2. ДИАПАЗОНЫ С ДЕЛЕНИЕМ ПО ДЛИНАМ ВОЛН

: диапазоны сверхдлинных волн : : диапазон длинных волн : : диапазон средних волн : : диапазон коротких волн : : диапазоны ультракоротких волн :

Данный раздел дает общее представление о свойствах и использовании диапазонов радиочастотного спектра, перечисленных в таблице 1-1 главы 1. Подробную информацию об этих диапазонах, в т.ч. описание особенностей распространения радиоволн, включая физику и параметры взаимодействия с земной поверхностью, водой, атмосферой и ионосферой, а также направлений иcпользования, служб и технических средств пользователей диапазонов, см. в специальных публикациях по ссылкам в данной главе.

 

В отечественных источниках к сверхдлинным волнам принято относить электромагнитные колебания с длиной волны 10 км и более, т.е. весь радиоспектр, лежащий по частоте ниже 30 кГц. Основная особенность этих волн заключается в их очень малом затухании при распространении в волноводе Земля - ионосфера, мало зависящем от времени года, суток и других условий, а также в их способности проникать под воду и под землю. В соответствии с таблицей 1-1 главы 1 в этом участке радиоспектра находятся следующие диапазоны:

 

Частоты 0,03 - 0,3 Гц и 0,3 - 3 Гц, длины волн 1 - 10 млн. км и 100 - 1000 тыс. км

Данные диапазоны относятся к радиочастотному спектру достаточно условно, поскольку присутствующие в них естественные электромагнитные колебания вблизи поверхности Земли представлены, преимущественно, магнитной компонентой, обусловленной, главным образом, быстрыми вариациями магнитных полей земного ядра и магнитосферного динамо, сумма которых именуется геомагнитными пульсациями. Геомагнитные пульсации являются источником полезной информации в различных геофизических исследованиях, а также используются для мониторинга опасных для человека и технических систем уровней возмущенности геомагнитного поля.

Для целей радиосвязи данный участок частотного спектра электромагнитных колебаний интереса не представляет по причине нереализуемости передающих устройств и антенн в рамках существующего и прогнозируемого уровня техники, а также высокого уровня помех, которыми фактически являются геомагнитные пульсации.

 

Регламентом ITU данный диапазон не распределен

Рис.2.1. График измеренных (цветные) и прогнозируемых (серые) значений индекса возмущенности геомагнитного поля Kp.

 

См. дополнительно:

Лаборатория геокосмоса

 

Частота 3 - 30 Гц, длина волны 10 - 100 тыс. км.

Длина волн этого диапазона сопоставима с длиной земного экватора, они полностью отражаются слоем D ионосферы, а их поглощение землей и водой незначительно. Поэтому они могут почти без затухания огибать весь земной шар за один или несколько периодов, а также проникать на глубину в несколько сот метров под воду и под землю.

В данном диапазоне лежит основная часть спектра резонансов Шумана и резонансов Альфвена, поэтому он используется для мониторинга последних в интересах различных геофизических и медико-биологических исследований, в т.ч. при исследовании процессов в литосфере, атмосфере, ионосфере и магнитосфере, а также при иследовании влияния сверхнизкочастотных электромагнитных полей на живые организмы.

Создание передающих устройств в данном диапазоне при современном уровне техники также проблематично, поэтому как диапазон радиосвязи он пока не востребован, однако соответствующие исследования в интересах связи с подводными и подземными объектами, находящимися на больших глубинах (сотни метров), ведутся.

 

Регламентом ITU данный диапазон не распределен

Рис.2.2. Спектр и сигналы резонансов Шумана в диапазоне КНЧ

 

См. дополнительно:

Резонанс Шумана: факты и фантазии. Ч1: Техносфера.

Резонанс Шумана: факты и фантазии. Ч2: Биосфера.

 

Частота 30 - 300 Гц, длина волны 1 - 10 тыс. км.

Данный диапазон по «дальнобойности» уступает диапазону ELF/КНЧ, но его волны также за счет низкого затухания могут огибать земной шар и проникать под землю и под воду, но на меньшие глубины - до 50 - 200 метров. В этом диапазоне лежат верхние гармоники спектра резонансов Шумана, начиная с пятой. Однако по сравнению с первыми четырьмя они менее информативны и для исследований практически не используются. Кроме того, здесь присутствует основная часть электромагнитного спектра электросетей 50/60 Гц, что создает помехи для измерения сигналов различных естественных процессов.

Главной же особенностью данного диапазона является его пригодность для глобальной связи с атомными подводными лодками, находящимися в состоянии глубокого погружения (60 - 100 м). Именно в этом диапазоне лежат частоты комплекса связи США SeaFarer (78 Гц) и отечественного комплекса ЗЕВС (82 Гц), созданных для односторонней передачи информации стратегическим АПЛ, осуществляющим патрулирование в акватории мирового океана. Создание подобных комплексов представляет собой задачу предельно высокой сложности и по силам только ведущим в военно-промышленном отношении странам, поэтому комплексы SeaFarer и ЗЕВС пока остаются единственными в своем роде.

 

Регламентом ITU данный диапазон не распределен

Рис.1.3. Спектрограмма сигнала 82 Гц комплекса ЗЕВС
(источник иллюстрации: vlf.it)

 

Частота 300 - 3000 Гц, длина волны 100 - 1000 км.

В данном диапазоне присутствуют электромагнитные колебания звукового диапазона - т.н. свистовые волны - вистлеры (whistler), часто называемые свистящими атмосфериками, атмосфериками, сфериками (spherics) или свистами. Их источником являются грозовые разряды на ближней и средней дистанции. Данные волны распространяются сложными путями, в т.ч. вдоль геомагнитных силовых линий, достигая больших высот, поэтому являются источником информации о процессах в атмосфере, ионосфере и магнитосфере.

Дальность распространения радиоволн этого диапазона, в отличие от предыдущих двух, уже не носит глобального характера, но все еще достаточно велика и может достигать 10 тыс. км и более. Они также способны проникать под воду и под землю, но на меньшие глубины. Однако для целей радиосвязи этот диапазон по совокупности таких параметров, как уровень помех, габариты антенн, дальность распространения волн и их проникающая способность, не востребован, уступая диапазонам ELF/СНЧ и VLF/ОНЧ.

 

Регламентом ITU данный диапазон не распределен

Рис.1.4. Спектрограммы сигналов вистлеров в диапазоне ИНЧ
(источник иллюстраций: spaceweather.com)

 

Частота 3 - 30 кГц, длина волны 10 - 100 км.

Радиоволны этого диапазона распространяются на меньшие расстояния и проникают на меньшие глубины по сравнению с радиоволнами диапазона ELF/ИНЧ. Однако, при все еще гигантских, но уже технически и экономически приемлемых размерах передающих антенн и мощностях передатчиков, в нем достигается достаточно высокая дальность устойчивой связи (до 5-10 тысяч км и более) и глубина проникновения под воду (до 6-10 м), в связи с чем он, в первую очередь, широко используется для организации односторонней связи с подводными лодками на ближней и средней дистанции, причем не только в США и РФ, но и в других, развитых в военно-промышленном отношении, странах, в частности, в ряде стран НАТО.

Данный диапазон также был и еще остается востребован в системах передачи сигналов эталонных частот, точного времени и метеорологической информации, в системах дальней радионавигации (в т.ч. в системах Альфа и Омега), для передачи сигналов синхронизации, оповещения о чрезвычайных ситуациях и т.д., при этом на уровне передающих комплексов часто совмещаясь с комплексами связи с подводными лодками.

 

С этого диапазона (с 8,3 кГц) начинается распределение частот регламентом ITU.

Рис.2.5. Схема и панорама антенн VLF радиостанции ВМФ США (Cutler, ME) для связи с ПЛ.
(источник иллюстрации: Ed Kardjala. The biggest little antenna in the world.)

 

См. дополнительно:

Радиосвязь с подводными лодками Ч2: Диапазон VLF.

 

 

 

 

Частота 30 - 300 кГц, длина волны 1 - 10 км.

