Ультракоротковолновый диапазон

Ультракоротковолновый диапазон (УКВ, англ. Very High Frequency, VHF) — это участок радиочастотного спектра, занимающий полосу от 30 до 300 МГц, что соответствует длинам волн от 10 до 1 метра. В радиотехнике и связи УКВ-диапазон занимает промежуточное положение между короткими волнами (КВ) и дециметровыми волнами (ДМВ). Ключевой особенностью распространения радиоволн этого диапазона является преимущественно прямолинейное распространение в пределах прямой видимости, что отличает его от более низкочастотных диапазонов, способных огибать земную поверхность и отражаться от ионосферы. Ультракороткие волны широко используются для FM-радиовещания, телевидения, авиационной и морской радиосвязи, а также в различных системах радиолокации и навигации.

История открытия и освоения

История освоения УКВ-диапазона неразрывно связана с развитием радиотехники в первой половине XX века. Первые эксперименты с волнами длиной менее 10 метров начались в 1920-х годах. В 1924 году советский физик Александр Попов (хотя его основные работы относятся к концу XIX века, систематические исследования УКВ начались позже) и другие учёные, такие как Эдвард Эпплтон в Великобритании, изучали свойства распространения коротких волн, постепенно переходя к более высоким частотам.

В 1930-х годах, с появлением первых мощных генераторных ламп (клистронов, магнетронов), стало возможным генерировать и принимать сигналы в УКВ-диапазоне. В 1931 году в СССР под руководством В. А. Котельникова и П. А. Молчанова начались опыты по радиосвязи на ультракоротких волнах. Ключевым открытием стало то, что УКВ практически не отражаются от ионосферы, что ограничивает их дальность, но обеспечивает высокую помехоустойчивость и стабильность канала связи.

В годы Второй мировой войны УКВ-диапазон активно применялся в военной радиолокации (первые радары метрового диапазона) и для связи между самолётами и наземными станциями. После войны, в 1940-х — 1950-х годах, началось массовое внедрение УКВ-диапазона для гражданских нужд: в 1948 году в США и Европе стартовало FM-радиовещание, а в 1950-х — телевизионное вещание в метровом диапазоне (1-12 каналы). В СССР регулярное телевещание на УКВ началось с 1949 года (Московский телецентр на Шаболовке).

Физические особенности распространения

Распространение в пределах прямой видимости

Основным режимом распространения ультракоротких волн является прямая видимость. Волны распространяются по прямой линии, подобно световым лучам. Дальность связи (R) в идеальных условиях (без учёта рельефа) определяется высотой передающей (h1) и приёмной (h2) антенн и приближённо вычисляется по формуле: \[ R \approx 3.57 \cdot (\sqrt{h_1} + \sqrt{h_2}) \] где R — в километрах, h — в метрах. Например, при высоте антенны 100 метров дальность составляет около 35–40 км. Для увеличения дальности антенны поднимают на высокие мачты, башни или естественные возвышенности.

Дифракция и рефракция

В отличие от коротких волн, УКВ слабо огибают препятствия (дифракция) из-за малой длины волны. Однако в атмосфере наблюдается рефракция — искривление траектории волны из-за изменения показателя преломления воздуха с высотой. В нормальных условиях рефракция увеличивает дальность на 10–15% по сравнению с геометрической прямой видимостью. При инверсионных слоях (например, в тёплую погоду над холодной водой) может возникать сверхрефракция, позволяющая сигналу распространяться на сотни километров, что иногда используется для так называемого «дальнего УКВ» (DXing).

Тропосферное рассеяние

На частотах выше 30 МГц возможно тропосферное рассеяние — рассеяние радиоволн на неоднородностях тропосферы (облаках, турбулентностях). Этот эффект позволяет устанавливать связь на расстояния 200–800 км, однако сигнал крайне слаб и требует мощных передатчиков и чувствительных приёмников. Используется в основном в военных и специальных системах связи.

Отражение от метеорных следов

Ультракороткие волны могут отражаться от ионизированных следов метеоров, сгорающих в атмосфере. Это явление позволяет осуществлять кратковременную (длительностью от долей секунды до нескольких секунд) связь на расстояния до 2000 км. Используется в метеорной радиосвязи, например, в системах сбора данных с удалённых метеостанций.

Классификация поддиапазонов

Внутри УКВ-диапазона выделяют несколько поддиапазонов, различающихся по применению и характеристикам:

Применение

FM-радиовещание

Наиболее массовое применение УКВ-диапазона — это FM-радиовещание (Frequency Modulation) в диапазоне 87,5–108 МГц. Частотная модуляция обеспечивает высокое качество звука, устойчивость к помехам и стереофоническую передачу. В СССР и России FM-радиовещание началось с 1950-х годов в диапазоне 65,8–74 МГц (так называемый «советский FM»), а затем, с 1990-х годов, перешло на международный стандарт 87,5–108 МГц. В настоящее время FM-радиостанции занимают большую часть этого диапазона.

Телевизионное вещание

В метровом диапазоне (УКВ) работают телевизионные каналы с 1 по 12 (в России — 1–12, частота 48–230 МГц). С переходом на цифровое телевидение (DVB-T2) аналоговое телевещание в УКВ-диапазоне было прекращено в большинстве стран, включая Россию (с 2019 года). Однако некоторые каналы, особенно в отдалённых районах, могут использовать УКВ для цифрового вещания.

Авиационная радиосвязь

Диапазон 118–137 МГц выделен для авиационной связи (VHF Air Band). Здесь работают диспетчерские службы, пилоты и наземные службы аэропортов. Используется амплитудная модуляция (AM) с частотным разносом каналов 25 кГц (или 8,33 кГц в Европе). Авиационная УКВ-связь обеспечивает надёжную связь на расстояниях до 200–300 км в зависимости от высоты полёта.

Морская радиосвязь

В диапазоне 156–174 МГц работает морская радиосвязь (VHF Marine Band). Этот диапазон используется для связи между судами, а также между судами и береговыми службами (порты, спасательные центры). Наиболее известный канал — 16-й канал (156,8 МГц), предназначенный для аварийной связи. В России и других странах морская УКВ-связь обязательна для всех судов.

Любительская радиосвязь

Радиолюбители активно используют несколько поддиапазонов УКВ: 6 метров (50–54 МГц), 2 метра (144–146 МГц) и 70 сантиметров (430–440 МГц, хотя это уже граница с ДМВ). На УКВ радиолюбители проводят как местные связи (до 100 км), так и дальние (через тропосферу, метеорные следы, отражения от Луны — EME). В России любительская УКВ-связь регулируется Главным радиочастотным центром (ГРЧЦ).

Радиолокация

УКВ-диапазон используется в радиолокации для обнаружения целей на больших расстояниях (до 200–300 км) и для метеорологических радаров. Например, метеорологические радары (MRL-5, ДМРЛ) работают в диапазоне 5,6 см (С-диапазон, 5,6 ГГц) и 3,2 см (X-диапазон, 9,4 ГГц), но существуют и метровые радары для наблюдения за космическим мусором и дальнего обнаружения (например, радар «Днепр» в Украине).

Системы охранной сигнализации и управления

Низкие частоты УКВ (30–50 МГц) часто используются для беспроводных систем охранной сигнализации, дистанционного управления (радиоуправляемые модели, ворота, шлагбаумы) и телеметрии. Эти системы работают на малых мощностях (до 10 мВт) и не требуют лицензирования в большинстве стран.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая помехоустойчивость — благодаря частотной модуляции и отсутствию отражений от ионосферы сигнал менее подвержен атмосферным помехам.
• Стабильность канала — отсутствие замираний (фединга), характерных для КВ-диапазона.
• Широкий спектр — возможность размещения большого числа радиостанций и телеканалов.
• Высокое качество передачи — возможность передачи стереозвука и цифровых данных.
• Простота антенн — из-за малой длины волны антенны компактны и эффективны.

Недостатки

• Ограниченная дальность — в основном в пределах прямой видимости (до 50–100 км). Для увеличения дальности требуются высокие мачты или ретрансляторы.
• Чувствительность к рельефу — холмы, здания и лесные массивы могут существенно ослаблять сигнал.
• Высокая стоимость инфраструктуры — для покрытия больших территорий требуется сеть ретрансляторов.
• Зависимость от погоды — при сильных дождях, снегопадах или тумане возможно ослабление сигнала (особенно на верхних частотах УКВ).

Технические аспекты

Модуляция

В УКВ-диапазоне используются различные виды модуляции:

• Частотная модуляция (FM) — для радиовещания и аналоговой связи.
• Амплитудная модуляция (AM) — для авиационной связи.
• Цифровая модуляция (QPSK, 16QAM, OFDM) — для цифрового телевидения (DVB-T/T2) и цифровой радиосвязи (DMR, TETRA, D-STAR).

Антенны

Для УКВ-диапазона характерны компактные антенны:

• Четвертьволновый штырь (Ground Plane) — простейшая антенна, часто используется в портативных радиостанциях.
• Полуволновый вибратор — для FM-радиовещания и телевидения.
• Яги-антенна (Yagi-Uda) — направленная антенна для приёма слабых сигналов (например, для любительской связи или телевидения).
• Коллинеарные антенны — для увеличения усиления в вертикальной плоскости.

Распространение в городских условиях

В городах УКВ-сигналы испытывают сильное затухание из-за отражений от зданий и поглощения стенами. Для обеспечения надёжной связи в плотной застройке используют сети микросотовых ретрансляторов (например, в системах TETRA) или устанавливают антенны на крышах высотных зданий.

Интересные факты

• «УКВ-фантомы» — в 1950-х годах в СССР и США были зафиксированы случаи приёма сигналов из-за горизонта на частотах 30–50 МГц, что объяснялось тропосферным рассеянием или отражением от метеорных следов.
• Лунная связь (EME) — радиолюбители могут устанавливать связь на УКВ (144 МГц и выше), отражая сигнал от поверхности Луны. Для этого требуются мощные передатчики (до 1 кВт) и большие антенны (до 20 метров в диаметре).
• Советский УКВ-диапазон — в СССР FM-радиовещание велось в диапазоне 65,8–74 МГц, который не совпадал с международным стандартом. Это было сделано для защиты от западного радиовещания. С 1990-х годов начался переход на диапазон 87,5–108 МГц.
• УКВ и метеоры — ежегодные метеорные потоки (например, Персеиды) создают тысячи ионизированных следов, которые позволяют радиолюбителям проводить кратковременные сеансы связи на УКВ на расстояния до 2000 км.

Источники

1. Радиоволны и распространение / Под ред. В. А. Котельникова. — М.: Связь, 1975.
2. Справочник по радиосвязи / Под ред. В. В. Шахгильдяна. — М.: Радио и связь, 1983.
3. Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ). Решение от 15.07.2019 № 19-50-01-1 «О выделении полос радиочастот для цифрового телевизионного вещания».
4. ITU-R Recommendation P.526-14: Propagation by diffraction. — Geneva: ITU, 2019.
5. Любительская радиосвязь на УКВ / Под ред. А. В. Горохова. — М.: ДОСААФ, 1988.
6. Федеральный закон от 07.07.2003 № 126-ФЗ «О связи» (с изменениями).