Из-за того, что большинство “айтишных технологий”, таких как Wi-Fi или сотовая связь живут на участке спектра 400 МГц - 6 ГГц, у многих инженеров начало смазываться понятие длины волны (λ).
Точнее не так. Они оперируют этим понятием очень узко, применительно к той полосе частот на которой работают. Что нам может сказать термин λ? То, что при прочих равных (коэффициент усиления антенны, мощность передатчика, потери на тракте и пр.) сигнал с бОльшей длиной волны (и меньшей частотой) сможет преодолеть бОльшее расстояние.
Ошибка ли это? Ни в коем случае, все так и есть. Но это очень узкий подход. По незнанию его можно начать применять слишком буквально. И открыть для себя, что эти зависимости чуть сложнее, чем кажутся на первый взгляд. Рука об руку с длиной волны идет такой термин, как “распространение в средах”. У каждого диапазона есть свои особенности в отношениях со средой.
В этой статье мы пробежимся по фундаментальным основам физики и узнаем, какое практическое влияние окажет на сигнал тот или иной диапазон. Постараюсь описать это с минимальным занудством и понятным широкому кругу читателей языком.
Линейка диапазонов
Как мы все знаем, в основе радиосигнала лежат колебания электромагнитного поля, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Частота (𝑓) - это число полных колебаний в секунду (измеряется в герцах, Гц), а длина волны (𝜆) - расстояние, которое волна проходит за один период колебания.
Эти величины связаны простым соотношением 𝑣=𝜆*𝑓
Чем выше частота, тем короче длина волны при одной и той же скорости распространения. В вакууме эта скорость равна 300 000 000 м/с.
Но мы живем не в вакууме. На своем пути волна постоянно встречает какие-то объекты, и распространяется в какой-то среде. И тут становится важен размер этих объектов относительно длины волны. Когда неровность рельефа, капля дождя, кромка крыши или толщина стенки соотносятся с 𝜆, меняется доминирующий механизм распространения: дифракция (огибание препятствий), отражение, рассеяние, поглощение, интерференция. А это, в свою очередь, приводит к скачкообразному, на первый взгляд, различию между диапазонами.
На низких частотах, где длина волны велика, заметную роль играет приземная волна, распространяющаяся вдоль поверхности Земли. Ее затухание чувствительно к проводимости и диэлектрическим свойствам подстилающей поверхности. Морская вода и влажная почва дают один сценарий, сухой песок и скальные грунты - другой. Именно поэтому дальность и стабильность реального покрытия на ДВ/СВ исторически зависели не только от мощности передатчика, но и от географии трассы. Этот механизм формализован в методах ITU-R P.368, где диапазон применения явно задан как 10 кГц–30 МГц.
На КВ в игру вступает ионосфера: слой плазмы в верхней атмосфере, способный возвращать волну к поверхности при определенных частотах и углах. В результате связь становится «прыгающей». С одной стороны реально построить межконтинентальную трассу без спутника. С другой появляется зависимость от времени суток, сезона, солнечной активности, геомагнитных возмущений и рабочей частоты. Это не аномалия, а обычный режим и именно поэтому существуют стандартизованные подходы к прогнозу пригодных частот и вероятности прохождения.
На еще более высоких частотах ионосферная роль для наземной связи ослабевает, зато резко растут значимость прямой видимости, многолучевости в застройке, дождевого ослабления и газового поглощения. Для микроволн и миллиметровых волн уже нельзя говорить о трассе, не упомянув осадки, влажность, вертикальный профиль атмосферы и точность наведения антенн.
По общепринятой классификации существует девять диапазонов радиоволн. Вот они:
Название | Длина волны | Частота |
Очень низкие частоты, мириаметровые волны | 10-100 км | 3-30 кГц |
Низкие частоты, километровые волны | 1-10 км | 30-300 кГц |
Средние частоты, гектометровые волны | 0,1-1 км | 300 - 3000 кГц |
Высокие частоты, декаметровые волны | 10-100 м | 3 - 30 МГц |
Очень высокие частоты, метровые волны | 1-10 м | 30-300 МГц |
Ультравысокие частоты, дециметровые волны | 0,1-1 м | 300-3000 МГц |
Сверхвысокие частоты, сантиметровые волны | 1-10 см | 3-30 ГГц |
Крайне высокие частоты, миллиметровые волны | 0,1-1 см | 30-300 ГГц |
Гипервысокие частоты, субмиллиметровые волны | 0,1–1 мм | 300-3000 ГГц |
Рассмотрим их по порядку.
Очень низкие частоты
Диапазон 3 кГц - 30 кГц. Название волн - мириаметровые. Длина - 10-100 км.
