Введение

Диапазон радиочастот от 12 до 18 ГГц
Отображаемое название: Ku-диапазон

Ku-диапазон (,/k//eɪ/'/j//uː/) – это часть электромагнитного спектра в диапазоне микроволновых частот от 12 до 18 гигагерц (ГГц). Обозначение является сокращением от "K under" (первоначально Kurz unten), поскольку это нижняя часть исходного K-диапазона НАТО, который был разделен на три диапазона (Ku, K и Ka) из-за наличия пика резонанса водяного пара в атмосфере на частоте 22,24 ГГц (1,35 см), что сделало центральную часть непригодной для передачи на большие расстояния. В радиолокационных приложениях он охватывает диапазон от 12 до 18 ГГц в соответствии с официальным определением номенклатуры радиолокационных частот, установленным в стандарте IEEE 521–2002. Ku-диапазон используется главным образом для спутниковой связи, в частности для нисходящей линии связи, используемой спутниками прямого вещания для трансляции спутникового телевидения, а также для специальных применений, таких как спутник ретрансляции данных NASA, используемый для связи с Международной космической станцией (МКС), и спутники SpaceX Starlink. Спутники Ku-диапазона также используются для организации каналов связи, особенно для передачи данных со спутника из удаленных мест обратно в студию телевизионной сети для редактирования и вещания. Международный союз электросвязи (ITU) разделил диапазон на несколько сегментов, которые различаются в зависимости от географического региона. NBC стала первой телевизионной сетью, которая в 1983 году начала передавать большую часть сигналов своих филиалов через Ku-диапазон. Некоторые частоты в этом радиодиапазоне используются в радарах, применяемых правоохранительными органами для обнаружения превышения скорости транспортными средствами, особенно в Европе.

Америка

Сегменты в большей части Северной и Южной Америки охватываются Регионом 2 МСЭ в диапазоне от 11,7 до 12,2 ГГц (Локальная частота гетеродина (LOF) от 10,75 до 11,25 ГГц), выделенные для FSS (фиксированной спутниковой службы), с восходящей линией связи от 14,0 до 14,5 ГГц. Над Северной Америкой находятся более 22 спутников FSS Ku-диапазона, каждый из которых несет от 12 до 48 транспондеров мощностью от 20 до 120 Вт на транспондер и требует антенну диаметром от 0,8 до 1,5 м для обеспечения четкого приема. Диапазон 12,2–12,7 ГГц (LOF 11,25–11,75 ГГц) выделен для BSS (спутниковой службы вещания). BSS (спутники прямого эфирного вещания DBS) обычно оснащены от 16 до 32 транспондеров с полосой пропускания 27 МГц, работающих на мощности от 100 до 240 Вт, что позволяет использовать приемные антенны размером до 18 дюймов (450 мм).

Европа и Африка

Сегменты в этих регионах относятся к Региону 1 МСЭ, и для них полосы частот 11,45–11,7 и 12,5–12,75 ГГц выделены для FSS (фиксированной спутниковой службы, восходящая линия связи 14,0–14,5 ГГц). В Европе Ku-диапазон используется в пределах 10,7–12,75 ГГц (LOF Low 9,750 ГГц, LOF High 10,600 ГГц) для непосредственного спутникового вещания, например, как у спутников Astra. Полоса частот 11,7–12,5 ГГц выделена для BSS (службы спутникового вещания).

Австралия

Австралия входит в Регион 3 МСЭ, а австралийское регулирование предоставляет лицензию класса, покрывающую прием сигналов со спутников в диапазоне частот от 11,70 ГГц до 12,75 ГГц и передачу сигналов на спутники в диапазоне частот от 14,0 ГГц до 14,5 ГГц.

Индонезия

МСЭ классифицирует Индонезию как регион P, характеризующийся очень высоким уровнем осадков. Это заставило многих усомниться в целесообразности использования Ku-диапазона (11–18 ГГц) в Индонезии. Использование частот выше 10 ГГц в районах с сильными дождями обычно приводит к неудовлетворительным результатам. Эту проблему можно решить, используя соответствующий расчет бюджета канала при проектировании беспроводной системы связи. Увеличение мощности может компенсировать потери от затухания сигнала из-за дождя. Измерения затухания сигнала от дождя в Индонезии проводились для спутниковых каналов связи в Паданге, Чибинонге, Сурабае и Бандунге. Модель DAH для прогнозирования затухания сигнала от дождя, как и модель МСЭ, признана применимой для Индонезии. Модель DAH получила статус рекомендации МСЭ с 2001 года (Рекомендация № ITU R P.618-7). Эта модель позволяет обеспечить 99,7% доступность канала, что делает возможным применение Ku-диапазона в Индонезии. Использование Ku-диапазона для спутниковой связи в тропических регионах, таких как Индонезия, становится все более распространенным. Несколько спутников, находящихся над Индонезией, оснащены транспондерами Ku-диапазона и даже Ka-диапазона. Спутник NSS 6, запущенный в декабре 2002 года и расположенный на 95° восточной долготы, имеет только транспондеры Ku-диапазона, обеспечивающие покрытие территории Индонезии (Суматра, Ява, Борнео, Селебес, Бали, Нуса-Тенгара, Молуккские острова). Замена NSS 6 спутником SES 12, запущенным в июне 2018 года и оснащенным 54 транспондерами Ku-диапазона, планируется в том же месте. Спутник IPSTAR 1, запущенный в 2004 году, также использует покрытие Ku-диапазона. Другими спутниками, обеспечивающими покрытие Ku-диапазоном на территории Индонезии, являются MEASAT 3b, JCSAT 4B, AsiaSat 5, ST 2, Chinasat 11, Koreasat 8/ABS 2, SES 8, Telkom 3S и Nusantara Satu.

