Введение

Диапазон 30–300 кГц электромагнитного спектра.

Низкая частота (НЧ) – это обозначение МСЭ для радиочастот (РЧ) в диапазоне 30–300 кГц. Поскольку длины волн варьируются от 10 до 1 км, он также известен как километровый диапазон или километровые волны. Радиоволны НЧ обладают низким затуханием сигнала, что делает их пригодными для связи на большие расстояния. В Европе, Северной Африке и Азии часть спектра НЧ используется для AM-вещания в качестве "длинноволнового" диапазона. В западном полушарии основное применение – авиационные радиомаяки, навигация (LORAN, в основном устаревшая), информационные и метеорологические системы. Ряд передач сигналов времени также используют этот диапазон. Основным способом передачи в этом диапазоне являются наземные волны, при которых радиоволны НЧ распространяются непосредственно над поверхностью Земли, повторяя рельеф местности. Наземные волны НЧ могут огибать холмы и распространяться на значительные расстояния за горизонт, до нескольких сотен километров от передатчика.

Распространение

Из-за большой длины волны, низкочастотные радиоволны могут огибать препятствия, такие как горные хребты, и распространяться за горизонт, повторяя рельеф Земли. Этот способ распространения, называемый наземной волной, является основным в диапазоне LF. Наземные волны должны быть вертикально поляризованы (электрическое поле вертикальное, а магнитное – горизонтальное), поэтому для передачи используются вертикальные антенны с монопольным излучателем. Дальность передачи ограничена поглощением наземных волн землей. Затухание силы сигнала с расстоянием меньше, чем на более высоких частотах. Низкочастотные наземные волны могут приниматься на расстоянии до от передающей антенны. Низкочастотные волны также могут иногда распространяться на большие расстояния, отражаясь от ионосферы (фактический механизм – преломление), хотя этот метод, называемый небесной волной или распространением на большие расстояния, менее распространен, чем на более высоких частотах. Отражение происходит в ионосферном слое E или слоях F. Сигналы небесной волны могут быть обнаружены на расстояниях, превышающих от передающей антенны.

Радиовещание

АМ-вещание разрешено в длинноволновом диапазоне на частотах от 148,5 до 283,5 кГц в Европе и частях Азии.

Стандартные сигналы времени

В Европе и Японии многие недорогие потребительские устройства, начиная с конца 1980-х годов, содержали радиочасы с LF-приемником для приема этих сигналов. Поскольку эти частоты распространяются только по наземной волне, точность временных сигналов не подвержена влиянию изменяющихся путей распространения между передатчиком, ионосферой и приемником. В Соединенных Штатах подобные устройства стали доступны для массового рынка только после увеличения мощности передатчика WWVB в 1997 и 1999 годах. JJY вещает на той же частоте, используя аналогичный временной код.

Военный

Радиосигналы ниже 50 кГц способны проникать в глубины океана примерно на определенное расстояние; чем длиннее длина волны, тем глубже они проникают. Британские, немецкие, индийские, российские, шведские, американские и, возможно, другие военно-морские силы используют эти частоты для связи с подводными лодками. Кроме того, по слухам, ядерные подводные лодки Королевского флота, несущие баллистические ракеты, постоянно контролируют передачу BBC Radio 4 на 198 кГц в водах у берегов Великобритании. Ходят слухи, что внезапное прекращение передачи, особенно утренней новостной программы Today, должно быть истолковано ими как признак нападения на Великобританию, после чего вступают в силу их запечатанные приказы. Соединенные Штаты располагают четырьмя станциями дальнего низкочастотного диапазона (LF) для поддержания связи со своими подводными силами: Агуада (Пуэрто-Рико), Кефлавик (Исландия), Авасе (Окинава) и Сигонелла (Италия), использующими твердотельные передатчики AN/FRT 95. В США сеть аварийной связи по наземной волне (GWEN) работала в диапазоне 150–175 кГц до 1999 года, когда была заменена спутниковыми системами связи. GWEN представляла собой наземную военную систему радиосвязи, способную выжить и продолжать функционировать даже в случае ядерного удара.

Метеорологические информационные передачи

Регулярная служба, передающая морскую метеорологическую информацию в коде SYNOP посредством RTTY на НЧ (LF), – это Немецкая метеорологическая служба (Deutscher Wetterdienst или DWD). DWD осуществляет работу станции DDH47 на частоте 147,3 кГц, используя стандартный алфавит ITA 2 со скоростью передачи 50 бод и модуляцией FSK со сдвигом частоты 85 Гц.

