K-діапазон — це ділянка мікрохвильового радіочастотного спектра, яку в радіолокаційній та мікрохвильовій техніці за класифікацією IEEE визначають приблизно як 18–27 ГГц. Йому відповідають довжини хвиль приблизно 16,7–11,1 мм. K-діапазон розташований між Ku-діапазоном і Ka-діапазоном та має особливе значення через сильну лінію поглинання водяної пари поблизу 22,235–22,24 ГГц.

Позначення K походить від німецького слова Kurz («короткий»). Система літерних позначень радіолокаційних діапазонів була формалізована IEEE, а актуальний стандарт IEEE 521-2026 є чинною редакцією стандарту позначень діапазонів радарних частот; він замінив IEEE 521-2019.

Частотні межі

У класифікації IEEE:

K-band = 18–27 GHz

У герцах:

K-band = 18 000 000 000–27 000 000 000 Hz

Це відповідає приблизним довжинам хвиль:

λ = c / f

де:

λ — довжина хвилі, м
c — швидкість світла у вакуумі, 299 792 458 м/с
f — частота, Гц

Для нижньої межі:

λ = 299 792 458 / 18 000 000 000
λ ≈ 0,01666 м
λ ≈ 16,66 мм

Для верхньої межі:

λ = 299 792 458 / 27 000 000 000
λ ≈ 0,01110 м
λ ≈ 11,10 мм

Отже:

K-band ≈ 11,1–16,7 мм

IEEE визначає K як 18–27 ГГц, Ku як 12–18 ГГц, а Ka як 26,5–40 ГГц. Через часткове перекриття номінальних меж K та Ka конкретне застосування частот завжди необхідно розглядати з урахуванням відповідного стандарту або регуляторного документа.

Місце K-діапазону в мікрохвильовому спектрі

У системі IEEE основні радіолокаційні діапазони розташовані приблизно так:

Діапазон Частоти
L 1–2 ГГц
S 2–4 ГГц
C 4–8 ГГц
X 8–12 ГГц
Ku 12–18 ГГц
K 18–27 ГГц
Ka 26,5–40 ГГц
V 40–75 ГГц
W 75–110 ГГц

IEEE зазначає, що ці літерні позначення призначені насамперед для зручного позначення радарних частотних діапазонів.

Чому K-діапазон історично розділяється на Ku та Ka

Особливість K-діапазону полягає в наявності поблизу 22 ГГц сильної лінії молекулярного поглинання водяної пари.

Саме ця особливість значною мірою пояснює появу позначень:

Ku = K-under
Ka = K-above

тобто умовно «нижче K» та «вище K».

Між ними знаходиться область сильного атмосферного поглинання, пов’язана з водяною парою. IEEE прямо пов’язує поділ K-діапазону на Ku та Ka з цією особливістю поширення радіохвиль.

Лінія поглинання водяної пари 22,235 ГГц

Однією з найважливіших фізичних властивостей K-діапазону є резонансна лінія водяної пари поблизу:

f ≈ 22,235 GHz

NASA/JPL наводить 22,235 ГГц як лінію поглинання водяної пари. У зв’язку з цим атмосферні втрати на цій частоті істотно залежать від кількості водяної пари на трасі поширення.

Довжина хвилі на 22,235 ГГц становить приблизно:

λ = 299 792 458 / 22 235 000 000
λ ≈ 0,01349 м
λ ≈ 13,49 мм

Тобто характерна довжина хвилі поблизу лінії водяної пари — приблизно 13,5 мм.

Атмосферне поглинання

Атмосферне поглинання є одним із головних факторів, що визначають властивості K-діапазону.

Механізми втрат включають:

  • молекулярне поглинання водяною парою;
  • поглинання киснем;
  • поглинання та розсіювання на краплях дощу;
  • взаємодію зі снігом;
  • взаємодію з льодом;
  • розсіювання на інших гідрометеорах.

NASA/JPL зазначає, що основними газовими механізмами в цьому діапазоні є молекулярне поглинання киснем і водяною парою, причому поглинання водяною парою істотно залежить від погодних та сезонних умов.

Водяна пара як причина особливого статусу K-діапазону

Водяна пара має дискретні спектральні лінії поглинання. На частоті близько 22,235 ГГц така лінія є достатньо сильною, щоб її можна було використовувати не тільки як джерело втрат, а й як корисний фізичний сигнал.

Тому K-діапазон має унікальну властивість:

водяна пара
→ поглинання K-band сигналу
→ вимірюване послаблення/випромінювання
→ інформація про атмосферну вологість

Це лежить в основі роботи 22-ГГц мікрохвильових радіометрів.

Мікрохвильова радіометрія на 22 ГГц

Радіометр — це пасивний прилад, який вимірює власне мікрохвильове випромінювання атмосфери.

Область близько 22 ГГц особливо придатна для оцінювання водяної пари.

