극고주파
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
극고주파는 30~300 GHz의 주파수 대역을 의미하며, 1960~70년대 장거리 통신을 위해 개발되었으나 광섬유의 등장으로 쇠퇴했다가, 화합물 반도체 기술 발전과 주파수 고갈로 인해 다시 주목받았다. 가시선 전파 특성을 가지며, 건물 벽이나 잎에 의해 차단되고 대기 가스에 흡수되는 특성으로 인해 근거리 통신에 적합하다. 과학 연구(전파 천문학, 원격 감지), 통신(5G, 차량 통신, 무선 LAN), 무기 체계(레이더, 능동 거부 시스템), 보안 검색(밀리미터파 스캐너), 두께 측정, 의학 등 다양한 분야에 응용된다. 아마추어 무선 통신과 레이더, 밀리미터파 이미징에도 활용되며, 광대역 특성으로 고해상도 레이더 구현이 가능하다.
더 읽어볼만한 페이지
- 주파수대 - ISM 대역
ISM 대역은 산업, 과학, 의료 및 가정 등 다양한 분야에서 활용되는 무선 주파수 대역으로, 무면허로 사용 가능하나 간섭 문제와 좁은 대역폭으로 인해 확장의 어려움이 있다. - 주파수대 - E 대역
E 대역은 극초단파 대역으로 전파 지향성이 높지만 대기 감쇠 영향을 받으며, ITU는 아마추어 무선 통신에, FCC는 고정 무선 서비스에 특정 주파수 대역을 할당했고, 스페이스X는 위성 통신에 이 대역 사용 승인을 받았다. - 인도의 발명품 - 이진법
이진법은 0과 1 두 개의 숫자를 사용하는 밑이 2인 위치 기수법으로, 컴퓨터 과학의 기초가 되었으며 현대 컴퓨터에서 데이터를 저장하고 처리하는 데 사용된다. - 인도의 발명품 - 수차
수차는 물의 힘을 이용하여 회전력을 얻는 기계로, 고대부터 농지 관개나 맷돌 등에 사용되었으며, 충동 수차와 반동 수차로 분류되고, 최근에는 수력 터빈으로 발전하여 전력 생산에 활용된다.
| 극고주파 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 극초단파 |
| 다른 명칭 | 밀리미터파 |
| 영어 명칭 | Extremely high frequency |
| 주파수 및 파장 | |
| 주파수 | 30 ~ 300 GHz |
| 파장 | 1 cm ~ 1 mm |
| 대역 | |
| NATO 대역 | K L M |
| IEEE 대역 | Ka V W mm 밴드 |
| IEEE 밀리미터파 대역 | 110 ~ 300 GHz |
| IEEE 밀리미터파 파장 | 2.73 ~ 1 mm |
| IEEE 밀리미터파 명칭 | EHF |
| 역사 | |
| 최초 통신 실험 | J.C. Bose에 의한 최초의 밀리미터파 통신 실험 (1894-96) |
| 활용 | |
| 5G | 5G 이동통신에 사용 |
2. 역사
1960년대부터 1970년대에 걸쳐 장거리 중계 전화 회선을 위해 밀리미터파 기술 개발이 진행되었다. 당시에는 도파관을 사용한 전송이 예정되어 있었으나, 광섬유의 실용화로 인해 밀리미터파에 의한 장거리 전송은 실현되지 않았다.[30] 세토 대교에는 당초 밀리미터파 도파관을 부설할 예정으로 부설 경로가 확보되어 있었다.[31] 이후 개발은 쇠퇴하여 1970년대에 개발에 참여한 기술자들은 이동 통신으로 배치 전환되었지만, 화합물 반도체의 진보와 주파수 대역 고갈로 인해 다시 각광을 받게 되었다.[32] 2000년대 이후에는 모노리식 마이크로파 집적 회로(MMIC) 기술 발전에 힘입어 집적화가 진행되어 차량 레이더, 근거리 통신, 의료 관계[33] 등의 용도로 사용되고 있다.