Радионавигационные сигналы

В тех частях мира, где отсутствует долноволновое вещание, непеленгационные радиомаяки, используемые для аэронавигации, работают на частотах 190–300 кГц (и выше, в диапазоне СВ). В Европе, Азии и Африке выделение частот для NDB начинается с 283,5 кГц. Радионавигационная система LORAN C работала на частоте 100 кГц. Ранее система Decca Navigator работала в диапазоне от 70 кГц до 129 кГц. Последние станции Decca были выведены из эксплуатации в 2000 году. Телеметрические передатчики дифференциальной GPS работают в диапазоне 283,5–325 кГц. Коммерческая радионавигационная система "Datatrak" работает на ряде частот, которые различаются в зависимости от страны, в диапазоне 120–148 кГц.

Другие применения

Некоторые радиочастотные идентификационные метки (RFID) используют LF. Эти метки обычно известны как LFID или LowFID (идентификация низких частот). LF RFID метки – это устройства ближнего поля, взаимодействующие с индуктивным ближним полем, а не с излучаемыми волнами (радиоволнами), которые являются единственной частью электромагнитного поля, сохраняющейся в дальнем поле. Таким образом, они технически не являются радиоустройствами или радиоантеннами, хотя и работают на радиочастотах и в сфере торговли RFID называются "антеннами", но не в радиотехнике. Более корректно и технически информативно рассматривать их как вторичные обмотки сильно слабосвязанных трансформаторов.

Антенны

Поскольку для распространения по земле в этом диапазоне требуются волны с вертикальной поляризацией, для передачи используются вертикальные антенны. Наиболее распространены мачтовые излучатели, либо изолированные от земли и питаемые снизу, либо, реже, питаемые через ванты. Т-образные и перевернутые L-образные антенны применяются в случаях, когда ограничена высота антенны. Антенны для передачи НЧ (LF) от мощных передатчиков требуют значительной площади и стали причиной разногласий в Европе и США из-за опасений относительно потенциального вреда для здоровья, связанного с воздействием радиоволн на организм человека.

Длинноволновые приемные антенны

Требования к антенне для приема НЧ гораздо скромнее, чем для передачи. Хотя иногда используются нерезонансные длинные проволочные антенны, ферритовые петлевые антенны гораздо популярнее благодаря своим компактным размерам. Радиолюбители добились хорошего приема НЧ, используя активные антенны: короткий хлыст со встроенным предусилителем.

Высота антенны

Из-за больших длин волн в диапазоне почти все антенны LF являются электрически короткими, короче одной четверти длины волны излучения, поэтому их низкое сопротивление излучению делает их неэффективными и требует использования заземления и проводников с очень низким сопротивлением, чтобы избежать потерь мощности передатчика. Эти электрически короткие антенны нуждаются в согласующих катушках у основания для обеспечения резонанса. Многие типы антенн, такие как зонтичная антенна и антенны L и T, используют емкостную верхнюю нагрузку (так называемую "шапку"), в виде сети горизонтальных проводов, прикрепленных к вершине вертикального излучателя. Емкость повышает эффективность антенны, увеличивая ток без увеличения ее высоты. Высота антенн варьируется в зависимости от их назначения. Для некоторых не направленных радиомаяков (NDB) высота может составлять всего 10 метров, в то время как для более мощных навигационных передатчиков, таких как DECCA, используются мачты высотой около 100 метров. Высота Т-образных антенн составляет от 50 до 200 метров, а мачтовые антенны обычно выше 150 метров. Высота мачтовых антенн для LORAN C составляет около 190 метров для передатчиков с излучаемой мощностью менее 500 кВт и около 400 метров для передатчиков большей мощности. Основной тип антенны LORAN C изолирован от земли. Радиостанции длинноволнового вещания (LF) используют мачтовые антенны высотой более 150 метров или Т-образные антенны. Мачтовые антенны могут быть изолированными мачтами с нижним питанием или мачтами с верхним питанием и заземлением. Также возможно использование рамочных антенн на заземленных мачтах.

Антенны направленного массива

Для радиовещательных станций часто требуются направленные антенны. Они состоят из нескольких мачт, которые часто имеют одинаковую высоту. Некоторые длинноволновые антенны состоят из нескольких мачтовых антенн, расположенных по кругу, с центральной мачтовой антенной или без неё. Такие антенны фокусируют передаваемую мощность в направлении земли, обеспечивая обширную зону уверенного приёма. Этот тип антенн используется редко, поскольку они очень дороги, требуют значительной площади и потому, что на длинных волнах затухание происходит гораздо реже, чем в среднем волновом диапазоне. Один из таких комплексов антенн использовался передатчиком Орлунда в Швеции.