Первая вещь, которую нужно осознавать, когда мы говорим про диапазоны очень длинных и просто длинных волн. Там ОЧЕНЬ, максимально, экстремально узкая полоса.
ВСЕ мириаметровые волны укладываются в 27 кГц. С чем это можно сравнить?
Ширина стандартного канала Wi-Fi - 20 МГц.
Ширина стандартного канала Bluetooth - 1 МГц.
Ширина стандартного канала LoRaWAN - 125 кГц.
Ширина стандартного канала DMR2 (рации) - 12,5 кГц.
Итого, в ОНЧ мы едва-едва впихнем два канала для раций. С точки зрения привычных нам диапазонов тут не то что мало места, его тут почти нет.
Вторая важная вещь. Как мы помним из курса физики длина антенны должна быть эквивалентна длине волны. Самые ходовые размеры 𝜆/2 и 𝜆/4. Вы можете представить себе антенну длиной 50 километров? И я не могу.
Все антенны на этот диапазон электрически малы, т.е. удлиняются различными схемотехническими хитростями. Под��обнее тему удлинения антенн мы разбирали тут.
Что делают для удлинения антенн в ОНЧ? Вводят нагрузочные катушки, емкостные верхние нагрузки, сложные многопроводные полотна, борются за каждый ом сопротивления излучения. Это очень важный момент, который часто упускают в популярном пересказе. ОНЧ антенна - это не просто кусок металла в воздухе. Это вся система целиком: мачты, проводники, заземление, согласующее устройство, иногда целая территория, превращенная в излучающий контур. И именно поэтому эффективность здесь стоит очень дорого. Это колоссальная и очень сложная инфраструктура.
Сразу на ум приходит Шведская радиостанция Гриментон для работы на 17,2 кГц. Это плоская многопроводная антенна: несколько параллельных проводов, натянутых между 6 стальными мачтами.
Каждая мачта около 127 м высотой, с поперечиной наверху. Общая длина антенны порядка 2 километров. Этот радиомонстр был построен в 1922-1924 годах для трансатлантической телеграфии. Сейчас объект ЮНЕСКО.
Отсюда вытекает еще одна неочевидная, но ключевая вещь. На ОНЧ почти бессмысленно обсуждать дальность в отрыве от энергетики и эффективности излучения. В диапазонах повыше мы часто начинаем разговор с распространения: «как ведет себя волна в атмосфере», «что делает рельеф», «какой радиогоризонт». В ОНЧ первый вопрос другой: сколько мощности мы вообще сумели превратить в излученное поле, а не сожгли в потерях антенной системы и земли. Потому что сопротивление излучения у электрически малой антенны очень мало, а реактивная энергия огромна. По факту, у нас не передатчик, а борец с собственной реактивностью.
Вспоминая логику из начала статьи, ОНЧ часто воспринимают как диапазон ультрадальней связи. Мол, низкая частота, длинная волна, значит, все должно лететь далеко и надежно. Частично это правда - длинная волна действительно хорошо живет в приповерхностном канале и иначе взаимодействует со средой, чем метры и гигагерцы. Но без второй половины правды картина неполная. Да, по распространению физика на нашей стороне. Но антенно-мачтовые конструкции и ширина полосы наши противники. Мы выигрываем в одном месте и тут же платим в другом - площадью объекта, мощностью, стоимостью и скоростью передачи.
Полезно держать в голове, что на ОНЧ почти все делается ради устойчивости и предсказуемости. Это диапазон, где связь не обязана быть быстрой, но обязана дойти. Поэтому здесь исторически и закрепились задачи, где важнее сам факт прохождения сигнала, чем его объем. Не случайно именно в этой области и рядом с ней десятилетиями развивались системы специальной и морской связи. Когда у вас задача уровня «лучше медленно, чем никак», ОНЧ перестает выглядеть чем-то тяжелым и начинает выглядеть вполне рабочим решением. Особенно на кораблях, которым размеры позволяют иметь габаритные антенные сооружения.
Подводя итог по ОНЧ. Длина волны огромна, значит, антенны электрически малы. Полоса ничтожна, значит, скорость и спектральная роскошь исключены на входе. Поверхность Земли становится частью канала, значит, распространение нельзя обсуждать отдельно от грунта и моря. И в результате весь диапазон сводится к следующим постулатам: большие сооружения, узкие сигналы, высокая энергетическая дисциплина, ставка на живучесть.
И это важная отправная точка для следующего диапазона. Потому что в НЧ физика распространения еще очень похожа по духу. Поверхность все еще играет главную роль, но антенны и практическая эксплуатация уже начинают выходить из режима «радиомонстра» в режим тяжелой, но все-таки более привычной радиотехники.
Низкие частоты
Диапазон 30 кГц - 300 кГц. Название волн - километровые. Длина - 1-10 км.
Длины волн здесь все еще гигантские по меркам привычной радиосвязи: от 1 до 10 километров. После ОНЧ возникает ложное ощущение, будто мы уже спустились на землю и дальше начнется что-то более привычное.
Не начнется.
Мы все еще в мире, где волна больше дома, квартала и даже (в частных случаях) пролета между точками.
Физика распространения НЧ - это по-прежнему опора на поверхность Земли. Поверхностная волна остается ключевым режимом распространения, и она ведет себя по-разному над морем, влажным грунтом и сухой почвой. На карте покрытия это проявляется географически. Одна и та же передающая мощность дает разный результат в разных направлениях, потому что трасса проходит по разной поверхности. В этом смысле НЧ - диапазон, где радиоинженеру полезно немного быть геофизиком.
При этом НЧ уже не так беспощадны к инфраструктуре, как ОНЧ, но антенны все равно остаются огромными. Четверть волны - это сотни метров и километры, так что резонансные размеры для большинства практических объектов недостижимы. Антенны по-прежнему электрически малы, с емкостными нагрузками, развитым заземлением и борьбой за эффективность излучения. Просто теперь это не всегда радиомонстр уровня Гриметона, а чаще тяжелый компромисс между высотой мачты, потерями в земле и допустимой стоимостью объекта.
Исторически это максимально рабочий диапазон. НЧ долго использовались в навигации и служебной связи именно потому, что поверхностная волна давала предсказуемое покрытие, а зависимость от ионосферы была куда слабее, чем на коротких волнах. Это важная черта диапазона, которую легко недооценить сегодня, когда мы привыкли к стабильной связи. НЧ исторически побеждали не скоростью, а надежностью поведения канала. И во времена зарождения радиосвязи, это правда был огромный плюс.
Есть, впрочем, и обратная сторона, о которой часто забывают. На НЧ заметны атмосферные шумы, индустриальные помехи, наводки от всего, что искрит, коммутирует и плохо экранировано. Поэтому чувствительность приемника здесь редко является единственным ограничителем. Очень часто вы упираетесь в шумовую обстановку и динамический диапазон.
Отличный пример объекта на НЧ-волнах - передатчик точного времени DCF77 в Германии. Работает на частоте 77,5 кГц. PTB (немецкий метрологический институт) использует DCF77 для передачи эталонной частоты и национального времени, а сигнал десятилетиями принимают радиочасы по всей Европе. Можете по фото оценить его аппаратную и антенное поле.
Если резюмировать по НЧ: это диапазон, где антенна все еще больше похожа на монстра, а качество связи определяется не только мощностью, но и тем, насколько хорошо вы просчитали трассу с точки зрения поверхности (а не воздуха).
Дальнейший контраст особенно интересен. Потому что в СЧ поверхность никуда не денется, но в игру войдет ионосфера. И один и тот же сигнал начнет жить по разным правилам днем и ночью.
Средние частоты
Диапазон 0,3 МГц - 3 МГц. Название волн - гектометровые. Длина - 100-1000 м.
Начиная с СЧ особенно хорошо видно, что у радиосигнала может быть два разных маршрута одновременно. Днем основную работу делает поверхностная волна. Сигнал идет вдоль Земли, затухает предсказуемо, и карта покрытия в значительной степени определяется мощностью передатчика, проводимостью грунта и качеством приемника.
Ночью картина меняется. Ионосферный слой D, который днем заметно «съедает» энергию в этих частотах, ослабевает, и волна способна уходит вверх. Она преломляется в ионосфере и возвращается на Землю далеко за горизонтом. И вот в этот момент один и тот же передатчик начинает жить сразу в двух масштабах: локальном и межрегиональном.
Такой внезапный финт ушами находит отражение в регуляторике. Ведь при неизменном уровне сигнала ночью подобные волны начнут создавать взаимные помехи между станциями, сидящими на одинаковых частотах в разных регионах. Поэтому средневолновое вещание исторически обросло жесткими правилами ночной работы. Часть AM-станций обязана снижать мощность, менять диаграмму направленности или вообще уходить с эфира, чтобы не мешать друг другу на дальних трассах.
По антеннам тут все еще громоздко. Полноразмерные резонансные размеры велики, поэтому в практике по-прежнему доминируют вертикальные излучатели, мачты, укороченные конструкции с нагрузкой и очень внимательная работа с заземлением.
Вертикальная поляризация здесь правит бал. Она лучше поддерживает поверхностную волну, а значит, лучше работает на поверхностном сценарии покрытия. При этом в СЧ уже заметен баланс между эффективностью антенны и расходами на нее: каждый метр высоты и каждая добавленная емкостная нагрузка стоят денег, но прямо превращаются в децибелы поля.
