Радиочастотные диапазоны

Согласно международной конвенции электросвязи (г. Монтре, 1965 г.), любые устройства и радиостанции, излучающие электромагнитные волны, должны быть регламентированы. Мировое пространство в отношении распределения радиочастот делится на три района: первый - Европа и Африка, второй - Северная, Южная Америка и Гренландия, третий - Азия и Австралия. Россия и СНГ входят в состав первого района.

1. Высшая группа «0» - комплексы по производству радиопродукции в стереофоническом или (и) монофоническом режимах в диапазоне частот 40 Гц-15 кГц.

2. Подгруппа «0ац» - комплексы но производству радиопродукции с аналого-цифровым оборудованием (с применением цифровых устройств записи-воспроизведения).

3. Подгруппа «0а» - комплексы по производству радиопродукции с аналоговым оборудованием.

4. Первая группа «1» - комплексы по производству радиопродукции в монофоническом режиме в диапазоне частот 50 Гц-10 кГц.

Радиоволны составляют электромагнитное поле, создаваемое антенной системой в окружающем пространстве при питании ее током высокой частоты. Распространение электромагнитного поля напоминает движение волн по поверхности воды и происходит с высокой скоростью - 300 000 км/сек. Радиоволны, распространяющиеся вдоль поверхности Земли, называются поверхностными, а под различными углами - пространственными. И те, и другие распространяются в атмосфере. Атмосфера неоднородна, нижний ее слой (10-15 км) называется тропосферой, а верхний - ионосферой (до 500-600 км от поверхности Земли). В обычном состоянии воздух не проводит электричество, но под воздействием солнечных лучей происходит ионизация слоев воздуха, отчего ионы могут поглощать, отражать или искривлять направление радиоволн. Это качество особенно заметно на высоте более 80-100 км. Пространственные радиоволны, проходя через различные слои атмосферы, способны менять свое направление: чем выше степень ионизации слоев воздуха, тем больше будет искривление радиоволн. Поверхностные радиоволны обладают способностью искривлять траекторию своего движения, как бы следуя кривизне Земли, это явление называется рефракцией. При встрече с небольшим препятствием волна стремится обогнуть его. Это явление называется дифракцией. Электромагнитные волны, используемые для различных видов радиосвязи в зависимости от их длины, подразделяют на следующие диапазоны:

Длинные волны (AM) - километровые - длина волны 1-20 км; частота 148-408 КГц; амплитудная модуляция; первая категория качества (50 Гц-10 КГц); моновещание.

Освоение радиочастотного диапазона началось именно с длинных, точнее сверхдлинных волн, так как в качестве первых волновых излучателей использовались машинные генераторы. Основное преимущество длинных волн - способность огибать препятствия (дифракция), следовательно, длинные волны подходят для вещания в условиях городской застройки или горной местности. Дальность распространения сигнала зависит от мощности передатчика и совершенно не зависит от состояния ионосферы. Радиосвязь на длинных волнах возможна только при помощи поверхностных радиоволн.

Прием радиовещания в данном диапазоне стабилен и почти не зависит от времени суток и сезона. Максимальная дальность распространения длинных волн - 2000 км. Благодаря этому диапазону государственное радиовещание охватывает огромные территории нашей страны, включая малозаселенные районы Севера и Дальнего Востока. Тем не менее качество вещания зависит от промышленных помех и атмосферных явлений.

Поскольку энергию длинной волны сильно поглощает земная поверхность, применяются очень мощные передающие устройства, от 500 до 1500 кВт, установленные за пределами населенных пунктов. Окупаемость передатчика, несмотря на огромный охват территории, невозможна. Beщание в данном диапазоне является затратным.

Средние волны (AM) - гектометровые - длина волны 575-187 м; частота 535-1605 КГц; амплитудная модуляция; первая категория качества (50 Гц-10 КГц); моновещание.

Степень поглощения этих волн ионосферой в значительной степени зависит от времени суток. Днем поглощение энергии средних волн значительно больше, чем в ночное время. Поэтому радиосвязь на большие расстояния за счет пространственной волны возможна только в вечернее и ночное время.

Средние волны имеют достаточную дифракцию для распространения в условиях городской застройки, при этом уровень промышленных помех значителен. В непромышленных зонах качество вещания отвечает первой категории, в городах - значительно ниже. Дальность распространения сигнала зависит от состояния ионосферы: днем сигнал, отражаясь от ионосферы (при высокой концентрации электронов), возвращается на землю слишком слабым, а ночью (при низкой концентрации электронов в ионосфере) дальность распространения сигнала сильно увеличивается (до 2000 км).