NASA повідомляє про застосування 22-ГГц мікрохвильових радіометрів для вимірювання водяної пари в атмосфері. Порівняльні дослідження таких приладів проводилися для наземних систем, а також для досліджень стратосфери й мезосфери.

Радіолокаційне використання

K-діапазон може застосовуватися для радіолокації, особливо там, де потрібні:

  • компактна антена;
  • вузький промінь;
  • висока кутова роздільна здатність;
  • порівняно висока частота повторення доплерівських вимірювань;
  • робота з відносно малими цілями;
  • компактні радарні модулі.

Водночас дальність K-band радара може сильно залежати від атмосферних умов, особливо поблизу 22 ГГц і під час опадів.

Основне рівняння радіолокації

Для спрощеного моностатичного радара класичне рівняння має вигляд:

Pr = Pt G^2 λ^2 σ / ((4π)^3 R^4 L)

де:

Pr — потужність сигналу на вході приймача
Pt — потужність передавача
G — коефіцієнт підсилення антени
λ — довжина хвилі
σ — ефективна площа розсіювання цілі (ЕПР)
R — дальність до цілі
L — сумарні системні втрати

Для реального K-band радара до моделі необхідно додатково враховувати атмосферне загасання:

Pr(real) = Pr(ideal) / Latm

де Latm — коефіцієнт атмосферних втрат у лінійному масштабі.

У децибелах втрати можна записувати як:

L_dB = 10 log10(Pin / Pout)

Вплив довжини хвилі на антену

Коротка довжина хвилі K-діапазону дозволяє отримувати вузькі діаграми спрямованості за порівняно невеликого фізичного розміру антени.

Для апертурної антени характерна залежність:

θ ≈ k λ / D

де:

θ — характерна кутова ширина променя
λ — довжина хвилі
D — розмір апертури
k — коефіцієнт, залежний від геометрії антени та критерію ширини променя

Чим менша довжина хвилі, тим менший кутовий розмір променя при однаковому D.

Антени K-діапазону

У K-діапазоні використовуються:

  • параболічні антени;
  • рупорні антени;
  • патч-антени;
  • мікросмужкові антени;
  • фазовані антенні решітки;
  • інтегровані антенні решітки;
  • хвилеводні антени;
  • антени на основі MMIC-технологій.

На частотах порядку 20–27 ГГц фізичні розміри антени можуть бути значно меншими, ніж у системах L-, S- або X-діапазонів для аналогічної електричної апертури.

Доплерівський ефект

K-діапазон придатний для доплерівського вимірювання швидкості.

Для моностатичного радара:

fd = 2v / λ

Звідси:

v = fd λ / 2

де:

fd — доплерівський зсув частоти
v — радіальна швидкість цілі
λ — довжина хвилі

На частоті 24 ГГц:

λ ≈ 12,49 мм

Для цілі зі швидкістю 1 м/с:

fd = 2 × 1 / 0,01249
fd ≈ 160 Hz

Таким чином, навіть невелика радіальна швидкість створює вимірюваний доплерівський зсув.

K-діапазон і автомобільні радари

Одним із найвідоміших цивільних застосувань K-діапазону стали автомобільні радари приблизно 24 ГГц.

Такі системи використовувалися для:

  • виявлення перешкод;
  • попередження зіткнення;
  • контролю дистанції;
  • моніторингу сліпих зон;
  • допомоги під час зміни смуги;
  • паркування;
  • контролю руху поблизу автомобіля.

ITU описує історичне використання автомобільних радарів у 24-ГГц діапазоні та зазначає, що технологічний розвиток згодом сприяв переходу до 77–81 ГГц для високороздільних автомобільних радарів.

24-ГГц автомобільний радар

24 ГГц займає особливе місце, оскільки це частота, яка довгий час використовувалася для короткодіючих автомобільних радарів.

ITU наводить, зокрема, 24,05–24,25 ГГц як ISM-смугу, яка відіграла важливу роль у недорогих автомобільних радарних системах. (ITU)

Такі радари мали перевагу компактності та відносно низької вартості.

Однак для високої роздільної здатності 24 ГГц поступово поступився системам 77–81 ГГц.

Чому автомобільні радари перейшли до 77–81 ГГц

Вища частота дозволяє отримати:

  • більшу абсолютну доступну смугу;
  • кращу дальнісну роздільну здатність;
  • компактніші антени;
  • вузькіші промені;
  • кращу кутову роздільну здатність;
  • можливість розрізняти більше об’єктів.

ITU зазначає, що 77–81 ГГц було гармонізовано для автомобільних радарів, а 24 ГГц розглядалася як попередня технологічна платформа. (ITU)

Дальністьова роздільна здатність

Для радара з шириною смуги B і відповідним широкосмуговим сигналом приблизна дальнісна роздільна здатність:

ΔR = c / (2B)

Наприклад, для смуги 250 МГц:

ΔR = 299 792 458 / (2 × 250 000 000)
ΔR ≈ 0,60 м

Для смуги 1 ГГц:

ΔR ≈ 0,15 м

Отже, сама центральна частота K-діапазону не визначає дальнісну роздільну здатність. Вирішальне значення має смуга сигналу.

