V-діапазон - InterNetri

V-діапазон — ділянка надвисокочастотного радіоспектра, яку в інженерній та радіолокаційній літературі зазвичай визначають як 40–75 ГГц. Він належить до міліметрового діапазону радіохвиль і займає положення між Ka- та W-діапазонами. Довжина хвилі V-діапазону становить приблизно 7,5–4 мм. Високі частоти забезпечують можливість створення дуже компактних антен із вузькими променями та використання широких смуг пропускання, але поширення радіохвиль у цьому діапазоні істотно залежить від атмосферних газів, особливо від сильного поглинання киснем поблизу 60 ГГц. Це робить V-діапазон одночасно перспективним для високошвидкісного короткодистанційного зв’язку, радіолокації та сенсорики й менш придатним для багатьох далекодистанційних наземних ліній. IEEE наводить для V-діапазону межі 40–75 ГГц.

Назва та позначення

Позначення V-band походить із системи літерних назв радіочастотних діапазонів, що історично сформувалася в радіолокації, мікрохвильовій техніці та космічному зв’язку.

Водночас існує важлива термінологічна особливість: літерні позначення на кшталт L, S, C, X, Ku, K, Ka, V і W не мають єдиної універсальної міжнародної відповідності частотам. ITU прямо зазначає, що різні автори та галузі можуть використовувати такі літери по-різному, тому в нормативних документах ITU перевага надається конкретним числовим межам частот. Чинною є рекомендація ITU-R V.431-9, схвалена у жовтні 2025 року.

У поширеній системі IEEE V-діапазон визначається як:

V-band = 40–75 GHz

У старій рекомендації ITU-R V.431-8 літера V наведена серед неуніверсальних літерних позначень; у таблиці ITU для V зазначалося, що в радарній практиці є відповідна літера, але конкретна радарна смуга не була стандартизована так само, як, наприклад, Ka = 27–40 ГГц. Для космічних радіосистем ITU наводила приклади ділянок у районі 40 ГГц та 47,2–50,2 ГГц.

Тому термін «V-діапазон» слід розуміти насамперед як інженерне позначення, а для регуляторних питань завжди вказувати точну частоту або смугу.

Положення в радіочастотному спектрі

Поширена IEEE-класифікація високочастотних мікрохвильових діапазонів має такий вигляд:

K      18–27 ГГц
Ka     26,5–40 ГГц
V      40–75 ГГц
W      75–110 ГГц

Для V-діапазону:

f = 40–75 ГГц

Він безпосередньо межує з Ka та W:

Ka
26,5–40 ГГц
    ↓
V
40–75 ГГц
    ↓
W
75–110 ГГц

IEEE відносить V і W до міліметрової частини спектра.

Довжина хвилі

Довжина хвилі визначається співвідношенням:

λ = c / f

де:

λ — довжина хвилі, м;
c — швидкість світла у вакуумі, приблизно 299792458 м/с;
f — частота, Гц.

Для 40 ГГц:

λ = 299792458 / 40000000000
λ ≈ 0,007495 м
λ ≈ 7,495 мм

Для 75 ГГц:

λ = 299792458 / 75000000000
λ ≈ 0,003997 м
λ ≈ 3,997 мм

Отже:

V-band:
40–75 ГГц
λ ≈ 7,5–4,0 мм

Уся ця смуга формально належить до міліметрових хвиль, оскільки діапазон 30–300 ГГц відповідає довжинам хвиль приблизно 10–1 мм.

Належність до SHF та EHF

За класифікацією ITU:

SHF = 3–30 ГГц
EHF = 30–300 ГГц

Тому V-діапазон повністю розташований у EHF — Extremely High Frequency, тобто надзвичайно високих частотах.

Це відрізняє його від Ka-діапазону, нижня частина якого може розташовуватися нижче 30 ГГц.

Умовно:

30 ГГц
│
├── EHF / mmWave
│
40 ГГц
│
├── V-band
│
75 ГГц

Основні фізичні властивості

Для V-діапазону характерні:

дуже коротка довжина хвилі;
висока частота несучої;
можливість використання широкої абсолютної смуги;
компактні антени;
вузькі діаграми спрямованості;
висока просторова селективність;
значний коефіцієнт підсилення при невеликих фізичних розмірах антен;
сильний вплив атмосферного поглинання;
особливо сильне поглинання киснем поблизу 60 ГГц;
підвищені втрати через дощ та інші гідрометеори;
переважно пряма видимість між антенами;
значне ослаблення сигналів при проходженні крізь будівельні матеріали.

IEEE характеризує міліметрові діапазони як перспективні для високої пропускної здатності та високої радіолокаційної роздільної здатності, водночас наголошуючи на підвищених проблемах поширення.

Міліметрові хвилі

V-діапазон повністю входить до міліметрового діапазону:

mmWave = 30–300 ГГц

Приблизний діапазон довжин хвиль:

30 ГГц → 10 мм
300 ГГц → 1 мм

40 ГГц → 7,5 мм
75 ГГц → 4,0 мм

Саме мала довжина хвилі є фундаментальною причиною багатьох переваг V-діапазону.

Компактність антен

Для апертурної антени приблизний коефіцієнт підсилення можна записати:

G ≈ η(πD/λ)^2

де:

G — лінійний коефіцієнт підсилення;
η — коефіцієнт ефективності антени;
D — характерний розмір апертури;
λ — довжина хвилі.

Оскільки λ у V-діапазоні становить лише кілька міліметрів, навіть невелика фізична апертура може мати значний електричний розмір.

Це дозволяє створювати:

компактні рупорні антени;
мікросмужкові антени;
антени на інтегральних схемах;
фазовані антенні решітки;
багатоканальні антени;
електронно керовані антени.

