Пропускная способность: как современные технологии повышают качество мобильной и спутниковой связи

Наша страна покрыта густой сетью мобильной связи, а беспроводные технологии стали сегодня настолько привычными, что мы практически не замечаем, насколько сильно от них зависим. При этом каждый из нас хотя бы раз сталкивался с ситуацией, когда голос собеседника по телефону начинает прерываться, а качество связи резко снижается. Откуда берутся такие помехи? Что влияет на качество сотовой связи? И как ученые могут сделать передачу сигналов у мобильных устройств, спутников и систем навигации чище? Рассказываем вместе с заведующим лаборатории электродинамики СВЧ-устройств специальной лаборатории Института физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН), доктором технических наук Андреем Лексиковым.

Чистый сигнал

XXI век — эпоха бурного развития беспроводных технологий. Мы ежедневно общаемся по сотовой связи и используем Wi-Fi. Каждую секунду наш телефон передает и принимает множество сигналов на разных частотах. Чтобы оценить масштабы этой коммуникации, можно провести аналогию и представить себя среди тысяч людей в большом зале. В такой обстановке не получится услышать человека на другом конце помещения.

Но если бы мы могли распознавать и видеть сигналы в радиодиапазоне (с частотой от килогерца до десятков гигагерц), то легко могли бы различить сигнал из противоположной части зала. По этому принципу работают спутники, системы навигации и базовые станции: они настроены таким образом, чтобы «ловить» нужные сигналы, в том числе те, которые создают мобильные телефоны и другая техника. За чистоту сигнала, его четкость и отсутствие помех в устройствах отвечают специальные фильтры сверхвысокочастотного сигнала (СВЧ-фильтры). Например, в современном мобильном устройстве можно найти не менее 6-7 фильтров различного назначения. Такие детали достаточно просто устроены, трудностей в производстве с ними нет.

Иначе обстоят дела с более крупными технологиями: базовыми станциями сотовой связи, отвечающими за передачу сигналов, навигационными системами и спутниками. Для такой аппаратуры необходимы сложные фильтры, способные пропускать предельно чистый сигнал. «Одна из главных тенденций в этой области — компактность. Мы придумываем новые конструкции для фильтров, чтобы при уменьшенном размере получить улучшенные характеристики. Возможно, когда-нибудь придем к тому, что устройства можно будет внедрять, как показывают в фантастических фильмах, под кожу в руку человека», — говорит заведующий лабораторией электродинамики СВЧ-устройств специальной лаборатории Андрей Лексиков.

Привести к стандарту

Ученые активно работают над тем, чтобы повысить эффективность таких технологий. Основная задача: разработать конструкции и устройства, которые могли бы быстро и точно отбирать нужную полосу частот (если речь идет о фильтрах), а также направление волн (если говорить об антеннах), и позволяли общаться без потери информации. «Дело в том, что у материалов, из которых изготавливают фильтры, зачастую сильный разброс по характеристикам. Их могут производить на одном предприятии по одной и той же технологии, но в результате все равно можно получить немного разные компоненты. Почему? Когда создаются детали для электроники, они проходят множество стадий обработки: фотолитография, травление, полировка и другие этапы», — объясняет ученый.

В итоге оказывается, что один фильтр по каким-то параметрам не совпадает с другим. Приходится настраивать каждое изделие вручную под конкретную задачу. Например, покрыть его дополнительным слоем металла. Это сложная и кропотливая работа, для которой востребованы опытные специалисты.

Решить проблему удалось сотрудникам Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН, разработавшим фильтры, которые не нужно регулировать. Изделие весит чуть менее 2 грамм, а его общая длина составляет 15 миллиметров, что делает устройство одним из самых миниатюрных. В основе конструкции — многослойные многопроводниковые полосковые резонаторы. Это такие объемные структуры, в которых содержится большое количество проводников.

«Для их создания мы использовали обычные материалы. Разработали их по классической технологии многослойных печатных плат (такие устройства вам могут быть знакомы по компьютерам: там они называются материнскими платами). Изюминка кроется в самой конструкции: мы изменили ее и таким образом улучшили эффективность подавления помех в фильтре. Мы доказали, что новое устройство, по сути, состоящее из разных взаимодействующих резонаторов, может работать как единая система», — рассказывает эксперт.

Нам бы память

Сейчас фильтры, разработанные командой ученых, успешно применяются в сфере навигационных систем, станций спутниковой связи, на бортовых радиолокационных станциях. Такие технологии нужны везде, где необходимо хорошо «почистить» сигнал, отмечает эксперт. До недавнего времени в стране не хватало предприятий, выпускающих фильтры в больших объемах. Авторы исследования смогли предложить технологическое решение, позволившее наладить серийное производство. Однако на этом завершать исследования ученые не планируют. «Как правило, фильтр представляет собой устройство с одним входом и выходом. На вход вы можете подать информацию на любой частоте и получить только тот сигнал, который совпадает с характеристикой фильтра. В ближайшем будущем мы намерены перейти к разработке многоканальных устройств, у которых один вход и несколько выходов. Такая техника позволит получить уже два, четыре или восемь видов сигналов», — делится Андрей Лексиков.

Основная трудность в таких проектах связана с компьютерными мощностями, замечает руководитель разработки. Чтобы изучить архитектуру, оценить свойства и предельные возможности электронных устройств, их тестируют на компьютерных моделях. Для этого требуются компьютеры с оперативной памятью более 200 гигабайт. Для сравнения, объём оперативной памяти современных домашних компьютеров составляет в среднем 16-32 гигабайт, хотя многие игровые и рабочие станции могут иметь больше. «У нас есть рабочие станции, и некоторые из них позволяют проводить подобные эксперименты. Но если мы говорим о переходе к многоканальным устройствам, с количеством каналов у нас кратно растет потребность в оперативной памяти», — делится специалист.

Добавляя новое

Переход к многоканальным устройствам — не единственная задача на пути к развитию технологий. Для чистой спутниковой связи с наземными устройствами одних СВЧ-фильтров, подавляющих шумовые радиосигналы, будет недостаточно. Для орбитальных аппаратов нужно разрабатывать более продвинутую электронику, считает эксперт. За последние несколько лет сильно вырос спрос на отечественные комплектующие. Эта сфера нуждается в особом внимании, поскольку, чтобы вывести производство космических технологий на современный уровень, на исследования могут уйти десятилетия.

«Космическая отрасль, как правило, развивается достаточно медленно. Чтобы что-то запустить в космос, технология должна пройти полный цикл испытаний, а также аттестацию в главных научно-исследовательских институтах. Например, изготовление большого геостационарного спутника занимает порядка четырех лет, а низкоорбитального спутника широкополосного вещания — около двух лет», — рассказывает Андрей Лексиков.

Важный шаг в этом направлении, по его словам, удалось сделать благодаря развитию аддитивных технологий и 3D-печати — методам создания объектов и деталей с помощью послойного добавления материала, например металла. «Чтобы уменьшить массу и размер аппаратов, мы переходим на аддитивные технологии, и одновременно стараемся совместно с университетами применять новые диэлектрические материалы. Проблема в том, что для аддитивных технологий нужны специальные металлические порошки, из которых создаются изделия. Для их использования необходимо получить специальный сертификат, позволяющий вводить эти компоненты в производство», — делится автор проекта.

В целом, сегодня у разработчиков достаточно интересных идей, как можно улучшить технологии для сотовой и спутниковой связи. Есть определенные вызовы, связанные с ограничением на применение новых материалов, однако в ближайшем будущем, как надеется специалист, эти вопросы удастся решить.

Анна Шиховец