Ультравысокочастотный диапазон

Ультравысокочастотный диапазон (УВЧ, от англ. UHF — Ultra High Frequency) — диапазон радиоволн с частотами от 300 МГц до 3 ГГц (длины волн от 1 м до 10 см). В соответствии с Международным регламентом радиосвязи (МСЭ-R) относится к дециметровым волнам. УВЧ-диапазон широко используется в телевидении, радиовещании, сотовой связи, спутниковой навигации, радиолокации и беспроводных сетях передачи данных благодаря способности передавать большие объёмы информации и относительно слабому затуханию в атмосфере.

Физические свойства и распространение

Радиоволны УВЧ-диапазона распространяются преимущественно в пределах прямой видимости, так как огибание препятствий (дифракция) выражено слабее, чем у более низкочастотных диапазонов. Длина волны от 10 см до 1 м позволяет эффективно использовать направленные антенны сравнительно небольших размеров. Основные особенности распространения:

• Прямая видимость: сигнал распространяется по прямой линии, затухая при прохождении через здания, холмы и лесные массивы. Дальность связи в условиях прямой видимости может достигать нескольких десятков километров.
• Отражение и многолучевость: волны УВЧ хорошо отражаются от крупных объектов (здания, металлические конструкции, поверхность земли), что приводит к многолучевому распространению и интерференции. Это свойство используется в радиолокации, но может вызывать помехи в связи.
• Поглощение в атмосфере: ослабление сигнала в атмосфере относительно невелико, но возрастает с увеличением частоты. На частотах выше 1 ГГц заметное влияние оказывает поглощение водяным паром и кислородом. Дождь и туман приводят к дополнительному затуханию, особенно на частотах выше 2 ГГц.
• Проникновение в помещения: волны УВЧ способны проникать через стены и окна, хотя и с потерями. Это делает их пригодными для внутренней связи (Wi-Fi, DECT, сотовые сети).

История освоения

Освоение УВЧ-диапазона началось в 1930-х годах с развитием радиолокации. Во время Второй мировой войны были созданы первые радары сантиметрового диапазона, работавшие на частотах около 1–3 ГГц. В 1940-х годах начались эксперименты по телевизионному вещанию в УВЧ-диапазоне (в США — с 1947 года). В 1950-х годах УВЧ-диапазон был стандартизирован для телевидения (каналы 14–83 в системе NTSC). В 1960-х годах с развитием спутниковой связи и сотовых систем (например, стандарта AMPS в 1980-х) УВЧ-диапазон стал основным для мобильной связи. В 1990-х годах распространение получили стандарты GSM (900/1800 МГц) и DECT (1880–1900 МГц). В 2000-х годах УВЧ-диапазон стал базой для Wi-Fi (2,4 ГГц) и Bluetooth (2,4 ГГц), а также для цифрового телевидения (DVB-T, ATSC) и LTE (700–2600 МГц).

Частотные поддиапазоны и распределение

УВЧ-диапазон разделён на множество поддиапазонов, закреплённых за различными службами радиосвязи. Распределение частот регулируется национальными и международными органами (МСЭ, FCC, ГКРЧ). В России и странах СНГ распределение близко к европейскому (CEPT). Основные поддиапазоны:

Применение

Телевизионное вещание

УВЧ-диапазон является основным для наземного телевизионного вещания. В большинстве стран аналоговое телевидение в УВЧ было отключено в 2010-х годах, и вещание ведётся в цифровом формате (DVB-T/T2, ATSC, ISDB-T). В России с 2019 года цифровое телевидение вещается в диапазоне 470–694 МГц (мультиплексы РТРС-1 и РТРС-2). УВЧ-диапазон позволяет передавать сигнал высокой чёткости (HDTV) и несколько каналов в одном частотном канале (мультиплексирование).

Сотовая связь

Стандарты сотовой связи 2G (GSM), 3G (UMTS), 4G (LTE) и 5G NR активно используют УВЧ-диапазон. Основные полосы: 800 МГц (LTE 800), 900 МГц (GSM 900), 1800 МГц (GSM 1800, LTE 1800), 2100 МГц (UMTS 2100, LTE 2100), 2600 МГц (LTE 2600, 5G NR 2600). Частоты ниже 1 ГГц обеспечивают лучшее покрытие в сельской местности, а выше 1 ГГц — более высокую скорость передачи данных в городах.

Беспроводные сети

• Wi-Fi: стандарты IEEE 802.11b/g/n/ax (Wi-Fi 4, 5, 6) работают в диапазоне 2,4–2,4835 ГГц. Этот диапазон также используется Bluetooth, ZigBee, беспроводными телефонами DECT и системами «умного дома».
• Bluetooth: работает в диапазоне 2,4–2,4835 ГГц, использует метод адаптивной частотной перестройки (AFH) для снижения помех.
• DECT: цифровая беспроводная телефонная связь в диапазоне 1880–1900 МГц (в Европе) или 1920–1930 МГц (в США).

Радиолокация

УВЧ-диапазон широко применяется в радиолокации:

• Метеорологические РЛС: работают в диапазонах 1,2–1,4 ГГц (L-диапазон) и 2,7–2,9 ГГц (S-диапазон). Используются для обнаружения осадков, гроз и ветра.
• Воздушные и морские РЛС: в S-диапазоне (2,7–3 ГГц) работают радары управления воздушным движением, а также корабельные и авиационные РЛС.
• Автомобильные радары: диапазон 24–24,25 ГГц (K-диапазон) и 77–81 ГГц (W-диапазон) частично выходят за пределы УВЧ, но системы предупреждения столкновений и адаптивного круиз-контроля используют также УВЧ-частоты.

Спутниковая навигация

Системы GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), Galileo (ЕС) и BeiDou (Китай) используют частоты в диапазоне 1,1–1,6 ГГц (L-диапазон). Основные сигналы: GPS L1 (1575,42 МГц), ГЛОНАСС L1 (1602–1615,5 МГц), Galileo E1 (1575,42 МГц). Эти частоты обеспечивают прохождение сигнала через атмосферу и ионосферу с приемлемыми задержками.

Спутниковая связь

Фиксированная и мобильная спутниковая связь использует УВЧ-диапазон для связи с подвижными объектами (судовые, авиационные, автомобильные терминалы). Примеры: системы Inmarsat (1,5–1,6 ГГц), Iridium (1,6 ГГц), Thuraya (1,5–1,6 ГГц). Также УВЧ-диапазон используется для спутникового телевидения (диапазон C — 3,7–4,2 ГГц, частично выходит за пределы УВЧ).

Профессиональная радиосвязь

УВЧ-диапазон (300–470 МГц) применяется в системах транкинговой связи (TETRA, APCO P25, DMR), а также в аналоговых и цифровых радиостанциях для экстренных служб, такси, логистики и охраны. Диапазон 433–434 МГц (ISM) используется для беспроводных датчиков, пультов управления и систем «умного дома».

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая пропускная способность (до нескольких сотен Мбит/с в LTE и 5G).
• Относительно компактные антенны (размеры от нескольких сантиметров до десятков сантиметров).
• Устойчивость к атмосферным помехам (грозы, молнии) по сравнению с низкими частотами.
• Возможность многолучевого распространения, используемая в системах MIMO.

Недостатки:

• Ограниченная дальность связи (в основном прямая видимость).
• Затухание при прохождении через плотные препятствия (стены, лес).
• Высокая чувствительность к помехам от других устройств (особенно в диапазоне 2,4 ГГц).
• Необходимость в более сложных и дорогих приёмопередатчиках по сравнению с низкими частотами.

Интересные факты

• Диапазон 2,4 ГГц является нелицензируемым (ISM) в большинстве стран, что позволило массово развить Wi-Fi и Bluetooth, но привело к сильной загрузке этого диапазона.
• В России УВЧ-диапазон для телевидения (470–694 МГц) был полностью освобождён от аналогового вещания в 2019 году, что позволило использовать его для 5G и LTE.
• Спутниковые навигационные сигналы в УВЧ-диапазоне имеют мощность на уровне теплового шума (около -130 дБм), что требует высокочувствительных приёмников.
• В метеорологических РЛС S-диапазона (2,7–2,9 ГГц) используется эффект Доплера для измерения скорости ветра и осадков.

Источники

• Международный регламент радиосвязи (МСЭ-R), 2020.
• Решение ГКРЧ «О распределении полос радиочастот между радиослужбами Российской Федерации», 2021.
• ITU-R Recommendation V.431-8: Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications.
• FCC Online Table of Frequency Allocations, 2023.
• Справочник по радиосвязи / под ред. В. И. Романюка. — М.: Радио и связь, 2019.
• IEEE 802.11-2020: Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications.