Artikel ini memberikan pengantar gelombang milimeter (mmWaves) termasuk frekuensinya, karakteristik propagasi, serta kelebihan dan kekurangan untuk aplikasi umum.
Seperti yang tersirat dari namanya, gelombang milimeter adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang (λ) kira-kira 1 mm (1 hingga 10 mm, lebih tepatnya). Mengubah panjang gelombang tersebut menjadi frekuensi menggunakan persamaan f =c /λ, di mana c adalah kecepatan cahaya (3 x 10 8 m/s), memberikan rentang frekuensi 30-300 GHz. Pita gelombang milimeter ditetapkan sebagai pita "frekuensi sangat tinggi" (EHF) oleh International Telecommunication Union (ITU). Istilah “gelombang milimeter” juga sering disingkat menjadi “mmWave”.
Gambar 1 mencakup contoh aplikasi yang memanfaatkan spektrum mmWave dan juga menunjukkan lokasi spektrum mmWave dalam kaitannya dengan pita frekuensi elektromagnetik lainnya.
Sekarang setelah kita memiliki definisi dasar, mari kita bicara tentang bagaimana sinyal gelombang milimeter merambat.
Perambatan sinyal gelombang milimeter ditandai dengan:
Subbagian berikut akan memeriksa secara lebih rinci masing-masing dari empat karakteristik propagasi ini.
Salah satu batasan komunikasi frekuensi radio gelombang milimeter (RF) adalah hilangnya jalur ruang bebas (FSPL) untuk komunikasi line-of-sight langsung antara dua antena. FSPL berbanding terbalik dengan kuadrat panjang gelombang dan diberikan oleh persamaan berikut:
$$FSPL =\left( \frac{4πd}{λ} \right) ^2$$
dimana:
Seperti yang dapat dilihat dari persamaan ini, penurunan 10X dalam panjang gelombang menghasilkan peningkatan 100X dalam kehilangan jalur ruang bebas. Jadi redaman pada panjang gelombang milimeter jauh lebih tinggi daripada redaman frekuensi komunikasi yang lebih tradisional seperti radio FM atau Wi-Fi.
Dalam perhitungan komunikasi RF, persamaan rugi-rugi ini sering kali diubah untuk memberikan hasil dalam dB, dengan frekuensi yang diukur dalam GHz dan jarak yang diukur dalam km. Setelah konversi ini, persamaan menjadi:
$$FSPL (dB) =20 * log_{10}(d) + 20 * log_{10}(f) + 92,45$$
Kalkulator gratis untuk mengevaluasi hilangnya jalur ruang kosong tersedia di sini.
Kelemahan lain dari transmisi gelombang milimeter adalah redaman atmosfer. Dalam rentang panjang gelombang ini ada redaman tambahan yang disebabkan oleh keberadaan gas atmosfer - terutama molekul oksigen (O2) dan uap air (H2O).
Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2, redaman atmosfer bisa sangat parah di pita tertentu.
Misalnya puncak oksigen pada 5 mm (60 GHz). Hujan meningkatkan redaman di seluruh spektrum penuh.
Panjang gelombang yang lebih panjang sering bergantung pada daya pantul langsung (spekular) untuk membantu transmisi di sekitar rintangan (pikirkan refleksi seperti cermin). Namun, banyak permukaan yang tampak “kasar” hingga gelombang milimeter, yang menghasilkan pantulan difus yang mengirimkan energi ke berbagai arah. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 3.
Dengan demikian, lebih sedikit energi yang dipantulkan kemungkinan mencapai antena penerima. Oleh karena itu, transmisi gelombang milimeter sangat rentan terhadap bayangan oleh rintangan dan biasanya terbatas pada transmisi line-of-sight.
Karena panjang gelombangnya yang lebih pendek, gelombang milimeter tidak menembus jauh ke dalam atau melalui sebagian besar bahan. Sebagai contoh, studi tentang bahan bangunan umum menemukan bahwa redaman berkisar antara sekitar 1 hingga 6 dB/cm dan kehilangan penetrasi melalui dinding bata pada 70 GHz mungkin lima kali lebih tinggi daripada pada 1 GHz. Di luar ruangan, dedaunan juga akan menghalangi sebagian besar gelombang milimeter. Oleh karena itu, sebagian besar komunikasi gelombang milimeter terbatas pada operasi garis pandang.
Untuk banyak aplikasi, hilangnya jalur ruang bebas, redaman atmosfer, refleksi difus, dan penetrasi terbatas sinyal gelombang milimeter merugikan. Namun ternyata karakteristik tersebut juga dapat dimanfaatkan sebagai keuntungan pada aplikasi tertentu. Kelebihan gelombang milimeter antara lain:
Masing-masing keuntungan ini dan bagaimana mereka dieksploitasi di beberapa aplikasi akan dijelaskan di subbagian berikut.