밀리미터파는 오직 가시선 전파 경로를 통해서만 전파된다. 낮은 주파수의 전파와 같이 전리층에 의해 굴절되지 않으며 지표파로 지구를 따라 이동하지 않는다.[4] 일반적인 전력 밀도에서 건물 벽에 의해 차단되며, 식물 잎을 통과할 때 상당한 감쇠가 발생한다.[4][6][5] 대기 가스의 흡수는 대역 전체에서 중요한 요소이며 주파수에 따라 증가한다. 그러나 이러한 흡수는 주로 60 GHz의 산소와 24 GHz 및 184 GHz의 수증기와 같은 몇 가지 특정 스펙트럼 선에서 최대값을 나타낸다.[6] 이러한 흡수 피크 사이의 "창" 주파수에서 밀리미터파는 대기 감쇠가 훨씬 적고 범위가 더 넓으므로 많은 응용 분야에서 이러한 주파수를 사용한다. 밀리미터파의 파장은 빗방울의 크기와 동일하므로 강수는 흡수뿐만 아니라 산란 (강우 페이드)으로 인해 추가적인 감쇠를 유발한다.[6][5] 높은 자유 공간 손실과 대기 흡수는 유용한 전파를 몇 킬로미터로 제한한다.[4] 따라서, 이러한 특성은 주파수 재사용을 통해 스펙트럼 활용도를 향상시키는 개인 통신망과 같이 조밀하게 배치된 통신 네트워크에 유용하다.[4]
극고주파는 전송 가능한 데이터 용량이 크고 전파의 직진성이 높지만, 강우 시 전파 감쇠가 발생하는 특성이 있어 다양한 분야에서 활용된다.
2010년대 후반부터 SiGe보다 저렴한 CMOS를 사용한 회로가 생산 가능하게 되었다.
3. 전파 특성
밀리미터파는 "광학적" 전파 특성을 보이며, 약 5~30 cm (2인치~1피트) 직경의 작은 금속 표면과 유전체 렌즈에 의해 반사 및 초점이 맞춰질 수 있다. 파장이 밀리미터파를 조작하는 장비보다 훨씬 작은 경우가 많기 때문에 기하 광학 기술을 사용할 수 있다. 회절은 낮은 주파수보다 적지만, 밀리미터파는 건물 모서리에서 회절될 수 있다. 밀리미터파의 파장에서 표면이 더 거칠게 보이기 때문에 확산 반사가 증가한다.[4] 특히 실내 벽과 표면에서의 반사인 다중 경로 전파는 심각한 페이딩을 유발한다.[5][7] 주파수의 도플러 이동은 보행 속도에서도 상당할 수 있다.[4] 휴대용 장치에서는 인체로 인한 페이딩이 문제가 된다. 파동이 옷을 관통하고 작은 파장으로 인해 작은 금속 물체에서 반사될 수 있으므로 밀리미터파 스캐너에 사용되어 공항 보안 검색을 수행한다.
4. 응용 분야
| 밴드 | 제1지역 아프리카·유럽 | 제2지역 북아메리카·남아메리카·하와이 | 제3지역 아시아·오세아니아 (하와이는 제외) |
|---|---|---|---|
| 6mm | 47 - 47.2GHz | ||
| 4mm | 75.5 - 81.5GHz | 76 - 81.5GHz | |
| 2.5mm | 122.25 - 123GHz | ||
| 2mm | 134 - 141GHz | ||
| 1mm | 241 - 250GHz | ||
| 75.5-76GHz는 RR에 의한 분배에 의하지 않는다. | |||
- 일본에서의 할당은 아마추어 무선의 주파수대를 참조한다.
- 레이더 및 밀리미터파 이미징:
- 극고주파는 광대역을 확보할 수 있어 분해능이 높은 레이더를 실현할 수 있으며[37], 매우 좁은 지향성도 가능하므로, 차량 레이더나 공항에서 도입될 것으로 예상되는 옷 속을 투시하는 전신 스캐너 등에 사용되고 있다.
- 밀리미터파 영상 장치가 개발되었다.[38][39][40]
4. 1. 과학 연구
이 대역은 전파 천문학 및 원격 감지에 주로 사용된다. 지상 기반 전파 천문학은 대기 흡수 문제로 인해 키트 피크 및 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파 망원경(ALMA)과 같은 고지대에서만 가능하다.
