Сантиметро́вые во́лны (СМВ) — радиоволны с длинами волн от 1 до 10 см, что соответствует частотам от 3 до 30 ГГц. В номенклатуре Международного союза электросвязи (МСЭ) это диапазон № 10 — сверхвысокие частоты (СВЧ, ). Таким образом, русское название «сантиметровые волны» и английское название диапазона super high frequency обозначают одну и ту же часть радиоспектра: первое основано на длине волны, второе — на частоте. Термин «сантиметровые волны» закреплён также в ГОСТ 24375-80 и в русской научно-справочной литературе.

Сравнительно малая длина волны позволяет получать узкие лучи при умеренных размерах антенн, создавать компактные волноводы, резонаторы и печатные СВЧ-цепи. Поэтому волны этого диапазона широко применяют в радиолокации, наземных линиях связи, спутниковой связи, беспроводных локальных сетях, дистанционном зондировании, радиоастрономии и измерительной технике. Распространение у поверхности Земли происходит преимущественно в пределах прямой видимости; на качество линии влияют рельеф, рефракция и многолучёвость в тропосфере, а в верхней части диапазона — также дождь и поглощение атмосферным водяным паром.

Границы диапазона и терминология В вакууме частота и длина волны связаны соотношением , где — скорость света. Поэтому границам 3 и 30 ГГц соответствуют приблизительно 10 и 1 см. Границы радиодиапазонов условны: в таблице МСЭ нижняя граница каждого диапазона исключается, а верхняя включается; в обзорном тексте обычно употребляют округлённую запись «3-30 ГГц».

+ СМВ и соседние диапазоны по номенклатуре МСЭ № диапазона МСЭ Международное обозначение Русское название частот Частоты Метрическое подразделение 9 UHF ультравысокие частоты (УВЧ) 300-3000 МГц дециметровые волны 10 SHF сверхвысокие частоты (СВЧ) 3-30 ГГц сантиметровые волны 11 EHF крайне высокие частоты (КВЧ) 30-300 ГГц миллиметровые волны

Обозначения «СМВ» и «СВЧ» в строгой номенклатуре описывают один диапазон с разных сторон. Однако выражения «микроволны», «техника СВЧ» и «СВЧ-электроника» часто употребляются шире. Например, Большая российская энциклопедия условно относит к СВЧ-электронике аппаратуру от 300 МГц до 3000 ГГц. Из-за такого расширительного употребления не всякая «микроволновая» установка работает именно на сантиметровых волнах. Например, частота 2,45 ГГц формально относится к дециметровым волнам, а не к СМВ.

В радиолокации и космической связи наряду с обозначением SHF применяют буквенные названия полос. Их границы исторически различаются у разных организаций, поэтому МСЭ рекомендует при первом упоминании указывать частотные пределы. В приведённой МСЭ справочной системе для радиолокации сантиметровый диапазон охватывает следующие части буквенных полос:

Буквенное обозначение Справочные границы радиолокационной полосы, ГГц Часть в пределах СМВ, ГГц S 2-4 3-4 C 4-8 4-8 X 8-12 8-12 Ku 12-18 12-18 K 18-27 18-27 Ka 27-40 27-30

Следовательно, в этой справочной системе полосы C, X, Ku и K целиком лежат в диапазоне СМВ, а S и Ka — лишь частично. Буквенное обозначение само по себе не задаёт конкретную полосу радиослужбы: реальные рабочие частоты определяются распределением радиочастотного спектра, национальными правилами и стандартом системы.

Физические и технические особенности На сантиметровых волнах размеры проводников и элементов аппаратуры нередко соизмеримы с длиной волны. Напряжение и ток уже нельзя считать одинаковыми во всех точках цепи, как в низкочастотной модели сосредоточенных элементов: существенными становятся запаздывание фазы, отражения и стоячие волны. Энергию передают по линиям передачи — коаксиальным, полосковым и микрополосковым линиям, а когда требуются высокая мощность или малые потери — по полым металлическим волноводам. Для фильтрации и стабилизации частоты используют распределённые элементы и объёмные резонаторы. Соизмеримость периода колебаний со временем пролёта электронов и влияние паразитных ёмкостей и индуктивностей ограничивают применение обычных электронных ламп и требуют специальных СВЧ-приборов.

