Сверхвысокая частота ( SHF ) — это обозначение ITU для радиочастот (RF) в диапазоне от 3 до 30 гигагерц (ГГц). Этот диапазон частот также известен как сантиметровый диапазон или сантиметровая волна, поскольку длины волн варьируются от одного до десяти сантиметров. Эти частоты попадают в микроволновый диапазон, поэтому радиоволны с этими частотами называются микроволнами. Небольшая длина волны микроволн позволяет направлять их узкими лучами с помощью апертурных антенн, таких как параболические антенны и рупорные антенны , поэтому они используются для двухточечной связи и каналов передачи данных [1] , а также для радиолокации . 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 ближнего действия. Их также используют для нагрева в промышленном микроволновом нагреве , медицинской диатермии , микроволновой гипертермии для лечения рака и для приготовления пищи в микроволновых печах .
Частоты в диапазоне СВЧ часто обозначаются по обозначениям радиолокационных диапазонов IEEE : S , C , X , Ku , K или K a диапазон , или по аналогичным обозначениям НАТО или ЕС.
Микроволны распространяются исключительно в пределах прямой видимости ; из-за небольшого преломления из-за их короткой длины волны земная волна и ионосферное отражение ( космическая волна или «пропускное» распространение), наблюдаемое при более низкочастотных радиоволнах, не возникают. [2] Хотя в некоторых случаях они могут проникать сквозь стены зданий достаточно для эффективного приема, обычно требуется беспрепятственное свободное пространство до первой зоны Френеля . Длины волн на микроволновых частотах достаточно малы, поэтому антенна может быть намного больше длины волны, что позволяет создавать узконаправленные антенны (с высоким коэффициентом усиления ) , которые могут создавать узкие лучи. Поэтому они используются в двухточечных наземных линиях связи, ограниченных видимым горизонтом 30–40 миль (48–64 км). Такие антенны с высоким коэффициентом усиления позволяют повторно использовать частоту близлежащим передатчикам. Они также используются для связи с космическими кораблями , поскольку волны не преломляются (не изгибаются) при прохождении через ионосферу, как более низкие частоты.
Длина волны СВЧ создает сильные отражения от металлических предметов размером с автомобили, самолеты, корабли и другие транспортные средства. Это, а также узкая ширина луча , возможная при использовании антенн с высоким усилением, и низкое затухание в атмосфере по сравнению с более высокими частотами делают СВЧ основными частотами, используемыми в радарах . Затухание и рассеяние из-за влаги в атмосфере увеличиваются с частотой, что ограничивает использование высоких частот СВЧ для приложений на большие расстояния.
Небольшое количество микроволновой энергии беспорядочно рассеивается молекулами водяного пара в тропосфере . Это используется в системах связи тропосферного рассеяния , работающих на частоте несколько ГГц, для связи за горизонтом. Мощный микроволновый луч направлен прямо над горизонтом; когда он проходит через тропопаузу, некоторые микроволны рассеиваются обратно на Землю и попадают в приемник за горизонтом. Расстояния могут достигать 300 км. В основном они используются для военной связи.
Длина волны СВЧ-волн достаточно коротка, поэтому эффективные передающие антенны достаточно малы, чтобы их можно было удобно устанавливать на портативных устройствах, поэтому эти частоты широко используются для беспроводных приложений. Например, длина четвертьволновой штыревой антенны для диапазона СВЧ составляет от 2,5 до 0,25 сантиметра. Всенаправленные антенны были разработаны для таких приложений, как беспроводные устройства и мобильные телефоны , которые достаточно малы, чтобы их можно было разместить внутри корпуса устройства. Основной антенной, используемой в этих устройствах, является печатная инвертированная F-антенна (PIFA), состоящая из несимметричной антенны , изогнутой в форме буквы L, изготовленной из медной фольги на печатной плате внутри устройства. Также используются небольшие диполи или четвертьволновые монополи . Патч -антенна — еще один распространенный тип, часто встроенный в обшивку самолета.
Длины волн также достаточно малы, чтобы СВЧ-волны можно было фокусировать в узкие лучи с помощью направленных антенн с высоким коэффициентом усиления диаметром от полуметра до пяти метров. Направленные антенны на частотах СВЧ представляют собой в основном 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 их часто приходится наводить с помощью визирования . Другим типом антенны, 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 управлять лучом решетки электронным способом. Короткая длина волны требует большой механической жесткости в больших антеннах, чтобы гарантировать, что радиоволны придут в точку питания в фазе.
На микроволновых частотах типы кабелей ( линий передачи ), используемые для проведения низкочастотных радиоволн, например 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, называемый волноводом . Из-за высокой стоимости и требований к техническому обслуживанию длинных волноводов во многих микроволновых антеннах выходной каскад передатчика или входной каскад радиочастотного приемника расположен на антенне.
Частоты СВЧ занимают «золотую середину» в радиоспектре , которая в настоящее время используется многими новыми радиослужбами. [3] Это самая низкая полоса частот, в которой радиоволны могут быть направлены узкими лучами 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 можно использовать для наземной связи на большие расстояния; более высокие частоты в диапазоне КВЧ (миллиметровых волн) сильно поглощаются атмосферой, что ограничивает практическое расстояние распространения до одного километра или меньше. Высокая частота придает линиям микроволновой связи очень большую пропускную способность ( полосу пропускания ). В последние десятилетия было разработано множество новых твердотельных источников микроволновой энергии, а микроволновые интегральные схемы впервые позволяют выполнять значительную обработку сигналов на этих частотах. Источники энергии КВЧ гораздо более ограничены и находятся на более ранней стадии разработки.