Другие

Другие выделения частот МСЭ в Ku-диапазоне предоставлены фиксированной службе (микроволновым ретрансляторам), службе радиоастрономии, службе космических исследований, мобильной службе, мобильной спутниковой службе, службе радиолокации (радарам), любительской радиослужбе и радионавигационной службе. Однако не все эти службы фактически используют этот диапазон, а некоторые являются лишь эпизодическими пользователями.

Преимущества

По сравнению с C-диапазоном, Ku-диапазон не имеет подобных ограничений по мощности, чтобы избежать помех наземным микроволновым системам, и мощность его восходящих и нисходящих каналов связи может быть увеличена. Эта более высокая мощность также позволяет использовать приемные антенны меньшего размера и демонстрирует общую зависимость между мощностью передачи спутника и размером антенны. С увеличением мощности уменьшается размер зеркала антенны. Это объясняется тем, что зеркало антенны предназначено для сбора падающих волн с определенной площади и фокусировки их на фактическом приемном элементе антенны, расположенном перед зеркалом (и направленном обратно к его центру); если волны более интенсивные, для достижения той же интенсивности на приемном элементе требуется собрать меньше волн. Важным преимуществом этого диапазона перед низкочастотными микроволновыми диапазонами является то, что более короткие длины волн обеспечивают достаточное угловое разрешение для разделения сигналов различных спутников связи с помощью небольших наземных параболических антенн. Согласно критерию Рэлея, диаметр параболического зеркала, необходимый для формирования диаграммы направленности с заданной угловой шириной луча (усилением), пропорционален длине волны и, следовательно, обратно пропорционален частоте. При частоте 12 ГГц антенна диаметром 1 метр способна фокусироваться на одном спутнике, одновременно эффективно подавляя сигнал от другого спутника, находящегося всего в 2 градусах от него. Это важно, поскольку спутники в службе FSS (Fixed Satellite Service) (11,7–12,2 ГГц в США) расположены на расстоянии всего 2 градусов друг от друга. Для достижения такого узкого углового разрешения при частоте 4 ГГц (C-диапазон) требуется антенна диаметром 3 метра. Обратите внимание на обратную линейную зависимость между размером зеркала и частотой. Для спутников Ku в службе DBS (Direct Broadcast Satellite) (12,2–12,7 ГГц в США) можно использовать антенны значительно меньшего размера, чем 1 метр, поскольку эти спутники расположены на расстоянии 9 градусов друг от друга. Поскольку уровни мощности на спутниках C- и Ku-диапазонов увеличились с годами, ширина луча антенны стала более важным параметром, чем усиление. Ku-диапазон также обеспечивает пользователю большую гибкость. Меньший размер антенны и независимость системы Ku-диапазона от наземной инфраструктуры упрощают выбор подходящего места для установки антенны. Для конечных пользователей Ku-диапазон обычно дешевле и позволяет использовать антенны меньшего размера (как благодаря более высокой частоте, так и более сфокусированному лучу). Ku-диапазон также менее подвержен затуханию сигнала из-за дождя, чем частотный спектр Ka-диапазона.

Недостатки

Однако у системы Ku-диапазона есть и некоторые недостатки. Около 10 ГГц наблюдается пик поглощения, вызванный ориентационной релаксацией молекул в жидкой воде. Выше 10 ГГц начинает преобладать рассеяние Ми. Это приводит к заметному ухудшению сигнала, обычно называемому затуханием сигнала в дождь, во время сильных осадков (100 мм/ч). Эту проблему можно смягчить, увеличив мощность передаваемого со спутника сигнала для компенсации потерь. Поэтому спутники Ku-диапазона обычно требуют значительно большей мощности для передачи, чем спутники C-диапазона. Другой вид ухудшения сигнала, вызванный погодными условиями, – "затухание сигнала в снег", – не является специфичным для Ku-диапазона. Он возникает из-за накопления снега или льда на антенне, что существенно смещает её фокусную точку. Антенна наземной станции оператора спутниковой связи требует более точного управления положением при работе в Ku-диапазоне из-за гораздо более узкой диаграммы направленности по сравнению с C-диапазоном для антенны заданного размера. Требуется более высокая точность обратной связи по положению, и антенне может потребоваться система управления с обратной связью для поддержания положения при ветровой нагрузке на поверхность антенны.