Ультравысокая частота (UHF)

Ультравысокая частота (УВЧ) — диапазон радиочастот, охватывающий электромагнитные волны от 300 МГц до 3 ГГц, что соответствует длине волны от 1 метра до 10 сантиметров. В международной классификации обозначается аббревиатурой UHF (Ultra High Frequency). Относится к дециметровым волнам (ДМВ) и широко используется в радиосвязи, телевидении, радиолокации, системах спутниковой навигации и беспроводных технологиях передачи данных.

Физические характеристики и распространение

УВЧ-диапазон занимает промежуточное положение между метровыми волнами (VHF) и сантиметровыми волнами (SHF). Основной особенностью распространения радиоволн ультравысоких частот является их способность распространяться преимущественно в пределах прямой видимости, поскольку они слабо огибают препятствия из-за малой длины волны. Радиус действия зависит от высоты передающей и приёмной антенн: при высоте 100 метров дальность может достигать 40–50 километров. Волны УВЧ хорошо отражаются от зданий, металлических конструкций и земной поверхности, что приводит к многолучевому распространению — возникновению нескольких копий сигнала, приходящих разными путями. Атмосферное ослабление возрастает с частотой, особенно под влиянием дождя, тумана и влажности воздуха. Для преодоления дифракционных эффектов и улучшения прохождения в условиях городской застройки применяются ретрансляторы и антенные системы с узкими диаграммами направленности.

История освоения

Исследования дециметрового диапазона начались в 1920-х годах. В 1928 году советский физик Александр Попов (в ряде источников — инженер Б. А. Введенский) проводил опыты по распространению коротких волн. Активное освоение УВЧ в СССР стартовало в 1930-е годы в рамках работ по радиолокации и телевидению. В 1938 году в Москве началось опытное телевещание на частотах около 50 МГц, которое впоследствии перешло в диапазон УВЧ. В 1940-х годах в США и Великобритании были созданы первые радары сантиметрового диапазона, использующие магнетроны. В 1950-е годы УВЧ-диапазон стал стандартом для аналогового телевидения (каналы с 21-го по 69-й в системах PAL, SECAM и NTSC). С 1990-х годов, с развитием цифровых технологий, начался переход к стандартам DVB-T и DVB-T2, позволившим более эффективно использовать частотный ресурс. В 2020-х годах в России активно внедряется цифровое телевидение стандарта DVB-T2 в диапазоне УВЧ, а также системы связи 5G в полосах 700–900 МГц и 3,4–3,8 ГГц.

Классификация и поддиапазоны

По классификации Международного союза электросвязи (МСЭ-R), УВЧ-диапазон делится на следующие поддиапазоны, исторически закреплённые за различными службами:

• 300–470 МГц — служебная и вещательная связь (в том числе аналоговое телевидение, транкинговая связь, системы охранной сигнализации).
• 470–862 МГц — телевизионное вещание (диапазоны IV и V), а также цифровое телевидение.
• 862–960 МГц — системы мобильной связи второго (GSM-900) и четвёртого (LTE-800) поколений, а также авиационная радионавигация.
• 960–1215 МГц — аэронавигационные системы (DME, TACAN).
• 1215–1400 МГц — радиолокация (дальняя, метеорологическая), спутниковая навигация (GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo).
• 1400–1710 МГц — астрономия (линии водорода), радиорелейная связь.
• 1710–2300 МГц — сотовая связь (GSM-1800, LTE-1800, 3G/4G), Wi-Fi (частично), спутниковая радиосвязь.
• 2300–2700 МГц — Wi-Fi (2,4 ГГц), Bluetooth, системы видеонаблюдения, WiMAX (частично).
• 2700–3000 МГц — радиолокация (корабельные, стационарные РЛС), спутниковая связь.

В России и странах СНГ распределение частот регулируется «Положением о порядке использования радиочастот» и международными регламентами.

Применение

Телевизионное и радиовещание

Стандартным применением УВЧ является телевизионное вещание (каналы 21–69, частота 470–862 МГц). В 2010-х годах в России проведена полная цифровизация телевидения: аналоговое вещание прекращено, внедрён мультиплексный режим (до 10–12 каналов на одной частоте). Радиовещание в диапазоне УВЧ осуществляется в стандартах DAB (цифровое радио) и FM (88–108 МГц — фактически VHF, но существуют и УВЧ-радиоприёмники для диапазона 300–400 МГц для профессиональной связи).

Сотовая связь

Сети сотовой связи второго, третьего и четвёртого поколений активно используют УВЧ: стандарты GSM-900/1800 (2G), UMTS (3G, 2100 МГц), LTE (4G, полосы 800, 1800 и 2600 МГц). Пятое поколение (5G) частично применяет полосы ниже 1 ГГц (700 МГц — «cover layer») для обеспечения широкого покрытия и полосы 3,4–3,8 ГГц для высокой пропускной способности.

Радиолокация

УВЧ-диапазон используется в радарах дальнего обнаружения (например, системы ПВО С-300, С-400), в метеорологических радиолокаторах, в судовых РЛС (диапазон S, 2,7–3 ГГц), а также в автомобильных радарах для систем помощи водителю (77 ГГц — диапазон миллиметровых волн, но в ближней перспективе используются полосы 24–29 ГГц).

Навигация

Спутниковые навигационные системы (ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou) работают в полосе 1,2–1,6 ГГц (L-диапазон). Приём сигналов в диапазоне УВЧ осуществляется с помощью специализированных антенн.

Беспроводные технологии

Стандарты Wi-Fi (2,4 ГГц) и Bluetooth (2,4 ГГц) используют нижнюю часть УВЧ-диапазона. ZigBee, Z-Wave и протоколы «умного дома» также работают на частотах 868–915 МГц (в зависимости от региона). Спутниковая связь (телефония, интернет) использует полосы 1,5–2,7 ГГц (L-, S-диапазоны).

Служебная и профессиональная связь

Рации, транкинговые системы (TETRA, GSM-R), системы охранной сигнализации, управления беспилотными летательными аппаратами (передача видео на 2,4 ГГц) — всё это основано на УВЧ.

Антенны для УВЧ

Для работы в диапазоне ультравысоких частот применяются компактные антенны (из-за малой длины волны): полуволновые диполи, штыревые (четвертьволновые), логопериодические, спиральные, ромбические, рупорные. В телевизионном приёме распространены комнатные «антенны-ушки» (несимметричный диполь) и наружные многоэлементные конструкции (типа «волновой канал»). В радиолокации используются фазированные антенные решётки (ФАР), позволяющие электронно управлять лучом без механического поворота. В системах Wi-Fi и сотовой связи применяются коллинеарные и панельные антенны с коэффициентом усиления от 3 до 15 dBi.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Возможность создания компактных антенн и приёмо-передающего оборудования.
• Высокая помехоустойчивость и относительно низкий уровень атмосферных помех по сравнению с короткими волнами.
• Эффективность для городской застройки за счёт отражений от зданий.
• Возможность многократного использования частот за счёт малого радиуса распространения (при необходимости — с помощью сотовой структуры).

Недостатки:

• Ограниченная дальность (несколько десятков километров при наземной передаче без ретрансляторов).
• Слабая проникающая способность через толстые стены, металлические конструкции и плотную листву.
• Чувствительность к погодным условиям (сильный дождь, снегопад снижают мощность сигнала на 1–2 дБ).
• Необходимость точного наведения антенн на передатчик.

Регулирование в России

В Российской Федерации использование УВЧ-диапазона подлежит строгому лицензированию в соответствии с Федеральным законом «О связи» и решениями Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ). Частоты распределяются между государственными и коммерческими пользователями (Минобороны, МВД, телерадиовещатели, операторы сотовой связи). Нарушения использования радиочастот (незаконное глушение, несанкционированная передача) караются административной и уголовной ответственностью.

Источники

• Сборник «Радиочастотный спектр: распределение и использование» / под ред. В. А. Казакова. — М.: Радиософт, 2018.
• Регламент радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ-R), статья 5.
• Федеральный закон от 07.07.2003 № 126-ФЗ «О связи».
• Закон РФ «О средствах массовой информации» (в части телевизионного вещания).
• Давыдов В. А. «Основы радиолокации и радионавигации». — М.: МАИ, 2015. — Глава 3.