Средние волны исторически и практически используются в трех очень разных сценариях. Первый - это классическое AM-вещание на средних волнах. Именно участок диапазона 531–1602 кГц в Европе обычно и называют MW/AM band.
Второй - морская передача навигационной и метеорологической информации NAVTEX, где международная служба работает на 518 кГц, а национальные службы - на 490 кГц. Это прямо закреплено в документах IMO по NAVTEX Manual.
Третий - авиационные и морские служебные/навигационные применения, где СЧ ценят за предсказуемость прохождения сигнала и устойчивость в приповерхностном канале.
Очень хороший пример СЧ - береговая станция НАВТЕКС «Архангельск» у «Росморпорта». Рабочая частота 518 кГц лежит прямо в СЧ-диапазоне, сигнал узкополосный. Передаются навигационные и метеорологические сообщения, где главная ценность - не скорость, а гарантированная доставка на суда в зоне ответственности. Интересно, что при перевооружении для этой службы поставили новую резервную Т-образную антенну на 518 кГц. То есть даже на современном объекте мы видим ту же самую физику СЧ: вертикальная/Т-образная антенная система и ставка на надежность/покрытие, а не на полосу. Станция гарантированно доставляет сообщения в радиусе 127,5 морских миль (236 км).
Высокие частоты
Диапазон 3 МГц - 30 МГц. Название волн - декаметровые. Длина - 10-100 м.
И вот здесь у нас сразу два ключевых поворота сюжета.
Первый - поверхность перестает быть существенным транспортом, радиосвязь наконец-то полетела по воздуху. На ВЧ дальность определяется уже не тем, насколько хорошо сигнал прижался к земле, а тем, как он взаимодействует с ионосферой. Волна уходит вверх, преломляется в ионизированных слоях и возвращается на Землю на сотни и тысячи километров от передатчика. Поэтому в ВЧ-диапазоне особенно опасно говорить фразами вроде «эта частота дальнобойнее». Правильный вопрос здесь всегда другой: подходит ли эта частота для конкретной трассы в конкретное время. И именно отсюда в практику приходит понятие MUF - максимально применимой частоты: выше нее сигнал уже не возвращается на нужной геометрии, а уходит дальше или вообще «пробивает» ионосферу.
Это очень интересная тема, на самом деле. На НЧ и СЧ в основном проектируют передающую станцию и покрытие. На ВЧ проектируют еще и режим работы во времени. День и ночь, сезон, солнечная активность, состояние ионосферы - все это влияет на то, какие частоты «открыты» для связи. Из-за этого ВЧ-связь десятилетиями была не просто радио, а отдельной дисциплиной с прогнозированием прохождения, таблицами частот и постоянной подстройкой.
Второй поворот сюжета. Вы можете представить себе антенну в 25 метров? Легко! Наконец мы можем работать на чем-то полноразмерном. В рамках разумного, конечно. Здесь реально строить резонансные диполи, вертикалы, направленные антенны, логопериодические системы, фазированные решетки. И самое важное - ими уже можно осмысленно управлять под трассу. На ВЧ антенна - это инструмент геометрии канала: низкий угол излучения для дальних трасс, более высокий - для ближней зоны, выбор поляризации, ширины диаграммы, направления. В этом смысле ВЧ - первый диапазон в нашей последовательности, где антенная инженерия начинает работать не только на эффективность, но и на «рисование» маршрута в ионосфере.
Есть и ограничения. Во-первых, канал капризен: одна и та же трасса утром и вечером может требовать разных частот.
Во-вторых, помеховая обстановка и уровень атмосферного шума на нижней части ВЧ все еще заметны, особенно в грозовой сезон.
В-третьих, доступная полоса, и стабильность канала ограничены самой природой ионосферного пути. Поэтому ВЧ отлично подходят для дальней связи умеренной скорости, резервных каналов, вещания, служебных и специализированных систем, но плохо подходят там, где нужна гарантированная широкая полоса без адаптации.
Хороший пример ВЧ-объекта можно взять с Дальнего Востока. КВ-передающий узел в Елизово (Камчатка), который РТРС использовал для коротковолнового вещания на удаленные территории. Он очень показателен именно как ВЧ-объект, потому что здесь важна работа через ионосферный канал на большие расстояния. Тут частота и направление излучения привязаны к расписанию. И это цена работы на коротких волнах. Зато сигнал до Чукотки прекрасно долетает.
В следующей части мы продолжим изучать разные диапазоны частот и постепенно погрузимся в микромир. Спойлер - там тоже свои законы.
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