Ширина променя

Для наближеної оцінки ширини основного променя:

θ ≈ kλ/D

де:

θ — кутова ширина променя;
λ — довжина хвилі;
D — розмір апертури;
k — коефіцієнт, що залежить від геометрії антени та критерію визначення ширини променя.

При однаковому D:

λ ↓
→ θ ↓

Тобто підвищення частоти дозволяє отримати вужчий промінь.

Це має важливе значення для:

радарів;
точного наведення;
супутникового зв’язку;
високошвидкісних точка-точка каналів;
просторового повторного використання частот;
автомобільної та промислової сенсорики.

Фазовані антенні решітки

V-діапазон добре підходить для фазованих антенних решіток.

У такій антені велика кількість малих випромінювальних елементів працює спільно. Зміна фаз сигналів окремих елементів дозволяє керувати напрямком основного променя.

Принципово:

багато малих елементів
        ↓
керування фазою
        ↓
інтерференція хвиль
        ↓
формування основного променя
        ↓
електронне сканування

На V-частотах окремі елементи можуть бути дуже малими, що полегшує створення щільних антенних решіток.

Електричний розмір антени

Важливо розрізняти фізичний та електричний розмір антени.

Електричний розмір приблизно характеризується відношенням:

D/λ

Наприклад, для антени розміром 10 см:

D = 0,1 м

на 40 ГГц:

λ ≈ 0,0075 м

D/λ ≈ 13,3

а на 75 ГГц:

λ ≈ 0,004 м

D/λ ≈ 25

Отже, та сама фізична антена на 75 ГГц має приблизно вдвічі більший електричний розмір, ніж на 40 ГГц.

Вільне поширення

У вільному просторі втрати поширення описуються:

FSPL = (4πR/λ)^2

або:

FSPL(dB) = 20log10(4πR/λ)

де:

R — відстань;
λ — довжина хвилі.

Ця формула є базовою для радіобюджету.

Водночас твердження, що «висока частота сама по собі завжди означає пропорційно більші втрати», потребує уточнення. Для антен із фіксованим коефіцієнтом підсилення FSPL дійсно зростає з частотою, але для антен із фіксованою фізичною апертурою зростання антеного підсилення частково компенсує цей ефект.

У реальному V-каналі додатково виникають атмосферні втрати, дощове загасання, втрати на конструкціях та інші ефекти.

Атмосферне поглинання

Атмосфера є одним із головних факторів, що визначають практичні властивості V-діапазону.

Радіохвилі поглинаються:

киснем;
водяною парою;
озоном;
іншими атмосферними газами;
краплями води;
кристалами льоду;
снігом;
іншими гідрометеорами.

ITU-R має спеціальну рекомендацію P.676 щодо загасання радіохвиль атмосферними газами. Вона враховує поглинання молекулами кисню та водяної пари й містить методи розрахунку питомого загасання до частот у сотнях гігагерц.

Кисневе поглинання поблизу 60 ГГц

Найвідомішою особливістю V-діапазону є сильна смуга поглинання киснем у районі 60 ГГц.

Молекули кисню мають набір близько розташованих спектральних ліній. За атмосферного тиску на рівні моря ці лінії частково перекриваються і формують широку область сильного поглинання.

ITU описує область близько 60 ГГц як особливо сприятливу для короткодистанційного зв’язку та короткодистанційної радіолокації саме через сильну взаємодію сигналу з киснем. Поглинання обмежує дальність поширення, але одночасно зменшує небажані взаємні перешкоди між просторово віддаленими системами.

Атмосферне вікно навколо 60 ГГц

Вираз «60-ГГц діапазон» не означає одну частоту. Практичні системи можуть працювати в певній смузі навколо неї.

Важливо, що кисневе поглинання має складну частотно-залежну структуру.

За даними ITU, поблизу 60 ГГц багато окремих ліній поглинання кисню зливаються в широку смугу при атмосферному тиску.

Тому характеристика каналу може помітно змінюватися навіть усередині V-діапазону.

Питоме атмосферне загасання

Загасання можна характеризувати у дБ/км:

γ = attenuation / distance

де:

γ — питоме загасання, дБ/км.

Сумарне загасання на однорідній трасі:

A = γR

де:

A — загальне загасання, дБ;
γ — питоме загасання, дБ/км;
R — довжина траси, км.

У реальній атмосфері γ змінюється з висотою, температурою, тиском, вологістю та частотою, тому точний розрахунок інтегрує загасання вздовж траси.

Висотна залежність

Кисневе поглинання залежить від атмосферного тиску.

На великій висоті тиск нижчий, тому спектральні лінії стають вужчими та змінюється їхня сумарна дія.

ITU-R P.676 окремо враховує залежність поглинання від атмосферних параметрів.

Це важливо для:

авіаційних систем;
супутникових каналів;
висотних платформ;
космічних апаратів;
наземних систем із похилими трасами.

Дощове загасання

Вода також взаємодіє з міліметровими хвилями.

Дощ спричиняє:

поглинання;
розсіювання;
деполяризацію;
додаткові втрати;
зменшення запасу каналу.

Загальне загасання можна схематично представити:

A_total =
A_free-space +
A_gases +
A_rain +
A_cloud +
A_other

У V-діапазоні атмосферні та метеорологічні ефекти можуть стати визначальними вже на відстанях, де в нижчих мікрохвильових діапазонах вони були б значно слабшими.

IEEE зазначає, що для міліметрових хвиль дощове загасання стає істотним фактором енергетичного бюджету каналу, а проникнення сигналу в будівлі сильно погіршується.

Хмари та туман

Хмари й туман також можуть створювати втрати, особливо при великій довжині траси.

Їхній вплив залежить від:

частоти;
кількості рідкої води;
температури;
товщини хмарного шару;
кута проходження сигналу.