60 GHz 근처의 위성 기반 원격 감지는 온도와 압력의 함수인 산소 분자에서 방출되는 방사선을 측정하여 상층 대기의 온도를 결정할 수 있다. 국제 전기 통신 연합의 비독점적 수동 주파수 할당 57–59.3 GHz는 기상 및 기후 감지 응용 분야의 대기 감시에 사용되며, 지구 대기에서 산소 흡수 및 방출의 특성으로 인해 이러한 목적에 중요하다. 현재 운영 중인 미국의 위성 센서로는 NASA 위성(아쿠아) 1기와 NOAA 위성(15–18) 4기에 탑재된 고급 마이크로파 음향 장치(AMSU)와 국방부 위성 F-16에 탑재된 특수 센서 마이크로파/영상 장치(SSMI/S) 등이 이 주파수 범위를 사용한다.[8]
4. 2. 통신
미국에서는 36.0–40.0 GHz 대역이 면허를 받은 고속 마이크로파 데이터 링크에 사용되며, 60 GHz 대역은 비면허 단거리(1.7 km) 데이터 링크에 최대 2.5Gbit/s의 데이터 처리량으로 사용할 수 있다. 이는 평평한 지형에서 흔히 사용된다.[9]71–76, 81–86 및 92–95 GHz 대역은 점대점 고대역폭 통신 링크에 사용된다. 이러한 고주파는 산소 흡수의 영향을 받지 않지만, 미국에서는 연방 통신 위원회(FCC)로부터 전송 면허가 필요하다. 또한 이러한 주파수를 사용하는 10 Gbit/s 링크에 대한 계획도 있다. 92–95 GHz 대역의 경우, 소규모 100 MHz 범위가 우주 탑재형 무선을 위해 예약되어 있으며, 이 예약된 범위는 초당 몇 기가비트 미만의 전송 속도로 제한된다.[9]
이 대역은 본질적으로 개발되지 않았으며, 고속 점대점 무선 근거리 통신망 및 광대역 인터넷 접속을 포함한 광범위한 신제품 및 서비스에 사용할 수 있다. WirelessHD는 60 GHz 범위 근처에서 작동하는 또 다른 최근 기술이다. 고도로 지향적인 "연필 빔" 신호 특성은 서로 간섭을 일으키지 않고 다른 시스템이 서로 가깝게 작동하도록 한다. 잠재적인 응용 분야에는 매우 높은 해상도의 레이더 시스템이 포함된다.
Wi-Fi 표준 IEEE 802.11ad 및 IEEE 802.11ay는 각각 최대 7 Gbit/s 및 최소 20 Gbit/s의 데이터 전송 속도를 달성하기 위해 60 GHz (V 대역) 스펙트럼에서 작동한다.
밀리미터파 대역의 사용에는 점대점 통신, 위성 간 링크 및 점대다중 통신이 포함된다. 2013년에는 미래의 5G 휴대전화에 밀리미터파를 사용할 계획이 있다는 추측이 있었다.[10] 또한, (반)자율 주행 차량 통신을 지원하기 위한 매력적인 솔루션으로 차량 통신을 위한 밀리미터파 대역의 사용도 부상하고 있다.[11]
이 대역의 더 짧은 파장은 더 작은 안테나를 사용하여 낮은 대역의 더 큰 안테나와 동일한 높은 지향성과 높은 이득을 얻을 수 있게 해준다. 이러한 높은 지향성과 이러한 주파수에서의 높은 자유 공간 손실의 즉각적인 결과는 점대다중 응용 분야에 대한 주파수의 보다 효율적인 사용 가능성이다. 더 많은 수의 고지향성 안테나를 주어진 영역에 배치할 수 있으므로, 그 결과는 더 큰 주파수 재사용과 더 높은 사용자 밀도이다. 이 대역의 높은 사용 가능한 채널 용량은 그렇지 않으면 광섬유 통신 또는 회로 기판의 상호 연결과 같은 매우 짧은 링크를 사용할 일부 응용 프로그램에 서비스를 제공할 수 있다.[12]
일본에서는 60GHz의 주파수를 무선 통신에 사용하려 하고 있다.
철도 분야에서는 시야 확보가 용이하고 터널 내에서도 전송이 가능하여, 터널 내 불감 지역 대책이 불필요하다는 등의 이점이 있다. 현재는 열차의 원맨 운전 시 플랫폼 상의 감시 카메라의 영상을 밀리미터파 전파로 전송하여, 차량 측의 모니터 화면으로 볼 수 있는 차상 ITV(차상 모니터 화면)에 사용되고 있다.
WirelessHD는 60 GHz 대역을 사용하는 AV 무선 전송 규격이다. 2009년 2월, 파나소닉이 세계 최초로 대응 제품을 발표했다. IEEE 802.11ad/ay (와이기그 (WiGig))는 60 GHz 대역을 사용하는 무선 LAN 규격이다. TP-LINK 테크놀로지스(TP-LINK Technologies) 사가 세계 최초로 가정용 멀티 밴드 라우터를 발표했다.
4. 3. 무기 체계
밀리미터파 레이더는 전차와 항공기의 단거리 사격 통제 레이더 및 해군 함정의 자동포(CIWS)에 사용되어 날아오는 미사일을 격추한다. 밀리미터파의 짧은 파장은 발사되는 탄환의 궤적과 목표물을 모두 추적할 수 있게 해주며, 컴퓨터 사격 통제 시스템이 조준점을 변경하여 이를 일치시킬 수 있도록 한다.