Длинные волны распространяются аналогично сверхдлинным, но при этом они в большей степени поглощаются землей, поэтому коэффициент их затухания в волноводе Земля - ионосфера выше. Вследствие этого гарантированная связь на длинных волнах возможна на меньших расстояниях - до 2000 - 2500 км в низкочастотной области и уменьшается с ростом частоты. Однако габариты антенн при этом значительно меньше, чем в диапазоне VLF/ОНЧ, поэтому этот диапазон широко используется теми же службами, что и диапазоне VLF/ОНЧ, но при меньшем требуемом радиусе действия. Например, в этом диапазоне на частоте 77,5 кГц работает радиостанция DCF77, передающая сигналы точного времени, метеоинформацию и сигналы оповещения о чрезвычайных ситуациях, в зону покрытия которой попадает вся Европа, включая Украину, Белоруссию и западные районы РФ. В этом же диапазоне работают различные системы и устройства радионавигации, в т.ч. различные радиомаяки морской и воздушной служб, приводные радиостанции аэропортов и др. Начиная с частоты 148,5 кГц здесь расположен длинноволновый радиовещательный диапазон первого района ITU (Европа, Африка и СНГ). Кроме того, с этого диапазона начинается выделение регламентом ITU частот радиолюбителям (135,7 - 137,8 кГц, длина волны 2200 м). Также необходимо отметить, что радиоволны с частотами ниже 60 кгц могут проникать под воду на глубину нескольких метров, поэтому нижний участок длинноволнового диапазона, в дополнение к диапазону VLF/ОНЧ, используется для связи с подводнымии лодками.

Рис.2.6. Радиопередатчик DCF77, его радиосигнал и наручные часы, синхронизируемые по этому радиосигналу (источник иллюстраций: www.ptb.de)

 

Частота 300 - 3000 кГц, длина волны 100 - 1000 м.

Распространение радиоволн этого диапазона, в отличие от диапазонов сверхдлинных и длинных волн, уже в значительной степени зависит от состояния ионосферы. В дневные часы радиосигнал распространяется, преимущественно, поверхностной волной, однако на меньшие, чем в ДВ диапазоне, расстояния (до 600 - 1000 км), что обусловено бОльшим поглощением сигнала землей и слоем D ионосферы. С заходом солнца дальность связи существенно увеличивается за счет повышения прозрачности ионосферного слоя D и отражения волн от слоя E, однако при этом появляются замирания (фединги) сигнала, что обусловлено интерференцией в точке приема поверхностной и отраженной радиоволн.

Габариты передающих антенн в этом диапазоне уже таковы, что они могут размещаться на морских судах, в связи с чем этот диапазон ранее широко использовался для связи на море телеграфом, а частота 500 кГц использовалась для передачи сигнала бедствия SOS. В настоящее время диапазон по-прежнему востребован морской подвижной службой. В частности, на частотах 490 и 518 кГц работает навигационно-метеорологическая система NAVTEX, входящая в состав глобальной морской системы связи при бедствии ГМСББ, а частоты 495 - 505 кГц сохранены для работы только телеграфом. Современные морские радиостанции охватывают диапазон средних волн, начиная с частоты 1605 кГц.

 

ВНИМАНИЕ! Участок средних волн от 1605 кГц и выше в современной отечественной терминологии применительно к морской радиосвязи именуется диапазоном промежуточных волн - ПВ.

Рис.2.7. Морская судовая радиостанция SAILOR диапазона MF/HF (1605 кГц - 30 МГц) и радиоприемник системы NAVTEX (490/518 кГц)

 

Диапазон также востребован службами радионавигации, службой эталонных частот и сигналов времени (частота 2500 кГц), службами фиксированной сухопутной связи. Особое значение он имеет для радиовещания, т.к. при существенно меньших, по сравнению с диапазоном ДВ, затратах на передающий комплекс он обеспечивает достаточно большую зону покрытия, а в ночное время - зону покрытия, которая даже может превышать зону покрытия длинноволнового радиовещания. В этом диапазоне также выделены две полосы частот радиолюбителям - диапазоны 600 (в РФ не разрешен) и 180 метров.

 

Частота 3 - 30 МГц, длина волны 10 - 100 м.

Связь поверхностной волной в КВ диапазоне возможна лишь на расстояниях, измеряемых десятками км. Однако за счет поочередного отражения от ионосферы и земли радиоволны этого диапазона могут распространяться на весьма значительные расстояния, измеряемые тысячами километров, а при благоприятных условиях и на расстояния 10-20 тысяч км. В то же время, в связи с зависимостью свойств ионосферных слоев от частоты, времени суток и года, солнечной активности и других факторов, дальнее распространение коротких волн нестабильно, и эта нестабильность растет с ростом частоты.

За счет скачкообразного распространения КВ радиоволн зоны приема чередуются с т.н. мертвыми зонами, в которые отраженные от ионосферы волны не попадают. Кроме того, за счет кратковременных флуктуаций в ионосферных слоях и интерференции радиоволн в точке приема за счет их многолучевого распространения, для связи на КВ характерны замирания (фединги), в т.ч. очень глубокие, которые могут иметь место, в отличие от диапазона средних волн, в любое время суток, особенно в высокочастотной области. Еще одним недостатком является значительное ухудшение прохождения в верхней части КВ диапазона в периоды минимума солнечной активности.

В связи со своей «дальнобойностью» при малых габаритах антенн и малых мощностях передатчиков КВ диапазон востребован практически всеми радиослужбами, включая и спутниковые (на прием). Он предоставляет широчайшие возможности радиовещанию, а также любительской связи. В связи с возможностью изготовления направленных антенн с диаграммой, изменяемой путем механического вращения самой антенны или изменения фазы питающих напряжений ее излучающих элементов (фазированные антенные решетки), с этого диапазона начинается использование радиочастотного спектра радиолокаторами, в первую очередь, загоризонтными, радиотелескопами радиоастрономической службы, а также средствами активного воздействия на ионосферу типа HAARP.

Рис.2.8. Армейский КВ приемник прошлого века Р-250М, современный радиолюбительский КВ трансивер и компьютерная карта КВ-приемника

 

См. дополнительно:

HAARP: Что это было на самом деле? Часть 1: Базис.

 

В отечественной теории и практике радиоволны с длиной волны менее 10 метров относят к ультракоротким. Их особенностью является то, что они обладают малой дифракцией, т.е. не могут огибать земную поверхность, и проходят, не отражаясь, сквозь ионосферу, уходя в космическое пространство. По этим причинам УКВ радиоволны распространяются в пределах прямой видимости, за исключением некоторых особых случаев, характерных для низкочастотной области и связанных с рассеянием на неоднородностях тропосферы, а также отражением от метеорных следов, от спорадического ионосферного слоя Es при его образовании и от ионосферных областей полярных сияний.

Несмотря на общие особенности ультракоротких волн, каждый их диапазон имеет свои характерные особенности, связанные в т.ч. с их поглощением атмосферой, пропускной способностью радиочастотного спектра и ограничениями технической реализации приемо-передающих средств.

 

Частота 30 - 300 МГц, длина волны 1 - 10 м.

Метровые волны практически не ослабляются атмосферой, а габариты антенн, в т.ч. направленных, позволяют компактно размещать их как на крышах зданий, так и на транспортных средствах - морских и речных судах, летательных аппаратах, автомобилях и поездах. В связи с этим данный диапазон исключительно широко востребован для ближней радиосвязи в зоне прямой видимости как фиксированной, так и подвижными службами, за исключением сетей мобильной сотовой связи, а также многими спутниковыми службами. В частности, в диапазоне 138 - 144 МГц ведется связь с воздушными судами, в диапазоне 156 - 174 МГц - с морскими судами, в диапазоне 137 - 138 МГц передают информацию метеорологические спутники. В нем расположены радиовещательные диапазоны УКВ-ЧМ (65,9 - 74 МГц) и FM (87,5 - 108 МГц), а также телевизионные каналы с первого (48,5 - 56,5 МГц) по двенадцатый (222 - 230 МГц). Кроме того, с данного диапазона начинается использование радиочастотного спектра для радиолокационного зондирование земной поверхности.

Радиолюбителям в этом диапазоне выделены две полосы частот: 50 - 54 МГц (6-ти метровый диапазон, в РФ пока не разрешен) и 144-146 МГц (2-х метровый диапазон). В последнем радиолюбители работают всеми видами связи, включая тропосферную, связь с отражением от Луны, от ионизационных следов метеоров, от спорадического слоя Es и от авроральной области ионосферы, а также связь через любительские спутники, покрывая, в зависимости от способа, расстояния от нескольких сотен до нескольких тысяч км, а при связи через Луну и более.