Для апертурной антенны с физической площадью и примерно неизменной апертурной эффективностью коэффициент направленного действия пропорционален , а характерная ширина луча — отношению , где — линейный размер апертуры. Поэтому при одной и той же площади антенны уменьшение длины волны даёт больший коэффициент усиления и более узкий луч. Это позволяет пространственно разделять линии на одинаковых частотах, точнее определять направление на цель и уменьшать требуемую мощность передатчика в линии «точка-точка».

Диапазон 3-30 ГГц имеет абсолютную ширину 27 ГГц, поэтому в нём можно выделять сравнительно широкие радиоканалы. Большая ширина канала допускает высокую скорость передачи и высокое временно́е либо дальностное разрешение радиолокатора, но не гарантирует их сама по себе: результат зависит также от выделенного спектра, отношения сигнал/шум, вида модуляции, обработки сигнала и допустимого уровня помех.

Распространение

Ионосфера обычно не отражает сантиметровые волны обратно к поверхности Земли, поэтому свойственное коротким волнам регулярное дальнее распространение пространственной волной для СМВ отсутствует. Основной режим наземной связи — распространение в пределах прямой видимости. Дальность ограничивают кривизна Земли, рельеф, здания и растительность; для получения малых дифракционных потерь препятствия не должны перекрывать не только геометрическую линию между антеннами, но и значительную часть первой зоны Френеля.

Атмосферная рефракция изгибает траекторию и меняет эффективный радиогоризонт. Неоднородные слои тропосферы, отражение от земной или водной поверхности и рассеяние создают несколько путей прихода сигнала; их интерференция вызывает замирания и частотно-селективные искажения. В аномальных условиях возможны тропосферные волноводы, а слабое тропосферное рассеяние позволяет строить специальные загоризонтные линии. Для обычных цифровых радиорелейных трасс МСЭ учитывает рефракцию, дифракцию, многолучёвость, атмосферные газы, осадки и деполяризацию как отдельные составляющие расчёта доступности линии.

В свободном пространстве основные потери между изотропными антеннами, выраженные в децибелах, равны

,

где — расстояние. При фиксированных расстоянии и коэффициентах усиления антенн потери возрастают с частотой. Это не означает, что переход к более высокой частоте обязательно ухудшает линию: при неизменной физической площади апертуры усиление антенны растёт примерно как и может компенсировать дополнительные потери. Поэтому сравнение диапазонов зависит от того, фиксированы ли геометрические размеры антенн, их усиление или излучаемая мощность.

Кислород и водяной пар поглощают часть энергии радиоволн. Внутри сантиметрового диапазона находится спектральная линия водяного пара около 22,235 ГГц; её влияние особенно заметно на длинных наземных и наклонных атмосферных трассах. МСЭ рекомендует включать газовое поглощение в общий баланс линии примерно выше 10 ГГц, а для длинных трасс выше 20 ГГц учитывать местную статистику температуры и влажности.

Дождевые капли рассеивают и поглощают сантиметровые волны; погонное ослабление зависит от интенсивности дождя, частоты и поляризации. В пределах СМВ оно в целом возрастает с частотой, поэтому линии в полосах K и прилегающей части Ka требуют большего энергетического запаса, а иногда — разнесённого приёма, адаптивного кодирования и модуляции либо резервного маршрута.

Аппаратура Сигналы сантиметрового диапазона генерируют, усиливают и преобразуют как электровакуумными, так и полупроводниковыми приборами. Магнетрон служит мощным генератором, клистроны — генераторами и усилителями с резонаторным взаимодействием, а лампы бегущей волны — широкополосными усилителями. В маломощной и приёмной аппаратуре применяют диоды Ганна, лавинно-пролётные диоды, транзисторы, смесители и монолитные СВЧ-интегральные схемы. Полупроводниковые устройства преобладают в компактной аппаратуре и фазированных решётках, тогда как вакуумные приборы сохраняют значение там, где нужны большая выходная мощность или сочетание мощности с широкой полосой.

В приёмнике входной сигнал обычно фильтруют и усиливают малошумящим усилителем, после чего смеситель переносит его на более низкую промежуточную частоту или непосредственно в основную полосу. На высоких частотах паразитные связи и потери делают механическую конструкцию частью электрической схемы: важны форма корпуса, переходы между линиями, экранирование, согласование и допуски размеров.

Для излучения и приёма используют рупорные, зеркальные, щелевые, линзовые и микрополосковые антенны. Фазированные антенные решётки изменяют направление луча электронно, без механического поворота всей апертуры. Малые антенны могут быть встроены в корпус устройства, а большие зеркальные системы дают луч шириной в доли градуса; выбор определяется требуемыми усилением, обзором, полосой частот и допустимыми габаритами.

Применение Радиолокация и дистанционное зондирование Сантиметровые волны широко применяют в обзорных, навигационных, метеорологических, некоторых автомобильных и военных радиолокаторах. Выбор частоты представляет компромисс между размером антенны, угловым разрешением, отражающими свойствами цели, требуемой дальностью и атмосферным ослаблением. Более короткие волны позволяют получить узкий луч от небольшой апертуры, но сильнее ослабляются осадками; поэтому, например, метеорологические системы используют полосы S, C и X для разных дальностей и условий.

При радиолокационном синтезировании апертуры последовательность измерений с движущейся платформы обрабатывают как данные от гораздо более длинной антенны. Сантиметровые C- и X-диапазоны используют для картографирования, наблюдения льда и растительности, оценки влажности почвы, обнаружения деформаций поверхности и мониторинга стихийных бедствий. В отличие от оптического датчика, активный радар сам излучает сигнал и может работать ночью; влияние облачности обычно значительно меньше, хотя осадки и состояние поверхности изменяют обратное рассеяние.

Связь и передача данных Узкие лучи и возможность повторного использования частот делают СМВ удобными для цифровых линий «точка-точка». Наземные радиорелейные сети работают, в частности, в полосах около 4, 6, 7, 8, 10, 11, 13, 15, 18 и 23 ГГц. По мере роста частоты обычно доступны более широкие каналы и уменьшаются антенны, но сокращается практическая длина пролёта и возрастает влияние осадков; конкретные полосы и параметры зависят от страны.

В спутниковых системах сантиметровые волны используют для телеметрии, управления, передачи телевизионных программ, телефонии, широкополосного доступа и связи с подвижными объектами. В сантиметровый диапазон попадают используемые в спутниковой связи участки полос S, C, X, Ku и Ka; точные границы буквенных полос зависят от принятой системы обозначений. Более высокие полосы дают доступ к большей ширине спектра и меньшим антеннам, но сильнее подвержены дождевому ослаблению; поэтому выбор зависит от климата, размера земной станции, требуемой доступности и пропускной способности.

Беспроводные локальные сети семейства IEEE 802.11 работают, среди прочего, в полосах 5 и 6 ГГц, которые полностью относятся к сантиметровым волнам. Полоса 2,4 ГГц того же семейства находится уже в дециметровом диапазоне. Современные варианты стандарта объединяют несколько каналов и пространственных потоков; фактически доступные частоты, мощность и ширина каналов устанавливаются регулятором каждой страны.

Наука и измерительная техника Радиотелескопы исследуют в сантиметровом диапазоне как непрерывное излучение, так и спектральные линии атомов и межзвёздных молекул. В частности, вращательный переход молекулы воды на частоте около 22,235 ГГц широко наблюдается как мазерное излучение в областях звездообразования. Та же линия атмосферного водяного пара повышает шум и поглощение для наземного наблюдателя.