Введение

Диапазон 3–30 ГГц электромагнитного спектра.

Сверхвысокая частота (SHF) – обозначение МСЭ для радиочастот (RF) в диапазоне от 3 до 30 гигагерц (GHz). Эта полоса частот также известна как сантиметровый диапазон, поскольку длины волн варьируются от одного до десяти сантиметров. Эти частоты относятся к микроволновому диапазону, поэтому радиоволны с этими частотами называются микроволнами. Небольшая длина волны микроволн позволяет направлять их в узкие лучи с помощью апертурных антенн, таких как параболические и рупорные антенны, поэтому они используются для связи и передачи данных типа «точка-точка», а также для радиолокации. Этот диапазон частот используется в большинстве радиолокационных передатчиков, беспроводных локальных сетях, спутниковой связи, микроволновых радиорелейных линиях связи, спутниковых телефонах (диапазон S) и многочисленных наземных каналах передачи данных на короткие расстояния. Они также применяются для нагрева в промышленном микроволновом нагреве, медицинской диатермии, микроволновой гипертермии для лечения рака и приготовления пищи в микроволновых печах. Частоты в диапазоне SHF часто обозначаются по радиолокационным диапазонам IEEE: S, C, X, Ku, K или Ka, или по аналогичным обозначениям НАТО или ЕС.

Распространение

Микроволны распространяются исключительно по прямой видимости; из-за незначительного преломления, обусловленного их короткой длиной волны, не наблюдаются наземные волны и ионосферное отражение (небесные волны или распространение на больших расстояниях), характерные для радиоволн более низкой частоты. Хотя в некоторых случаях они могут проникать сквозь стены зданий, обеспечивая приемлемый сигнал, как правило, требуется прямая видимость, очищенная до первой зоны Френеля. На микроволновых частотах длина волны достаточно мала, чтобы размеры антенны значительно превышали длину волны, что позволяет создавать высоконаправленные (с высоким коэффициентом усиления) антенны, формирующие узкие лучи. Поэтому они используются в наземных каналах связи точка-точка, ограниченных горизонтом прямой видимости до 30–40 миль (48–64 км). Такие антенны с высоким коэффициентом усиления позволяют повторно использовать частоты соседними передатчиками. Они также применяются для связи с космическими аппаратами, поскольку волны не преломляются (не отклоняются) при прохождении через ионосферу, как это происходит с более низкими частотами. Длина волны СВЧ создает сильные отражения от металлических объектов размером с автомобили, самолеты, корабли и другие транспортные средства. Это, а также узкая диаграмма направленности, обеспечиваемая антеннами с высоким коэффициентом усиления, и низкое атмосферное поглощение по сравнению с более высокими частотами, делают СВЧ основными частотами, используемыми в радиолокации. Поглощение и рассеяние влагой в атмосфере увеличиваются с частотой, что ограничивает использование высоких СВЧ-частот для связи на большие расстояния. Небольшое количество микроволновой энергии случайно рассеивается молекулами водяного пара в тропосфере. Это используется в системах связи методом тропосферного рассеяния, работающих в диапазоне нескольких ГГц, для связи за пределами прямой видимости. Мощный микроволновый луч направляется немного выше горизонта; при прохождении через тропопаузу часть микроволн рассеивается обратно на Землю к приемнику, находящемуся за горизонтом. Достижимые расстояния составляют до 300 км. В основном они используются для военных коммуникаций.

Антенны

Длина волны СВЧ достаточно коротка, чтобы эффективные передающие антенны были достаточно малы для удобного монтажа на портативных устройствах, поэтому эти частоты широко используются в беспроводных приложениях. Например, четвертьволновая плетеная антенна для диапазона СВЧ имеет длину от 2,5 до 0,25 сантиметров. Для таких приложений, как беспроводные устройства и мобильные телефоны, разработаны всенаправленные антенны, достаточно компактные для размещения внутри корпуса устройства. Основной антенной, используемой в этих устройствах, является печатная инвертированная F-антенна (PIFA), состоящая из монопольной антенны, изогнутой в форме буквы L, изготовленной из медной фольги на печатной плате внутри устройства. Также используются небольшие диполи рукавного типа или четвертьволновые монополи. Другим распространенным типом является пластинчатая антенна, часто интегрированная в обшивку самолетов. Длина волны также достаточно мала, чтобы СВЧ-волны можно было сфокусировать в узкие лучи с помощью высокоусиливающих направленных антенн диаметром от полуметра до пяти метров. Направленные антенны на СВЧ-частотах в основном являются апертурными антеннами, такими как параболические антенны (наиболее распространенный тип), линзовые, щелевые и рупорные антенны. Большие параболические антенны могут создавать очень узкие лучи шириной в несколько градусов или меньше и часто требуют наведения с помощью визира. Другим типом антенны, применимым на микроволновых частотах, является фазированная антенная решетка, состоящая из множества диполей или пластинчатых антенн на плоской поверхности, каждая из которых подключена через фазовращатель, что позволяет электронно управлять лучом решетки. Короткая длина волны требует высокой механической жесткости больших антенн, чтобы обеспечить прибытие радиоволн в точку питания в фазе.

Волновой гид

На микроволновых частотах типы кабелей (линий передачи), используемые для передачи низкочастотных радиоволн, такие как коаксиальный кабель, характеризуются высокими потерями мощности. Поэтому для транспортировки микроволн между передатчиком или приемником и антенной с минимальными потерями необходимо использовать специальный тип металлической трубы, называемый волноводом. В связи с высокой стоимостью и сложностью обслуживания протяженных волноводов, во многих микроволновых антеннах выходная ступень передатчика или RF-тракт приемника располагается непосредственно в антенне.

Преимущества

Частоты SHF занимают "сладкое место" в радиочастотном спектре, которое в настоящее время активно используется многими новыми радиослужбами. Это самая низкая полоса частот, где радиоволны можно направлять в узкие лучи с помощью антенн удобного размера, чтобы избежать помех соседним передатчикам на той же частоте, что позволяет повторно использовать частоты. С другой стороны, это самые высокие частоты, пригодные для дальней наземной связи; более высокие частоты в диапазоне EHF (миллиметровых волн) сильно поглощаются атмосферой, ограничивая практическую дальность распространения до одного километра или менее. Высокая частота обеспечивает микроволновым каналам связи очень большую пропускную способность. За последние десятилетия было разработано множество новых твердотельных источников микроволновой энергии, а микроволновые интегральные схемы впервые позволяют осуществлять значительную обработку сигнала на этих частотах. Источники энергии EHF гораздо более ограничены и находятся на более ранней стадии разработки.