Низкая частота (LF)

Низкая частота (LF) — это диапазон радиочастот (3–30 кГц) в спектре электромагнитных волн, соответствующий длинам волн от 100 до 10 километров. В международной классификации (Recommendation ITU-R V.431) обозначается аббревиатурой LF (от англ. Low Frequency). Относится к группе длинных волн (ДВ) и используется преимущественно для радионавигации, передачи сигналов точного времени и подводной связи.

Физические характеристики и распространение

Радиоволны низкочастотного диапазона обладают рядом уникальных свойств, определяющих их применение. Основные особенности:

• Дифракция: длина волны (от 10 до 100 км) позволяет волнам огибать крупные препятствия (холмы, здания) и распространяться вдоль поверхности Земли на значительные расстояния. Благодаря этому LF-сигналы могут приниматься на расстояниях в сотни и тысячи километров от передатчика.
• Земная волна: основным механизмом распространения является земная (поверхностная) волна, которая следует за кривизной земной поверхности. Затухание земной волны в диапазоне LF относительно невелико, особенно над морской поверхностью.
• Ионосферное отражение: волны LF способны отражаться от нижних слоёв ионосферы (слой D, высота 60–90 км) в дневное время и от слоя E (100–120 км) ночью. Однако в дневные часы поглощение в слое D значительно возрастает, что снижает дальность ионосферной связи. Ночью, когда слой D исчезает, связь на LF улучшается.
• Проникновение в воду и грунт: низкие частоты способны проникать на глубину до нескольких десятков метров в морскую воду и до сотен метров в сухой грунт. Это свойство критически важно для связи с подводными лодками и геофизических исследований.
• Шумы и помехи: в диапазоне LF высок уровень атмосферных помех (грозовые разряды) и промышленных помех. Для надёжного приёма требуются мощные передатчики (десятки и сотни киловатт) и большие антенные системы.

История

Первые практические опыты с радиоволнами низких частот были проведены в конце XIX — начале XX века. Гульельмо Маркони в 1901 году осуществил первую трансатлантическую радиопередачу, используя частоту около 500 кГц (средние волны), но уже вскоре были построены мощные длинноволновые станции.

В 1910-х — 1920-х годах диапазон LF активно использовался для коммерческой и военной радиосвязи на большие расстояния. Крупнейшие передающие центры того времени (например, станция в Карибу, США, мощностью 200 кВт) работали на частотах 15–30 кГц. Однако с развитием коротковолновой связи (HF, 3–30 МГц) в 1930-х годах LF-диапазон постепенно утратил своё значение для коммерческой связи из-за меньшей пропускной способности и высокой стоимости антенн.

В середине XX века интерес к LF возродился в связи с потребностями военно-морских сил в надёжной связи с подводными лодками. В 1950–1960-х годах были построены мощные береговые передающие станции (например, в США — Cutler, мощностью 2 МВт; в Великобритании — Rugby; в СССР — передатчики в районе Калининграда и на Дальнем Востоке). Параллельно развивались радионавигационные системы, работающие в LF-диапазоне.

Применение

Радионавигация

Низкие частоты традиционно используются в радионавигационных системах благодаря высокой стабильности распространения земной волны и возможности точного измерения фазы.

• LORAN-C (Loran-C): гиперболическая радионавигационная система, работающая на частоте 100 кГц. Разработана в США в 1950-х годах. Обеспечивает точность определения местоположения порядка 100–500 метров на дальности до 2000 км. Использовалась в морской и авиационной навигации. В настоящее время (2020-е годы) система LORAN-C в большинстве регионов выведена из эксплуатации, за исключением нескольких цепочек в Японии и Китае.
• Чайка: советский/российский аналог LORAN-C, работающий на частотах 100–110 кГц. Используется для целей морской и авиационной навигации, а также для синхронизации времени.
• Alpha (РСДН-20): российская система дальней навигации, использующая частоты в диапазоне 10–20 кГц. Обеспечивает глобальное покрытие и используется для навигации морских судов и самолётов.

