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电磁波的频谱(二)——各频段的频率分配

作者:曾泉
来源:深圳远望谷
日期:2005-12-28 10:18:28
摘要:各波段的特点及其频率分配。

下面将按波段划分来讨论各波段的特点及其频率分配。


一、10~200千赫频段
  该频段属于甚长波和长波的波段,因其传播特性相近,故并在一起讨论。
该波段可以用天波和地波传播,而主要以地波传播方式为主。因地波传播频率愈高,大地的吸收愈大,故在无线电的早期是向低频率的方向发展。天波是靠电磁波在地面和电离层之间来回反射而传播的。
  该波段的特点是:(1)传播距离长,在海水上应用数千瓦的功率可以实现3000公里的通信。所以目前还有很多海岸电台使用长波通信(30~200千赫)。用10~30千赫可以实现特远距离的通信。(2)电离层扰动的影响小。长波传播稳定,基本没有衰落现象。(3)波长愈长,大地或海水的吸收愈小,因此适宜于水下和地下通信。
  但是它的缺点也是明显的:(1)容量小。长波整个频带宽度只有200千赫,因此容量有限,不能容纳多个电台在同一地区工作。(2)大气噪声干扰大。因为频率愈低大气噪声干扰愈大(大气干扰也和地理位置有关,愈近赤道、干扰愈大)。(3)需要大的天线。
  该波段频率的分配情况。根据国际规定,10~200千赫主要用于无线电导航(航空和航海)、定点通信、海上移动通信和广播。
  被指定的导航用频率为10~14千赫以及70~130千赫。这是作为远距离导航用的,主要是因为长波传播远,且无盲区。在导航系统中,盲区是不允许的。在70~130千赫工作的有劳兰—C系统和台卡(Decca)系统。
  海上移动通信主要用于岸-船通信。由于长波的可靠性高,因此,当容量不是主要的,而要求高可靠性的远距离通信时,就要用这个频段,并且特别适宜在极区的岸-船通信。船- 岸通信通常不用此频段,因船上位置有限,不能得到高的天线效率。
  几乎整个波段部分都分配作定点通信用,这在目前是作为短波通信的备份使用的,以便在电离层受到干扰时使用。目前看来这种需要性已逐渐减小,除了少数地区外,大多数地区已不用,最后这种用途将被放弃。
在欧洲和非洲,还用150~200千赫作为广播用频段。这种长波广播电台的特点是,不论白天黑夜都有相当大的稳定的服务区域。
  还有一个标准频率的播送规定在20千赫。
  军事上,长波是有用的,主要是地下(坑道)通信可以考虑用这个频段。这一波段的主要缺点是容量小,天线的尺寸大。因此,地下通信现在仍多数采用短波。

二、200~3000千赫频段
  该频段主要是中波。在中波,电磁波主要的传播方式是地波传播。在这一频段的低端比高端传播得更好。出于频率增高,地面的情况差别已不太显著。在白天,天波基本上为电离层(D层)所吸收,所以不能靠天波传播。但到夜间,由于D层消失,由E层反射,天波传播可以达到相当大的距离,但它也是干扰那些用地波传播业务的一个干扰源。
  该频段的特点:主要靠地波传播,中等传播距离(数十到数百公里),信号稳定。
  该频段主要用于广播、无线电导航、海上移动通信、地对空通信。由于中波传播的特点,特别适宜于地区性的广播业务。535 ~ 1605千赫是国际规定的广播段。
  在该频段中,200 ~ 415千赫为短距离用的无线电导航系统,其中285~325千赫、405~415千赫为航海导航用,其余均为航空导航用。另外,有1800~2000千赫作为罗兰A系统用。
  该频段的海上移动通信,是在无线电发展的早期就安排了的,即415~525千赫,其中500千赫固定为海上遇难呼救频率,其它任何业务不得使用。为了可用较小的天线设备,海上小艇用此频段的高端,即1800~2000千赫。
  最早的航空移动通信,即地对飞机的通信,就是使用2850~3025千赫。现在许多国家都已将它移到甚高频(米波)频段中去了。但这一个频段仍是需要的,特别是当通信路径包含大量水面时。
  标准频率在本波段有2500千赫。
  由于历史的原因,该频段的电台显得过于拥挤,所以应该把一些业务转移到其它更合适的频率去。例如,航空和航海的移动通信就应该移出去,而更合理地更新分配该段频率。

