Средневолновый диапазон: характеристики и применение радиочастот 300 кГц - 3 МГц

Введение

Диапазон 300–3000 кГц электромагнитного спектра.

Средняя частота (MF) – обозначение МСЭ для радиочастот (RF) в диапазоне от 300 килогерц (kHz) до 3 мегагерц (MHz). Частью этого диапазона является полоса радиовещания AM на средних волнах (MW). Диапазон MF также известен как гектометровый диапазон, поскольку длины волн находятся в пределах от десяти до одного гектометра (1000–100 м). Частоты, непосредственно ниже MF, обозначаются как низкие частоты (LF), а первая полоса более высоких частот известна как высокие частоты (HF). MF в основном используется для AM-радиовещания, навигационных радиомаяков, морской связи между судном и берегом, а также для управления трансокеанским воздушным движением.

Распространение

Радиоволны на средних (МС) длинах волн распространяются посредством наземных волн и отражения от ионосферы (так называемых небесных волн). Наземные волны следуют кривизне Земли. На этих длинах волн они способны огибать (дифрагировать) холмы и распространяться за видимый горизонт, хотя могут быть заблокированы горными массивами. Типичные радиостанции СС могут обеспечивать покрытие в радиусе нескольких сотен километров/миль от передатчика, при этом дальность увеличивается над водой и влажной почвой. Радиостанции СС используют наземные волны для охвата зоны уверенного приема. Волны СС также могут распространяться на большие расстояния посредством небесных волн, когда радиоволны, излучаемые под углом в небо, преломляются обратно к Земле слоями заряженных частиц (ионов) в ионосфере – слоями E и F. Однако в определенное время слой D (расположенный на меньшей высоте, чем преломляющие слои E и F) может быть подвержен помехам и поглощать радиоволны СС, затрудняя распространение небесных волн. Это происходит, когда ионосфера сильно ионизирована, например, днем, летом и особенно в периоды высокой солнечной активности. Ночью, особенно зимой и в периоды низкой солнечной активности, ионосферный слой D может практически исчезать. В этом случае радиоволны СС могут легко приниматься на расстоянии сотен и даже тысяч километров, поскольку сигнал будет преломляться оставшимся слоем F. Это может быть полезно для дальней связи, но также может создавать помехи местным станциям. Из-за ограниченного количества доступных каналов в диапазоне СС одни и те же частоты назначаются различным радиостанциям, расположенным на расстоянии в несколько сотен миль друг от друга. В ночное время при благоприятных условиях распространения небесных волн сигналы удаленных станций могут отражаться от ионосферы и создавать помехи сигналам местных станций на той же частоте. Североамериканское региональное соглашение о вещании (NARBA) резервирует определенные каналы для ночного использования на расширенных территориях обслуживания посредством небесных волн несколькими специально лицензированными AM-радиостанциями. Эти каналы называются чистыми, а радиостанции, использующие их, – станциями чистых каналов, и они обязаны вещать на повышенной мощности от 10 до 50 кВт.

Radio waves at MF wavelengths propagate via ground waves and reflection from the ionosphere (called skywaves). Ground waves follow the curvature of Earth. At these wavelengths, they can bend (diffract) over hills, and travel beyond the visual horizon, although they may be blocked by mountain ranges. Typical MF radio stations can cover a radius of several hundred kilometres/miles from the transmitter, with longer distances over water and damp earth. MF broadcasting stations use ground waves to cover their listening areas. MF waves can also travel longer distances via skywave propagation, in which radio waves radiated at an angle into the sky are refracted back to Earth by layers of charged particles (ions) in the ionosphere, the E and F layers. However, at certain times the D layer (at a lower altitude than the refractive E and F layers) can be electronically noisy and absorb MF radio waves, interfering with skywave propagation. This happens when the ionosphere is heavily ionised, such as during the day, in summer and especially at times of high solar activity. At night, especially in winter months and at times of low solar activity, the ionospheric D layer can virtually disappear. When this happens, MF radio waves can easily be received hundreds or even thousands of miles away as the signal will be refracted by the remaining F layer. This can be very useful for long distance communication, but can also interfere with local stations. Because of the limited number of available channels in the MW broadcast band, the same frequencies are re allocated to different broadcasting stations several hundred miles apart. On nights of good skywave propagation, the signals of distant stations may reflect off the ionosphere and interfere with the signals of local stations on the same frequency. The North American Regional Broadcasting Agreement (NARBA) sets aside certain channels for nighttime use over extended service areas via skywave by a few specially licensed AM broadcasting stations. These channels are called clear channels, and the stations, called clear channel stations, are required to broadcast at higher powers of 10 to 50 kW.

