Сверхвысокая частота ( СВЧ ) — это обозначение МСЭ для радиочастот (РЧ) в диапазоне от 3 до 30 гигагерц (ГГц). Этот диапазон частот также известен как сантиметровый диапазон или сантиметровая волна , поскольку длина волны составляет от одного до десяти сантиметров. Эти частоты попадают в микроволновый диапазон, поэтому радиоволны с этими частотами называются микроволнами. Малая длина волны микроволн позволяет направлять их в узкие лучи с помощью апертурных антенн, таких как параболические тарелки и рупорные антенны , поэтому они используются для связи точка-точка и каналов передачи данных [1], а также для радаров . Этот диапазон частот используется для большинства радиолокационных передатчиков, беспроводных локальных сетей , спутниковой связи , микроволновых радиорелейных линий, спутниковых телефонов ( диапазон S ) и многочисленных наземных каналов передачи данных на короткие расстояния. Они также используются для нагрева в промышленных микроволновых нагревах , медицинской диатермии , микроволновой гипертермии для лечения рака и для приготовления пищи в микроволновых печах .
Частоты в диапазоне СВЧ часто обозначаются по обозначениям их радиолокационных диапазонов IEEE : S , C , X , Ku , K или Ka , или по аналогичным обозначениям НАТО или ЕС.
Микроволны распространяются исключительно по линии прямой видимости ; из-за небольшой рефракции из-за их короткой длины волны, отражения от земной волны и ионосферы ( небесная волна или «пропускаемое» распространение), наблюдаемые с радиоволнами более низкой частоты, не происходят. [2] Хотя в некоторых случаях они могут проникать через стены зданий достаточно для полезного приема, обычно требуются беспрепятственные права прохода, расчищенные до первой зоны Френеля . Длины волн на микроволновых частотах достаточно малы, чтобы антенна могла быть намного больше длины волны, что позволяет строить высоконаправленные (с высоким коэффициентом усиления ) антенны , которые могут создавать узкие лучи. Поэтому они используются в наземных линиях связи точка-точка , ограниченных визуальным горизонтом до 30–40 миль (48–64 км). Такие антенны с высоким коэффициентом усиления позволяют повторно использовать частоту близлежащими передатчиками. Они также используются для связи с космическими аппаратами, поскольку волны не преломляются (не изгибаются) при прохождении через ионосферу, как более низкие частоты.
Длина волны СВЧ создает сильные отражения от металлических объектов размером с автомобили, самолеты, корабли и другие транспортные средства. Это, а также узкая ширина луча, возможная при использовании антенн с высоким коэффициентом усиления, и низкое атмосферное затухание по сравнению с более высокими частотами делают СВЧ основными частотами, используемыми в радарах . Затухание и рассеивание влагой в атмосфере увеличиваются с частотой, ограничивая использование высоких СВЧ-частот для приложений на больших расстояниях.
Небольшие количества микроволновой энергии случайным образом рассеиваются молекулами водяного пара в тропосфере . Это используется в системах тропосферной связи, работающих на частоте в несколько ГГц, для связи за горизонтом. Мощный микроволновый луч направлен чуть выше горизонта; при прохождении через тропопаузу часть микроволн рассеивается обратно на Землю к приемнику за горизонтом. Могут быть достигнуты расстояния в 300 км. Они в основном используются для военной связи.
Длина волны СВЧ достаточно коротка , чтобы эффективные передающие антенны были достаточно малы для удобной установки на портативных устройствах, поэтому эти частоты широко используются для беспроводных приложений. Например, четвертьволновая штыревая антенна для СВЧ-диапазона имеет длину от 2,5 до 0,25 сантиметров. Всенаправленные антенны были разработаны для таких приложений, как беспроводные устройства и мобильные телефоны , которые достаточно малы, чтобы быть заключенными в корпус устройства. Основная антенна, используемая для этих устройств, — это печатная перевернутая F-антенна (PIFA), состоящая из монопольной антенны, изогнутой в форме буквы L, изготовленной из медной фольги на печатной плате внутри устройства. Также используются небольшие рукавные диполи или четвертьволновые монополи . Патч-антенна — еще один распространенный тип, часто встроенный в обшивку самолета.
Длины волн также достаточно малы, чтобы СВЧ-волны могли быть сфокусированы в узкие лучи направленными антеннами с высоким коэффициентом усиления диаметром от полуметра до пяти метров. Направленные антенны на СВЧ-частотах в основном представляют собой апертурные антенны , такие как параболические антенны (наиболее распространенный тип), линзовые , щелевые и рупорные антенны . Большие параболические антенны могут создавать очень узкие лучи в несколько градусов или меньше и часто должны быть направлены с помощью прицела . Другим типом антенн, практичным на микроволновых частотах, является фазированная решетка , состоящая из множества диполей или патч-антенн на плоской поверхности, каждая из которых питается через фазовращатель , что позволяет электронным способом управлять лучом решетки. Короткая длина волны требует большой механической жесткости в больших антеннах, чтобы гарантировать, что радиоволны прибудут в точку подачи в фазе.
На микроволновых частотах типы кабелей ( линий передачи ), используемые для передачи низкочастотных радиоволн, такие как коаксиальный кабель , имеют высокие потери мощности. Поэтому для передачи микроволн между передатчиком или приемником и антенной с низкими потерями необходимо использовать специальный тип металлической трубы, называемой волноводом . Из-за высокой стоимости и требований к обслуживанию длинных волноводов во многих микроволновых антеннах выходной каскад передатчика или входной радиочастотный каскад приемника расположен на антенне.
Частоты СВЧ занимают «сладкое пятно» в радиоспектре , которое в настоящее время эксплуатируется многими новыми радиослужбами. [3] Они являются самым низким диапазоном частот, где радиоволны могут быть направлены в узких лучах с помощью антенн удобного размера, чтобы они не мешали соседним передатчикам на той же частоте, что позволяет повторно использовать частоту. С другой стороны, это самые высокие частоты, которые могут быть использованы для дальней наземной связи; более высокие частоты в диапазоне КВЧ (миллиметровые волны) сильно поглощаются атмосферой, ограничивая практические расстояния распространения одним километром или меньше. Высокая частота дает микроволновым линиям связи очень большую пропускную способность информации ( полосу пропускания ). В последние десятилетия было разработано много новых твердотельных источников микроволновой энергии, и микроволновые интегральные схемы впервые позволяют выполнять значительную обработку сигнала на этих частотах. Источники энергии КВЧ гораздо более ограничены и находятся на более ранней стадии разработки.