三、3~30兆赫频段
  该频段为短波波段。短波电离层通信简单,易于实现,成本低,可用小功率和小得多的天线实现远距离通信,这是其优点。
  但是短波也有严重的缺点,即通信不稳定。要维持全日通信必须更换数个频率。由于电离层的11年周期的影响,当太阳活动性大的时候,可以用到3~30兆赫,而当太阳活动性最小的时候只有3~15兆赫能够应用。所以短波通信必须具有全波段的频率才能适应。
  同时,短波还有严重的衰落,必须采用分集接收才能得到较稳定的通信。通常采用频率分集,这就是说需要占用两个频率,这对本来已经拥挤的短波波段是一个困难的问题。
  此外它还受电离层扰动的影响,大气等自然干扰也比较大。
  短波通信时,使用某一频率,利用天波只能到达某一距离以外(因为如果距离再近,必须提高仰角,这时电磁波将穿过电离层而不反射回来),而地波传播又只能到达较近的距离。所以,在这两个距离之间,既收不到地波也收不到天波,称为盲区或静区(图1)。这是短波波段所特有的。因此短波波段不能用于导航。
在短波波段,利用地波传播通信是很少的,因为短波波段的地波传播极近,稍远一点衰减就极大。因此,除军用战术小型电台还采用短波地波通信外,其它地方是很少采用的。
  由于历史的原因,短波存在的问题是波段太拥挤。同时由于短波传播远,它又容易产生互相干扰,因此,频谱利用是一个问题。当前解决的办法是:(1)采用单边带,把现有的短波电台都改为单边带。CCIR已建议在1973年以前把全部移动电台都改为单边带.而固定电台超过100瓦的则在1967年以前己全部改为单边带。(2)把不是必需在本波段的定点通信业务都移出这个波段。短程广播不允许再在这个波段开设。
  短波主要用于定点通信、航海和航空移动通信、广播、热带广播及业余无线电等。
  1. 定点通信
  分配于这个波段的比较多,共有25段,分布于整个波段之内,这里就不一一列举。由于这一波段电台太挤,互相干扰,因此已采取措施。例如将100瓦以上的电台均改为单边带制,或改为独立边带制。并建议将一部分高频固定通信业务改用100兆赫以上的多路系统或改用电缆通信。
  2. 航海和航空移动通信
  航海用的移动通信用于船岸之间,范围从4063千赫至27.50兆赫,共分十段。主要用于远距通信。航空用的远程通信使用高频频率,因为在飞机上远程通信必须靠电离层反射,用超短波不能达到这么远。用较低的频率,则飞机上不允许装大体积的天线,所以一般用短波波段(分为航线业务和非航线业务),范围从2.852兆赫到l 8兆赫。为了不致干扰其它业务,经过国际协议,大都限制在一个范围不大的窄频带内。这种业务使用的电台要求在1973年全部改为单边带。
  3. 广播业务
  短波波段是远程广播的唯一合适的波段。国际协议划给短波广播的共七段,即5.95~ 6.2兆赫,9.5~9.77兆赫,11.7~11.975兆赫,15.1~15.45兆赫,17.7~17.9兆赫,21.45~21.75兆赫,25.6~26.1兆赫。另有7.1~7.3兆赫是供东半球国家使用的。这一频段特别拥挤,根据1963年统计,在这些频段内共有130个国家和地区的2000部短波广播发射机。其中55%是对国外广播的,现在就更拥挤了。
  4. 热带广播业务
  在热带地区,大气干扰相对很大,中波广播的干扰噪声水平很高,所以本地广播也用短波波段(5兆赫以下)。有三个波段分配给它们,即3.2~3.4兆赫,3.9~4.0兆赫,4.75~5.06兆赫。为了保证它们的地区性而不干扰其它通信,这些电台的最大辐射方向必须是向上的。
  5. 车辆移动电台
  这一部分只占短波频谱的极小部分。它通常作为近距通信,现在建议将此部分业务移到甚高频或特高频(米波及分米波)波段中去。
  6. 业余无线电业务
  业余无线电业务在国外是特有的,所以国际上也划分一部分频带供业余无线电爱好者使用。这部分电台也被建议向超高频波段移动。
  7. 工业、科学、医疗业务
  在这个频段为工、科、医业务划出两个频率来,13.56兆赫和27.12兆赫(两者是谐波关系),并被严格限制在这两个频率上。
  其次,在这个频段还有标准频率业务。其频率为5兆赫、10兆赫、15兆赫、20兆赫和25兆赫。

