Zakresy częstotliwości stosowane w radiolokacji

Pierwszą rzeczą, którą należy rozważyć projektując radar, jest częstotliwość nośna, na której będzie on pracował. To, jak bardzo radar spełni nałożone nań wymagania – maksymalna odległość wykrywania, rozróżnialność kątowa, wykorzystanie zjawiska Dopplera, rozmiary, ciężar, itd. – często zależy od wyboru tej częstotliwości. Częstotliwość nośna z kolei ma wpływ na konstrukcję radaru.

Obecnie radary różnych typów pracują na częstotliwościach od tak niskich, jak kilka MHz do tak wysokich, jak 300000000 MHz. W dolnej części tego zakresu pracuje niewielka grupa specjalizowanych urządzeń: radary mierzące wysokość jonosfery oraz radary wykorzystujące zjawisko odbicia fal elektromagnetycznych od jonosfery do wykrywania obiektów ukrytych poza horyzontem, często w odległości tysięcy kilometrów. W górnej części zakresu częstotliwości (są to fale widzialne), pracują radary laserowe, mające rozróżnialność kątową pozwalającą określać odległości indywidualnych celów na polu walki. Większość radarów jednak pracuje w zakresie częstotliwości od kilkaset MHz do 100000 MHz.

Aby łatwiej było posługiwać się tak dużymi liczbami, wygodniej jest w radiolokacji wyrażać częstotliwość w gigahercach (GHz). Jeden GHz równy jest 1000 MHz. 100000 MHz zatem równa się 100 GHz.

Przy tak wysokich częstotliwościach często również operuje się pojęciem długości fali, czyli drogi, którą przebywa fala w czasie równym jednemu okresowi drgań. Droga ta jest wprost proporcjonalna do prędkości jej rozchodzenia się w przestrzeni (prędkości propagacji) i do okresu drgań, a ponieważ okres drgań jest odwrotnością częstotliwości nośnej, to

równanie 1

gdzie λ – długość fali; c - prędkość propagacji fali, równa w przestrzeni 300000 km/s; f – częstotliwość.

Wygodnie jest znać prostą regułę pozwalającą przeliczać w pamięci częstotliwości i odpowiadającej jej długości fali, mianowicie, jeżeli częstotliwość wyrazimy w GHz, a długość fali w cm, to

równanie 2

równanie 3

zatem częstotliwości 1 GHz odpowiada długość fali 30 cm, częstotliwości 10 GHz odpowiada długość fali 3 cm, itd.

Oprócz określania częstotliwości przez podawanie ich dyskretnych wartości, stosuje się również przydzielanie określonej częstotliwości do pewnego węższego zakresu, lub inaczej nazywając, pasma częstotliwości – wysoka częstotliwość (HF), bardzo wysoka częstotliwość (VHF), ultra wysoka częstotliwość (UHF), itp. Częstotliwości fal wykorzystywane w radiolokacji leżą w pasmach VHF, UHF, mikrofalowym i milimetrowym.

Mikrofalami nazywamy pasmo częstotliwości, w których stosowane są, w odróżnieniu od obwodów o stałych skupionych, obwody o stałych rozłożonych, np. falowody, linie długie, rezonatory wnękowe, itp. Dla zakresu mikrofalowego charakterystyczna jest współmierność wymiarów obwodów z długością fali. Za dolną granicę zakresu mikrofalowego przyjmuje się 300 MHz, górna granica nie jest ściśle zdefiniowana.

W czasie Drugiej Wojny Światowej zakres fal mikrofalowych został podzielony na węższe pasma, którym przydzielono oznaczenia literowe: L, S, C, X oraz K. Dla zmylenia przeciwnika nie zachowano, jak widać, porządku alfabetycznego. Mimo upływu czasu oznaczenia te zachowały się do dziś.

Później okazało się, że właściwości propagacji fal w paśmie K nie są jednakowe. Na skutek rezonansu cząsteczek pary wodnej, następuje nagły wzrost tłumienia fal w atmosferze przy częstotliwości 22 GHz. W konsekwencji pasmo K zostało dodatkowo podzielone na trzy części. Część centralna zachowała dotychczasowe oznaczenie, części dolnej przydzielono oznaczenie Ku (ang. under, czyli poniżej pasma centralnego), a części górnej pasma przydzielono oznaczenie Ka (above – powyżej pasma centralnego). Podobnie, przy częstotliwości 60 GHz, rezonują cząsteczki tlenu. W tym przypadku jednak nie dzielono pasma fal milimetrowych na podpasma.

W latach 1970-tych, dla potrzeb przeciwdziałania radioelektronicznego, wprowadzono zupełnie nowy podział częstotliwości, przydzielając kolejnym jej pasmom kolejne litery alfabetu od A do M. Próbowano wprowadzić ten nowy system oznaczeń również do radiolokacji, jednak siła przyzwyczajenia wzięła górę, i tak obecnie koegzystują dwa systemy, chociaż nie zawsze zgodnie, bo jak widać w tabeli poniżej, w niektórych przypadkach oznaczenia te „kłócą się ze sobą”.

Zakresy częstotliwości w radiolokacji
oznaczenie tradycyjne zakres częstotliwości [GHz] zakres długości fali [cm] oznaczenie nowe
VHF 0,1 - 0,3 300 - 100 A
UHF 0,3 - 0,5
0,5 - 1,0
100 - 60
60 - 30
B
C
L 1 - 2 30 - 15 D
S 2 - 3
3 - 4
15 - 10
10 - 7,5
E
F
C 4 - 6
6 - 8
7,5 - 5
5 - 3,75
G
H
X 8 - 10
10 - 12
3,75 - 3
3 - 2,5
I
J
Ku 12 - 18 2,5 - 1,67 J
K 18 - 26,5 1,67 - 1,1 J (do 20 GHz)
Ka 26,5 - 40 1,1 - 0,75 K
fale milimetrowe 40 - 100 0,75 - 0,3 L (do 60 Ghz)
M (>60 GHz)

Właściwości fal elektromagnetycznych wykorzystywane w radiolokacji

Zastosowanie w radiolokacji bardzo wysokich częstotliwości ma szereg przyczyn. Najistotniejsze z nich są następujące:

Podstawą radiowykrywania aktywnego i określania współrzędnych wykrytych obiektów są następujące właściwości fal elektromagnetycznych zakresu mikrofalowego:

W najprostszym przypadku wykrycie obiektu polega na odebraniu odbitego od niego sygnału (echa), wydzieleniu go spośród zakłóceń i wzmocnieniu. Pomiaru odległości można dokonać w sposób pośredni, mierząc czas przejścia sygnału do celu i z powrotem, biorąc za podstawę prostoliniowość i stałą prędkość propagacji fal. Mierząc natomiast współrzędne kątowe, wykorzystuje się prostoliniowość propagacji oraz kierunkowość emisji i odbioru sygnałów.