FMCW-радари

Сучасні компактні K-band радари можуть використовувати FMCW — частотно-модульовану безперервну хвилю.

У спрощеному випадку переданий сигнал змінює частоту за лінійним законом:

f(t) = f0 + S t

де:

f0 — початкова частота
S — швидкість зміни частоти
t — час

Для відбитого сигналу різниця частот між переданим та прийнятим сигналами пов’язана з дальністю.

Для нерухомої цілі:

fb = 2 S R / c

звідси:

R = c fb / (2S)

Для рухомої цілі одночасно виникає доплерівська складова, тому реальні FMCW-алгоритми розділяють внески дальності та швидкості.

Переваги K-діапазону для FMCW

K-діапазон добре підходить для компактних FMCW-систем завдяки:

  • короткій довжині хвилі;
  • доступності інтегрованих RF-компонентів;
  • можливості компактних антен;
  • хорошій чутливості до руху;
  • можливості використання широкої смуги.

Саме такі властивості зробили 24-ГГц радари привабливими для масових короткодіючих сенсорів.

Атмосферна дальність

На практичну дальність K-band радара впливають:

Rmax = f(Pt, G, σ, λ, L, SNR, атмосферні втрати)

Особливо важливе атмосферне загасання:

Atotal = Agas + Arain + Asnow + Acloud

де:

Agas — поглинання атмосферними газами
Arain — загасання дощем
Asnow — загасання снігом
Acloud — загасання хмарами

Для систем поблизу 22 ГГц Agas може бути істотно більшим через водяну пару.

Вплив дощу

Дощ впливає на K-band сигнал двома основними способами:

поглинання + розсіювання

Краплі води взаємодіють з електромагнітним полем і відбирають частину енергії хвилі.

NASA/JPL зазначає, що зростання частоти супроводжується посиленням загасання через дощ та інші гідрометеори, а величина втрат залежить, зокрема, від інтенсивності опадів.

Загасання дощем

У спрощеному вигляді:

A = γR

де:

A — загасання, дБ
γ — питомий коефіцієнт загасання, дБ/км
R — довжина траси, км

У реальній моделі:

γ = k Rrain^α

де:

γ — питомий коефіцієнт загасання
Rrain — інтенсивність дощу, мм/год
k, α — емпіричні коефіцієнти, що залежать від частоти, поляризації та моделі

Саме тому одна й та сама K-band система може мати різні характеристики за сухої та вологої погоди.

Водяна пара як корисний сигнал

Поглинання на 22,235 ГГц не тільки обмежує радіозв’язок.

Його можна використовувати для вимірювання кількості водяної пари.

NASA описує тричастотні радіолокаційні методи, у яких центральна частота становить близько 22,235 ГГц, а сусідні частоти використовуються для відокремлення впливу водяної пари від впливу опадів.

Таким чином, одна з головних «слабкостей» K-діапазону одночасно стає його перевагою для атмосферної науки.

Радіометрична температура

Для радіометрії важливою величиною є яскравісна температура.

Спрощено її можна представити як:

TB = Tatm + Tc / Latm

де:

TB — яскравісна температура
Tatm — внесок атмосфери
Tc — температура космічного фонового випромінювання
Latm — коефіцієнт атмосферного загасання

NASA/JPL використовує таке представлення в аналізі атмосферного загасання K-band сигналів.

K-діапазон у метеорології

K-band може застосовуватися для:

  • вимірювання водяної пари;
  • радіометрії атмосфери;
  • дослідження опадів;
  • короткодіючої метеорологічної радіолокації;
  • профілювання атмосфери;
  • дослідження хмар;
  • оцінювання інтегрованого вмісту водяної пари.

Особливо важливим є район 22 ГГц.

Вимірювання водяної пари

Вміст водяної пари можна оцінювати через залежність атмосферного поглинання від концентрації молекул H₂O.

У концептуальному вигляді:

Awater ∝ ∫ ρv(s) κ(f,T,p) ds

де:

Awater — загальне поглинання водяною парою
ρv — густина водяної пари
κ — коефіцієнт поглинання
f — частота
T — температура
p — тиск
s — координата вздовж траси

Точні розрахунки потребують спектроскопічної моделі атмосфери.

K-band супутниковий зв’язок

K-діапазон також використовують у супутникових і космічних системах зв’язку.

NASA/JPL досліджувала, зокрема, ділянку 22,55–23,15 ГГц для високошвидкісного зв’язку в місячних комунікаційних системах. У дослідженні зазначено, що ця смуга розташована поруч із максимумом поглинання водяної пари, тому атмосферне загасання необхідно спеціально враховувати в бюджеті лінії.

