Діапазони частот та довжин хвиль
Спектр електромагнітних хвиль простягається до частот вище 1024 Гц. Цей дуже широкий складний діапазон поділяється на піддіапазони з різними фізичними властивостями.
Розподіл частот за піддіапазонами раніше виконувався відповідно до критеріїв, що склалися історично, і в теперішній час застарів. Це призвело до виникнення сучасної класифікації діапазонів частот, яка в теперішній час використовується на міжнародному рівні. Однак в літературі все ще можливо зустріти назви діапазонів частот, які склалися традиційно.
На Рисунку 1 зображено діапазон частот, зайнятий електромагнітними хвилями, та показано його поділ на піддіапазони.
Рисунок 1. Діапазони частот і довжин хвиль, використовувані в радіолокації
Рисунок 1. Діапазони частот і довжин хвиль, використовувані в радіолокації
У верхній частині рисунку показано поділ спектру електромагнітних хвиль, що склався історично та офіційно прийнятий Інститутом інженерів з електротехніки та електроніки (Institute of Electrical and Electronic Engineer, IEEE) В нижній частині рисунку показана сучасна класифікація діапазонів частот, прийнята для використання в структурах НАТО. Видно, що межі частотних діапазонів в цих двох класифікаціях не завжди співпадають.
Діапазони та піддіапазони частот позначають великими літерами. Такий підхід виник ще на початку розвитку радіолокації, коли точне значення робочої частоти радіолокаційного засобу намагалися тримати в таємниці.
Рисунок 2. Деякі радіолокатори та їхні діапазони частот
Рисунок 2. Деякі радіолокатори та їхні діапазони частот
персонального
огляду
радіолокатори
радiо-
локатор
поля бою
повітряного простору
радiо-
локатор
Рисунок 2. Деякі радіолокатори та їхні діапазони частот
Радіолокаційні системи працюють в широкому діапазоні частот випромінення. Чим вища робоча частота радіолокатора, тем сильніше впливають на розповсюдження електромагнітних хвиль атмосферні явища, такі як дощ або хмари. Але разом з цим на більш високих частотах досягається краща точність роботи радіолокаційного засобу. На Рисунку 2 показані діапазони частот електромагнітних хвиль, що використовуються радіолокаційними засобами.
А- та В-діапазони (ВЧ та ДВЧ)
В профільній літературі деяких країн Східної Європи ці діапазони називаються діапазоном високих частот (ВЧ) і діапазоном дуже високих частот (ДВЧ, іноді – метровим діапазоном), в англомовній – діапазоном HF (High Frequency) і діапазоном VHF (Very High Frequency).
Ці радіолокаційні діапазони нижче 300 МГц мають давню історію використання, оскільки саме в цих діапазонах активно розвивались радіолокаційні технології в роки Другої світової війни. В теперішній час ці частоти використовуються в радіолокаторах раннього виявлення і в так званих загоризонтних радіолокаторах (Over The Horizon, OTH). Для таких низьких частот легше будувати високопотужні передавачі. Затухання електромагнітних хвиль на таких частотах менше, ніж у разі використання більш високих частот. З іншого боку, точність таких радіолокаторів обмежена, оскільки низькі частоти потребують антен з дуже великими фізичними розмірами, що визначає точність вимірювання та роздільну здатність з кутових координат. Крім того, ці діапазони частот використовуються й іншими службами, зв’язком і радіомовленням, тому смуга частот для радіолокаторів обмежена (що також впливає на точність та роздільну здатність).
Однак останнім часом інтерес до використання цих діапазонів частот в радіолокації повертається, оскільки на цих частотах технології зниження радіолокаційної помітності типу Stealth не забезпечують потрібного ефекту.
С-діапазон (УВЧ)
Цей діапазон називають діапазоном ультрависоких частот (УВЧ) або дециметровим діапазоном. В англомовній літературі – Ultra High Frequency (UHF).
Існує не так багато радіолокаційних систем, розроблених для цього частотного діапазону (від 300 МГц до 1 ГГц). Ці частоти добре підходять для радіолокаційного виявлення і супроводження супутників та балістичних ракет на великих відстанях. Радіолокатори, що працюють в цьому діапазоні частот, використовуються для раннього виявлення та попередження про цілі як, наприклад, оглядовий радіолокатор в системі протиповітряної оборони середньої дальності MEADS (Medium Extended Air Defense System). Деякі метеорологічні радіолокаційні системи, наприклад, призначені для побудови профілю вітру, працюють в цьому діапазоні, оскільки розповсюдження електромагнітних хвиль на таких частотах слабо залежить від хмар та дощу.
