Реально никаких ограничений на диапазоны частот, используемые в радиолокации, не существует. Любое устройство, которое обнаруживает цели и определяет их местоположение путем излучения электромагнитной энергии и приема эхосигналов, рассеянных целью, можно рассматривать как РЛС вне зависимости от частоты, на которой она работает. РЛС используют сигналы с длиной волны от 100 м (короткие волны) и более до 10–7 м (ультрафиолетовые волны). Основные принципы функционирования РЛС одинаковы для любых частот, однако конкретные схемы РЛС разных частотных диапазонов могут сильно отличаться. На практике большинство РЛС применяют частоты микроволнового диапазона, но существуют и многочисленные исключения из этого правила.
Набор буквенных обозначений различных частотных диапазонов широко используется в радиолокации (табл. Б). Исходные кодовые буквы (R, L, S, X и А) в США и некоторых других странах введены в практику во время второй мировой войны для обеспечения секретности, но сохранились и после снятия секретности. Другие буквы (С, Ки, и Ка) были добавлены позднее, когда начали использовать новые диапазоны, некоторые буквы (Р и К) использовались редко. Были сделаны попытки полностью разбить микроволновый участок спектра на полосы с буквенными обозначениями и распространить буквенные обозначения на область миллиметровых волн. Эти попытки, однако, не получили широкого одобрения.
Международный союз электросвязи (МСЭ) определил границы специальных диапазонов частот, используемых в радиолокации. Они приведены в третьем столбце табл. Б. Эти значения применяются в пределах Района II по классификации МСЭ, который охватывает Северную и Южную Америку. Для Района I (Африка, Европа и страны бывшего СССР) и Района III (Азия) существуют небольшие отличия, но в большинстве случаев значения этих границ по существу те же. Большинство радиолокационных диапазонов расположены рядом или даже частично перекрываются с диапазонами частот, используемыми радиолюбителями.
Таблица Б
Диапазон частот, применяемых в радиолокации
| Обозначение диапазона | Частоты | Диапазоны частот РЛС согласно регламентации МСЭ для Района II | Диапазоны частот РЛС по принятой у нас классификации |
| ВВЧ | 30 – 300 МГц | 137 – 144 МГц 216 – 225 МГц | УКВ (декаметровые волны) |
| УВЧ | 300 – 1000 МГц | 420 – 450 МГц 890 – 940 МГц | Метровые волны |
| Р | 230 – 1000 МГц | ||
| L | 1000 – 2000 МГц | 1215 – 1400 МГц | Дециметровые волны |
| S | 2000 – 4000 МГц | 2300 – 2550 МГц 2700 – 3700 МГц | |
| C | 4000 – 8000 МГц | 5255 –5925 МГц | Сантиметровые волны |
| X | 8000 – 12500 МГц | 8500 – 10700МГц | |
| Kи | 12,5 – 18 ГГц | 13,4 – 14,4 ГГц 15,7 – 17,7 ГГц | |
| K | 18 – 26,05 ГГц | 23 – 24 ГГц | |
| Ка | 26,05 – 40 ГГц | 33,4 – 36т ГГц | |
| Миллиметровые волны | Свыше 40 ГГц | Свыше 40 ГГц | Миллиметровые волны |
Каждая частотная область обладает присущими только ей характеристиками, которые в некоторых конкретных случаях обеспечивают ей преимущества перед другими областями. Ниже приводятся характерные свойства различных участков электромагнитного спектра, применяемого в радиолокации, и описываются основные преимущества и ограничения, свойственные каждому частотному диапазону. Приведенное в табл. Б разбиение частотных диапазонов выдерживается на практике не так строго. Следующие ниже обобщенные описания лишь приближенно отражают настоящее состояние практической радиолокации, и их не следует интерпретировать слишком строго, дословно.
Частоты, лежащие ниже диапазона ВЧ (ниже 3 МГц). При использовании длинных волн значительная часть излученной энергии может распространяться благодаря дифракции за пределы радиолокационного горизонта, образуя, как часто говорят, приземную или поверхностную волну. Чем ниже частота, тем меньше ослабление дифрагированной волны. Преимуществом этого вида распространения является то, что волна огибает земную поверхность. Так как в этом случае для формирования направленного луча необходимы антенны больших размеров, а также из-за высокого уровня окружающих шумов, наличия нежелательных отражений от объектов на земной поверхности и насыщенности этого участка диапазона электромагнитными излучениями, частоты, лежащие ниже ВЧ диапазона, для большинства радиолокационных задач не применяются.
Диапазон ВЧ (3 – 30 МГц). Первая действующая радиолокационная система, установленная в Англии непосредственно перед второй мировой войной, излучала сигналы ВЧ диапазона на частотах между 22 и 28 МГц. Это были РЛС, которые обеспечили обнаружение самолетов в период битвы за Англию. РЛС использовали эти частоты не из-за того, что они оптимальны для такого применения, а потому, что это была наивысшая частота, для которой в то время были разработаны надежные мощные компоненты. Выбор этой неоптимальной частоты отражает часто цитировавшийся лозунг «культ несовершенного», который принадлежал В. Ватту, английскому изобретателю радиолокационных систем: «Дайте им третий сорт, чтобы оно работало, второй сорт придет слишком поздно, лучшее, первый сорт, не появится никогда».
В станции использовалось приземное распространение, и дальность работы по самолетам достигала примерно 350 км. Существующая наряду с приземной волной нормальная волна на этих частотах отражалась от ионосферы и создавала нежелательные паразитные эхосигналы. Отражения от ионосферы не всегда оказывались вредными. Они могли оказаться средством обнаружения целей на больших дальностях за пределами линии прямой видимости.
Верхний участок ВЧ диапазона использовался в радиоастрономии, в частности, для получения отражений от ионизированных слоев Солнца.
Станции ионосферного зондирования, которые измеряют высоту различных слоев ионосферы, применяют радиолокационные принципы.
Диапазон весьма высоких частот (ВВЧ) (30 – 300 МГц) использовался в первых РЛС, разработанных в США непосредственно перед второй мировой войной. В качестве некоторых наиболее интересных примеров можно указать радиолокатор СХAM ВМС США, армейскую РЛС обнаружения самолетов SCR-270 и РЛС управления зенитным огнем SCR-268 армии США. Все эти РЛС использовали последние достижения тех лет в области вакуумной электроники; в них применялось механическое перемещение антенн. Так как в настоящее время диапазон ВВЧ сильно перегружен электромагнитными излучениями, то в современных РЛС частоты этого диапазона не находят широкого применения.
Однако это важный диапазон; его частоты применяются в мощных РЛС дальнего обнаружения с большими антенными полотнами и большой излучаемой мощностью. Именно такие РЛС можно использовать для наблюдения за спутниками. Диапазон ВВЧ является, по-видимому, диапазоном, в котором наиболее экономично строить и использовать большие РЛС. Хотя внешний шум в этом диапазоне не так низок, как на более высоких частотах, он все же существенно ниже уровня шума ВЧ диапазона. Угловое разрешение РЛС наблюдения за воздушным пространством ВВЧ диапазона довольно низкое, но зона действия и скорость обзора пространства обычно довольно хорошие, а оборудование относительно простое и надежное.
Радиолокационные станции обычно легче создавать, если они работают на более низких частотах, и диапазон ВВЧ позволяет достигнуть компромисса между увеличением уровня шумов на более низких частотах и ростом сложности изготовления аппаратуры РЛС дальнего действия на более высоких частотах. Антенны РЛС наблюдения за воздушным пространством чаще всего имеют вид решетки диполей, причем применяется механическое перемещение антенны; на более высоких частотах обычно используются параболические антенны. При использовании сигналов с горизонтальной поляризацией над ровной поверхностью, такой, например, как море, интерференция между прямой и отраженной волнами может привести к существенному увеличению максимальной дальности действия радиолокатора при работе по самолетам.
