Низкочастотный диапазон

Низкочастотный диапазон (НЧ, англ. Low Frequency, LF) — область радиочастотного спектра, занимающая полосу от 30 кГц до 300 кГц (по международной классификации, принятой Международным союзом электросвязи (МСЭ) в Регламенте радиосвязи). В более широком, неформальном смысле термин может относиться к любым частотам ниже 300 кГц, включая сверхнизкие (СНЧ, 30—300 Гц) и инфранизкие (ИНЧ, 300 Гц — 3 кГц) частоты, однако в радиотехнике и стандартизации под низкочастотным диапазоном понимается именно полоса 30—300 кГц. Соответствующая длина волны в вакууме составляет от 10 до 1 километра, поэтому диапазон также называют километровым.

Физические свойства и распространение радиоволн

Радиоволны низкочастотного диапазона обладают рядом уникальных физических характеристик, определяющих их применение. Основным механизмом распространения на большие расстояния является земная (поверхностная) волна. Благодаря дифракции (огибанию препятствий) и низкому затуханию при распространении вдоль поверхности Земли, сигналы НЧ-диапазона могут распространяться на тысячи километров, особенно над морской поверхностью, где проводимость почвы выше. Затухание земной волны в НЧ-диапазоне составляет примерно 2—3 дБ на 1000 км над морем и 5—10 дБ на 1000 км над сушей.

В ночное время и в периоды низкой солнечной активности значительную роль играет ионосферное распространение. Низкие частоты эффективно отражаются от нижних слоёв ионосферы (D-слой, на высоте 60—90 км), что обеспечивает возможность дальней радиосвязи за счёт многократных отражений между Землёй и ионосферой. Днём, из-за повышенной ионизации D-слоя, происходит сильное поглощение энергии, и дальность ионосферной связи снижается. Таким образом, для НЧ-диапазона характерна высокая стабильность распространения, особенно в ночное время, и слабая зависимость от солнечных вспышек по сравнению с более высокими частотами.

Недостатками диапазона являются:

• Низкая скорость передачи данных — из-за малой ширины полосы частот (эффективная полоса пропускания обычно не превышает нескольких килогерц) скорость передачи информации ограничена (сотни бит в секунду, редко — единицы килобит).
• Большие размеры антенн — для эффективного излучения длина антенны должна быть соизмерима с длиной волны (1—10 км), что требует сооружения высоких мачт (до 300—400 м) и протяжённых заземлённых систем.
• Высокая мощность передатчиков — для преодоления затухания и обеспечения дальности связи требуются передатчики мощностью от десятков до тысяч киловатт.

Классификация и поддиапазоны

В рамках международного Регламента радиосвязи диапазон 30—300 кГц (НЧ) делится на два основных поддиапазона, различающихся по регламентации и типовому использованию:

В некоторых странах (например, в США) диапазон 190—300 кГц выделен для любительской радиосвязи (радиолюбители — 160-метровый диапазон, 1,8—2,0 МГц, но в НЧ-части есть узкие полосы для экспериментальной работы). В России и странах СНГ любительская работа в диапазоне 30—300 кГц, как правило, не разрешена, за исключением специальных экспериментальных участков.

История

Первые радиопередатчики, работавшие на низких частотах, появились в конце XIX — начале XX века. В 1895 году Александр Попов использовал для передачи сигналов частоты около 100—200 кГц. В 1901 году Гульельмо Маркони осуществил первую трансатлантическую радиосвязь на частоте около 300 кГц (длина волны около 1 км). Вплоть до 1920-х годов низкие частоты были основными для радиовещания и связи, так как обеспечивали наибольшую дальность.

С развитием коротковолновой связи (3—30 МГц) в 1920—1930-х годах, которая требовала меньшей мощности и компактных антенн, НЧ-диапазон постепенно утратил значение для массовой связи. Однако он остался востребованным для специальных целей: навигации, передачи сигналов точного времени, военной и морской связи.

Во время Второй мировой войны и в послевоенный период активно развивались навигационные системы НЧ-диапазона (LORAN, Decca). В 1950—1960-х годах были построены мощные НЧ-радиостанции для передачи сигналов точного времени (например, DCF77 в Германии, 77,5 кГц; WWVB в США, 60 кГц). В СССР работала система «РВС» (радиовещательная станция) на частотах 50—150 кГц для передачи сигналов времени и эталонных частот.

Применение

Радиовещание

В диапазоне 30—300 кГц работает небольшое количество радиовещательных станций, использующих амплитудную модуляцию (АМ). Такие станции (например, «Радио России» на частоте 261 кГц в некоторых регионах, «Радио Маяк» на 252 кГц в прошлом) обеспечивают покрытие на больших территориях, включая удалённые и труднодоступные районы, где УКВ- и КВ-вещание ненадёжно. В Европе и Азии до сих пор действуют несколько мощных НЧ-радиостанций (например, «Europe 1» на 183 кГц, «Radio France» на 162 кГц). Качество звука при АМ-вещании в НЧ-диапазоне ниже, чем в УКВ (FM), из-за узкой полосы пропускания и помех.

Навигация

НЧ-диапазон традиционно используется для радионавигационных систем:

• LORAN-C (Long Range Navigation) — система, работающая на частоте 100 кГц, обеспечивающая точность определения местоположения до нескольких сотен метров на дальности до 2000 км. В настоящее время используется в основном в резервном режиме (например, в США — eLORAN).
• Decca Navigator — британская система, работавшая в диапазоне 70—130 кГц, использовалась до 2000-х годов.
• Радиомаяки (NDB, Non-Directional Beacon) — авиационные радиомаяки, работающие в диапазоне 190—535 кГц (часть — в НЧ-диапазоне), используются для навигации самолётов по приборам.

Передача сигналов точного времени и эталонных частот

Мощные НЧ-радиостанции передают сигналы точного времени и эталонных частот, используемые для синхронизации часов, научных приборов и промышленного оборудования. Примеры:

• DCF77 (Германия, 77,5 кГц) — передаёт сигнал точного времени, принимаемый на большей части Европы.
• WWVB (США, 60 кГц) — аналогичная станция, обслуживающая Северную Америку.
• MSF (Великобритания, 60 кГц) — передаёт сигналы времени.
• РВС (Россия) — станции на частотах 50, 66, 77,5 кГц и других, входящие в Государственную службу времени и частоты.

Связь с подводными лодками

Низкие частоты (особенно сверхнизкие — СНЧ, 30—300 Гц) способны проникать в морскую воду на глубину до нескольких десятков метров. Для связи с подводными лодками в погружённом состоянии используются передатчики, работающие в диапазоне 30—300 кГц (НЧ) и ниже. Однако из-за низкой скорости передачи данных (единицы бит в секунду) такие системы передают только короткие команды или сигналы тревоги. В России и США существуют мощные береговые НЧ-станции для связи с подводным флотом.

Научные исследования

НЧ-диапазон используется для изучения ионосферы, распространения радиоволн, а также для регистрации грозовых разрядов (атмосферики). Сеть станций мониторинга атмосфериков (например, WWLLN) работает в диапазоне 3—300 кГц.

Интересные факты

• Самая мощная радиовещательная станция в мире — «Радио Маяк» в СССР (станция «Радио-1» на частоте 252 кГц) имела мощность передатчика до 2500 кВт. В настоящее время её мощность снижена.
• Станция DCF77 (77,5 кГц) используется для синхронизации миллионов радиоприёмников, часов и компьютеров в Европе.
• В 1960-х годах в США была построена система «Sanguine» (проект «Seafarer») — подземная антенная система для связи с подводными лодками на частотах 30—100 Гц, занимавшая площадь около 2000 км². Проект не был полностью реализован.
• НЧ-диапазон (30—300 кГц) является частью так называемого «средневолнового» диапазона в старых классификациях (150—300 кГц — средние волны, 30—150 кГц — длинные волны). В современной международной классификации МСЭ термин «длинные волны» (ДВ) соответствует диапазону 30—300 кГц, а «средние волны» (СВ) — 300—3000 кГц.

Источники

• Регламент радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ), издание 2020 года.
• Долуханов М. П. Распространение радиоволн. — М.: Связь, 1965.
• Калинин А. И., Черенкова Е. Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний. — М.: Связь, 1971.
• Справочник по радиосвязи / Под ред. В. А. Шамшина. — М.: Радио и связь, 1990.
• ITU-R Recommendation P.368-9: Ground-wave propagation curves for frequencies between 10 kHz and 30 MHz.
• DCF77 — сигнал точного времени, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Германия.
• WWVB — станция точного времени, National Institute of Standards and Technology (NIST), США.