Нові технології надширокосмугової радіолокації (Ultrawideband, UWB) використовують всі частоти від А- до С-діапазону. Надширокосмугові радіолокатори випромінюють дуже короткі імпульси на всіх частотах одночасно. Вони використовуються для неруйнівного контролю матеріалів та об’єктів, а також як радіолокатори підповерхневого зондування (Ground Penetrating Radar, GPR), наприклад, для археологічних досліджень.
D-діапазон (L-діапазон)
Цей частотний діапазон (від 1 до 2 ГГц) є кращим для роботи радіолокаторів дальнього виявлення з дальністю дії до 250 морських миль (близько 450 кілометрів). Вони випромінюють імпульси високої потужності з широким спектром і, часто, з внутршньоімпульсною модуляцією. Внаслідок кривизни земної поверхні максимальна дальність виявлення обмежена для цілей, що знаходяться на малих висотах. Такі цілі, по мірі збільшення дальності, дуже швидко зникають за радіогоризонтом.
В цьому діапазоні частот працюють радіолокатори дальнього виявлення в системі управління повітряним рухом, такі як трасовий оглядовий радіолокатор (Air Route Surveillance Radar, ARSR). При об’єднанні з моноімпульсним вторинним оглядовим радіолокатором (Monopulse Secondary Surveillance Radar, MSSR) вони використовують відносно велику антену, яка повільно обертається.
Якщо літеру L розуміти як першу в слові Large (великий), то позначення L-діапазон є хорошою мнемонічною римою для великого розміру антени або великої дальності дії.
E/F-діапазон (S-діапазон)
В цьому діапазоні атмосферне ослаблення вище, ніж у D-діапазоні. Радіолокаторам, працюючим в цьому діапазоні, потрібна значно більша випромінювана потужність для того, щоби досягнути хороших значень максимальної дальності дії. Як приклад можливо навести радіолокатор середньої потужності MPR (Medium Power Radar) з імпульсною потужністю 20 МВт. В цьому частотному діапазоні вплив погодних умов сильніше, ніж в D-діапазоні. Тому декілька метеорологічних радіолокаторів працюють в E/F-діапазоні але, в основному, в тропічних і субтропічних кліматичних зонах, оскільки тут вони можуть «бачити» за межами сильного шторму.
Спеціальні аеродромні оглядові радіолокатори (Airport Surveillance Radar, ASR) використовуються в аеропортах для виявлення та відображення положення літаків у повітряному просторі аеропортів, в середньому, на дальностях 50 … 60 морських миль (близько 100 кілометрів). Аеродромні радіолокатори визначають положення літаків та погодні умови в районах як цивільних, так і військових аеродромів.
Позначення S-діапазону (Small, Short – малий, короткий), на противагу позначенню L-діапазону, може трактуватися як позначення менших розмірів антен або меншої дальності дії.
G-діапазон (С-діапазон)
В G-діапазоні (від 4 до 8 ГГц) працюють багато воєнних мобільних радіолокаторів (огляду поля бою, управління зброєю та наземної розвідки) з малою і середньою дальністю дії. Розміри антен забезпечують відмінну точність вимірювання та роздільну здатність і, при цьому, будучи порівняно невеликими, не перешкоджають швидкому переміщенню. Вплив поганих погодних умов дуже суттєвий. Тому в радіолокаторах цього діапазону, призначених для роботи по повітряних об’єктах, часто використовуються антени з круговою поляризацією. Цей діапазон частот відведений для більшості типів метеорологічних радіолокаторів, що використовуються для виявлення опадів в помірних кліматичних зонах, таких як Європа.
I/J-діапазон (X- та Ku-діапазони)
В цьому діапазоні частот (від 8 до 12 ГГц) співвідношення між використовуваною довжиною хвилі та розміром антени суттєво краще, ніж в діапазонах більш низьких частот. I/J-діапазон є порівняно розповсюдженим у воєнних застосуваннях, таких як бортові радіолокатори, що забезпечують функції перехоплення повітряної цілі і ведення вогню по ній, а також атаки наземних цілей. Дуже малий розмір антени визначає хорошу застосовність. Системи наведення ракет в I/J-діапазоні мають прийнятні розміри для комплексів, для яких важливі мобільність та мала вага, а більша дальність дії не є основною вимогою..
Цей діапазон частот широко використовується в морських навігаційних радіолокаторах як цивільного, так і воєнного призначення. Невеликі й недорогі антени з високою швидкістю обертання забезпечують значні максимальні дальності дії та хорошу точність. В таких радіолокаторах використовуються хвилеводні щілинні та невеликі патч-антени, розміщені, як правило, під антенними обтічниками.