Космічний зв’язок

Для космічного апарата, який передає сигнал до наземної станції, частина траси проходить через атмосферу.

Якщо робоча частота близька до 22 ГГц, атмосферне загасання залежатиме від:

  • кута піднесення;
  • вологості;
  • кількості водяної пари;
  • дощу;
  • висоти траси;
  • географічного розташування станції.

Тому для супутникового зв’язку частоту вибирають з урахуванням не лише доступної смуги, а й статистики атмосферних втрат.

Бюджет радіолінії

Для оцінювання радіолінії використовується рівняння бюджету:

Pr = Pt + Gt + Gr - Lfs - Latm - Lother

У цій формі всі величини подані в децибелах:

Pr — прийнята потужність, dBm
Pt — потужність передавача, dBm
Gt — підсилення передавальної антени, dBi
Gr — підсилення приймальної антени, dBi
Lfs — втрати у вільному просторі, dB
Latm — атмосферні втрати, dB
Lother — інші втрати, dB

Втрати у вільному просторі:

Lfs = 20 log10(4πR / λ)

або практично:

Lfs(dB) = 92.45 + 20 log10(f_GHz) + 20 log10(R_km)

Для K-band атмосферна складова може бути суттєвою, особливо біля 22,235 ГГц.

Вільнопросторові втрати

При збільшенні частоти за однакової дальності втрати у вільному просторі збільшуються:

Lfs ∝ 20 log10(f)

Наприклад, перехід від 10 до 20 ГГц додає:

ΔLfs = 20 log10(20 / 10)
ΔLfs ≈ 6,02 dB

Однак у радарі цей ефект не можна розглядати окремо від антени, оскільки для заданої фізичної апертури підвищення частоти дозволяє отримати більший коефіцієнт підсилення.

Коефіцієнт підсилення антени

Для апертурної антени приблизно:

G ≈ η (πD / λ)^2

де:

G — коефіцієнт підсилення
η — коефіцієнт ефективності апертури
D — діаметр апертури
λ — довжина хвилі

Отже, за однакового фізичного діаметра антени:

G ∝ 1 / λ²

Саме тому підвищення частоти може суттєво збільшити підсилення антени.

Ширина променя

Для параболічної антени приблизно:

θ_3dB ≈ 70 λ / D

якщо θ виражено в градусах і використовується відповідна апроксимація для типового параболічного відбивача.

Наприклад, при:

f = 24 GHz
λ ≈ 12,49 mm
D = 0,10 m

одержуємо порядок величини:

θ_3dB ≈ 70 × 0,01249 / 0,10
θ_3dB ≈ 8,7°

Реальне значення залежить від конструкції та ефективності антени.

Поляризація

K-band радари можуть працювати з:

  • горизонтальною поляризацією;
  • вертикальною поляризацією;
  • круговою поляризацією;
  • подвійною поляризацією;
  • ортогональними каналами.

Вибір поляризації залежить від призначення.

Для метеорологічних систем поляриметрія може надавати додаткову інформацію про частинки опадів.

ЕПР цілі

Ефективна площа розсіювання, або ЕПР:

σ

характеризує ефективність, з якою ціль розсіює радіохвилю назад до радара.

Вона не обов’язково дорівнює геометричній площі об’єкта.

ЕПР залежить від:

  • форми;
  • розміру;
  • матеріалу;
  • частоти;
  • кута опромінення;
  • поляризації;
  • режиму розсіювання.

Тому твердження про те, що K-band «бачить» певний об’єкт на конкретній дальності лише за його фізичними розмірами, було б некоректним.

Режими розсіювання

У найпростішому випадку розглядають три характерні області:

розмір цілі << λ

— режим Релея;

розмір цілі ≈ λ

— резонансна область;

розмір цілі >> λ

— геометрично-оптична область.

Для K-band із λ приблизно 11–17 мм об’єкти міліметрового та сантиметрового масштабу можуть поводитися принципово по-різному залежно від співвідношення їхнього розміру з довжиною хвилі.

K-діапазон та розмір антен

Для однакової кутової ширини променя необхідний розмір антени приблизно пропорційний довжині хвилі:

D ∝ λ

Тому K-band антена може бути значно компактнішою за X-band антену з аналогічною електричною характеристикою.

Це особливо важливо для:

  • автомобільних сенсорів;
  • малих радарів;
  • безпілотних платформ;
  • компактних вимірювальних приладів;
  • портативних систем;
  • інтегрованих сенсорів.

MMIC-технології

K-band добре підходить для інтеграції радіочастотних компонентів у MMIC — монолітних мікрохвильових інтегральних схемах.

На одному чипі можуть інтегруватися:

  • генератори;
  • підсилювачі;
  • змішувачі;
  • фазообертачі;
  • перемикачі;
  • детектори;
  • частина системи керування антеною.

Це дозволяє зменшувати:

  • масу;
  • габарити;
  • кількість з’єднань;
  • вартість;
  • споживання енергії.

Напівпровідникові технології

Для K-band використовуються різні напівпровідникові технології:

  • SiGe;
  • CMOS;
  • GaAs;
  • GaN;
  • InP;
  • інші III–V напівпровідникові структури.

Вибір залежить від необхідної:

  • потужності;
  • шумової характеристики;
  • лінійності;
  • ефективності;
  • вартості;
  • інтеграції.

Передавачі

K-band передавач може містити:

генератор опорної частоти
→ синтезатор
→ помножувач/PLL
→ драйвер
→ підсилювач потужності
→ фільтр
→ антена

У сучасних інтегрованих радарах значна частина цієї структури може бути реалізована в одному або декількох MMIC.

Приймачі

Типовий приймальний тракт:

антена
→ фільтр
→ малошумовий підсилювач
→ змішувач
→ підсилювач ПЧ
→ АЦП
→ цифрова обробка

Важливим параметром є коефіцієнт шуму:

F = SNR_in / SNR_out

У децибелах:

NF = 10 log10(F)

Чим менший коефіцієнт шуму, тим краща чутливість приймача за інших однакових умов.

Тепловий шум

Потужність теплового шуму приблизно:

Pn = k T B

де:

Pn — шумова потужність
k — стала Больцмана
T — абсолютна температура
B — смуга пропускання

У децибел-міліватах:

Pn(dBm) ≈ -174 + 10 log10(B_Hz) + NF

де NF — коефіцієнт шуму приймача в дБ.

Чутливість радара

Здатність радара виявляти слабкі сигнали залежить від:

  • шумової температури;
  • смуги;
  • часу накопичення;
  • коефіцієнта підсилення антени;
  • потужності передавача;
  • алгоритму обробки;
  • необхідного SNR;
  • атмосферних втрат.

Тому центральна частота 24 ГГц сама по собі не визначає дальність виявлення.

K-band та короткодіючі радари

K-band особливо придатний для коротких і середніх дистанцій, коли атмосферні втрати не встигають стати домінуючими.

Типові сфери:

  • автомобільні сенсори;
  • промислові датчики;
  • вимірювання швидкості;
  • виявлення руху;
  • короткодіючі радари;
  • експериментальні метеорологічні системи.

Промислові вимірювання

Мікрохвильові радари K-band можуть використовуватися для безконтактного вимірювання:

  • швидкості;
  • переміщення;
  • відстані;
  • рівня;
  • наявності об’єкта;
  • вібрацій.

Доплерівський принцип особливо корисний для вимірювання швидкості.

Вимірювання вібрацій

Якщо поверхня коливається вздовж напрямку променя:

x(t) = A sin(2πft)

то зміна фази прийнятого сигналу приблизно:

φ(t) = 4πx(t) / λ

Звідси:

x(t) = φ(t) λ / (4π)

Це дозволяє радарним системам дуже точно вимірювати малі механічні переміщення.

Радари швидкості

K-band радар може визначати швидкість за доплерівським зсувом.

Для моностатичної системи:

v = fd λ / 2

Приблизно на 24 ГГц:

λ ≈ 0,0125 м

Тому:

1 m/s → fd ≈ 160 Hz
10 m/s → fd ≈ 1,60 kHz
30 m/s → fd ≈ 4,80 kHz

Ці величини наведені як ідеалізований приклад; реальні радари використовують конкретну схему модуляції, обробки та оцінювання доплерівського спектра.

K-band і безпека дорожнього руху

24-ГГц автомобільні радари історично використовувалися в системах:

  • контролю дистанції;
  • попередження зіткнення;
  • виявлення об’єктів;
  • контролю сліпих зон;
  • допомоги під час паркування.

ITU документує історичне застосування 24-ГГц короткодіючих автомобільних радарів та їхній подальший перехід до 77–81 ГГц для високороздільних систем.

24 ГГц та 79 ГГц

Ці два класи автомобільних радарів часто порівнюють:

Параметр 24 ГГц 77–81 ГГц
Діапазон IEEE K W
Довжина хвилі ≈12,5 мм ≈3,8–3,7 мм
Компактність антени висока дуже висока
Потенційна смуга менша значно більша
Кутова роздільна здатність добра дуже висока
Розділення близьких об’єктів обмеженіше краще
Історичне застосування масові SRR сучасні high-resolution automotive radar

ITU вказує, що 77–81 ГГц було гармонізовано для автомобільних радарів і стало основною платформою високої роздільної здатності.

Чим K-діапазон відрізняється від Ka-діапазону

K і Ka розташовані поруч, але мають різні позначення:

K  = 18–27 GHz
Ka = 26,5–40 GHz

Через перекриття номінальних меж у різних джерелах можливі різні способи опису окремих частот.

Практично важливим є те, що Ka лежить вище K і загалом має:

  • коротшу довжину хвилі;
  • потенційно вищу кутову роздільну здатність;
  • більшу чутливість до опадів;
  • більшу атмосферну залежність.

Чим K відрізняється від Ku

Ku:

12–18 GHz

K:

18–27 GHz

K має вищу частоту та коротшу довжину хвилі.

Тому за однакового розміру антени K може забезпечити вищий коефіцієнт підсилення та вужчий промінь.

Водночас атмосферні втрати, особливо в районі 22 ГГц, стають важливішими.

Чим K відрізняється від X

X-band:

8–12 GHz

K-band:

18–27 GHz

При однаковій фізичній антені K-band забезпечує значно більшу електричну апертуру.

Однак X-band зазвичай краще переносить несприятливі атмосферні умови на великих дальностях.

Саме тому різні частотні діапазони використовують для різних типів радарних завдань.

Переваги K-діапазону

До головних переваг належать:

  • компактні антени;
  • вузькі промені;
  • хороша кутова роздільна здатність;
  • висока чутливість до руху;
  • придатність для доплерівських систем;
  • можливість реалізації компактних MMIC;
  • придатність для FMCW;
  • можливість широкосмугової роботи;
  • можливість вимірювання малих переміщень;
  • корисність для 22-ГГц радіометрії;
  • придатність для короткодіючих радарів.

Недоліки K-діапазону

До основних недоліків належать:

  • сильне поглинання водяною парою поблизу 22,235 ГГц;
  • значні втрати під час дощу;
  • залежність дальності від вологості;
  • підвищені вимоги до RF-компонентів;
  • більші вільнопросторові втрати порівняно з нижчими частотами;
  • вимоги до точності антен;
  • чутливість до паразитних ефектів у схемах;
  • складніша технологія порівняно з нижчими мікрохвильовими діапазонами.

Переваги та недоліки в стислому вигляді

ПЕРЕВАГИ

коротка довжина хвилі
↓
компактна антена
↓
високе підсилення
↓
вузький промінь
↓
хороша кутова роздільна здатність
↓
висока чутливість до доплерівського руху

одночасно:

НЕДОЛІКИ

вища частота
↓
більші атмосферні втрати
↓
сильний вплив водяної пари
↓
загасання під час дощу
↓
обмеження дальності

Спектральна регуляція

Позначення K-band не означає, що вся смуга 18–27 ГГц є вільною для довільного використання.

Реальний розподіл частот між:

  • радіолокацією;
  • радіонавігацією;
  • супутниковим зв’язком;
  • науковими службами;
  • радіоастрономією;
  • промисловими, науковими та медичними пристроями

визначається національними та міжнародними правилами.

ITU координує міжнародне використання радіочастотного спектра через Radio Regulations та відповідні рекомендації. IEEE-діапазони є передусім системою технічної термінології й не замінюють нормативного розподілу спектра.

ISM-смуга 24 ГГц

Окреме значення має вузька ISM-смуга:

24,05–24,25 GHz

ITU зазначає, що ця смуга відіграла важливу роль, зокрема, в автомобільних радарах, оскільки має глобально гармонізований статус ISM у відповідному регуляторному контексті.

Однак це не означає, що весь K-band є ISM-смугою.

K-діапазон і радіоастрономія

Деякі частоти K-діапазону становлять інтерес для пасивних наукових спостережень.

Особливо чутливою є область навколо 22 ГГц через молекулярну лінію водяної пари.

Тому активні передавачі поблизу відповідних частот можуть створювати проблему електромагнітних завад для чутливих пасивних систем.

ITU документи щодо 24-ГГц автомобільних радарів, наприклад, розглядали питання сумісності таких систем із пасивними службами та іншими користувачами спектра.

Радіометрія та активна радіолокація

Необхідно розрізняти:

активний радар:

передавач → ціль → відбиття → приймач

і

пасивний радіометр:

атмосфера/поверхня → власне мікрохвильове випромінювання → приймач

22-ГГц область використовується в обох типах систем, але з різними фізичними принципами.

K-band у дистанційному зондуванні

Дистанційне зондування за допомогою K-band може використовуватися для:

  • атмосферної вологості;
  • опадів;
  • хмар;
  • поверхневих властивостей;
  • швидкості руху;
  • відстані;
  • структури об’єктів.

Особливість K-band полягає в компромісі між досить малою довжиною хвилі та ще відносно керованим атмосферним загасанням порівняно з вищими міліметровими діапазонами.

K-band у вимірюванні вологості

Для радіометрів біля 22 ГГц вимірюється спектральна яскравісна температура.

Залежність можна концептуально записати:

TB = f(T, p, ρv, f)

де:

TB — яскравісна температура
T — температура атмосфери
p — тиск
ρv — густина водяної пари
f — частота

Для практичного відновлення профілю водяної пари необхідна додаткова інформація про температуру та атмосферний стан.

NASA описує багаторічні дослідження 22-ГГц радіометрів для вимірювання водяної пари.

K-band та мікрохвильова спектроскопія

Молекули мають квантовані енергетичні рівні.