Другим преимуществом ВВЧ диапазона является возможность успешного применения методов СДЦ при работе по движущимся целям, для чего необходимы стабильные передатчики и приемники, а их легче построить на более низких частотах. Кроме того, важно, чтобы в ожидаемом диапазоне доплеровских скоростей не было слепых скоростей. Чем ниже частота, тем (при прочих равных условиях) больше слепая скорость. Радиолокационные станции, работающие в диапазоне ВВЧ, не испытывают атмосферных помех (т.е. эхосигналов от облаков, дождя, снега и т.д.) и существенного влияния ослабления радиоволн в атмосфере. Удобен ВВЧ диапазон и для создания маломощных РЛС «против плохого человека»; этот диапазон, несомненно, должен использоваться шире, чем в настоящее время, если только другие радиослужбы не предъявят преимущественных претензий на доступные частоты этого диапазона.
Ультравысокие частоты УВЧ (300 – 1000 МГц). Многое из сказанного выше о РЛС ВВЧ диапазона так же хорошо применимо к РЛС УВЧ диапазона. Но в этом диапазоне внешний шум слабее, чем в диапазоне ВВЧ, и антенны с более узким лучом создавать здесь легче. Данный диапазон удобен для создания надежных РЛС наблюдения за воздушным пространством с большой дальностью действия, не зависящей от погодных явлений. В этом диапазоне можно успешно применять методы селекции движения цели (СДЦ). Применение данного диапазона ограничивается тем, что широкий участок спектра этого диапазона выделен для телевидения.
L-диапазон (1000 – 2000 МГц) широко используется в США в РЛС наблюдения за воздушным пространством. При этом приходится жертвовать некоторыми преимуществами, свойственными более низким частотам, например, высокой мощностью, большими апертурами антенн и хорошими характеристиками СДЦ. Однако РЛС этого диапазона обладают хорошим угловым разрешением и имеют низкий уровень внешних шумов.
S-диапазон (2000 – 4000 МГц). Большинство РЛС, использующих частоты ниже S-диапазона, применяются для обзора и наблюдения за пространством, в то время как большинство РЛС с частотами выше S-диапазона применяются для получения информации, например, о точном расположении цели и для сопровождения. Антенны реальных размеров дают хорошее угловое разрешение в S-диапазоне, а уровень внешних шумов здесь низок. Однако применение методов СДЦ в S-диапазоне дает результаты хуже, чем в диапазоне УВЧ. Хотя погодные явления не вызывают столько беспокойства, как на более высоких частотах, в ряде случаев они существенно затрудняют работу радиолокационной станции и ухудшают ее характеристики. S-диапазон представляет интерес в том смысле, что здесь достижим разумный компромисс между обнаружением самолетов на средних дальностях и слежением за ними, если для выполнения обеих функций необходимо использовать одну и ту же РЛС.
С-диапазон (4000 – 8000 МГц) лежит между S - и Х-диапазонами, и его лучше всего рассматривать как компромиссный диапазон между этими двумя. На частотах С-диапазона успешно работают обзорные радиолокаторы со средней дальностью действия, используемые для получения точной информации, как например РЛС для навигации судов. На этих частотах могут работать РЛС с большой дальностью действия и высокой точностью измерения координат, которые используются для точного сопровождения ракет. РЛС наведения и управления оружием с относительно большой дальностью действия также могут работать на частотах этого диапазона.