Крім перерахованого, цей частотний діапазон розповсюджений в космічних і бортових радіолокаторах побудови зображень, виконаних на основі антен із синтезованими апертурами (Synthetic Aperture Radar), призначених як для воєнної електронної розвідки, так і для цивільного географічного картографування.
Спеціалізовані радіолокатори з оберненою синтезованою апретурою (Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR) використовуються в морських повітряних засобах контролю забруднення.
K-діапазон (K- та Ka-діапазони)
Чим вища частота, тим сильніше атмосферне поглинання і затухання електромагнітних хвиль. З іншого боку потенційна точність та роздільна здатність також зростають. Радіолокаційні системи, що працюють в цьому діапазоні, забезпечують невелику дальність дії, але дуже високу роздільну здатність і високу швидкість оновлення даних. В системах управління повітряним рухом такі системи використовуються як радіолокатори управління наземним рухом (Surface Movement Radar, SMR) або (як частина) обладнання для виявлення на поверхні аеропорту (Airport Surface Detection Equipment, ASDE). Використання коротких зондувальних імпульсів тривалістю в декілька наносекунд забезпечує роздільну здатність з дальності, за якого на екрані радіолокатора можливо розпізнати контур літака або наземного транспортного засобу.
V-діапазон
Внаслідок явища розсіяння на молекулах (впливу вологості повітря) затухання електромагнітних хвиль в цьому діапазоні дуже високе. Радіолокаційні застосування тут обмежені дальністю дії в кілька метрів.
W-діапазон
В цьому діапазоні спостерігаються два явища: максимальне затухання поблизу 75 ГГц та відносний мінімум на частоті близько 96 ГГц. Обидва ці ефекти використовуються на практиці. В автомобілебудуванні невеликі вбудовані радіолокаційні засоби працюють на частотах 75 … 76 ГГц в паркувальних асистентах, для перегляду сліпих зон та в асистентах гальмування. Високе затухання (вплив молекул кисню О₂) знижує рівень перешкод від таких радіолокаційних засобів.
Радіолокаційні установки, які працюють на частотах від 96 до 98 ГГц, використовуються як лабораторне обладнання. Вони дають змогу отримувати уявлення про застосування радіолокації на надзвичайно високих частотах, таких як 100 ГГц.
В книзі Merill Skolniks «Radar Handbook» (3-е видання) автор посилається на більш ранні стандартні літерові позначення IEEE для радіочастотних діапазонів (IEEE-Std. 521-2002). Ці позначення (як показано на червоній шкалі на Рисунку 1) спочатку були обрані для описання використовуваних діапазонів радіолокації ще в часи Другої світової війни. Але в теперішній час використовувані частоти перевищують 110 ГГц – сьогодні існують генератори з фазовим керуванням до 270 ГГц, потужні передавачі до 350 ГГц. Рано чи пізно ці частоти будуть використовуватися і в інтересах радіолокації. Одночасно з цим використання надширокосмугових радіолокаторів виходить за межі традиційних радіолокаційних діапазонів частот.
Різні позначення радіолокаційних діапазонів дуже заплутані. Це не складає труднощів для інженера або техніка радіолокатора. Ці фахівці можуть працювати з різними позначеннями діапазонами, частотами та довжинами хвиль. Але вони, як правило, не займаються логістикою закупок, наприклад, інструментів для обслуговування і вимірювань або навіть нового радіолокатора в цілому. Нажаль, менеджмент логістики, в основному, обучався бізнес-наукам. Тому у них будуть виникати проблеми із заплутаними позначеннями діапазонів. Тепер проблема полягає в тому, щоби стверджувати, що генератор частоти для I та J-діапазону обслуговує радіолокатор X-діапазону і Ku-діапазону, а заглушувач D-діапазону створює перешкоди для радіолокатора L-діапазону.
В надширокосмугових радіолокаторах використовується дуже широкий частотний діапазон, який виходить за строгі межі класичних діапазонів. Як краще сказати: наприклад, надширокосмуговий радіолокатор працює на частотах від E- до H-діапазону, або він використовує ті ж частоти від більш високого S-діапазону до більш низького X-діапазону?
Але поки виробники будуть називати пропоновані ними радіолокаційні засоби з використанням застарілих позначень діапазонів частот, до тих пір IEEE буде об’являти, що нові смуги частот: «… не узгоджуються з практикою радіолокації і не мають використовуватися для опису радіолокаційних частотних діапазонів». Я думаю, це лише питання часу, і навіть IEEE змінить свою думку. Пам’ятайте: не так давно метрична система одиниць вимірювання вважалась недоречною в IEEE. І дійсно, щоби описати, яка довжина милі, краще сказати «одна миля», а не «1,853 кілометра». (Шкода, що більшість людей в цьому світі не знають, яка довжина милі.)