Дискуссия
Как показано в [2], распространение терагерцовых волн в атмосфере драматически зависит от атмосферного поглощения, имеющего в приповерхностном слое значения от 0,4 до 10 000 dB/km, в диапазоне от 0,1 до 1THz. Отбросив предельно большие значения (тысячи дБ) вне окон прозрачности, совпадающие с частотами поглощения основных атмосферных газов (вода, кислород), где коммуникация в принципе невозможна, все равно имеем значимое поглощение сигнала и следовательно, шум антенны заметно больший, нежели в сантиметровом диапазоне, где, как показано в предыдущем разделе, поглощение дает эквивалентный шум в окрестностях 15К. В ТГц диапазоне этот шум даёт эквивалентное значение от несколько десятков до ~150 - 200 Кельвин на входе приёмника и реально ограничивает эффект от более глубокого снижения шумов приёмного устройства ниже указанных значений шумов антенны, поскольку в данном случае итоговое соотношение сигнал/шум будет определяться в основном поглощением атмосферного канала. Однако рассмотренный в [2] пример содержал приемник со стандартной для неохлажденных ТГц приемников шумовой температурой в тысячи Кельвин, которая по прежнему будет заметно превалировать по сравнению с двумя сотнями К антенной температуры наземного канала, разумеется, если длина канала не будет превышать протяженностей, принятых в [2] или около 1 км. Поэтому даже для данного предельного случая приземной коммуникации на уровне моря криогенное охлаждение остается эффективным для повышения производительности канала, обеспечивая коэффициент 2-3 по сравнению с производительностью канала с неохлажденным приемником. Этот вывод касается наземной приповерхностной коммуникации. Атмосферное поглощение ТГц волн довольно быстро уменьшается по мере повышения высоты над уровнем моря [12], и уже на высоте 2-3 км атмосферное ограничение практически исчезает.
Если рассматривать случай передачи сигнала между космическими объектами (станциями, спутниками, элементами космической группировки), то в таком случае играют роль только фундаментальные ограничения и при отсутствии поглощения можно повышать чувствительность приёмников путём более глубокого охлаждения и это будет чрезвычайно эффективно.
И наконец, промежуточный случай, когда телекоммуникационный канал реализуется на трассе Земля-космос. В случае коммуникации с высокогорья 3-5 км над уровнем моря, случай практически совпадает с коммуникацией между космическими объектами и атмосферное поглощение не влияет значимым образом на производительность канала. В случае, если наземный порт телекоммуникационного канала находится на уровне моря или на небольшой высоте, приходим к ограничениям наземного канала (50-200К к шумам приёмного устройства), рассмотренным для наземных коммуникаций, причем для случая зенитного направления канала общее поглощение такого канала будет сопоставимо с горизонтальным каналом протяженностью в 1-2 км, т.к. эффективно поглощают ТГц волны лишь первые два-три км атмосферы по вертикали, где еще значимо присутствует вода и концентрация кислорода заметно выше, чем в высокогорье и в верхней атмосфере.
Благодарности
Авторы признательны коллегам из ИПФ РАН, НГТУ и рецензентам настоящей статьи за полезные дискуссии, ОКБ Развития высоких технологий и ОКБ МЭИ за обеспечение блестящих экспериментов, подтверждающих радикальное повышение производительности каналов дальней космической связи за счет использования криоэлектронных приемных устройств, а также Gert de Lange за полезную информацию о рыночных перспективах ТГц коммуникаций. Работа выполнена при поддержке проектов по госзаданию ИПФ РАН 0035-2014-0021 и НГТУ 3.2054.2014/K, а также средств хоздоговора с ОКБ МЭИ.
Литература
1. T. Schneider. Ultrahigh-Bitrate Wireless Data Communications via THz-Links; Possibilities and Challenges.// Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Volume 36 Number 2 February 2015, p. 159.
2. Terahertz Radiation Systems: Technologies and Global Markets / BCC Research Report Code: IAS029B, http://www.bccresearch.com/market-research/instrumentation-and-sensors/terahertz-radiation-technologies-markets-ias029b.html, Published: March 2012 with a newer version Report Code: IAS029D, Published: June 2015.
3. T.Schneider, A. Wiatrek, S. Preubler, M.Grigat, and R.-P. Braun, “Link budget analysis for Terahertz ?xed wireless links,”// IEEE Trans. THz Sci. Technol., vol. 2, no. 2, pp. 250-256, Mar. 2012.
4. A.V.Arzhannikov, M.K.A.Thumm, A.V.Burdakov et al. Two Ways for High-Power Generation of Subterahertz Radiation by Usage of Strong Relativistic Electron Beams.// IEEE Trans. on Terahertz Science and Technology Vol. 5, NO. 2, March 2015, Pages: 478 - 485.
5. V. F. Vdovin and I. I. Zinchenko Modern Millimeter and Submillimeter receiver systems for Radio Astronomy.// Radiophysics and Quantum Electronics, Vol. 52, No. 7, 2009, p.461.
6. Кошелец В.П., Филиппенко Л.В., Борисов В.Б., и др. Интегральный сверхпроводниковый бортовой спектрометр субмиллиметрового диапазона длин волн для атмосферных исследований. // "Известия высших учебных заведений. Радиофизика" Том 50, № 10-11, 2007, С. 935-940.
7. Vdovin V.F., Eliseev A.I., Zinchenko I.I., Koshelets V.P., et al. “A two-frequency two-polarization superconducting receiver for radio-astronomical investigations in the millimetric wave band”.// "Journal of Communications Technology and Electronics" Vol. 50. 9. 2005. P. 1118-1122.
8. Seliverstov, S. ; Maslennikov, S. ; Ryabchun, S. et al. Fast and Sensitive Terahertz Direct Detector Based on Superconducting Antenna-Coupled Hot Electron Bolometer Applied Superconductivity, IEEE Transactions on, Volume: 25, Issue: 3, Part: 1 DOI: 10.1109/TASC.2014.2372171, 2015.
9. Cohn S.B., The Noise figure muddle.// M.J. vol.2 N 3, p.7, (March 1959).
10. К.А.Горонина, Ю.А.Дрягин. О шумовых параметрах диодных смесителей. // "ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" - Электронный журнал, 2002. N 1. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan02/5/text.html.
11. Troccoli, M. High Power Emission and Single-Mode Operation of Quantum Cascade Lasers for Industrial Applications Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal, Volume: 21, Issue: 6, 2015.
12. В.Ф.Вдовин, В.Г.Грачев, С.Ю.Дрягин и др. Криогенный малошумящий усилитель для радиоастрономических наблюдений и систем дальней космической связи на сантиметровых волнах. // Астрономический бюллетень. 2015 (принято в печать).