Untuk aplikasi komunikasi, bandwidth lebar berarti kecepatan data puncak yang lebih tinggi. Ini bisa berarti kemampuan untuk menangani saluran komunikasi yang lebih simultan untuk kecepatan data yang diberikan, atau mengirim lebih banyak data dalam satu komunikasi. Spektrum frekuensi yang lebih rendah banyak digunakan dan, oleh karena itu, tidak menyediakan bandwidth lebar yang diinginkan ini.
Misalnya, spesifikasi 5G New Radio (NR) 3GPP mengalokasikan bandwidth saluran maksimum hanya 100 MHz di bawah 6 GHz, tetapi hingga 400 MHz di pita di atas 24 GHz. Karena spesifikasi 5G ini terus berkembang, beberapa pihak melobi untuk alokasi bandwidth yang lebih luas lagi dalam spektrum mmWave.
Karena bandwidth yang lebar dan kecepatan data yang tinggi inilah gelombang milimeter telah lama digunakan dalam komunikasi satelit pada 27,5 GHz dan 31 GHz. Kemajuan dalam teknologi sirkuit frekuensi tinggi termasuk silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN) dan biaya manufaktur terkait yang lebih rendah membawa komunikasi gelombang milimeter ke aplikasi konsumen pasar masker terestrial seperti 5G NR.
Latensi dalam jaringan komunikasi dapat memiliki banyak arti. Berkenaan dengan komunikasi satu arah, latency adalah waktu dari sumber mengirim paket data ke tujuan menerima paket data yang sama. Frekuensi gelombang milimeter yang lebih tinggi berarti lebih banyak data yang dapat ditransmisikan dalam waktu yang lebih singkat. Oleh karena itu, untuk ukuran paket data yang tetap, sistem frekuensi tinggi akan memiliki latensi yang lebih rendah daripada sistem frekuensi rendah.
Latensi rendah penting untuk banyak aplikasi yang sensitif terhadap waktu termasuk otomatisasi industri, augmented nirkabel atau realitas virtual, dan sistem mengemudi otomatis. Lebar bandwidth gelombang milimeter memungkinkan interval waktu transmisi yang lebih pendek dan latensi antarmuka radio yang lebih rendah untuk memfasilitasi pengenalan dan dukungan untuk aplikasi yang sensitif terhadap latensi rendah.
Salah satu keuntungan terpenting dari gelombang milimeter adalah antena yang lebih kecil dan kemampuan untuk menggunakan sejumlah besar elemen antena yang lebih kecil ini dalam susunan untuk mengaktifkan beamforming. Misalnya, radar otomotif bertransisi dari 24 ke 77 GHz. Panjang gelombang lebih dari tiga kali lebih kecil sehingga area susunan antena bisa lebih dari sembilan kali lebih kecil, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4.
Array besar elemen antena yang sangat kecil juga akan digunakan dalam sistem komunikasi gelombang milimeter seperti 5G. Beamforming dapat memfokuskan daya yang terpancar ke pengguna individu untuk sinyal berkualitas lebih tinggi dan komunikasi jarak jauh. Dengan beamforming adaptif, pancaran bahkan dapat diubah secara dinamis sebagai fungsi dari jumlah pengguna dan lokasi mereka sehubungan dengan antena pemancar.
Jangkauan yang terbatas, pantulan yang menyebar, dan kedalaman penetrasi yang terbatas sebenarnya dapat menjadi keuntungan bagi telekomunikasi. Karakteristik ini sedang dieksploitasi untuk memungkinkan banyak sel kecil ditempatkan sangat dekat satu sama lain tanpa gangguan. Ini menyediakan penggunaan kembali spektrum frekuensi spasial dan, oleh karena itu, memungkinkan lebih banyak konsumen bandwidth tinggi untuk didukung di suatu area.
Dalam aplikasi radar, frekuensi yang lebih tinggi dan peningkatan bandwidth sinyal gelombang milimeter mendukung pengukuran jarak yang lebih akurat, pengukuran kecepatan yang lebih akurat, dan kemampuan untuk menyelesaikan antara dua objek yang berjarak dekat.
Selama bertahun-tahun, aplikasi radar kedirgantaraan adalah aplikasi utama dari teknologi gelombang milimeter. Bandwidth lebar ideal untuk menentukan jarak ke suatu objek, untuk menyelesaikan antara dua objek jauh yang berdekatan dan mengukur kecepatan relatif ke target.
Misalnya, dalam bentuk paling dasar dengan asumsi dua benda bergerak baik secara langsung menuju atau menjauh dari satu sama lain, pergeseran frekuensi Doppler (Δf) diberikan oleh persamaan:
$$Δf =\frac{(2 * V_{rel})}{λ}$$
dimana
Karena pergeseran frekuensi lebih besar dengan panjang gelombang yang lebih pendek (seperti gelombang milimeter), lebih mudah untuk mengukur pergeseran frekuensi yang dihasilkan. Kemampuan untuk menggunakan antena multi-elemen yang lebih kecil dan beamforming adaptif juga membuat gelombang milimeter ideal untuk aplikasi radar.