Поглинання електромагнітного випромінювання відбувається на специфічних частотах:

ΔE = h f

де:

ΔE — різниця енергій між квантовими станами
h — стала Планка
f — частота

Лінія близько 22,235 ГГц пов’язана з молекулярними переходами водяної пари.

Вплив температури і тиску

Реальна форма спектральної лінії не є нескінченно вузькою.

На неї впливають:

  • температура;
  • тиск;
  • зіткнення молекул;
  • розширення спектральної лінії;
  • концентрація водяної пари.

Тому атмосферне поглинання навколо 22 ГГц залежить не тільки від абсолютної вологості, а від повного стану атмосфери.

K-band і хмарність

Хмари також можуть впливати на поширення K-band сигналу.

Вода в хмарі може спричиняти:

  • поглинання;
  • розсіювання;
  • зміну яскравісної температури.

Однак зазвичай найсильніший вплив на K-band трасу створюють водяна пара та інтенсивні опади.

K-band та сніг

Сніг має складніші електромагнітні властивості, ніж вода.

Його вплив залежить від:

  • розміру кристалів;
  • форми;
  • щільності;
  • вологості;
  • температури;
  • ступеня агрегації.

Тому для точного моделювання снігового загасання необхідні мікрофізичні моделі.

Поляризаційні властивості

Розсіювання залежить від поляризації.

У разі несферичних частинок можуть відрізнятися характеристики:

HH
HV
VH
VV

де:

H — горизонтальна поляризація
V — вертикальна поляризація

Це дає можливість отримувати додаткову інформацію про геометрію та орієнтацію цілей.

Роздільна здатність за дальністю та кутом

У радарі необхідно розрізняти:

дальністьова роздільна здатність:
ΔR ≈ c / (2B)

та:

кутова роздільна здатність:
Δθ ≈ λ / D

Отже:

висока частота → менша λ → потенційно краща кутова роздільна здатність

але:

велика смуга B → краща дальнісна роздільна здатність

Ці два параметри не є тотожними.

K-band у фазованих антенних решітках

Мала довжина хвилі дозволяє розміщувати в одному фізичному просторі багато антенних елементів.

Для запобігання появі значних grating lobes типовою вимогою для рівномірної лінійної решітки є порядок:

d ≤ λ / 2

де:

d — відстань між елементами
λ — довжина хвилі

На 24 ГГц:

λ ≈ 12,5 мм

тому половина довжини хвилі:

λ / 2 ≈ 6,25 мм

Це дає змогу створювати компактні фазовані решітки, хоча водночас підвищує вимоги до точності виготовлення.

Електронне керування променем

Фазована решітка може змінювати напрямок променя за рахунок керування фазами окремих елементів.

Для лінійної решітки фазовий зсув між сусідніми елементами можна подати як:

Δφ = -2π d sin(θ) / λ

де:

Δφ — різниця фаз
d — відстань між елементами
θ — напрямок променя
λ — довжина хвилі

Цей принцип лежить в основі електронного сканування.

Інтегровані K-band радари

Сучасні інтегровані радарні мікросхеми можуть об’єднувати:

TX
RX
PLL
VCO
ADC
DSP/інтерфейс

або значну частину цих функцій.

Це дозволяє створювати радарні модулі, які мають дуже малий фізичний розмір порівняно з класичними радіолокаційними системами.

Вимоги до монтажу

На K-band навіть невелика довжина електричних з’єднань може бути значною частиною довжини хвилі.

Наприклад:

λ ≈ 12,5 мм

Тому відрізок:

1 мм

вже становить приблизно:

1 / 12,5 = 0,08 λ

тобто близько 8 % довжини хвилі.

Це пояснює, чому на K-band геометрія друкованої плати, корпусу, переходів і роз’ємів стає електромагнітно важливою.

Паразитні ефекти

На високих частотах навіть невеликі паразитні параметри стають значущими.

Елементарна реактивність:

XL = 2πfL

для індуктивності та:

XC = 1 / (2πfC)

для ємності.

При збільшенні f індуктивна реактивність зростає, а ємнісна зменшується.

Тому паразитна індуктивність виводу або паразитна ємність монтажної площадки можуть істотно змінити характеристику K-band схеми.

Матеріали та друковані плати

Для K-band застосовуються спеціальні RF-матеріали з контрольованими:

  • діелектричною проникністю;
  • тангенсом діелектричних втрат;
  • товщиною;
  • стабільністю параметрів;
  • температурним коефіцієнтом.

Звичайна цифрова друкована плата може бути непридатною для високоефективної K-band RF-частини без відповідної електромагнітної оптимізації.

Хвилеводи

K-band також добре підходить для хвилеводних систем.

Хвилевід дозволяє передавати мікрохвильову енергію з відносно низькими втратами.

Його геометричні розміри залежать від довжини хвилі, тому K-band хвилеводи значно компактніші за хвилеводи нижчих частот.