Передача сигналов точного времени

Диапазон LF широко применяется для передачи сигналов эталонного времени и частоты. Радиостанции, передающие такие сигналы, работают на фиксированных частотах и обеспечивают синхронизацию часов, измерительных приборов и компьютерных систем.

• MSF (Великобритания): частота 60 кГц.
• DCF77 (Германия): частота 77,5 кГц. Одна из самых известных станций, сигнал которой принимается на большей части Европы. Используется для синхронизации бытовых радиочасов, будильников и промышленного оборудования.
• WWVB (США): частота 60 кГц.
• RBU (Россия): частота 66,66 кГц (передатчик в г. Электроугли, Московская область). Передача сигналов точного времени и эталонной частоты.

Связь с подводными лодками

Низкие частоты являются одним из немногих способов связи с подводными лодками, находящимися на глубине. Сигнал LF проникает в морскую воду на глубину до 20–30 метров, что позволяет лодке принимать сообщения, не всплывая на поверхность. Для приёма лодки используют буксируемые антенны (длинные кабели). Передающие станции LF имеют огромную мощность (до 1–2 МВт) и занимают территории в несколько квадратных километров. Примеры действующих станций:

• VLF/LF-станция «Зевс» (Россия): расположена в районе г. Комсомольск-на-Амуре, мощностью около 1,2 МВт.
• VLF-станция Cutler (США, штат Мэн): мощностью 2 МВт, частота 24 кГц.
• VLF-станция Skelton (Великобритания): мощностью 1 МВт, частота 19,6 кГц (законсервирована).

Научные исследования

• Геофизика: LF-волны используются для зондирования земной коры и изучения её электропроводности. Метод магнитотеллурического зондирования (МТЗ) основан на измерении вариаций естественного электромагнитного поля Земли, включая LF-диапазон.
• Исследование ионосферы: по характеристикам распространения LF-сигналов (изменение фазы и амплитуды) изучают состояние нижних слоёв ионосферы (слой D), особенно в периоды солнечных вспышек и геомагнитных бурь.
• Атмосферное электричество: регистрация грозовых разрядов (сфериков) в LF-диапазоне позволяет определять их местоположение и интенсивность.

Антенные системы

Из-за большой длины волны антенны для LF-диапазона имеют значительные размеры. Наиболее распространённые типы:

• Мачтовые антенны: вертикальные металлические мачты высотой 100–300 метров, часто изолированные от земли. Используются в качестве монополей. Для увеличения эффективности применяют ёмкостные нагрузки на вершине (сетки, зонты), увеличивающие электрическую длину антенны.
• Т-образные и Г-образные антенны: горизонтальная часть (полотно) подвешивается между двумя или более мачтами, а вертикальная часть (снижение) соединяет полотно с передатчиком. Такая конструкция позволяет получить большую эффективную высоту.
• Антенны с ёмкостной нагрузкой: для повышения эффективности излучения на низких частотах применяют системы из множества горизонтальных проводов (зонтичная антенна), создающих большую ёмкость относительно земли.

Перспективы и современное состояние

Несмотря на развитие спутниковой связи и навигации (GPS, ГЛОНАСС), диапазон LF сохраняет своё значение в ряде специальных областей. Спутниковые сигналы не проникают под воду и могут быть заблокированы в условиях радиоэлектронной борьбы. Поэтому LF-связь остаётся резервным и стратегическим каналом для военных и специальных служб.

В 2010-х годах возобновился интерес к наземным радионавигационным системам LF (eLoran — enhanced Loran) как к резервному средству для морской и авиационной навигации на случай отказов спутниковых систем. В России система «Чайка» продолжает эксплуатироваться и модернизироваться.

Источники

• Recommendation ITU-R V.431-7 (08/2015). Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications.
• Davies, K. (1990). Ionospheric Radio. Peter Peregrinus Ltd.
• Wait, J. R. (1962). Electromagnetic Waves in Stratified Media. Pergamon Press.
• Белоусов, В. И. (2007). Распространение радиоволн. Учебное пособие. — М.: Радиотехника.
• Стандарт IEEE 521-2002 — Standard Letter Designations for Radar-Frequency Bands.
• Материалы сайта Международного союза электросвязи (ITU) — «Radio Regulations» (2020 Edition).