25+55一546.GRC-401毫米波设备该设备由奥地利研制生产.主要用于对微渡接力站的遥控或作为上下山设备,亦可用于电缆中断时进行抢通.该设备具有波束窄,带宽宽,轻小,便于移动和架设.该
29、设备还采用了自动频率控制和频率合成器等先进技术.其主要性能指标是:工作频段:37.06037450GHz38.50038.89GHz输出功率:100mW调制方式:2DPSK收发间隔:1440MHz天线:口径18英寸主瓣角为1.8.通信距离:10公里渡通数:14对量:25公斤(不含三角架)电源:195250VAC.耗电:200W7.TM440毫米波设备该设备由法国汤姆逊公司研制生产.天线和收发信机违在一起,可装在三角架上使用.其主要性能指标是:工作频段:3640<3Hz通信容量:1路电视信号+2路伴音亦可传15MHz模拟数据通信距离:10公里噪声系数:11dB收发信机重量:21公斤耗电:5
30、0W尺寸:382615cm工作温度:一25+55五,结束语从上述可见,毫米渡通佶正处在方兴束艾的发展之中.但总的看,它仍属于发展的早期阶段,还有许多问题有待解决.门转第100页)导弹潜艇将下潜到它的作战深度以下,而不再能够通过一条拖曳的浮力天线接收甚低频信号.关于超低频(ELF)发射位置的选择,美国从1961年起在31个州内作了3000次以上的大地导电率测量.而这种位置的选取是以大地导电率和系统造价之间的直接关系为基础的.另外还有一些经过分析后的辅助因素,如优先选用地势相对平坦的地区以便进入,敷设和维护电缆,还有为了使物理和电磁所造成的干扰减到最小,及有廉价的劳动力与后勤保障方便.大多选在不发
31、达的地区.通常.美国大砧的导电率接近l0姆欧/米.偶尔达到l0-姆欧/米.l965年.1970年,1975年进行了超低频(ELF)发射位置的选择,在美国大陆上寻找导电率为10姆欧/米数量级的地理位置.满足这一标准的地理位置在美国为数不多,离地球表面相当近的太古时期的覆盖层(前寒武纪岩层结构)具有这种地理位置的特点.在美国,此结构主要位于加拿大安丈略及魁j克外省.并延伸到密执安的北伊比利亚半岛.北威斯康星和北明尼苏达州.为了比较系统的性能和造价.还选取了一备用位置阿巴拉契亚山地区.不过在这些地方有数不清的缺骼和障碍.包括在低导电地质中常常夹杂着高导电率的断层和非常粗糙的岩层.这将使计划费用远远超
32、过在威斯康星的投资.I968年美国无线电公司在广泛地反复研究之后再度推荐威斯康星,指出该场地的建设在建造,运行,维护和非直接花费上都是最便宜的.目前的发射设击匝设置在威斯康星州和密执安州使系统造价便宜了许多.总的来说.超低频对潜通信系统技术上比较成熟,与国内的技术水平比较接近,在国内实现的可能性犬一些.f前接第54页)而从国内的情况看,毫米波通信还处于刚刚起步阶段,与国外相比差距是很大的.因此,我们应当全面收集外军有关毫米渡通信设备研制试验和应用情况的资料,准确掌握外军的发展动向.并结合我国的气象条件.有计划地试验我国某些地区的毫米波的传播特性,作为我们研制自己毫米渡通信设备的参考依据,并不断学习和借鉴外国的有益的经验和教训,避免走弯路.加快我国毫米波通信的发展.