Для короткодистанційних наземних систем цей ефект часто менш критичний, ніж кисневе поглинання або дощ, але для високоточного радіозв’язку та дистанційного зондування його необхідно враховувати.

Розсіювання

Розсіювання виникає, коли хвиля взаємодіє з об’єктами, розмір яких порівнянний із довжиною хвилі.

Для V-діапазону такими об’єктами можуть бути:

краплі дощу;
частинки снігу;
рослинність;
поверхневі нерівності;
елементи конструкцій;
дрібні об’єкти.

Це є одночасно недоліком для зв’язку та корисним механізмом для радарів і сенсорів.

Проникнення крізь матеріали

Через коротку довжину хвилі V-сигнали мають слабке проникнення в багато будівельних матеріалів.

Сигнал може значно послаблюватися при проходженні крізь:

бетон;
цеглу;
металізоване скло;
ґрунт;
стіни;
великі масиви рослинності.

IEEE окремо характеризує проникнення міліметрових хвиль у будівлі як значно гірше порівняно з нижчими частотами.

Це обмежує використання V для традиційних систем широкого покриття, але може бути перевагою для локалізованих каналів.

Просторове повторне використання частот

Сильне поглинання, вузькі антени та прямолінійне поширення створюють сприятливі умови для повторного використання одних і тих самих частот.

Схематично:

Система A
    ↓
вузький промінь → користувач A

Система B
    ↓
вузький промінь → користувач B

Якщо промені просторово розділені, взаємні перешкоди можуть бути невеликими.

Особливо важливим цей ефект стає в густих мережах із багатьма направленими антенами.

Радіовидимість

Через високі частоти V-сигнали переважно потребують прямої або майже прямої радіовидимості.

Для двох антен висотою h1 і h2 спрощений радіогоризонт можна оцінити:

d ≈ √(2Rh1) + √(2Rh2)

де:

d — дальність радіовидимості;
R — радіус Землі;
h1, h2 — висоти антен.

Реальна дальність залежить також від атмосферної рефракції, рельєфу та перешкод.

Вплив геометрії каналу

У V-діапазоні невелике відхилення антени від напрямку на іншу станцію може спричинити істотне падіння рівня сигналу через вузькість променя.

Це означає, що високочастотні системи часто потребують:

точного наведення;
стабілізації;
калібрування;
електронного сканування;
автоматичного супроводу.

Для стаціонарних точка-точка каналів ця вимога відносно проста.

Для рухомих платформ вона значно складніша.

Радіолокація

V-діапазон придатний для радарів, де важливі:

компактність антени;
вузький промінь;
висока кутова роздільна здатність;
мала довжина хвилі;
потенційно широка смуга сигналу;
висока чутливість до дрібних об’єктів і структур.

У радарі V-діапазон може використовуватися для:

виявлення;
вимірювання дальності;
вимірювання швидкості;
визначення кутових координат;
формування зображень;
картографування;
дослідження поверхні;
метеорологічного зондування.

Радіолокаційне рівняння

Для спрощеного моностатичного радара:

Pr = Pt G² λ² σ / ((4π)³ R⁴ L)

де:

Pr — потужність прийнятого сигналу;
Pt — потужність передавача;
G — коефіцієнт підсилення антени;
λ — довжина хвилі;
σ — ефективна площа розсіювання цілі;
R — дальність;
L — сукупні втрати.

У V-діапазоні L може включати значні атмосферні втрати, особливо поблизу частот сильного кисневого поглинання.

Роздільна здатність за дальністю

Для простого імпульсного радара:

ΔR = cτ / 2

де:

ΔR — роздільна здатність за дальністю;
c — швидкість світла;
τ — тривалість імпульсу.

Для широкосмугового сигналу приблизно:

ΔR ≈ c / (2B)

де:

B — ширина смуги сигналу.

Отже, висока несуча частота V-діапазону сама по собі не визначає роздільну здатність за дальністю. Вирішальним параметром є смуга B.

Кутова роздільна здатність

Кутова роздільна здатність залежить від ширини антенного променя.

Для апертури D:

θ ≈ kλ/D

Зменшення λ дозволяє отримати менше θ за того самого D.

Саме тому V-діапазон може забезпечити дуже вузькі промені при відносно компактних антенах.

Доплерівський ефект

Для моностатичного радара:

fd = 2vr/λ

де:

fd — доплерівський зсув;
vr — радіальна швидкість;
λ — довжина хвилі.

Через малу λ доплерівський зсув на одиницю швидкості у V-діапазоні більший, ніж у нижчих діапазонах.

Це може бути корисним для високоточного вимірювання швидкості.

Автомобільна радіолокація

Міліметрові хвилі широко використовуються в автомобільних сенсорах.

Водночас сучасні масові автомобільні радари переважно працюють не в класичному V-діапазоні 40–75 ГГц, а в інших частинах mmWave-спектра, зокрема близько 76–81 ГГц, тобто в W-діапазоні.

Однак 60-ГГц системи також досліджувалися та застосовувалися для транспортної сенсорики.

ITU прямо наводить 60 ГГц як придатну область для короткодистанційної радіолокації та V2V-зв’язку.

60 ГГц та V2X

Частоти поблизу 60 ГГц розглядаються для автомобільного зв’язку V2V/V2X і комбінованих систем зв’язку та сенсорики.

Дослідницькі роботи демонструють можливість використання 60-ГГц хвиль одночасно для зв’язку та радіолокаційного визначення параметрів об’єктів.

Сильне кисневе поглинання може бути корисним у міських умовах, оскільки зменшує далекі інтерференційні зв’язки.

Радари 60 ГГц

У США FCC регулює низку малопотужних пристроїв у 60-ГГц області, включаючи радари, WLAN, WiGig та інші системи.

FCC зазначає, що радари в 60-ГГц області регулюються, зокрема, правилами Part 15.255, а в смузі працюють як комунікаційні пристрої, так і field disturbance sensors.

FCC також розглядала розширення можливостей безліцензійних радарних пристроїв у 57–64 ГГц для таких застосувань, як автомобільна безпека, автоматизація, контроль жестів і моніторинг середовища.

Короткодистанційний зв’язок

Сильне поглинання поблизу 60 ГГц робить цей сектор V-діапазону придатним для короткодистанційного зв’язку.

Типові переваги:

велика доступна смуга;
вузькі промені;
висока просторова повторюваність;
невелика зона взаємного впливу;
компактні антени;
високі швидкості передачі.

ITU прямо характеризує область близько 60 ГГц як придатну для короткодистанційного зв’язку, зокрема через кисневе поглинання.

WiGig

Одним із найвідоміших цивільних застосувань 60-ГГц технології є WiGig.

WiGig пов’язаний зі стандартами сімейства IEEE 802.11ad/802.11ay та використовує міліметрові частоти для високошвидкісного бездротового зв’язку.

Потенційні застосування:

бездротові док-станції;
передача великих файлів;
бездротове підключення дисплеїв;
високошвидкісний локальний зв’язок;
VR/AR;
короткодистанційні мережі.

У 60-ГГц діапазоні розроблялися також системи, які поєднують комунікаційні та радіолокаційні функції.

IEEE 802.11ad та 802.11ay

IEEE 802.11ad був розроблений для високошвидкісного WLAN у 60-ГГц області.

Подальший розвиток цієї технології, IEEE 802.11ay, орієнтувався на збільшення пропускної здатності, дальності та використання MIMO та просторового формування променя.

Висока частота дозволяє використовувати широкі канали, а фазовані антени компенсують частину обмежень, пов’язаних із поширенням.

Точка-точка

V-діапазон може використовуватися для високошвидкісних наземних каналів точка-точка.

Типова структура:

станція A
   ↓
високонаправлена антена
   ↓
пряма радіовидимість
   ↓
високонаправлена антена
   ↓
станція B

Перевагами є:

вузький промінь;
висока швидкість;
компактні антени;
можливість повторного використання частот.

Недоліком є чутливість до:

дощу;
неправильного наведення;
блокування променя;
атмосферного поглинання;
нестабільності конструкції.

Супутниковий зв’язок

V-діапазон також має значення для супутникових систем.

Проте тут особливо важливо не ототожнювати «V-band 40–75 ГГц» із конкретною регуляторною супутниковою смугою.

У документах ITU для космічних радіосистем наводяться конкретні ділянки, зокрема 37,5–42,5 ГГц і 47,2–50,2 ГГц.

Тому супутникова система, яку називають V-band, може використовувати лише певну частину широкої інженерної смуги V.

Супутникові широкосмугові системи

Висока доступна смуга V-діапазону робить його цікавим для:

високошвидкісних супутникових каналів;
feeder links;
gateway-з’єднань;
міжсупутникових каналів;
майбутніх систем високої пропускної здатності.

Особливо важливим є те, що вузькі промені дозволяють створювати дуже щільне просторове повторне використання частот.

Проблеми супутникового V-діапазону

Основні труднощі:

атмосферне загасання;
дощ;
точність наведення;
фазові спотворення;
вимоги до стабільності антен;
необхідність значного енергетичного запасу;
складніша високочастотна електроніка.

При низьких кутах піднесення супутника довжина атмосферного шляху зростає, що може істотно збільшувати сумарне загасання.

Радіоастрономія

Високі міліметрові частоти мають велике значення для радіоастрономії.

Вони використовуються для дослідження:

молекулярних хмар;
міжзоряного газу;
областей зореутворення;
спектральних ліній молекул;
космічного пилу;
атмосфери Землі.

Однак атмосферне поглинання є серйозним обмеженням для наземних обсерваторій.

Саме тому високочастотні радіоастрономічні спостереження часто проводять у сухих високогірних районах.

Метеорологія

V-діапазон може використовуватися для дослідження атмосфери.

Поглинання киснем є особливо корисним для пасивного дистанційного зондування температури атмосфери.

ITU має окремі матеріали щодо використання спектральних ліній кисню поблизу 60 ГГц для метеорологічних пасивних сенсорів.

Таким чином:

сильне поглинання
        ↓
залежність випромінювання від температури та тиску
        ↓
можливість дистанційного зондування атмосфери

Активне зондування атмосфери

Радарне зондування в міліметровому діапазоні може використовувати розсіювання від:

крапель;
кристалів льоду;
снігу;
хмар;
опадів.

Це дозволяє отримувати інформацію про мікрофізичні властивості атмосфери.

Дистанційне зондування

Коротка довжина хвилі означає, що V-сигнал взаємодіє з дрібними структурами поверхні та атмосфери.

Це може бути корисним для:

високодетального радарного зондування;
вимірювання опадів;
дослідження хмар;
картографування;
лабораторних вимірювань.

Безпілотні системи та робототехніка

Компактні V-антени можуть бути інтегровані в:

роботів;
безпілотні платформи;
промислові сенсори;
системи позиціонування;
системи виявлення перешкод.

Висока просторова селективність дозволяє створювати сенсори, які працюють із дуже вузькими зонами огляду.

Промислові сенсори

Міліметрові радари застосовуються або досліджуються для:

вимірювання рівня;
визначення відстані;
контролю руху;
виявлення присутності;
автоматизації;
контролю технологічних процесів.

V-діапазон особливо цікавий там, де потрібні компактність і точність.

Медичні та біомедичні сенсори

60-ГГц технології досліджуються для безконтактного моніторингу:

рухів;
дихання;
жестів;
присутності;
мікрорухів.