四、30~1000兆赫频段
  这一波段是甚高频(米波)和特高频(分米波)的一部分。这一波段是一个“中间”波段。它基本上不能被电离层反射,但在米波波段的低端还可以被反射(在太阳活动性高的年份以及E1层),一般在60兆赫以下。这往往也是构成干扰的一个原因。
  地波传播的距离更短,但是军用战术电台还有用地波作短距离通信的。主要是用这个波段的低端。
在该频段起主要作用的传播方式是视距内的空间波传播,以及对流层散射和电离层散射。
  和高频波段相比,该频段的优点是,对于低容量系统可以用小尺寸天线。明显地,这种特点特别适宜于移动通信。在无线电中继系统中,采用较高一些频率,虽然传播损耗增加,但是高的天线增益可以补偿这部分损耗。因此,采用这个频段的高频端是合适的,而且容量也可增大,可以通过更多的路数。
  对流层散射在某些场合代替了无线电接力系统,因为它可以不用中继站,一跳数百公里,同时还可具有大容量(多路传输),而这在低频率是不可能的。
  该频段频率的分配情况。主要分配在广播、陆上移动通信、航空移动通信、海上移动通信、定点通信、空间通信、雷达等。
  1.广播业务
  调频广播分配在88~108兆赫,而电视广播则分配在41~100兆赫,170~216兆赫,470~960兆赫(各个国家有所不同)。
  陆上移动通信主要是车辆电台或背负电台使用,其主要频段在500兆赫以下。在较低频率端,由于大气噪声干扰较大,故不宜在城市中应用(因城市人为噪声电平也高)。城市中宜用在450兆赫左右。
  2.航空移动通信
  空对地通信使用118~139兆赫。它们为近距移动通信,以视距方式进行。当飞行高度为1500米时,视距约为130公里。当高度为12000米时,约为320公里。这种通信大都采用预调波道方式接通无线电话。
海上移动通信主要用于港内水路上、海港范围内或公海上船舶之间(短距)通信。其中156.8兆赫为国际规定的甚高频段呼救频率。
  3.定点通信
  几乎在30~1000兆赫的整个范围内都有。其工作方式有视距、对流层散射和电离层散射多种。但是从目前看,工作在这个频率范围内的电台增加不快。原因是,如果工作在大于1000兆赫的频率,其天线增益大大提高,而且大容量,容易多路化,对干扰的控制也容易些。所以频率采用在1干兆赫以上的电台更多一些。
电离层散射则工作在30~60兆赫的范围,最小的通信距离为1200公里。它要求高功率和大天线,这是其缺点,但它能比高频的天波传播提供更可靠的通信。
  对流层散射则用米波和分米波进行超视距的远距离通信,它比短波信道优越,它可以一跳远达800公里(此时几个话路),或在较近的距离上传送120话路。
  4.空间通信
  目前分配在此波段的有:
136~137兆赫——空间研究的遥测和跟踪用。
137~138兆赫一一操作系统的遥测和跟踪用。
400~401兆赫——供气象卫星用。
401~402兆赫——供空间遥测用。
  5.航空导航等应用
  108~118兆赫分配给盲目着陆系统。75兆赫为航空机场信标用。420~460兆赫为无线电高度计用。
  6.无线电天文学用
  只指定了几个窄波段供无线电天文学使用,即38、80、405、610兆赫等。其它还有雷达(指定在216~225、400~450、890~942兆赫)、业余无线电,及标准频率和授时信号业务。工、科、医用频率则指定为40.68兆赫。

五、1000~10000兆赫频段
  该频段属于分米波到厘米波的波段(30厘米至3厘米)。在1959年日内瓦举行的无线电会议上,已经将此波段分配给定点及移动通信、导航、雷达、气象、无线电天文学、空间通信、业余无线电和工、科、医使用。
该频段的传播特点是视距传播,大气噪声低,但在某些频率区域(3厘米波长),大气(水汽)吸收比较大。另外,该频段也用散射方式传播。由于该频段尚不太拥挤,因此,目前的分配问题不大。
  该频段频率的分配情况。定点通信和移动通信业务在该频段范围,主要是无线电微波接力系统,多以极大容量进行。另外,由于对流层散射通信的发展,也有很多固定通信站使用对流层散射。
  移动通信在该频段以车辆电台形式出现的比较少,多数是属于临时性的定点通信(即属于可运式设备),运动中通信则极少使用这个波段。
  在该频段中,由于没有大气噪声的干扰,同时波长短的天线的波束容易做得很窄,所以无线电导航和雷达特别合适。在l000~10000兆赫的范围内,有18%分配给导航用,而有30%分配给雷达和定位。事实上,在该频段的导航,基本上也是采用雷达技术。
  1.空间通信
  该频段是空间通信的最重要的波段,这是因为这个频段频带宽,可以容纳大量的信道。同时,目前无线电技术的发展和电磁波传播的情况都适于这个波段。在3400~8500兆赫范围内,共分配200兆赫供通信卫星使用,它和小功率移动通信共用。
  2.无线电天文学业务
  分配为1400~l427兆赫及16644~16684兆赫。这分别是对原子氢和氢氧根(OH)离子的辐射观察的频段。另外分配了2690~2700及4990~5000兆赫,供观察连续频谱的辐射之用。
工、科、医用频率分配2450±50兆赫。

六、10000兆赫以上的频段
  该频段基本上是毫米波波段。目前只分配到40千兆赫(8毫米波长),再高尚未作分配。
10~30千兆赫的传播情况基本上是光的传播特性,但它的传播损耗在高频段的高端比低端的损耗要大,并受雨的影响较大。不过高的天线增益可以补偿这部分损耗。目前这部分的低端比较适合无线电中继(接力)通信、空间通信、雷达、导航、无线电天文学等应用。
  从40干兆赫到3000千兆赫(这是光波的下限),除了激光以外,还未能很好的加以利用。有待于以后的研究和发展。

七、结论
  频率的分配主要是根据电磁波传播的特性(即各种信道的特性)和各种设备通信业务的要求而确定的,但是也要考虑一些其它因素。例如,历史的发展,国际的协定,各国的具体政策,目前使用的状况和干扰的避免等。因此,国际的频率分配虽然是确定了,但各国还可以在此基础上根据自已国家的具体情况和政策,给以具体的分配。
  军事上频率的划分,一般的原则是相同的。但是由于军用的范围广,要求高,所以主要是根据通信手段的要求和信道传输特性来决定,而不完全受国际频率分配的限制。但是有些频率,如呼救等等,是不应占用和干扰的。另外,由于民用已经使用了这些频率,因此,在选定频率时,也要考虑这些频率的干扰。

主要信息来源于参考资料:
[1] 江林.无线电波传播概要及频谱利用.北京:国防工业出版社,1974
[2] 刘瑞扬 王毓民.铁路车号自动识别系统原理及应用.北京:中国铁道出版社,2003
编辑整理:曾泉