Рис.2.9. Телевизионная коллективная антенна 1-12 каналов (слева) и антенна любительского диапазона 2м для связи через Луну (справа)

 

Частота 300 - 3000 МГц, длина волны 1 - 10 дм.

Радиоволны дециметрового диапазона точно так же, как метровые волны, практически не ослабляются атмосферой (за исключением частоты 2,45 ГГц, на которой происходит их поглощение атмосферной водой), но при этом габариты антенн уменьшаются настолько, что становится возможным их конструктивное объединение с персональной приемо-передающей аппаратурой. Высокочастотные резонансные цепи в этом диапазоне имеют малые размеры, в т.ч. реализуются в виде полосковых линий на печатных платах, что позволяет снизить габариты высокочастотных трактов. По указанным причинам диапазон широко востребован для целей мобильной персональной радиосвязи, радиотелеметрии и радиоуправления, для чего в нем выделены несколько полос безлицензионных частот для маломощных радиостанций категорий LPD и PMR. Здесь также располагаются диапазоны 900 МГц и 1800 МГц сетей сотовой связи GSM, а до недавнего времени располагались и диапазоны 450/800 МГц сетей сотовой связи CDMA. Кроме того, в этом диапазоне расположены дециметровые телевизионные канал с 21 по 69 (в РФ с 21 по 60), а также два диапазона любительской, в т.ч. спутниковой связи - 430-440 МГц (70 см) и 1260-1300 МГц (23 см).

Многочисленные спутниковые системы, в т.ч. навигационные системы GPS и ГЛОНАСС, спутниковая система морской связи INMARSAT и др. также интенсивно используют ДМВ диапазон, в частности, спутниковые диапазоны L и S таблицы 1 - 2). Кроме того, здесь широко представленый цифровые радиосети и радиоинтерфейсы - WiFi, BlueTooth, Z-Wave, Zig-Bee и др., в т.ч. используемые в системах Умный Дом, а также радиорелейные линии.

Надо также отметить, что габариты антенн диапазона ДМВ позволяют строить из них компактные фазированные антенные решетки с управляемой диаграммой направленности для РЛС подвижных сухопутных и морских объектов, например, для мобильных систем ПВО.

Особо следует отметить, что на указанной выше единственной частоте поглощения атмосферой волн данного диапазона (2,45 ГГц - нижняя частота спектра поглощения воды) работают бытовые СВЧ печи.

Рис.2.10. Корабельный комплект морской спутниковой связи INMARSAT (слева) и мобильная РЛС ПВО с фазированной антенной решеткой ДМВ диапазона (справа)

 

См. дополнительно:

Электронный фундамент Умного Дома.

 

Частота 3 - 30 ГГц, длина волны 1 - 10 см.

С этого диапазона уже начинается полный набор проблем с распространением радиоволн в атмосфере и ионосфере, в т.ч. поглощение, мерцание, дисперсия, изменение частоты, вращение плоскости поляризации, временнЫе задержки и пр. В то же время, габариты антенн здесь уменьшаются настолько, что становится возможным применение компактных параболических антенн с очень высоким коэффициентом направленного действия, что необходимо для приема радиосигналов с геостационарных спутников, например, сигналов спутникового телевидения. Габариты высокоэффективных фазированных антенных решеток в этом диапазоне позволяют компактно размещать их на летательных аппаратах. Кроме того, сверхвысокая частота позволяет получать высокое разрешение радиолокации и измерять скорость объектов по доплеровскому смещению отраженного сигнала. По этим причинам данный диапазон широко используется в бортовых РЛС целеуказания и в РЛС систем управления воздушным движением, а также в радарах дорожно-патрульных служб.

В нижней своей части сантиметровый диапазон востребован теми же системами, что и диапазон дециметровых волн. В частности, здесь представлен верхний диапазон сетей WiFi, верхние диапазоны (фидерные линии) системы морской спутниковой связи INMARSAT, системы воздушной и морской радионавигации, радиорелейные линии фиксированной службы, а также любительская связь, в т.ч. спутниковая и с отражением от Луны.