FCC у США прямо наводила серед потенційних застосувань 60-ГГц радарів медичний моніторинг та виявлення людей у транспортних засобах.

Виявлення людей і руху

Через доплерівський ефект V-діапазон може реєструвати дуже малі зміни швидкості.

Для рухомої цілі:

fd = 2vr/λ

Тому навіть невеликий рух створює вимірюваний фазовий або частотний зсув.

Це використовується в сенсорах:

руху;
жестів;
присутності;
вібрацій;
дихання;
мікрорухів.

Радари та зв’язок в одному пристрої

Одна з перспективних тенденцій — Integrated Sensing and Communications, ISAC.

У такій системі одна радіочастотна інфраструктура може використовуватися для:

зв'язок
+
радіолокація
+
позиціонування
+
визначення руху

Дослідження 60-ГГц систем показують можливість використання одного сигналу для комунікації та радіолокаційної обробки.

Пропускна здатність

Теоретичну верхню межу пропускної здатності шумового каналу визначає формула Шеннона:

C = B log2(1 + SNR)

де:

C — пропускна здатність, біт/с;
B — ширина смуги, Гц;
SNR — відношення сигнал/шум у лінійному масштабі.

V-діапазон привабливий тим, що містить великі абсолютні смуги частот.

Це дозволяє отримувати високі швидкості передачі навіть при помірній спектральній ефективності.

Тепловий шум

Шум приймача можна приблизно оцінити:

Pn = kTB

де:

Pn — шумова потужність;
k — стала Больцмана;
T — абсолютна температура;
B — ширина смуги.

Збільшення B підвищує як потенційну пропускну здатність, так і інтегральну шумову потужність.

Тому широкосмуговий V-канал потребує достатнього енергетичного бюджету.

Енергетичний бюджет

Спрощено:

Pr(dBm) = Pt(dBm) + Gt(dBi) + Gr(dBi) - Ltotal(dB)

де:

Pt — потужність передавача;
Gt — коефіцієнт підсилення передавальної антени;
Gr — коефіцієнт підсилення приймальної антени;
Ltotal — сумарні втрати.

Для V-діапазону:

Ltotal =
Lfree-space +
Latmosphere +
Lrain +
Lhardware +
Lother

Радіочастотна електроніка

Робота на 40–75 ГГц пред’являє значні вимоги до:

генераторів;
змішувачів;
підсилювачів;
малошумових підсилювачів;
фазообертачів;
фільтрів;
антенних елементів;
передавальних модулів;
приймальних модулів;
аналого-цифрових перетворювачів.

У цьому діапазоні паразитні ємності та індуктивності, довжина провідників і геометричні неточності стають суттєвою частиною електромагнітної поведінки системи.

MMIC

MMIC — Monolithic Microwave Integrated Circuit, монолітна мікрохвильова інтегральна схема.

У V-діапазоні на одному кристалі можуть інтегруватися:

підсилювачі;
фазообертачі;
перемикачі;
змішувачі;
генератори;
детектори;
інші RF-компоненти.

Інтеграція дозволяє зменшити:

масу;
розміри;
кількість міжз’єднань;
паразитні втрати;
вартість серійного виробництва.

Напівпровідникові технології

Для V-діапазону використовуються та досліджуються:

Si CMOS;
SiGe BiCMOS;
GaAs;
InP;
GaN.

Вибір технології залежить від вимог до:

вихідної потужності;
шумової температури;
частоти;
ефективності;
інтеграції;
вартості;
температурного діапазону.

Втрати в міжз’єднаннях

На 40–75 ГГц звичайна довжина провідника вже може бути значною часткою довжини хвилі.

Тому:

короткий провідник

не обов’язково є електрично коротким.

Це впливає на:

фазу;
імпеданс;
відбиття;
втрати;
стабільність;
взаємний вплив ліній.

У результаті конструкція V-пристрою фактично є електромагнітною системою, а не просто набором дискретних компонентів.

Хвилеводи

Для V-діапазону можуть використовуватися хвилеводи, коаксіальні лінії та планарні структури.

Розміри хвилеводів пов’язані з довжиною хвилі.

Через малу λ хвилеводи V-діапазону мають невеликі фізичні розміри.

Переваги хвилеводів:

низькі втрати в певних конфігураціях;
висока потужність;
контрольована електромагнітна структура;
висока повторюваність.

Недоліки:

складність виготовлення;
вимоги до точності;
складні з’єднання;
відносно висока вартість.

Механічна точність

При λ приблизно 4–7,5 мм механічні похибки вже не можна вважати незначними.

Наприклад:

λ = 4 мм

похибка:

0,4 мм

становить:

0,4 / 4 = 0,10

тобто 10 % довжини хвилі.

Така похибка може істотно вплинути на фазу та характеристики антени.

Radome

Для зовнішніх антен необхідний захисний обтічник — radome.

У V-діапазоні radome повинен мати:

низькі діелектричні втрати;
стабільну діелектричну проникність;
механічну міцність;
температурну стабільність;
мінімальний вплив на фазу;
мінімальне відбиття.

Через коротку довжину хвилі товщина та неоднорідності матеріалу стають особливо важливими.

Калібрування

V-системи потребують точного калібрування:

амплітуди;
фази;
частоти;
затримки;
антенного підсилення;
міжканального розбалансу.

У фазованій решітці невелика фазова помилка кожного елемента може сумарно змінити діаграму спрямованості.

Фазовий шум

Для високочастотних систем важливим параметром є фазовий шум генератора.

Він впливає на:

якість модуляції;
дальність радіолокації;
точність доплерівського вимірювання;
стабільність фазованої решітки;
якість когерентної обробки.

Для високоточного радара вимоги до фазового шуму можуть бути дуже жорсткими.