Х-диапазон (8 – 12,5 ГГц) – популярный частотный диапазон, широко используемый в РЛС наведения и управления оружием и коммерческих гражданских РЛС. Гражданские морские авиационные всепогодные и доплеровские навигационные РЛС работают в Х-диапазоне. РЛС Х-диапазона обычно имеют небольшие размеры, что удобно, когда мобильность и небольшой вес играют важную роль. А диапазон имеет ряд преимуществ при сборе информации или обзоре на небольших дальностях, но не очень подходит для обзора на больших дальностях. Высокая несущая частота этого диапазона облегчает возможность генерации широкополосных сигналов (в частности, коротких импульсов). Легко также получать узкие лучи в РЛС этого диапазона при небольших физических размерах апертур. Луч в 1° можно получить с помощью антенны диаметром около 2 м. РЛС X-диапазона иногда настолько малы, что их можно держать в руке, но они могут быть и такими большими, как РЛС в Хэйстэк Хилл, используемая для радиоастрономических исследований. Ее антенна имеет диаметр около 36 м, а средняя излучаемая мощность достигается 500 кВт в режиме непрерывною излучения.
Ки-, К- и Ка-диапазоны (12,5 – 40 ГГц). Первые РЛС этого диапазона, разработанные в период второй мировой войны в лаборатории излучений Массачусетского технологического института, работали на центральной частоте 24 ГГц (длина волны 1,25 см). Это был плохой выбор, так как вскоре было обнаружено, что эта частота слишком близка к резонансной частоте водяного пара (22,2 ГГц), на которой возникает сильное поглощение. Позднее этот диапазон был подразделен на два диапазона по обе стороны от частоты водяного поглощения. Диапазон с более низкими частотами охватывает частоты от 12,5 до 18 ГГц, а более высокий – от 26,5 до 40 ГГц. В области Ка-диапазона лежат наивысшие частоты, на которых работают практически широко используемые РЛС. Хотя РЛС, работающие на более высоких частотах, и были созданы, они используются главным образом в экспериментальных целях или для специальных применений. Преимущество частот К-диапазона заключается в возможности получения хорошего разрешения по обеим угловым координатам и по дальности при небольшом взаимном влиянии РЛС этого диапазона. Антенны данного диапазона имеют небольшие размеры, но получение больших мощностей излучения здесь затруднено. Диапазону свойственны увеличенное затухание радиоволн в атмосфере, более высокий уровень внешних шумов и меньшая чувствительность приемников. Влияние этих факторов обусловливает относительно небольшие дальности действия радиолокационных станций. Ограничения, возникающие из-за отражения от дождя и затухания радиоволн, становятся значительно более серьезными на этих более высоких частотах.
Миллиметровые волны. В этой части спектра можно получать широкополосные сигналы и узкие радиолучи при относительно малых апертурах антенн. здесь действуют те же ограничения, что и в К-диапазонах, но воздействие их сильнее. Получить даже умеренный уровень мощности в этом диапазоне трудно, а внутренний шум приемника обычно высок. Уровень внешних шумов, поглощение радиоволн в атмосфере и помехи от атмосферных явлений быстро усиливаются с ростом частоты. Возрастание затухания носит не монотонный характер: существует ряд окон, в которых затухание относительно слабее, чем на соседних частотах. РЛС, использующие миллиметровые волны, применяются ограничено. Они используются в тех случаях, когда необходима широкая спектральная область, чтобы исключить мешающее воздействие других электромагнитных устройств. Широкополосные сигналы и узкие радиолучи могут быть преимуществом в случаях, когда стремятся распознать тип цели. Однако часто недостатки перевешивают любые преимущества, свойственные РЛС, работающим на миллиметровых волнах.
Частоты оптического диапазона. Когерентную мощность приемлемой величины при хорошем коэффициенте полезного действия, наряду с узконаправленными лучами, можно получить от лазеров в инфракрасной, оптической и ультрафиолетовой частях спектра. Хорошие угловое разрешение и разрешение по дальности, свойственные лазерам, делают их полезными для получения более детальной информации о цели, например, при определении размеров и характера цели. Лазеры менее удобны при обзоре пространства, так как площадь их приемной апертуры относительно мала, ввиду чего исследовать узким лучом большие области пространства трудно. Серьезными ограничениями для лазеров является то, что они не могут эффективно работать при дожде, наличии облаков или тумана.