Радиодиапазон

Радиодиапазон — часть электромагнитного спектра с частотами от 3 кГц до 3000 ГГц (3 ТГц). Электромагнитные волны в этом диапазоне частот, называемые радиоволнами, широко используются в современной технике, особенно в телекоммуникациях. Чтобы предотвратить помехи между различными пользователями, генерация и передача радиоволн строго регулируется национальными законами и согласуется на международном уровне организацией Международный союз электросвязи (МСЭ, англ. International Telecommunication Union, ITU)^[1].

Разные части радиодиапазона выделяются МСЭ для различных радиотехнологий и применений; в Радиорегламенте МСЭ (RR) определено около 40 служб радиосвязи^[2]. В некоторых случаях части радиодиапазона продаются или лицензируются операторам частных радиосетей (например, операторам сотовой связи или телевизионным вещательным станциям). Диапазоны выделенных частот часто называют по характеру их использования, например, «сотовый диапазон» или «телевизионный диапазон»^[3]. Поскольку радиодиапазон — это ограниченный ресурс, на который предъявляют всё больший спрос, с середины XX века наблюдается его растущая насыщенность, что стимулирует появление инноваций в телекоммуникациях, таких как системы транкинговой радиосвязи, технологии с расширенным спектром, сверхширокополосные системы, повторное использование частот, динамическое управление спектром, объединение ресурсов спектра и когнитивное радио.

Частотные границы радиодиапазона условны и в физике определяются соглашением. Поскольку радиоволны — это электромагнитные колебания самой низкой частоты, строгой нижней границы радиодиапазона не существует^[4]. МСЭ определяет радиоволны как «электромагнитные волны с частотами, произвольно ниже 3000 ГГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного проводника»^[5]. На верхнем конце радиодиапазон граничит с инфракрасным излучением. Эта граница определяется на разных частотах в зависимости от области науки. Так называемый терагерцовый диапазон от 300 ГГц до 3 ТГц может быть отнесён как к микроволнам, так и к инфракрасным лучам. Это наивысший диапазон, который классифицируется как радиоволны по определению МСЭ^[4]; однако спектроскописты рассматривают эти частоты как часть дальнего, либо среднего инфракрасного диапазона.

Поскольку радиодиапазон является фиксированным ресурсом, его практические границы и основные физические ограничения, определяющие частоты, пригодные для радиосвязи, задаются технологическими трудностями, которые невозможно преодолеть^[6]. Поэтому, несмотря на возрастающую насыщенность радиоспектра, невозможно добавить дополнительные частотные полосы помимо уже задействованных^[6]. На самых низких частотах использование ограничено тем, что для передачи требуется антенна всё большего размера^[6]. Размер антенны для эффективного излучения растёт пропорционально длине волны или обратно пропорционально частоте. Ниже примерно 10 кГц (длина волны около 30 км) требуются натянутые на километры провода, поэтому радиосистем на столь малых частотах мало. Второе ограничение — уменьшающаяся полоса пропускания, которая на низких частотах ограничивает скорость передачи данных^[6]. Ниже 30 кГц аудиомодуляция практически неприменима, а связь возможна только с очень медленным обменом данными. Самые низкие частоты, применявшиеся в радиосвязи — около 80 Гц (в диапазоне СНЧ, ELF) — используются в системах связи с подводными лодками некоторых стран для передачи сигналов на сотни метров водяной толщи. Для этого необходимы огромные наземные дипольные антенны длиной 20-60 км с мощностью излучателя в мегаватты и скоростью передачи ~1 бит в минуту (17 миллибит/с, или символ раз в 5 минут).

Верхняя граница, на которой радиоволны ещё пригодны для радиосвязи, определяется поглощением излучения атмосферой^[6]. С ростом частоты выше 30 ГГц (начало миллиметровый диапазон) атмосферные газы всё больше ослабляют сигнал, так что мощность луча экспоненциально падает с расстоянием, пройденным от антенны. На 30 ГГц передача возможна примерно на 1 км, а при дальнейшем росте частоты расстояние связи ещё уменьшается. В терагерцовом диапазоне (выше 300 ГГц) радиоволны поглощаются в атмосфере практически полностью за несколько метров (поглощение главным образом озоном, паром и CO₂), так что атмосфера становится практически непрозрачной, пока не возникает новое «окно прозрачности» ближе к оптическому окну в ближнем инфракрасном^[7]^[8].

Радиодиапазон — это относительно небольшой частотный диапазон (непрерывный участок внутри радиодиапазона), внутри которого каналы радиосвязи используются или выделяются, как правило, для одних и тех же целей. Для предотвращения помех и повышения эффективности частотного ресурса услуги группируются по диапазонам: например, вещание, мобильная связь или навигация организованы в неперекрывающиеся полосы.

План диапазонов

Для каждого радиодиапазона МСЭ предусматривает план диапазона (или частотный план), определяющий правила пользования, способ совместного использования полосы, порядок предотвращения взаимных помех и протоколы для совместимости передатчиков и приёмников^[9].

Частотный план определяет границы диапазона, способы деления на каналы, а также то, какие сигналы будут передаваться:

схема нумерации каналов — какие номера или буквы могут присваиваться;
центральные частоты каналов — интервал между несущими частотами каналов;
полоса пропускания и/или частотное отклонение — ширина каждого канала;
спектральная маска — подавление помех за пределами канала;
модуляция — используемые или разрешённые методы;
содержание — виды разрешённой информации (звук, видео, аналоговый или цифровой сигнал);
лицензирование — порядок получения разрешения на вещание.

МСЭ

Реальные разрешённые диапазоны определяет МСЭ^[10], а также национальные регулирующие органы — например, ФКС США^[11], и отраслевые стандарты добросовестного использования^[12].