Доплерівська чутливість

Оскільки:

fd = 2vr/λ

менша довжина хвилі дає більший доплерівський зсув при тій самій швидкості.

Наприклад, для:

f = 60 ГГц

довжина хвилі приблизно:

λ ≈ 5 мм

Для швидкості:

vr = 1 м/с

моностатичний доплерівський зсув становить приблизно:

fd ≈ 2 × 1 / 0,005
fd ≈ 400 Гц

Це ілюструє високу чутливість міліметрових радарів до руху.

Радіолокаційна ефективна площа розсіювання

RCS, або radar cross section, позначається:

σ

і характеризує ефективність відбиття електромагнітної енергії ціллю в напрямку радара.

RCS залежить не лише від фізичного розміру об’єкта, а й від:

форми;
матеріалу;
орієнтації;
частоти;
поляризації;
кута опромінення;
резонансних ефектів.

Тому перехід до V-діапазону може суттєво змінити характер розсіювання конкретної цілі.

Розсіювання від поверхні

При λ у кілька міліметрів навіть невеликі нерівності поверхні можуть впливати на характер відбиття.

У результаті V-радар може бути дуже чутливим до:

шорсткості;
текстури;
дрібних структур;
поверхневих неоднорідностей.

Це є корисним для високодетального зондування, але ускладнює інтерпретацію відбитого сигналу.

Поляризація

V-системи можуть використовувати:

лінійну поляризацію;
горизонтальну;
вертикальну;
кругову;
еліптичну поляризацію.

Поляризація впливає на:

втрати;
відбиття;
розсіювання;
деполяризацію;
взаємну сумісність каналів.

У дощі та інших гідрометеорах поляризаційні характеристики можуть змінюватися.

Переваги V-діапазону

Основними перевагами є:

дуже коротка довжина хвилі;
компактні антени;
вузькі промені;
високий потенційний коефіцієнт підсилення;
широка доступна смуга;
висока потенційна швидкість передачі даних;
висока кутова роздільна здатність;
придатність для фазованих решіток;
можливість щільного повторного використання частот;
придатність для компактних радарів;
можливість одночасного зв’язку та сенсорики.

Недоліки V-діапазону

Основними недоліками є:

сильне атмосферне поглинання поблизу 60 ГГц;
дощове загасання;
погане проникнення крізь будівлі;
потреба у прямій видимості;
вузький промінь вимагає точного наведення;
високі вимоги до механічної точності;
складніша високочастотна електроніка;
підвищені вимоги до калібрування;
менша практична дальність багатьох систем порівняно з нижчими частотами.

V проти Ka

Ka:

26,5–40 ГГц

40–75 ГГц

V має:

вищу частоту
+
коротшу λ
+
потенційно вужчий промінь
+
менші антени

Але:

сильніший атмосферний вплив
+
більша чутливість до опадів
+
більші вимоги до точності

Особливо важлива відмінність полягає у сильній кисневій смузі навколо 60 ГГц.

V проти W

W-діапазон за поширеною IEEE-класифікацією:

75–110 ГГц

40–75 ГГц

Перехід до W дає ще коротшу довжину хвилі:

λW < λV

і потенційно ще вужчі промені при однаковій апертурі.

Однак із підвищенням частоти зростають вимоги до електроніки, механіки та поширення сигналу.

V проти E-діапазону

E-діапазоном часто називають:

71–76 ГГц
81–86 ГГц

Ці смуги частково примикають до верхньої межі V-діапазону, але в різних класифікаціях межі можуть відрізнятися.

Тому:

V-band ≠ E-band

хоча між ними існує близьке частотне сусідство.

V проти 5G mmWave

Термін «5G mmWave» охоплює кілька різних частотних областей.

ITU у рекомендаціях щодо IMT визначає, зокрема, окремі ділянки:

37–43,5 ГГц
45,5–47 ГГц
47,2–48,2 ГГц
66–71 ГГц

як частотні області, що можуть бути пов’язані з наземним компонентом IMT залежно від відповідного регуляторного рішення.

Тому 5G mmWave не є синонімом V-діапазону.

Регулювання спектра

Використання V-діапазону регулюється не однією загальносвітовою ліцензією, а сукупністю міжнародних та національних правил.

ITU визначає розподіл радіочастот між службами в Radio Regulations.

Національні регулятори визначають:

дозволені частоти;
максимальну потужність;
ширину каналів;
маски випромінювання;
вимоги до антен;
правила координації;
умови безліцензійного використання.

Саме тому конкретний V-band пристрій може бути дозволений в одній країні та працювати за іншими правилами в іншій.

60 ГГц у США

У США FCC дозволяє певні безліцензійні системи в 60-ГГц області.

FCC зазначає, що 60-ГГц спектр використовується для:

WiGig;
WLAN;
зовнішніх точка-точка каналів;
field disturbance sensors;
радарів.

Пристрої працюють відповідно до правил Part 15 і повинні співіснувати з іншими службами спектра.

Міжнародна гармонізація

Міжнародна гармонізація частот важлива для:

супутникових систем;
глобального обладнання;
автомобільної електроніки;
мобільних мереж;
WLAN;
промислових сенсорів.

ITU координує міжнародний розподіл спектра, але конкретні правила реалізації залежать від державних адміністрацій.

Формула дальності радіозв’язку

Для ідеалізованої прямої видимості:

d ≈ √(2Rh1) + √(2Rh2)

Для реальної V-системи необхідно додатково враховувати:

атмосферну рефракцію
+
рельєф
+
будівлі
+
рослинність
+
дощ
+
вологість
+
поглинання киснем

Тому геометричний радіогоризонт не є фактичною гарантованою дальністю зв’язку.