Кроме того, различные эффекты взаимодействия со средой, в т.ч. указанные выше, которые, с одной стороны, негативно влияют на радиосвязь, с другой стороны позволяют получать ценную информацию о данной среде. Поэтому сантиметровый диапазон широко востребован спутниковыми системами дистанционного зондирования земли и наземными системами зондирования атмосферы и ионосферы, в т.ч. в метеорологии.

Также следует отметить, что сантиметровый диапазон требует применения специальных элементов и технических решений для генерации и усиления радиочастотных сигналов - магнетронов, клистронов, ламп бегущей волны, объемных резонаторов, параметрических усилителей на малошумящих диодах и пр.

Рис.2.11. Бортовая РЛС с фазированной антенной решеткой (слева) и экран погодного радара (справа)

 

Частота 30 - 300 ГГц, длина волны 1 - 10 мм

Распространение миллиметровых волн в еще большей степени, чем распространение сантиметровых волн, связано с различным нелинейными эффектами и поглощениями, поэтому дальность связи у поверхности Земли ограничена несколькими сотнями метров, а в вертикальном направлении - несколькими десятками километров. В связи с этим, основными областями их применения являются системы спутниковой связи космос-космос, метеорологические и допплеровские радары, в частности, полицейские радары, радиорелейные линии, а также радиоастрономические наблюдения.

В связи с дефицитом ресурсов более низких частот, освоение миллиметрового диапазона становится делом ближайшего будущего. В частности, его планируется использовать для систем сотовой связи 5G, а также для систем HAPS (High Altitude Platform Systems), основанных на применении ретрансляторов, располагаемых на высоте 20-25 километров, например, на аэростатах.

Особо следует отметить, что в этом диапазоне планировал управлять погодой, в частности, в целях нейтрализации торнадо, «папа» суперпроекта HAARP Бернард Дж. Истлунд.

Рис.2.12. Аэростат системы HAPS, полицейский радар и проект Истлунда Tornado mitigation

 

См. дополнительно:

Доктор Истлунд и климатическое оружие

 

Частота 300 - 3000 ГГц, длина волны 0,1 - 1 мм

Внимание! Данный диапазон, особенно в русскоязычных источниках, часто называется диапазоном субмиллиметровых волн.

 

Как уже отмечалось в главе 1, децимиллиметровое радиоизлучение фактически лежит в нижнем участке спектра дальнего инфракрасного излучения, поэтому отнесение его к радиочастотному ресурсу сомнительно. Тем не менее в регламенте ITU интервал частот от 300 до 3000 ГГц присутствует, хотя и не распределен.

Для приема и генерации децимиллиметровых сигналов классические радиотехнические принципы по большей части малоприменимы, как малоприменимы по большей части и классические оптические решения. Поэтому элементная база здесь весьма экзотична - лампы обратной волны, гиро- и оротроны, сегнетоэлектрики, болометры, ячейки Голея, диоды Ганна, квантовые каскадные лазеры, полупроводниковые наноструктуры и т.п.

В настоящее время этот диапазон находится в стадии фундаментальных исследований и опытно-экспериментальных разработок, поэтому подробно и объективно говорить о его возможностях и проблематике, а также о представленных в нем службах не приходится. Однако ему предсказывают большое будущее в области систем технического зрения, в т.ч. в области разнообразных систем идентификации, опознавания, охраны, безопасности, сканирования и т.д. Это связано с возможностью получения изображений наблюдаемых объектов с высоким разрешением, сравнимым с разрешением инфракрасных систем, но при этом еще и с возможностью видеть через определенные препятствия, непрозрачные для оптического излучения, например, через пластиковые панели и оболочки, перегородки из керамики (т.е. из кирпича!), через биологические ткани и др.

Несмотря на преимущественно исследовательскую стадию освоения децимиллиметров есть и определенные практические результаты, например, в части использования этого диапазона в астрономии, спектроскопии, сканировании багажа и пассажиров на предмет обнаружения запрещенных к провозу предметов и др.

Рис.2.13. Схема лампы обратной волны для генерации децимиллиметровых колебаний

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 17.09.19 Последнее изменение - нет

© Janto 2019 Все права защищены