Untuk alasan yang sama bahwa radar gelombang milimeter diinginkan untuk aplikasi luar angkasa, radar ini diadopsi secara luas untuk aplikasi kendaraan otomatis termasuk pengereman darurat, kontrol jelajah adaptif (ACC), dan deteksi titik buta (seperti yang diilustrasikan pada Gambar 5).
Kemampuan untuk mengukur jarak dan kecepatan relatif dengan cepat dan akurat jelas penting untuk pengoperasian kendaraan otonom.
Sistem satelit telah lama menggunakan gelombang milimeter untuk komunikasi mereka karena bandwidth yang lebar, latensi rendah, antena kecil, dan beamforming array multi-antena. Fitur yang sama ini mendorong banyak jaringan telekomunikasi terestrial untuk menggunakan gelombang milimeter.
Misalnya, karena peningkatan bandwidth, gelombang milimeter dapat mendukung transmisi nirkabel video ultra high definition (UHD). Selain itu, antena yang lebih kecil mendukung integrasi ke perangkat seperti smartphone, set top box digital, stasiun permainan, dan banyak lagi. Standar industri baru yang akan menggunakan gelombang milimeter termasuk 5G dan IEEE 802.11ad WiGig untuk kecepatan data Gb/s.
Khususnya di lingkungan dalam ruangan dan perkotaan, penggunaan kembali spasial dan pembentukan sinar adaptif dari gelombang milimeter akan memungkinkan pengiriman komunikasi bandwidth tinggi ke sejumlah besar pengguna, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 6.
Sistem MIMO (Multiple Input Multiple Output) yang masif akan memungkinkan keragaman spasial, multiplexing spasial, dan beamforming untuk memberikan fungsionalitas yang lebih baik kepada lebih banyak pengguna saat menggunakan daya yang lebih rendah.
Gelombang milimeter juga digunakan untuk pemindai keamanan tubuh manusia. Ribuan antena pengirim dan penerima bekerja sama untuk memindai dengan presisi tinggi seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7.
Sistem ini mentransmisikan pada rentang frekuensi antara 70 GHz hingga 80 GHz dan hanya memancarkan daya sekitar 1 mW. Gelombang milimeter melewati sebagian besar pakaian dan memantulkan kulit dan permukaan lainnya kembali ke antena penerima. Sinyal yang diterima dapat digunakan untuk membuat gambar detail individu dan mengungkapkan artikel yang tersembunyi di bawah pakaian. Daya rendah dan kedalaman penetrasi gelombang milimeter yang terbatas memberikan keamanan yang lebih baik.
Ini hanyalah beberapa dari banyak aplikasi untuk teknologi gelombang milimeter. Aplikasi lain yang telah diusulkan atau diimplementasikan termasuk, namun tidak terbatas pada:
Gelombang milimeter telah lama digunakan dalam aplikasi radar dan semakin banyak diterapkan pada aplikasi baru dengan yang paling menonjol adalah telekomunikasi berkecepatan data tinggi. Panjang gelombang pendek dan karakteristik propagasi yang unik memberikan tantangan sekaligus peluang bagi para insinyur desain yang bekerja di bidang ini.
Teknologi Industri
Saat membuat suku cadang untuk aplikasi, perusahaan dapat menggunakan pemesinan presisi sebagai metode pembuatannya. Proses pemesinan presisi melibatkan penggunaan alat pemotong, pembubutan, penggilingan, penggilingan, penggergajian, dan alat bor untuk menghilangkan sejumlah material tertentu dari b
Istilah pencetakan 3D mencakup beberapa teknologi manufaktur yang membangun bagian lapis demi lapis. Masing-masing berbeda dalam cara mereka membentuk bagian plastik dan logam dan dapat berbeda dalam pemilihan bahan, penyelesaian permukaan, daya tahan, serta kecepatan dan biaya produksi. Ada bebera
Motoman Robotics memiliki beberapa teknologi tercanggih di industri robotika. Robot mereka dapat ditemukan di pabrik di seluruh dunia, dan banyak dari robot mereka telah bertahan di pabrik selama beberapa tahun, bahkan puluhan tahun. Teknologi robot Motoman memungkinkan produsen untuk meningkatkan k
Sumber daya Power Wave Lincoln Electric mampu melakukan kontrol bentuk gelombang yang rumit, berkecepatan tinggi, dan berperforma tinggi. Teknologi Power Wave dirancang untuk memberikan kontrol kualitas las yang lengkap untuk kebutuhan semua pelanggan dan persyaratan material kompleks mereka. Ini me