Использование и применение

Основным использованием этих частот является AM-вещание; AM-радиостанциям выделены частоты в диапазоне средних волн от 526,5 кГц до 1606,5 кГц в Европе; в Северной Америке этот диапазон простирается от 525 кГц до 1705 кГц. Некоторые страны также разрешают вещание в полосе 120 метров от 2300 до 2495 кГц; эти частоты в основном используются в тропических регионах. Хотя это средние частоты, полоса 120 метров обычно рассматривается как одна из коротковолновых полос. В диапазоне от 1600 до 2850 кГц используется ряд частот береговой охраны и других средств связи «судно-берег». К ним относятся, например, французский MRCC на частотах 1696 кГц и 2677 кГц, береговая охрана Сторновей на 1743 кГц, береговая охрана США на 2670 кГц и Мадейра на 2843 кГц. RN Northwood в Англии передает данные Weather Fax на частоте 2618,5 кГц. Ненаправленные радионавигационные маяки (НДН) для морской и авиационной навигации занимают диапазон от 190 до 435 кГц, перекрывающийся от LF в нижнюю часть диапазона MF. 2182 кГц является международной частотой вызова и бедствия для морской голосовой связи SSB (радиотелефонии). Она аналогична каналу 16 в морском диапазоне VHF. В течение многих лет 500 кГц использовалась как частота бедствия и аварийной связи, и существует больше NDB в диапазоне от 510 до 530 кГц. Navtex, являющийся частью современной Глобальной системы безопасности на море (ГМССБ), использует 518 кГц и 490 кГц для важных цифровых текстовых сообщений. Наконец, существуют аэронавигационные и другие подвижные диапазоны SSB от 2850 кГц до 3500 кГц, пересекающие границу между диапазоном MF и диапазоном высоких частот (HF). Диапазон радиолюбительской связи, известный как 160 метров или «верхний диапазон», находится между 1800 и 2000 кГц (распределение зависит от страны и начинается с 1810 кГц за пределами Америки). Радиолюбители передают в этом диапазоне морзе-код (CW), цифровые сигналы, а также голосовые сигналы SSB и AM. После Всемирной конференции радиосвязи 2012 года (WRC 2012) служба радиолюбительской связи получила новое распределение между 472 и 479 кГц для узкополосных режимов и в качестве вторичной службы, после обширных исследований распространения и совместимости, проведенных Экспериментальной группой ARRL 600 метров и их партнерами по всему миру. В последние годы ограниченная радиолюбительская связь была разрешена в районе 500 кГц в США, Великобритании, Германии и Швеции. Многие домашние беспроводные или портативные телефоны, особенно разработанные в 1980-х годах, передают маломощные FM-аудиосигналы между базовым блоком и трубкой на частотах в диапазоне от 1600 до 1800 кГц.

A major use of these frequencies is AM broadcasting; AM radio stations are allocated frequencies in the medium wave broadcast band from 526.5 kHz to 1606.5 kHz
in Europe; in North America this extends from 525 kHz to 1705 kHz Some countries also allow broadcasting in the 120 meter band from 2300 to 2495 kHz; these frequencies are mostly used in tropical areas. Although these are medium frequencies, 120 meters is generally treated as one of the shortwave bands. There are a number of coast guard and other ship to shore frequencies in use between 1600 and 2850 kHz. These include, as examples, the French MRCC on 1696 kHz and 2677 kHz, Stornoway Coastguard on 1743 kHz, the US Coastguard on 2670 kHz and Madeira on 2843 kHz. RN Northwood in England broadcasts Weather Fax data on 2618.5 kHz. Non directional navigational radio beacons (NDBs) for maritime and aircraft navigation occupy a band from 190 to 435 kHz, which overlaps from the LF into the bottom part of the MF band. 2182 kHz is the international calling and distress frequency for SSB maritime voice communication (radiotelephony). It is analogous to Channel 16 on the marine VHF band. 500 kHz was for many years the maritime distress and emergency frequency, and there are more NDBs between 510 and 530 kHz. Navtex, which is part of the current Global Maritime Distress Safety System occupies 518 kHz and 490 kHz for important digital text broadcasts. Lastly, there are aeronautical and other mobile SSB bands from 2850 kHz to 3500 kHz, crossing the boundary from the MF band into the HF radio band. An amateur radio band known as 160 meters or 'top band' is between 1800 and 2000 kHz (allocation depends on country and starts at 1810 kHz outside the Americas). Amateur operators transmit CW morse code, digital signals and SSB and AM voice signals on this band. Following World Radiocommunication Conference 2012 (WRC 2012), the amateur service received a new allocation between 472 and 479 kHz for narrow band modes and secondary service, after extensive propagation and compatibility studies made by the ARRL 600 meters Experiment Group and their partners around the world. In recent years, some limited amateur radio operation has also been allowed in the region of 500 kHz in the US, UK, Germany and Sweden. Many home portable or cordless telephones, especially those that were designed in the 1980s, transmit low power FM audio signals between the table top base unit and the handset on frequencies in the range 1600 to 1800 kHz.

Антенны

Трансмиссионные антенны, обычно используемые в этом диапазоне, включают штыревые антенны (монополи) на мачтах, сверху нагруженные проволочные монопольные антенны, такие как инвертированные антенны L и T, и проволочные дипольные антенны. Распространение наземной волны, наиболее распространенный тип на этих частотах, требует вертикально поляризованных антенн, таких как монополи. Наиболее распространенные передающие антенны – монополи длиной от одной четверти до пяти восьмых длины волны – физически велики на этих частотах и требуют высокой радиомачты. Обычно сама металлическая мачта подключается и используется в качестве антенны, монтируясь на большом фарфоровом изоляторе для изоляции от земли; это называется штыревым излучателем. Монопольная антенна, особенно если она электрически короткая, требует хорошего заземления с низким сопротивлением для обеспечения эффективности, поскольку сопротивление земли включено последовательно с антенной и потребляет мощность передатчика. Коммерческие радиостанции используют систему заземления, состоящую из множества медных кабелей, закопанных неглубоко в землю и расходящихся от основания антенны на расстояние примерно в четверть длины волны. В районах с каменистой или песчаной почвой, где проводимость грунта низкая, иногда используются противовесы, расположенные над землей. Передатчики малой мощности часто используют электрически короткие четвертьволновые монополи, такие как инвертированные антенны L или T, которые вводятся в резонанс с помощью согласующей катушки у основания. Приемные антенны не обязаны быть столь же эффективными, как передающие, поскольку в этом диапазоне отношение сигнал/шум определяется атмосферным шумом. Уровень шума в приемнике значительно ниже, чем шум в сигнале, поэтому можно использовать антенны, небольшие по сравнению с длиной волны, которые неэффективны и обеспечивают низкую силу сигнала. Слабый сигнал от антенны может быть усилен в приемнике без существенного добавления шума. Наиболее распространенной приемной антенной является ферритовая катушечная антенна (также известная как ферритовый стержень), состоящая из ферритового стержня с катушкой тонкой проволоки, намотанной вокруг него. Эта антенна достаточно мала, чтобы обычно размещаться внутри корпуса радиоприемника. Помимо использования в AM-радио, ферритовые антенны также используются в портативных радиопеленгаторах (RDF). Ферритовая стержневая антенна имеет дипольную диаграмму направленности с резкими минимумами вдоль оси стержня, поэтому прием оптимален, когда стержень расположен под прямым углом к передатчику, но полностью затухает, когда стержень направлен точно на передатчик. Также используются другие типы петлевых антенн и случайных проволочных антенн.

Transmitting antennas commonly used on this band include monopole mast radiators, top loaded wire monopole antennas such as the inverted L and T antennas, and wire dipole antennas. Ground wave propagation, the most widely used type at these frequencies, requires vertically polarized antennas like monopoles. The most common transmitting antennas, monopoles of one quarter to five eighths wavelength, are physically large at these frequencies, requiring a tall radio mast. Usually the metal mast itself is energized and used as the antenna, and is mounted on a large porcelain insulator to isolate it from the ground; this is called a mast radiator. The monopole antenna, particularly if electrically short requires a good, low resistance Earth ground connection for efficiency since the ground resistance is in series with the antenna and consumes transmitter power. Commercial radio stations use a ground system consisting of many copper cables, buried shallowly in the earth, radiating from the base of the antenna to a distance of about a quarter wavelength. In areas of rocky or sandy soil where the ground conductivity is poor, above ground counterpoises are sometimes used. Lower power transmitters often use electrically short quarter wave monopoles such as inverted L or T antennas, which are brought into resonance with a loading coil at their base. Receiving antennas do not have to be as efficient as transmitting antennas since in this band the signal to noise ratio is determined by atmospheric noise. The noise floor in the receiver is far below the noise in the signal, so antennas small in comparison to the wavelength, which are inefficient and produce low signal strength, can be used. The weak signal from the antenna can be amplified in the receiver without introducing significant noise. The most common receiving antenna is the ferrite loopstick antenna (also known as a ferrite rod aerial), made from a ferrite rod with a coil of fine wire wound around it. This antenna is small enough that it is usually enclosed inside the radio case. In addition to their use in AM radios, ferrite antennas are also used in portable radio direction finder (RDF) receivers. The ferrite rod antenna has a dipole reception pattern with sharp nulls along the axis of the rod, so that reception is at its best when the rod is at right angles to the transmitter, but fades to nothing when the rod points exactly at the transmitter. Other types of loop antennas and random wire antennas are also used.