Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) занимает коротковолновый участок радиоволн по частотам от 300 МГц до 3000 ГГц и по длинам волн соответственно от 1 м до 0,1 мм (см. рис. 1). На низкочастотном краю он граничит с УКВ радиодиапазоном, а на высокочастотном краю – с инфракрасным диапазоном оптического излучения. Условные обозначения радиоволновых диапазонов показаны на рис. 2.
                                             
|
| Рис. 1.1. Диапазоны электромагнитного излучения
|
Пути распространения радиоволн упрощенно иллюстрируются на рис. 1.3. Традиционные радиоволны (РВ) с частотами ниже 300 МГц огибают землю (поверхностная волна 1) или отражаются от ионосферы (пространственная волна 2). Такие отражения могут происходить многократно. Поглощение излучения атмосферой невелико и зависит от ее состояния, времени суток и др. При этом волны не выходят за пределы ионосферы и способны полностью обогнуть земной шар.
Излучение СВЧ диапазона распространяется в пределах прямой видимости (подобно оптическому излучению), может пронизывать ионосферу и выходить за ее пределы, обеспечивая связь с космическими объектами (волны 3, 4 и 5). Волны с длиной волны свыше 1 см поглощаются атмосферой сравнительно слабо, в диапазоне сантиметровых волн наблюдаются наиболее низкий уровень шумов различного происхождения. В диапазоне КВЧ поглощение атмосферой существенно возрастает, но имеются «окна прозрачности», где потери сравнительно невелики (участки вблизи 35 ГГц, 94 ГГц и др.). Оптические волны также распространяются в пределах прямой видимости и способны выходить в космос, но характеризуются очень высокими потерями в атмосфере в условиях облачности, тумана, осадков и др., что делает такую связь через атмосферу ненадежной.
|
| Рис. 1.3. Распространение радиоволн
|
Основные области применения радиоволн перечислены на рис. 1.4.
| 100 – 10 км
| служебная связь; связь с подводными лодками
| | 10 – 1 км
| радиовещание; навигация
| | 1 – 0,1 км
| радиовещание; навигация; служебная связь
| | 100 – 10 м
| радиовещание; дальняя связь с движущимися объектами; любительская
радиосвязь
| | 10 – 1 м
| ТВ; РЛ; ближняя связь с движущимися объектами; радиовещание; навигация
| | 100 – 10 см
| ТВ; РЛ; радиорелейная связь; системы посадки; сотовая телефонная связь; СВЧ нагрев
| | 10 – 1 см
| РЛ; радиоастрономия; связь с космическими объек
ами; спутниковое ТВ
| | 10 – 1 мм
| ближняя РЛ; радиоастрономия; медицинская техника
| | 1 – 0,1 мм
| космическая связь, физические исследования
|
|
| Рис. 1.4. Основные области применения радиоволн
|
Наиболее широкой и важной областью применения СВЧ волн, как и более длинных радиоволн, является техника связи. Рассмотрим особенности СВЧ диапазона по сравнению с остальными радиодиапазонами, имея в виду названную область их использования.
Известно, что передача информации по радиоканалу требует определенной полосы частот вблизи центральной «несущей» частоты, выделенной для данного канала. Так, минимальная полоса частот, необходимая для передачи звуковых сигналов при умеренном качестве их воспроизведение, составляет около 20 кГц. При передаче телевизионного сигнала требуется уже около 8 МГц. Переход к системам цифровой связи позволяет повысить качество и надежность передачи, но требует значительного расширения занимаемой полосы частот. Из этого следует, что емкость «традиционных» радиодиапазонов (включая УКВ диапазон метровых волн) недостаточна для использования современных систем качественной передачи телевизионных сигналов, многоканальных систем телефонной сотовой связи и др. Возможности их внедрения открылись только после освоения СВЧ диапазона.
Применение СВЧ линий связи позволило многократно повысить скорость передачи цифровых данных и передавать большое количество разнообразной информации (в том числе многих видеосигналов в реальном масштабе времени) одновременно по одному каналу от передатчика к приемнику. При этом ширина рабочей полосы частот может быть всего лишь порядка 1 % от несущей частоты. Из сказанного понятно, почему развитие радиотехники сопровождается постоянной борьбой за освоение все более коротковолновых диапазонов.
При использовании систем радиолокации и в большинстве случаев специальной связи применяются высоконаправленные антенны с шириной луча в единицы градусов или даже доли градуса. Это дает возможность резко увеличить дальность связи при заданной мощности передатчика. Узкий луч необходим для достижения высокой точности и разрешающей способности радиолокаторов. Помимо этого, для обнаружения объектов с помощью систем радиолокации необходимо, чтобы длина волны излучения не превышала размеров объекта, иначе луч будет его огибать, не давая эффективного отраженного сигнала. Поэтому для решения наиболее важных задач в данной области техники требуется работать на длине волны не более 1 м.
Коэффициент направленности антенны пропорционален площади ее зеркала и обратно пропорционален квадрату длины волны излучения. Поэтому при увеличении рабочей частоты значительно возрастает выигрыш за счет использования высоконаправленных антенн, который в СВЧ диапазоне может достигать порядка 105, такие значения коэффициента направленности характеризуют как передающую, так и приемную антенны. Это позволяет судить о достоинствах волн СВЧ диапазона для систем связи, радиолокации, радиоастрономии и др. по сравнению с более длинными радиоволнами.
Как показано на рис. 1.3, только радиоволны СВЧ диапазона способны пронизывать земную атмосферу и обеспечивать связь с космическими объектами. Поэтому вся деятельность, связанная с освоением и использованием космоса, основана на применении систем связи этого диапазона.
Наиболее важные достоинства СВЧ диапазона по сравнению с более длинноволновыми радиодиапазонами (кроме п. 5) перечислены на рис. 1.5.
|
| Рис. 1.5. Достоинства СВЧ диапазона
|