Мощность применяемых передатчиков в диапазоне средних волн в дневное время может составлять 5-10 кВт, а в ночное время в принципе может быть снижена в 10-20 раз.

В диапазоне средних волн для расширения зоны обслуживания применяется синхронное радиовещание (одна программа на одинаковой вещательной частоте распространяется несколькими передатчиками). В этом случае используются передатчики малой и средней мощности. Блистательным примером сетей синхронного вещания на средних волнах (549 килогерц)являлись программы «Маяка», транслировавшиеся десятками и сотнями радиостанций на одной частоте. Это было большим достижением отечественной науки и техники - позывные «Маяка» были очень стабильны и принимались практически в любом уголке страны.

Короткие волны (AM) - декаметровые - длина волны 90-11 м; частота 3,95-26,1 КГц; амплитудная модуляция; первая категория качества (50 Гц-10 КГц); моновещание.

Распространение радиоволн в области приема земной волны из-за сильного поглощения почвой ограничено всего несколькими десятками километров, поэтому главным достоинством KB является способность многократно отражаться от ионосферы и при малой мощности передатчиков распространяться на очень большие расстояния. Основная область применения - иновещание. Короткие волны являются пространственными.

Диапазон KB состоит из нескольких поддипазонов от 75 до 11 метров. В верхней части дипазона (75-49 м) уровень промышленных помех чрезвычайно высок. В поддиапазоне от 41 до 19 метров промышленные помехи незначительны. А в нижней части диапазона (16-11 м) атмосферные и промышленные помехи практически отсутствуют.

Короткие волны используются для вещания на зарубежные страны. «Дневной» поддиапазон (13, 16, 19 метров) используется в светлое время суток, «ночной» (25, 31, 41, 49 и 75) - в темное время суток.

Мощность передатчиков (от 50 Вт до 1500 кВт) может изменяться в зависимости от времени суток: ночью, достигает максимальных значений, а с рассветом может быть снижена.

Одним из недостатков считается явление «замирания» радиоволн: сила принимаемого сигнала постепенно уменьшается, а иногда и полностью прекращается. Это происходит потому, что радиоволны распространяются от передатчика по разным путям, под разными углами, и на радиоприемник могут прийти одновременно несколько волн; складываясь, они могут либо усиливать, либо ослаблять друг друга. Существуют участки Земли, где прием коротких волн иногда невозможен. В пространстве между местом, где прекращается прием поверхностной волны, и местом возвращения на Землю отраженной пространственной волны образуется зона молчания.

В России короткие волны для вещания внутри страны почти не используются, основной объем вещания рассчитан на слушателей за рубежом. Для космической радиосвязи KB непригодны, так как ионосфера для них непрозрачна.

Ультракороткие волны (УКВ-1, УКВ-2 /FM/) - метровые - (длина волны 4,6-2,8 м; частота 65,9-108 МГц; частотная модуляция; высшая категория качества (30 Гц-15 КГц); стерео- или моновещание. Поверхностные и пространственные волны.

FM-радиостанции (УКВ-2) появились в России сравнительно недавно, но они очень быстро завоевали своего слушателя высоким качеством звучания в эфире.

В диапазоне метровых волн по существу представлено несколько поддиапазонов: УКВ-1 - 65,9-74 МГц; УКВ-2 - 87,5-108 МГц.

Способность волны огибать препятствия в УКВ диапазоне минимальна, сигнал может распространяться только

в зоне прямой (почти оптической) видимости между передающей и приемными антеннами; данный диапазон свободен от атмосферных помех, а длят борьбы с промышленными и местными помехами (электродвигатели, системы зажигания автомобилей и т.д.) применяется частотная модуляция. Для увеличения зоны прямой видимости передающие и приемные антенны поднимают на максимально возможную высоту. Обычно расстояние прямой видимости составляет 40-50 км, однако благодаря небольшой рефракции может достигать 60-80 км.

УКВ диапазон идеален для вещания в больших и средних городах, передатчики с мощностью от 2 до 15 кВт могут располагаться в черте населенных пунктов и из-за небольшой стоимости быстро окупаться коммерческими радиостанциями. Однако напряженность поля в метровом диапазоне неравномерна, так как прямые волны сталкиваются с отраженными от Земли и зданий волнами и в непосредственной близости от передатчика могут возникать звуковые искажения. Поэтому рекомендуется располагать передающие антенны на удалении от густонаселенных районов.

Радиус зоны обслуживания обусловлен исключительно высотой передающей антенны. Для расширения зоны вещания необходимо использовать ретрансляторы. УКВ волны прозрачны для ионосферы, поэтому в данном диапазоне может осуществляться космическая связь.

Открытие радиоволн дало человечеству массу возможностей. Среди них: радио, телевидение, радары, радиотелескопы и беспроводные средства связи. Всё это облегчало нам жизнь. С помощью радио люди всегда могут попросить помощи у спасателей, корабли и самолёты подать сигнал бедствия, и можно узнать происходящие события в мире.

Создание электромагнитных волн опытным путём принадлежит физику Герцу. Для этого Герц использовал высокочастотный искровой разрядник (Вибратор). Произвёл этот опыт Герц в 1888 г. Состоял вибратор из двух стержней, разделённых искровым промежутком. Экспериментировал Герц с волнами частотой 100000000 Гц. Вычислив собственную частоту электромагнитных колебаний вибратора, Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле υ=λν.Она оказалась приближенно равна скорости света: с=300000 км/с.

Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). Кстати свет также относится к электромагнитным волнам, что и определяет их весьма схожие свойства (отражение, преломление, затухание и т.п.).
Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. А рождаются они при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивают искры, т.е. ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, следовательно, сколько раз в секунду изменяется в каждой точке пространства величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц) – единицах названных именем великого немецкого ученого Генриха Рудольфа Герца. 1 Гц – это одно колебание в секунду, 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду. Зная, что скорость движения электромагнитных волн равна скорости света, можно определить расстояние между точками пространства, где электрическое (или магнитное) поле находится в одинаковой фазе. Это расстояние называется длиной волны. Длина волны (в метрах) рассчитывается по формуле: или примерно где ¦ – частота электромагнитного излучения в МГц.

Самый простой случай - это распространение радиоволны в свободном пространстве. Уже на небольшом расстоянии от радиопередатчика его можно считать точкой. А если так, то фронт радиоволны можно считать сферическим. Если мы проведем мысленно несколько сфер, окружающих радиопередатчик, то ясно, что при отсутствии поглощения энергия, проходящая через сферы, будет оставаться неизменной. Ну, а поверхность сферы пропорциональна квадрату радиуса. Значит, интенсивность волны, т. е. энергия, приходящаяся на единицу площади в единицу времени, будет падать по мере удаления от источника обратно пропорционально квадрату расстояния.

Как распространяются радиоволны

Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.
Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота). Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.
Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.
Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.

Диапазон

С учётом особенностей распространения, генерации и (отчасти) излучения весь диапазон радиоволн принято делить на ряд меньших диапазонов: сверхдлинные волны, длинные волны, средние волны, короткие волны, метровые волны, дециметровые волны, сантиметровые волны, миллиметровые волны и субмиллиметровые волны (табл. 1). Деление радиочастот на диапазоны в радиосвязи установлено международным регламентом радиосвязи (табл. 2). Все это официальные, четко отграниченные участки спектра.
В то же время термин "диапазон" в зависимости от контекста может применяться для обозначения какого-то произвольного участка радиоволн/радиочастот (например - "любительский диапазон", "диапазон подвижной связи", "диапазон low band", "диапазон 2,4 ГГц" и т.п.)

Табл. 1. - Деление всего диапазона радиоволн на меньшие диапазоны.

Табл. 2.1. - Диапазон радиочастот

Табл. 2.2 . - Диапазон радиоволн

Динамический диапазон
Динамический диапазон радиоприемного устройства - это отношение максимально допустимого уровня принимаемого сигнала (нормируется уровнем нелинейных искажений) к минимально возможному уровню принимаемого сигнала (определяется чувствительностью устройства) выраженное в децибелах. Другими словами - это разность между максимальным и минимальным значениями уровней сигналов, при которых еще не наблюдается искажений. Причиной этих искажений является нелинейность усилительного тракта рассматриваемого устройства. Чем шире ДД, тем более сильные сигналы способно принимать устройство без искажений. Динамический диапазон шире у дорогих приемников, хотя сравнивать их по этому параметру практически невозможно, т.к. он очень редко указывается в характеристиках.

Распределение спектра

Радиоволны (радиочастоты), используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой. Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются. Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны.