Ультракороткие волны

Ультракороткие волны (УКВ) — диапазон радиоволн с длиной волны от 10 до 1 метра, что соответствует частотам от 30 до 300 МГц. В Международном регламенте радиосвязи УКВ относятся к метровым волнам (VHF, Very High Frequency). Отличаются от более длинных волн (средних и коротких) способностью распространяться преимущественно в пределах прямой видимости, что делает их пригодными для локальной радиосвязи, телевидения и радиолокации.

История освоения

Первые практические работы с УКВ начались в 1920-х годах. В 1924 году советский физик Александр Попов (фактически работы велись его последователями) и инженеры в разных странах изучали свойства коротких волн, но УКВ долго считались малопригодными из-за сильного затухания. В 1931 году в СССР под руководством В. А. Введенского были проведены эксперименты по распространению УКВ над земной поверхностью. Введенский вывел формулу для расчёта напряжённости поля УКВ в условиях прямой видимости, которая стала основой для проектирования радиорелейных линий.

В 1930-е годы УКВ начали использоваться для радиолокации. В 1934 году в СССР была создана первая импульсная радиолокационная станция (РЛС) «Рапид», работавшая в диапазоне УКВ. Во время Второй мировой войны УКВ-радары активно применялись Великобританией (система Chain Home) и США. После войны, с 1940-х годов, УКВ стали основой для телевизионного вещания (первые телевизионные станции в СССР работали в диапазоне 48–50 МГц). В 1950-е годы началось внедрение УКВ-радиостанций для подвижной связи (милиция, такси, скорая помощь).

Физические особенности распространения

Прямая видимость

Основной механизм распространения УКВ — прямая волна, то есть распространение в пределах прямой геометрической видимости между передающей и приёмной антеннами. Дальность связи ограничивается кривизной Земли и препятствиями (здания, холмы). Для увеличения дальности антенны поднимают на мачты или вышки.

Дифракция и рефракция

УКВ слабо огибают препятствия (дифракция незначительна по сравнению с длинными волнами). Однако в атмосфере наблюдается тропосферная рефракция — искривление траектории волны из-за изменения показателя преломления воздуха с высотой. В нормальных условиях рефракция увеличивает дальность на 15–20% по сравнению с геометрической. При аномальной рефракции (инверсия температуры) дальность может возрастать до сотен километров.

Отражение от ионосферы

В отличие от коротких волн, УКВ обычно не отражаются от ионосферы и проходят сквозь неё в космос. Однако в редких случаях, при высокой солнечной активности и на частотах ниже 50 МГц, возможно спорадическое отражение от ионизированных областей (слой E_s), что позволяет осуществлять связь на расстояния до 2000 км.

Классификация поддиапазонов

В радиотехнике УКВ делят на несколько поддиапазонов:

Примечание: в российской классификации УКВ часто включают также диапазон УВЧ (Ultra High Frequency, 300–3000 МГц), но по международному стандарту УКВ — это только 30–300 МГц.

Применение

Радиовещание

Наиболее массовое применение УКВ — FM-радиовещание (Frequency Modulation) в диапазоне 87,5–108 МГц. В СССР и России FM-вещание началось в 1960-х годах. Преимущества УКВ FM перед AM-вещанием на средних волнах: высокая помехоустойчивость, стереофонический звук, отсутствие замираний. В России УКВ-диапазон также используется для цифрового радиовещания (стандарт DAB+).

Телевидение

До перехода на цифровое телевидение (DVB-T2) аналоговое телевещание в России велось в диапазонах УКВ (1–12 каналы, 48–230 МГц). Метровые волны (УКВ) обеспечивали покрытие на большие расстояния, чем дециметровые (UHF), но требовали более громоздких антенн.

Радиосвязь

УКВ широко используются в профессиональной и любительской радиосвязи:

• Авиационная связь: диапазон 118–137 МГц (амплитудная модуляция) — стандарт для связи диспетчеров с пилотами.
• Морская связь: диапазон 156–174 МГц (морская УКВ-радиосвязь, стандарт GMDSS).
• Сухопутная подвижная связь: полиция, скорая помощь, такси, службы спасения — диапазоны 146–174 МГц и 403–470 МГц (в РФ — «Си-Би» 27 МГц не относится к УКВ, это КВ).
• Радиолюбительские диапазоны: 50–54 МГц (6 метров), 144–146 МГц (2 метра), 430–440 МГц (70 см — уже УВЧ, но часто включается в УКВ-любительскую практику).

Радиолокация

УКВ-диапазон применяется в метеорологических радиолокаторах (например, для обнаружения грозовых облаков) и в системах управления воздушным движением (аэродромные обзорные РЛС). Длина волны 1–10 м позволяет обнаруживать крупные цели (самолёты) на расстоянии до 200–300 км.

Радиорелейные линии

УКВ-диапазон (особенно 150–300 МГц) используется для радиорелейных линий связи, обеспечивающих передачу телевизионного сигнала и телефонных каналов между городами. В СССР такие линии строились с 1950-х годов (например, линия Москва — Ленинград).

Технические особенности

Антенны

Для УКВ применяются различные типы антенн: полуволновый вибратор, штыревая антенна, антенна «волновой канал» (Яги), логопериодическая антенна. Размеры антенн сравнительно невелики (от 0,5 до 5 м), что упрощает их установку на мачтах и крышах.

Модуляция

На УКВ преимущественно используется частотная модуляция (FM) для радиовещания и амплитудная модуляция (AM) для авиационной связи. В цифровых системах применяются фазовая модуляция (PSK) и квадратурная амплитудная модуляция (QAM).

Помехи

УКВ подвержены помехам от промышленных источников (электродвигатели, сварочные аппараты) и атмосферным шумам (грозовые разряды). Для борьбы с помехами используются фильтры и экранирование.

Ограничения и недостатки

• Малая дальность — связь в пределах прямой видимости (обычно 30–80 км для наземных станций, до 200 км с аномальной рефракцией).
• Зависимость от рельефа — холмы, горы, высотные здания создают радиотени.
• Высокое затухание в атмосфере на частотах выше 100 МГц (особенно в дождь и снег).
• Ограниченная пропускная способность — на УКВ сложнее реализовать широкополосные каналы (например, для передачи видео высокой чёткости), чем на УВЧ.

Интересные факты

• В СССР в 1960-е годы существовала система «УКВ-радиофикация» — передача радиопрограмм по проводным сетям через УКВ-приёмники, установленные в домах.
• Первый в мире радиолокатор, способный обнаруживать самолёты, работал на частоте 75 МГц (УКВ) — это была британская система Chain Home (1937 год).
• В диапазоне УКВ (144–146 МГц) работают радиолюбительские спутники (CubeSat), обеспечивающие связь на орбите Земли.
• Во время Великой Отечественной войны советские партизаны использовали УКВ-радиостанции «Северок» (диапазон 27–30 МГц) для связи с центром, хотя формально это уже нижняя граница УКВ.

Источники

• Введенский В. А. «Основы теории распространения радиоволн». — М.: Связьиздат, 1934.
• Долуханов М. П. «Распространение радиоволн». — М.: Связь, 1972.
• Регламент радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ), издание 2020 года.
• «Радиотехника» под ред. А. А. Харкевича. — М.: Воениздат, 1958.
• ГОСТ 24375-80 «Радиосвязь. Термины и определения».