Совместное использование полос частот выше 275 ГГц

Некоторые характеристики диапазона частот 275–3000 ГГц объединяются для снижения вероятности помех между радиоастрономической службой и активными службами, работающими в данном диапазоне. В диапазоне 275–3000 ГГц поглощение оказывает сильное воздействие на распространение волн в атмосфере Земли вследствие наличия атмосферных молекул. Основные молекулярные структуры, осуществляющие поглощение, – это кислород (O₂) и водяной пар (H₂O). Нерезонансное поглощение создает общий непрерывный спектр поглощения, устойчиво возрастающего с увеличением частоты. Чрезмерно большое затухание можно обнаружить на определенных частотах, соответствующих собственному резонансу молекул. Общий непрерывный спектр поглощения на уровне моря составляет приблизительно 5 дБ/км на частоте 275 ГГц, 300 дБ/км – на частоте 1000 ГГц и 4000 дБ/км – на частоте 3000 ГГц. Затухание при специфических молекулярных резонансах данного диапазона может достигать порядка 550 000 дБ/км. Затухание уменьшается с увеличением высоты, так как происходит снижение концентрации кислорода и водяного пара. На Рисунке 5.2 показано затухание (в дБ/км) на различной высоте: уровень моря, 1000 м и 3000 м. Параметры, которые были использованы при расчете данных кривых, приведены в Отчете MCЭ‑R RA.2189.

РИСУНОК 5.2

Атмосферное затухание, рассчитанное на горизонтальных трассах длиной 1 км
на различных высотах с учетом параметров атмосферы, приведенных в Таблице 1.
Для справки на графике также отображены потери в свободном пространстве
свыше 1 км

В Отчете МСЭ-R RA.2189 содержатся значения расстояний, за пределами которых сигнал, передаваемый на частотах 275–1000 ГГц, не превышает пороговые уровни помех для радиоастрономической службы, экстраполированные из Рекомендации МСЭ-R RA.769 и основанные на предполагаемых условиях, близких к наихудшим.

Атмосферное поглощение оказывает существенное влияние на наземные системы в ТГц-диапазоне частот, поэтому его следует учитывать при расчете потерь на трассе между передатчиком и приемником. По этой же причине астрономические обсерватории, в которых осуществляется наблюдение в данном диапазоне частот, как правило, расположены на высоких горных вершинах. Коэффициент поглощения базовой линии на частоте 275 ГГц и высоте 3000 м составляет около 1 дБ/км. На расстояниях свыше примерно 186 км атмосферное затухание превышает потери в свободном пространстве. На частоте 1000 ГГц коэффициент поглощения приблизительно равен 100 дБ/км, а атмосферное затухание на расстояниях более 1,6 км превышает потери в свободном пространстве; соответствующие величины на частоте 3000 ГГц составляют около 1000 дБ/км, а расстояние, на котором затухание превышает потери в свободном пространстве, равно примерно 150 м. Таким образом, на частотах свыше 1000 ГГц атмосферное поглощение, как правило, является более значимым фактором, чем геометрическое распространение (потери в свободном пространстве).

Малые размеры антенных лучей также способствуют снижению вероятности возникновения случайных помех. На частотах свыше 275 ГГц ширина луча антенны очень мала, даже в антеннах с небольшими зеркалами. Например, антенны диаметром 30 см (т. е. размером с большую обеденную тарелку) могут создавать луч размером лишь 0,28° на частоте 275 ГГц, если предположить, что 75% диаметра зеркала облучается системой возбуждения. Поскольку размер луча уменьшается при увеличении частоты, ширина лучей антенны на частотах более 275 ГГц станет еще меньше. Таким образом, для большинства действующих систем РЧ-мощность, генерируемая на данных частотах, невелика.

С точки зрения помех радиоастрономической службе, создаваемых активной системой в диапазоне частот 275–3000 ГГц, наземному сценарию, близкому к наихудшим условиям, будет соответствовать передатчик, развивающий максимально возможную РЧ-мощность при помощи относительно большой передающей антенны, направленной непосредственно на радиотелескоп. При этом как передатчик, так и телескоп работают на больших углах места. Для имитации данного сценария и определения расстояния, на котором наличие передатчика может препятствовать работе радиотелескопа, предполагается, что радиотелескоп и передатчик находятся на высоте 3000 м и что передатчик развивает мощность, которая уменьшается с 2,75 дБм на частоте 275 ГГц до 20 дБм на частоте 3000 ГГц, и что передающая антенна имеет диаметр 30 см и эффективную площадь облучения 75%. С учетом данных допущений после добавления атмосферного поглощения (см. Рисунок 5.2) можно рассчитать расстояние, на котором возникают помехи (как определено в Рекомендации МСЭ-R RA.769). Результаты отображены на Рисунке 5.3 для диапазона частот
275–1000 ГГц и на Рисунке 5.4 для диапазона частот 1000–3000 ГГц.

РИСУНОК 5.3

Расстояние, за пределами которого сигнал, передаваемый на частотах
в диапазоне 275–1000 ГГц, не превышает пороговый уровень помех
для радиоастрономической службы, экстраполированный из данных
Рекомендации МСЭ-R RA.769 и основанный на предполагаемых условиях,
близких к наихудшим

рисунок 5.4

Расстояние, за пределами которого сигнал, передаваемый на частотах
в диапазоне 1000–3000 ГГц, не превышает пороговый уровень помех
для радиоастрономической службы, экстраполированный из данных
Рекомендации МСЭ-R RA.769 и основанный на предполагаемых условиях,
близких к наихудшим

Вывод заключается в том, что для создания помех в диапазоне частот 1000–3000 ГГц наземный передатчик должен находиться в непосредственной близости к телескопу, если предположить наихудший сценарий работы как передатчика, так и телескопа, расположенных на высокой вершине горы в условиях сухой погоды. При малых углах места затухание намного больше, а расстояние, на котором возникают помехи, становится еще меньше. Однако радиотелескопы, работающие в этом диапазоне частот, не размещаются в подобных зонах.

Размещенные на борту воздушного судна источники создают временные помехи радиотелескопам, так как самолеты перемещаются относительно радиотелескопов. Это справедливо главным образом для частот в диапазоне 1000–3000 ГГц, потому что очень высокое поглощение в атмосфере на наклонных трассах ограничивает вероятность помех. Они могут возникать только в тех случаях, когда самолет находится непосредственно над радиотелескопом, а антенна направлена прямо на земную поверхность. Поскольку самолет движется очень быстро относительно поверхности Земли, луч ТГц‑диапазона весьма узок, и длительность помехи будет невелика. Помехи от ТГц‑передатчика, работающего на борту высотного вертолета, зависшего непосредственно над радиотелескопом, могут, предположительно, превысить пороговый уровень вредных помех, экстраполированный на основе данных Рекомендации МСЭ-R RA.769. Такая ситуация может сложиться при отсутствии предварительной координации и, в лучшем случае, маловероятна. Таким образом, помехи на борту воздушного судна, препятствующие работе радиоастрономической обсерватории, также маловероятны. Вероятность помех радиотелескопу в результате работы негеостационарных спутников крайне мала в связи с небольшим размером лучей, быстрым перемещением и потерями в свободном пространстве.

Следовательно, можно заключить, что до тех пор, пока практические ограничения на генерацию РЧ‑мощности резко не изменятся, совместное использование частот радиоастрономической службой и активными службами в диапазоне 275–3000 ГГц не будет представлять проблем.