레이시온과 미국 공군은 3mm 파장(95GHz 주파수)의 밀리미터파를 방출하는 비살상 대인용 무기 시스템인 능동 거부 시스템(ADS)을 개발했다.[13] 이 무기는 빔 안에 있는 사람에게 피부에 불이 붙을 것 같은 극심한 작열통을 느끼게 한다. 군용 버전의 출력은 100kW였으며,[14] 나중에 레이시온에서 개발한 더 작은 법 집행 버전인 사일런트 가디언의 출력은 30kW였다.[15]
4. 4. 보안 검색
특정 주파수의 밀리미터파는 의류 및 기타 유기 물질을 투과하는 성질이 있어, 최근 공항 보안 검색 등에서 옷 속에 숨겨진 무기나 위험 물질을 탐지하는 밀리미터파 스캐너가 사용되고 있다.[16] 그러나 이 기술은 스캐너 조작자가 승객의 알몸을 보는 것과 같은 상황을 연출할 수 있어 사생활 침해 논란이 있다.TSA는 여러 주요 공항에 밀리미터파 스캐너를 설치했다. 초기에는 스캔된 사람의 신체 부위가 그대로 드러났으나, 승객의 얼굴은 의도적으로 가려졌다. 사진은 폐쇄된 방에서 기술자가 검토한 후 즉시 삭제되었다. 그럼에도 불구하고 미국 시민 자유 연합의 배리 스타인하르트는 "비행기에 탑승하기 위해 필수적인 전신 수색에 점점 더 가까워지고 있다"며 우려를 표했다.[17]
이러한 문제를 해결하기 위해 소프트웨어가 업그레이드되어 별도의 관람 공간이 필요 없어졌다. 새로운 소프트웨어는 일반적인 사람의 이미지를 생성하며, 남녀 간의 해부학적 차이는 나타나지 않는다. 물체가 감지되면 해당 영역에 노란색 상자만 표시되고, 그렇지 않으면 이미지가 표시되지 않는다.[18] 승객은 스캔을 거부하고 금속 탐지기 검사나 몸 수색을 받을 수 있다.[19]
밀리미터파 스캐너 제조업체 중 하나인 파란 테크놀로지스에 따르면, 이 기술은 검색 영역을 최대 50미터까지 확장하여 보안 요원이 스캔 사실을 모르는 다수의 사람들을 스캔할 수 있다.[20]
일본에서는 60GHz 주파수를 무선 통신에 활용하려는 시도가 이루어지고 있다. 이 주파수는 매우 좁은 지향성을 가지므로, 차량 레이더나 공항에서 도입될 예정인 옷 속 투시 전신 스캐너 등에 사용될 수 있다.
4. 5. 두께 측정
최근 루벤 대학교의 연구에 따르면, 밀리미터파는 다양한 산업 분야에서 비핵 두께 측정기로도 사용될 수 있음이 입증되었다. 밀리미터파는 두께 변화를 감지하는 깨끗하고 비접촉적인 방식을 제공한다. 이 기술의 실질적인 적용 분야는 플라스틱 압출, 제지, 유리 생산 및 광물 섬유 생산에 집중되어 있다.4. 6. 의학
저강도 (일반적으로 10mW/cm2 이하)의 극고주파 전자기 방사는 의학에서 질병 치료에 사용될 수 있다. 예를 들어, "짧은 시간 동안의 저강도 MMW 노출은 세포 성장과 증식 속도, 효소의 활성, 세포 유전 장치의 상태, 흥분성 막 및 말초 수용체의 기능을 변화시킬 수 있다."[23] 이러한 치료는 특히 40–70 GHz 범위와 관련이 있다.[21] 이러한 유형의 치료는 ''밀리미터파 치료'' 또는 ''극초단파 치료''라고 불릴 수 있다.[22] 이러한 치료는 동유럽 국가들(예: 구 소련 국가들)과 관련이 있다.[23] 러시아 저널 ''생물학 및 의학의 밀리미터파''는 밀리미터파 치료의 과학적 기초 및 임상 적용에 대해 연구한다.[24]4. 7. 기타
일본에서는 60GHz 주파수를 무선 통신에 사용하고 있으며, 좁은 지향성을 활용하여 차량 레이더나 공항의 전신 스캐너 등에 사용된다.[29]철도 분야에서는 원맨 운전 시 플랫폼의 감시 카메라 영상을 전송하는 차상 ITV(차상 모니터 화면)에 사용된다.[30]
1995년 밀리미터파 레이더용 특정 소전력 무선국이,[34] 2000년 밀리미터파 영상 전송용 및 밀리미터파 데이터 전송용 특정 소전력 무선국이 제도화되었다.[35] 이들은 60.5GHz, 76.5GHz 및 79.5GHz를 사용한다. 2015년 소전력 데이터 통신 시스템의 무선국 종류 중 하나로 지정되었다.[36]
4. 8. 아마추어 무선
아프리카·유럽북아메리카·남아메리카·하와이
아시아·오세아니아 (하와이는 제외)