Как правило, МСЭ делит радиоспектр на 12 полос (диапазонов), каждая из которых начинается с длины волны, равной целой степени десяти 10ⁿ метров. Соответствующая частота — 3×10⁸⁻ⁿ герц, и каждый диапазон охватывает десятковое (log) изменение частоты или длины волны. Каждой полосе присвоено традиционное название — например, высокочастотный (HF) — это длина волны от 100 до 10 м (частоты 3-30 МГц). Это условные термины, не отражающие распределения по службам связи; внутри каждой полосы выделяются более узкие диапазоны для различных служб. Выше 300 ГГц поглощение электромагнитных волн атмосферой Земли настолько велико, что атмосфера становится практически непрозрачной, пока не возникает инфракрасное или оптическое окно прозрачности.

Эти радиодиапазоны МСЭ закреплены в Радиорегламенте МСЭ, статья 2, пункт 2.1: «радиодиапазон подразделяется на девять диапазонов, которые обозначаются последовательно целыми числами согласно таблице ниже»^[13].

Система была предложена на четвёртом совещании МККР в Бухаресте в 1937 году, а затем одобрена Международной радиоконференцией в Атлантик-Сити в 1947 году. Идея нумеровать полосы так, чтобы номер соответствовал логарифму средней геометрической частот верхней и нижней границы в Гц, предложена Б. К. Флеминг-Уильямсом в 1942 году^[14].

Термин «чрезвычайно низкая частота» (TLF) использовался для диапазона 1-3 Гц | 300 000—100 000 км (1000 Мм)^[15], однако термин не определён МСЭ^[16].

Название диапазона	Аббревиатура	Номер МСЭ	Частоты и длина волн	Примеры применения
СНЧ	ELF	1	3-30 Гц, 100 Мм	Связь с подводными лодками
СНЧ-2	SLF	2	30-300 Гц, 10 Мм	Связь с подводными лодками
УНЧ	ULF	3	300-3000 Гц, 1 Мм	Связь с подводными лодками, связь в шахтах, проводная телефония, факсимильная и оптоволоконная связь
ОНЧ	VLF	4	3-30 кГц	Навигация, сигналы времени, связь с подводными лодками, проводная телефония, беспроводные датчики, геофизика
НЧ	LF	5	30-300 кГц	Навигация, сигналы времени, АМ-вещание в длинных волнах (Европа и Азия), RFID, радиолюбительство
СЧ	MF	6	300-3000 кГц	АМ-радиовещание (средние волны), радиолюбительство, лавинные маяки, МРТ, позитронно-эмиссионная томография, телеграф, радиотелетайпы, dial-up интернет
ВЧ	HF	7	3-30 МГц	КВ-вещание, гражданские диапазоны, радиолюбительство, авиационная связь, RFID, ОВЧ-радар, автоматическая установка связи, судовая мобильная связь, МРТ, позитронно-эмиссионная томография, ультразвуковая диагностика, беспроводные телефоны
ОВЧ	VHF	8	30-300 МГц	FM-вещание, ТВ, кабельное ТВ, радары, наземно-воздушная и авиационная связь, радиомаяки, радиотелетайпы, мобильная и морская связь, радиолюбительство, сканеры, службы экстренной помощи, метеосвязь, МРТ, позитронно-эмиссионная томография, ультразвуковая диагностика, беспроводные телефоны
УВЧ	UHF	9	300-3000 МГц	ТВ и кабельное ТВ, микроволновые печи, радары, радионавигация, мобильная связь, беспроводные сети, Bluetooth, Zigbee, GPS, двухсторонняя радиосвязь, спутниковое радио, сканеры, системы ДУ, ADSB, беспроводные телефоны, интернет, спутниковое телевидение и телефоны
СВЧ	SHF	10	3-30 ГГц	Радиоастрономия, беспроводные сети, DSRC, современные радары, спутниковая и кабельная связь, вещание, метеоспутники, спутниковое радио, беспроводные телефоны, интернет, спутниковые телефоны
ЭВЧ	EHF	11	30-300 ГГц	Радиоастрономия, спутниковое вещание, коммуникационные и метеоспутники, направленное микроволновое оружие, миллиметровые сканеры, 802.11ad, интернет
ТГц-диапазон / ЧВЧ	THF	12	300-3000 ГГц	Экспериментальная медицинская визуализация, молекулярная динамика, физика конденсированного состояния, терагерцовая спектроскопия, сверхбыстрая связь, дистанционное зондирование

Радодиапазоны IEEE (для РЛС)

В микроволновом диапазоне радиочастотные полосы обозначаются буквами. Такая система возникла во время Второй мировой войны для обозначения частот, использовавшихся в радарах (РЛС) — первой массовой области применения микроволн. Названия полос различаются между разными отраслевыми системами и могут немного отличаться даже в рамках одной системы. Одна из наиболее распространённых — обозначения IEEE (Американского института инженеров по электротехнике и электронике).

Частотные диапазоны по IEEE^[17]
Обозначение	Частотный диапазон	Происхождение обозначения
HF	0,003-0,03 ГГц	High frequency
ОВЧ	0,03-0,3 ГГц	Very high frequency
УВЧ	0,3-1 ГГц	Ultra-high frequency
L	1-2 ГГц	Long wave
S	2-4 ГГц	Short wave
C	4-8 ГГц	Compromise S/X
X	8-12 ГГц	Используется для систем наведения, экзотика (X — crosshair)
K_u	12-18 ГГц	(«Kurz-under», нем.)
K	18-27 ГГц	(«Kurz», нем.)
K_a	27-40 ГГц	(«Kurz-above», нем.)
V	40-75 ГГц	—
W	75-110 ГГц	Буква следует за V в алфавите^[18]
мм или G	110-300 ГГц	Millimeter^[17]