Втрати в тракті

Загальні втрати радіочастотного тракту можна представити як:

Ltotal = Lconnector + Lfeed + Lfilter + Lswitch + Lmixer + Lother

Для K-band ці втрати можуть бути суттєвими.

Саме тому в сучасних системах намагаються:

  • мінімізувати довжину RF-тракту;
  • інтегрувати компоненти;
  • розміщувати LNA біля антени;
  • використовувати низьковтратні матеріали;
  • оптимізувати переходи між хвилеводом і планарною лінією.

Відмінність між K-band та «24 ГГц»

Ці терміни не є синонімами:

K-band = широкий діапазон приблизно 18–27 GHz

тоді як:

24 GHz = конкретна частота/область частот

Тому правильне твердження:

24 GHz знаходиться в K-band

але:

K-band ≠ 24 GHz

Відмінність між K-band і Ka-band

Так само:

K ≠ Ka

K приблизно:

18–27 GHz

Ka приблизно:

26,5–40 GHz

У зоні 26,5–27 ГГц класифікації можуть перекриватися залежно від застосованого документа, тому в технічних документах необхідно перевіряти конкретний стандарт.

Типові частоти K-діапазону

До частот, що часто згадуються в практичному контексті, належать:

18 GHz
19 GHz
20 GHz
21 GHz
22 GHz
22,235 GHz
23 GHz
24 GHz
24,05–24,25 GHz
25 GHz
26 GHz
27 GHz

Однак конкретна дозволена смуга залежить від застосування та регуляторної юрисдикції.

Основні сфери застосування

K-діапазон застосовується або досліджується для:

  • автомобільних радарів;
  • короткодіючих радарів;
  • радарів швидкості;
  • сенсорів руху;
  • промислових датчиків;
  • радарного вимірювання відстані;
  • радарного вимірювання вібрацій;
  • мікрохвильової радіометрії;
  • вимірювання водяної пари;
  • метеорології;
  • супутникового зв’язку;
  • космічного зв’язку;
  • дистанційного зондування;
  • експериментальних радіолокаційних систем.

Ключові числові параметри

Для швидкого довідкового використання:

K-band:
18–27 GHz

Довжина хвилі:
≈ 16,7–11,1 mm

24 GHz:
λ ≈ 12,49 mm

22,235 GHz:
λ ≈ 13,49 mm

27 GHz:
λ ≈ 11,10 mm

Основна атмосферна особливість:

H2O absorption line:
≈ 22,235 GHz

Історично важлива автомобільна ISM-смуга:

24,05–24,25 GHz

ITU документує її роль у розвитку 24-ГГц автомобільних радарів.

Порівняння K, Ku, Ka, V і W

Характеристика Ku K Ka V W
Частота, ГГц 12–18 18–27 26,5–40 40–75 75–110
Приблизна λ, мм 25–16,7 16,7–11,1 11,3–7,5 7,5–4,0 4,0–2,7
Розмір антени великий менший ще менший малий дуже малий
Атмосферні втрати помірні/значні значні вищі дуже високі дуже високі
Вплив водяної пари помірний особливо сильний біля 22 ГГц значний значний значний
Чутливість до малих об’єктів висока вища дуже висока дуже висока надзвичайно висока
Типові застосування супутники, радари 24-ГГц радари, радіометрія супутники, радари спеціалізовані системи міліметрові радари, хмари

Класифікація частотних діапазонів IEEE наведена в актуальних матеріалах IEEE Technology Navigator та стандарті IEEE 521.

K-діапазон — це мікрохвильовий діапазон приблизно 18–27 ГГц із довжиною хвилі близько 16,7–11,1 мм. Його ключова особливість — поєднання відносно короткої довжини хвилі з вираженим атмосферним поглинанням, особливо поблизу 22,235 ГГц, де розташована сильна спектральна лінія водяної пари.

Саме ця властивість одночасно створює обмеження та можливості. Для радіолокації та зв’язку водяна пара і дощ збільшують втрати й можуть скорочувати дальність. Для метеорології та атмосферної фізики те саме поглинання є джерелом інформації про вологість і стан атмосфери. NASA, зокрема, використовувала 22-ГГц системи для дослідження водяної пари.

Особливе практичне значення K-діапазон мав для 24-ГГц короткодіючих автомобільних радарів. Такі системи стали важливою технологією ранніх ADAS та сенсорів виявлення об’єктів, хоча для сучасних високороздільних автомобільних радарів значною мірою були витіснені системами 77–81 ГГц.

У технічному сенсі K-діапазон можна охарактеризувати як компроміс між компактністю та високою просторовою/доплерівською роздільною здатністю, властивими вищим частотам, і більш сприятливим поширенням, характерним для нижчих мікрохвильових діапазонів. Його головна фізична особливість — лінія водяної пари близько 22,235 ГГц — є одночасно головним обмеженням і однією з найцінніших можливостей цього діапазону.

Дещо інше: