www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Propagacja fali elektromagnetycznej

Zakresy częstotliwości i długości fali

Spektrum fal elektromagnetycznych ma częstotliwość do 1024 Hz. Ten bardzo duży ogólny zakres jest podzielony na różne podzakresy ze względu na różne właściwości fizyczne.

Podział częstotliwości na różne zakresy był mierzony na podstawie historycznych kryteriów, które obecnie są przestarzałe, dlatego też stworzono nowy podział pasm częstotliwości, który jest stosowany na całym świecie. W niektórych przypadkach jednak w literaturze nadal stosuje się tradycyjne oznaczenie pasma częstotliwości.

Przegląd przedstawiono na poniższym schemacie:

Rysunek 1: Pasma częstotliwości i fale wykorzystywane przez radar.

Rysunek 1: Pasma częstotliwości i fale wykorzystywane przez radar.

Zakresy częstotliwości i długości fali

Rysunek 1: Pasma częstotliwości i fale wykorzystywane przez radar.

Obecnie istnieją dwa obowiązujące systemy oznaczania zakresów częstotliwości, które porównano na rysunku 1. IEEEInstitute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) preferuje system oznaczeń wywodzący się z historii, którego celowo niesystematyczny podział liter do oznaczania pasm pochodzi częściowo z czasów II wojny światowej, a jego wybór miał początkowo służyć utajnieniu używanych częstotliwości.

Rysunek 2: Niektóre radary i ich pasmo częstotliwości

Rysunek 2: Niektóre radary i ich pasmo częstotliwości

Skaner ciała
Radar samochodowy
Radar
pokładowy
Radar pola walki
Radar
obrony
powietrznej
Radar typu OTH
SMR
PAR
ASR
Radar na
trasie
GPR

Rysunek 2: Niektóre radary i ich pasmo częstotliwości

InnerhalbW ramach NATO stosowana jest nowsza tabela pasm częstotliwości, której granice pasm są dostosowane do technologii i możliwości pomiarowych w różnych zakresach częstotliwości. Granice pasm są rozłożone w przybliżeniu logarytmicznie, a system jest otwarty ku górze, więc łatwo można wyznaczyć kolejne pasma. Ten system oznaczeń ma również pochodzenie wojskowe i stanowi klasyfikację pasmową dla wojny elektronicznej, w której radary zajmują zasadnicze miejsce.

Ponieważ przyporządkowanie do nowych zakresów częstotliwości nie zawsze jest możliwe bez znajomości dokładnej częstotliwości, przyjąłem bez komentarza tradycyjne zakresy, w których były one wymieniane w publikacjach firmowych. Ale uważaj! W Niemczech firmy nadal stosują stare niemieckie oznaczenia zespołów. Jednostki radarowe z tak zwanej „rodziny radarów pasma C“ z pewnością pracują w nowym paśmie G, ale jednostki radarowe z literą „L“ w nazwie (np. SMART-L) nie pracują już w paśmie L, lecz w paśmie D.

Częstotliwości radarów wahają się od około 30 megaherców do około 300 gigaherców (300 000 000 000 drgań na sekundę!). Niektóre częstotliwości są jednak preferowane w określonych zastosowaniach radarowych. Systemy radarowe bardzo dalekiego zasięgu zwykle działają na niższych częstotliwościach, aż do pasma D włącznie. Radary kontroli ruchu lotniczego na lotnisku czasami pracują tuż poniżej 3 GHz (ASR) lub tuż poniżej 10 GHz (PAR).

Pasma A i B (radary pasma HF i VHF)

Pasma radarowe poniżej 300 MHz mają długą tradycję historyczną, ponieważ pierwsze radary były tu budowane przed i w czasie II wojny światowej. Zakres częstotliwości odpowiadał opanowanym w tym czasie technologiom wysokich częstotliwości. Później zaczęto je stosować w radarach wczesnego ostrzegania o bardzo dużym zasięgu, tzw. radarach Over The Horizon (OTH). Ponieważ dokładność wyznaczania kąta zależy od stosunku długości fali do rozmiaru anteny, radary te nie mogą spełnić wysokich wymagań dotyczących dokładności. Anteny tych radarów są jednak bardzo duże, a ich długość może wynosić nawet kilka kilometrów. W tym przypadku działają specjalne, nietypowe warunki propagacji, które ponownie zwiększają zasięg radaru kosztem dokładności. Ponieważ te zakresy częstotliwości są gęsto zajmowane przez służby radiokomunikacyjne, szerokość pasma tych radarów jest stosunkowo niewielka.

Obecnie te zakresy częstotliwości mają szczególne znaczenie militarne, ponieważ stosowane obecnie technologie stealth (tzw. „bombowce stealth“) mają tu bardzo niewielki (czasem wręcz odwrotny) wpływ.

Pasmo C (radary pasma UHF)

Dla tego zakresu częstotliwości (od 300 MHz do 1 GHz) opracowano specjalistyczne radary, które są wykorzystywane jako wojskowe radary wczesnego ostrzegania, np. w MEADS (systemie obrony powietrznej średniego zasięgu), lub w obserwacji pogody jako profilery wiatru. Częstotliwości te są tylko w niewielkim stopniu tłumione przez zjawiska pogodowe, dzięki czemu mają duży zasięg. Nowsze metody, tzw. radary ultraszerokopasmowe, nadają bardzo szerokopasmowo w paśmie od A do C przy bardzo niskiej mocy impulsu i są wykorzystywane głównie do badań materiałów technicznych lub częściowo w archeologii jako radary penetrujące grunt (GPR).

Pasmo D (radar pasma L)

Pasmo to najlepiej sprawdza się w przypadku nowoczesnych lotniczych radarów rozpoznawczych dalekiego zasięgu, których zasięg wynosi znacznie ponad 400 km (≈250 NM). Stosunkowo niewielkie zakłócenia ze strony cywilnych służb radiowych umożliwiają szerokopasmowe promieniowanie o bardzo dużej mocy. W tym przypadku, aby uzyskać jeszcze większy zasięg, często stosuje się modulację wewnątrzimpulsową impulsu nadawczego. Jednak ze względu na krzywiznę Ziemi praktyczny zasięg tych radarów jest znacznie mniejszy na małych wysokościach, ponieważ cele te są wtedy zasłonięte przez horyzont radaru.

W kontroli ruchu lotniczego w tym paśmie częstotliwości znajdują się radary trasowe lub radary nadzorujące trasę lotniczą (ARSR). W połączeniu z monopulsowym radarem obserwacji wtórnej (MSSR), radary te działają ze stosunkowo dużą, wolno obracającą się anteną.

Pasmo E/F (radar pasma S)

W paśmie częstotliwości od 2 do 4 GHz tłumienie atmosferyczne jest nieco większe niż w paśmie D. W tym przypadku radary potrzebują znacznie większej mocy nadawczej, aby osiągnąć duże zasięgi. Przykładem jest wojskowy „radar średniej mocy“ (MPR) o mocy impulsu do 20 MW. W tym zakresie zaczynają się już znaczne zakłócenia spowodowane zjawiskami pogodowymi. Dlatego też pierwsze radary opadowe już się tu znajdują, choć są one wykorzystywane głównie w obszarach podzwrotnikowych i zwrotnikowych, ponieważ trzeba tu znaleźć kompromis między współczynnikiem odbicia a tłumieniem penetracji.

Specjalne radary rozpoznawcze kontroli ruchu lotniczego o średnim zasięgu ok. 100 km (50 … 60 NM), takie jak radar kontroli lotniska (ASR), pomagają kontrolerom ruchu lotniczego w monitorowaniu specjalnych stref wokół lotniska.

Pasmo G (radar pasma C)

Na ten zakres częstotliwości budowane są mobilne wojskowe radary pola walki o krótkim i średnim zasięgu. Anteny są na tyle małe, że można je szybko i precyzyjnie rozmieszczać w celu naprowadzania broni. Wpływ zjawisk pogodowych jest bardzo duży, dlatego radary wykorzystywane do celów wojskowych są zwykle wyposażone w anteny o polaryzacji kołowej. W tym zakresie częstotliwości pracuje również większość radarów opadów atmosferycznych w klimacie umiarkowanym.

Pasmo I/J (radar pasma od X do Ku)

W zakresie częstotliwości od 8 do 12 GHz stosunek długości fali do rozmiaru anteny jest korzystniejszy. Wystarczającą dokładność kątową można uzyskać przy użyciu bardzo małych anten, co sprzyja zastosowaniu wojskowemu jako radaru pokładowego. Z drugiej strony, anteny radarów naprowadzania pocisków, które są bardzo duże w stosunku do długości fali, są wciąż na tyle łatwe w obsłudze, że można je uznać za przenośne.

Ten zakres częstotliwości jest wykorzystywany do celów cywilnych i wojskowych, głównie w systemach radarowych nawigacji morskiej. Małe, tanie i szybko obracające się anteny zapewniają wystarczający zasięg z bardzo dobrą precyzją. Anteny mogą być prostymi antenami szczelinowymi lub antenami typu patch.

W przestrzeni kosmicznej ten zakres częstotliwości jest również wykorzystywany przez radar z anteną syntetyczną (SAR) do zwiadu wojskowego oraz do pomiarów geograficznych powierzchni Ziemi. Szczególnym zastosowaniem radaru ISAR (Inverse Synthetic Aperture Radar) jest monitorowanie oceanów w celu zapobiegania ich zanieczyszczeniu.

Pasmo K (radary pasma K i Ka)

Wraz ze wzrostem częstotliwości transmisji wzrasta tłumienie w atmosferze, ale zwiększa się możliwa dokładność i rozdzielczość zasięgu. Nie można już osiągać dużych odległości. Zastosowania radaru w tym zakresie częstotliwości obejmują radar nadzoru lotniska, znany również jako radar ruchu naziemnego (SMR) lub (jako część) urządzenia do wykrywania powierzchni lotniska (ASDE). Dzięki bardzo krótkim impulsom transmisyjnym, trwającym kilka nanosekund, uzyskuje się doskonałą rozdzielczość zasięgu, dzięki czemu kontury samolotów i pojazdów są już widoczne na ekranie.

Pasmo L (pasmo V)

Ze względu na rozpraszanie cząsteczek w atmosferze (w tym przypadku przez wodę jako wilgoć) fale elektromagnetyczne ulegają tu bardzo silnemu tłumieniu. Zastosowania radaru w tym przypadku są ograniczone do zasięgu kilkudziesięciu metrów.

Pasmo M (pasmo W)

Można tu zaobserwować dwa zjawiska tłumienia atmosferycznego. Maksimum tłumienia występuje przy około 75 GHz, a względne minimum przy około 96 GHz. Obie częstotliwości są praktycznie wykorzystywane. Radary bliskiego zasięgu o częstotliwości około 75-76 GHz są wykorzystywane w samochodach jako urządzenia wspomagające parkowanie, hamowanie i automatyczne zapobieganie wypadkom. To wysokie tłumienie spowodowane rozpraszaniem cząsteczkowym (w tym przypadku przez cząsteczkę tlenu O2) zapobiega wzajemnym zakłóceniom spowodowanym masowym użyciem tych radarów.

Pasmo N

Zakres 122 GHz jest kolejnym pasmem ISM-BandIndustrial, Scientific and Medical Band (ISM-Band) przeznaczonym do zastosowań w technice pomiarowej. Ponieważ w technologii ultrawysokich częstotliwości mówi się o zakresie terahercowym od 100 GHz = 0,1 THz, moduły radarowe dla tego zakresu częstotliwości są oferowane przez przemysł jako „radary terahercowe“. Moduły terahercowe są stosowane na przykład w tzw. skanerach ciała, w kontroli jakości już zapakowanych przedmiotów na linii montażowej (fluoroskopia opakowania), w ocenie grubości powłok ochronnych, laminatów, a nawet powłok czekoladowych oraz jako detektor ciał obcych w żywności. Skanery ciała wykorzystują fakt, że częstotliwości terahercowe mogą z łatwością przenikać przez suche i nieprzewodzące substancje, ale ze względu na wilgotność skóry nie mogą przeniknąć głębiej niż na kilka milimetrów. Niestety, IEEE nie podało jednolitej nazwy dla tego zjawiska.