Баланс між дальністю та частотою

У V-діапазоні особливо чітко проявляється компроміс:

частота ↑
↓
довжина хвилі ↓
↓
антена компактніша
↓
промінь вужчий
↓
просторова селективність ↑

одночасно:

частота ↑
↓
атмосферна взаємодія ↑
↓
додаткові втрати ↑
↓
практична дальність ↓

Але цей компроміс не є лінійним: величина атмосферних втрат дуже залежить від конкретної частоти, метеорологічних умов і довжини траси.

Чому 60 ГГц є особливим

60 ГГц займає особливе місце у V-діапазоні через кисневу абсорбцію.

У спрощеній формі:

60 ГГц
↓
поглинання O2
↓
високе атмосферне загасання
↓
обмежена дальність
↓
менше взаємних перешкод
↓
можливість щільного повторного використання частот

ITU прямо вказує на цю властивість як на причину придатності 60 ГГц для короткодистанційного зв’язку та короткодистанційного радара.

Просторова селективність

Вузький промінь дозволяє направити енергію лише в потрібну область.

Це має кілька наслідків:

вузький промінь
→ менше паразитного випромінювання в інших напрямках
→ менше взаємних перешкод
→ більша просторова повторюваність частот
→ потенційно вища щільність систем

Це одна з ключових переваг міліметрових систем.

Формування променя

У фазованій решітці напрямок променя визначається відносними фазами елементів.

Для рівномірної лінійної решітки умова фазового зсуву може бути представлена як:

Δφ = 2πd sin(θ) / λ

де:

Δφ — фазовий зсув між сусідніми елементами;
d — відстань між елементами;
θ — кут сканування;
λ — довжина хвилі.

Це спрощене співвідношення; реальна діаграма залежить від геометрії решітки, амплітудного та фазового розподілу.

Відстань між елементами

Для фазованих решіток часто вибирають міжелементну відстань порядку:

d ≤ λ/2

щоб уникати небажаних просторових пелюсток при широкому електронному скануванні.

У V-діапазоні це означає дуже малу фізичну відстань між елементами.

Наприклад, при 60 ГГц:

λ ≈ 5 мм

тоді:

λ/2 ≈ 2,5 мм

Це дозволяє розміщувати багато антенних елементів на невеликій площі.

Вплив фазових похибок

Чим більше елементів у решітці, тим важливішим стає узгодження їхніх фаз.

Похибка:

Δφ ≠ 0

може спричинити:

зменшення підсилення;
розширення головного променя;
збільшення бічних пелюсток;
зміщення напрямку променя.

Тому V-фазовані решітки потребують точного калібрування.

Цифрове формування променя

Сучасні системи можуть використовувати:

аналогове beamforming;
цифрове beamforming;
гібридне beamforming.

Гібридна архітектура поєднує:

аналогове фазове керування
+
цифрову обробку

Це дозволяє створювати багатопроменеві системи при меншій кількості повністю незалежних RF-трактів.

Багатопроменеві системи

Вузькі промені V-діапазону дозволяють одночасно обслуговувати різні просторові області.

Наприклад:

              ↗ промінь 1
антена →     → промінь 2
              ↘ промінь 3

Це особливо корисно в:

супутникових системах;
базових станціях;
високошвидкісних точка-точка мережах;
радарних системах;
системах позиціонування.

Надійність

Надійність V-системи визначається:

надійність =
RF-обладнання
+
антена
+
наведення
+
атмосфера
+
живлення
+
тепловий режим
+
обробка сигналу

Для наземної короткодистанційної системи найважливішими можуть бути блокування променя та дощ.

Для супутникового каналу — атмосферне загасання та точність наведення.

Для радара — калібрування, шум, фазова стабільність та характеристики цілі.

Тепловий режим

Високочастотні підсилювачі мають обмежену ефективність і виділяють тепло.

Це особливо важливо для:

фазованих решіток;
багатоканальних передавачів;
супутників;
компактних радарів;
малих сенсорів.

Теплова стабільність впливає також на фазу та частоту.

Температурна стабільність

Зміна температури може змінювати:

геометрію конструкції;
діелектричну проникність;
фазу;
частоту генератора;
втрати;
характеристики підсилювачів.

У V-діапазоні ці ефекти мають особливе значення через малу довжину хвилі.

Виробничі технології

Виготовлення V-діапазонних пристроїв може вимагати:

високоточної фотолітографії;
контрольованих діелектричних матеріалів;
високоточного механічного оброблення;
калібрування;
векторного аналізу мереж;
антенних вимірювань;
безехових камер.

Вимірювальна техніка

Для V-діапазону використовуються:

векторні аналізатори мереж;
спектроаналізатори;
генератори сигналів;
частотоміри;
вимірювачі потужності;
рупорні антени;
хвилеводні калібрувальні набори;
компактні антенні камери.

Через високу частоту вимірювальні кабелі, з’єднання та калібрування стають значною частиною похибки.

Калібрування VNA

Векторний аналізатор мережі вимірює S-параметри:

S11 — коефіцієнт відбиття входу
S21 — передача від порту 1 до порту 2
S12 — передача від порту 2 до порту 1
S22 — коефіцієнт відбиття виходу

Для V-діапазону необхідне калібрування до площини вимірювання.

Інакше втрати кабелів та перехідників можуть бути помилково приписані досліджуваному пристрою.

Системи позиціонування

V-діапазон може застосовуватися для високоточного визначення:

відстані;
напрямку;
швидкості;
положення;
руху.

Комбінація вузького променя та широкої смуги робить такі системи особливо цікавими для сенсорики.

Співіснування радарів і зв’язку

Оскільки V-діапазон може використовуватися і для радарів, і для зв’язку, важливо забезпечувати електромагнітну сумісність.

Потенційні методи:

просторове розділення;
частотне розділення;
часовий поділ;
кодування;
адаптивне формування променя;
придушення перешкод.

Дослідження ISAC показують можливість використання спільної міліметрової інфраструктури для комунікації та сенсорики.

Порівняльна таблиця

Діапазон	Частоти	Приблизна довжина хвилі	Характерні особливості
Ku	12–18 ГГц	25–16,7 мм	супутниковий зв’язок, радари
K	18–27 ГГц	16,7–11,1 мм	радари, зв’язок
Ka	26,5–40 ГГц	11,3–7,5 мм	супутниковий зв’язок, радари
V	40–75 ГГц	7,5–4,0 мм	mmWave-зв’язок, радари, сенсорика
W	75–110 ГГц	4,0–2,7 мм	радари, зображення, високочастотні сенсори

Зазначені межі є типовими інженерними/IEEE-позначеннями, а не універсальними регуляторними межами. IEEE визначає V як 40–75 ГГц, тоді як ITU наголошує на відсутності єдиної міжнародної відповідності літерних назв частотним смугам.

Основні сфери застосування

V-діапазон використовується або досліджується для:

високошвидкісного короткодистанційного зв’язку;
WiGig;
WLAN;
точка-точка каналів;
супутникового зв’язку;
супутникових feeder links;
радарів;
автомобільної сенсорики;
V2V/V2X;
промислових радарів;
датчиків руху;
систем визначення присутності;
медичних сенсорів;
метеорології;
атмосферного зондування;
радіоастрономії;
досліджень ISAC;
наукових вимірювань.

Найважливіші частоти та області

У межах V-діапазону особливий інтерес становлять:

40–50 ГГц

— високочастотна область для спеціалізованих систем зв’язку та космічних застосувань;

50–60 ГГц

— міліметрова область із сильним впливом атмосферних газів;

близько 60 ГГц

— виражена смуга кисневого поглинання;

60–70 ГГц

— системи короткодистанційного зв’язку, сенсорики та досліджень;

66–71 ГГц

— одна з міжнародно розглянутих областей для сучасних систем IMT залежно від національного регулювання.

Числові параметри

Узагальнено:

V-band:
40–75 ГГц

Довжина хвилі:
≈ 7,5–4,0 мм

Класифікація ITU:
EHF

Міліметровий діапазон:
30–300 ГГц

Центральна характерна область:
≈ 60 ГГц

Довжина хвилі на 60 ГГц:
≈ 5 мм

Основні формули

Зв’язок частоти та довжини хвилі:

λ = c/f

Втрати у вільному просторі:

FSPL = (4πR/λ)^2

У децибелах:

FSPL(dB) = 20log10(4πR/λ)

Підсилення апертурної антени:

G ≈ η(πD/λ)^2

Ширина променя:

θ ≈ kλ/D

Роздільна здатність радара за дальністю:

ΔR = cτ/2

Для широкосмугового сигналу:

ΔR ≈ c/(2B)

Доплерівський зсув:

fd = 2vr/λ

Радіолокаційне рівняння:

Pr = Pt G² λ² σ / ((4π)³ R⁴ L)

Тепловий шум:

Pn = kTB

Відношення сигнал/шум:

SNR = Ps/Pn

Пропускна здатність каналу:

C = B log2(1 + SNR)

Радіогоризонт:

d ≈ √(2Rh1) + √(2Rh2)

Фазовий зсув між елементами лінійної решітки:

Δφ = 2πd sin(θ)/λ

Узагальнений енергетичний баланс

Для практичної системи:

Pr = Pt + Gt + Gr - Lfree-space - Latmosphere - Lrain - Lhardware

якщо всі величини виражені в дБ/дБм.

Атмосферна частина може бути представлена:

Latmosphere =
Loxygen +
Lwater-vapour +
Lother-gases

а метеорологічна:

Lweather =
Lrain +
Lcloud +
Lice +
Lsnow

Це спрощена інженерна схема; реальний розрахунок виконується за моделями поширення ITU-R та параметрами конкретної траси.

Загальна оцінка V-діапазону

V-діапазон можна розглядати як компроміс між можливостями високочастотної електроніки та складністю поширення.

Його ключові фізичні властивості:

частота ↑
↓
довжина хвилі ↓
↓
антени ↓
↓
можливість вузьких променів ↑
↓
просторова селективність ↑
↓
доступна абсолютна смуга ↑

але одночасно:

частота ↑
↓
атмосферні ефекти ↑
↓
дощове загасання ↑
↓
вимоги до наведення ↑
↓
вимоги до електроніки та механіки ↑

Значення V-діапазону

V-діапазон є однією з характерних областей сучасної міліметрової техніки. Його головна перевага полягає у поєднанні дуже короткої довжини хвилі з великою потенційною смугою пропускання. Це дозволяє створювати компактні антени, вузькі промені, високошвидкісні канали та високоточні сенсори.

Найважливішою особливістю V-діапазону є область поблизу 60 ГГц, де сильне поглинання киснем різко змінює характеристики поширення. Для далекого зв’язку це є суттєвим обмеженням, тоді як для короткодистанційних систем, просторового повторного використання частот і деяких радарних застосувань воно може бути перевагою. ITU прямо описує 60-ГГц область як придатну для короткодистанційного зв’язку та короткодистанційної радіолокації через кисневе поглинання.

У сучасній техніці V-діапазон пов’язаний із розвитком міліметрового зв’язку, фазованих антенних решіток, високошвидкісних WLAN, точка-точка каналів, радарної сенсорики, атмосферних вимірювань і інтегрованих систем зв’язку та зондування. Його практичне застосування визначається не лише частотою, а й конкретною ділянкою спектра, атмосферними умовами, регуляторними правилами, типом антени, потужністю, шириною смуги та вимогами до дальності.