你身边的隐形朋友

李会超

自宇宙诞生起，各种电磁场就充斥于星际空间。以我们生活的地球为例，雷雨天时，空气中局部电荷的累积可以产生电场;地球磁场能够使磁石指向南北方向;鸟类和鱼类进化出利用地球磁场辨别方向的能力;一些需要长途迁徙的动物更是具备感知地球磁场方向和强度的能力。

电磁波的旅行

电磁波是电场与磁场在空间中传播产生的一种“波”，它可以在空气和真空中传播。通过电场和磁场的交替变化，电磁波会像湖水中的涟漪一样，以光速在自由空间（即空气和真空）中向各个方向传播。

按照频率的不同，电磁波可以分为γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等，其中只有可见光波段可以被我们用肉眼观察到。提起可见光，我们首先会想到它是太阳释放出的光波，其实除了太阳，凡是温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体，都会释放出电磁波。科学家们认为，目前世界上还不存在温度低于绝对零度的物体，所以可以说世界上的任何物体，包括你我，时刻都在释放着电磁波。

电磁波的旅行不依靠电线，也不像声波那样必须借助空气传播。电磁波可以在空气和真空中上天入地、自由来去。只不过受距离和大气遮挡等因素的影响，电磁波在行进过程中会损失一定的能量。

电磁波的发现

人类对电磁现象的认识已有两千多年的历史，但长期以来，人们一直把电和磁看作两种独立的物理现象。直到19世纪上半叶，人们才开始认识到电和磁的内在联系。

1820年，丹麦哥本哈根大学物理学教授奥斯特发现：把小磁针放在通电导线附近，磁针会出现偏转现象。这说明通电导线周围存在着磁场。奥斯特的这一发现动摇了两千多年来人们关于电与磁的认识。

又过了十多年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象：当导线在磁场中做切割磁感线运动时，或者把一根磁铁插入由导线绕成的线圈中时，导线或线圈中就会有电流产生。奥斯特和法拉第的发现，说明了电与磁之间是可以相互转化的。后来，著名物理学家麦克斯韦在法拉第等人的研究基础上，创造性地提出了电磁场理论，并预言了电磁波的存在。爱因斯坦曾说：“麦克斯韦的电磁场理论，是继牛顿时代以来，对物理学最深刻的变革。”

1887年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在，同时掀起了人们利用电磁波的热潮。1890年，法国的布兰利发明了金属粉末检波器，这对后来的无线电通信起到了至关重要的作用。1895年到1901年之间，相隔千里的两位科学家马可尼和波波夫，在电磁波的应用方面有了重大突破。他们分别研发出利用电磁波进行无线电通信的技术。不过，马可尼的无线电专利技术在1915年遭到了物理学家特斯拉的挑战。特斯拉提出，自己在无线电应用技术方面的专利申请早于马可尼。几经周折，直到1943年6月21日，美国最高法院最终将无线电专利技术判给了特斯拉。

回顾历史，其实电磁波的发现与应用，很难准确地归功于一人。除了我们讲到的这些科学家，还有很多科学家直接或间接地促进了电磁学的发展。可以说，“电磁波”这个宝藏，正是一代又一代科学家不断探索得来的。

电磁波家族中的最长波——无线电波

我们前面说到，任何温度高于绝对零度的物体都会释放电磁波。而温度越高的物体，释放的电磁波波长越短。在所有的电磁波中，宇宙射线的波长最短，而无线电波的波长最长。从另一种物理研究的视角来看，电磁波所蕴含的能量是由一个个被称作“光子”的粒子携带的。从能量来看，波长越短，单个儿光子携带的能量越大，穿透力就越强。例如，可见光无法穿透我们的身体，所以医院就需要用波长比可见光短的X射线来透视我们的身体。比X射线波长短的γ射线，光子能量更强，能够穿透X射线无法穿透的金属。这种超强的穿透力對人体的伤害很大，所以医学上通常用γ射线进行重病的放射性治疗，即用γ射线破坏DNA，杀死恶性细胞等。

如今，人类已经可以对各种电磁波加以利用，但生活中使用最多的还是波长最长、对人体伤害最小的无线电波。

随着无线电通信的发明，人们对无线电应用的研究越发深入，并根据四种不同的传播方式，将无线电波分为：地波、天波、空间波、散射波。

地波

沿地面传播的无线电波叫作地波，又叫表面波。无线电波的波长越短，越容易被地面吸收，因此只有长波和中波能在地面传播。地波不受气候影响，传播比较稳定。长波信号利用地面传播方式，可被用来进行潜艇的全球通信。

天波

经空中电离层的反射或折射后，返回地面的无线电波叫作天波。由于短波太容易被地面吸收，所以短波会以天波的形式传播，即短波被电离层反射到地面后，地面又把它反射回电离层，然后电离层再将其反射回地面……经过多次反射，短波就被传播到了很远的地方。

空间波

从发射点经空间直线传播到接收点的无线电波叫作空间波，又叫直射波。超短波和微波主要靠这种方式传播。不过，这种传播方式的传播距离很短，易受高山和高大建筑物的阻挡。为了增加传输距离，必须架设高天线。

散射波

电离层除了可以“反射”短波外，还可以和比其低的对流层一起“散射”微波和超短波。这种方式能将无线电波传到很远的地方，但是信号一般很弱，所以散射通信需要大功率的发射机、高灵敏度的接收机，以及方向性很强的天线。

无线电波按波长被分成了不同的波段。同时，因无线电波含有高速振动的磁场，其振动速度（即波动频率）还形成了对应的频段。

为了纪念德国物理学家赫兹的贡献，人们将电磁波的波动频率单位命名为“Hz（赫兹）”。1Hz相当于电磁波在1秒内振动1次。

kHz、MHz、GHz又是什么意思呢？k即“千”，相当于1 000Hz（千赫兹）;M即“兆”，相当于1 000 000Hz（百万赫兹）;G即“吉”，相当于1 000 000 000 Hz（十亿赫兹）。

传播特性不一的各频段具体适用于哪些领域呢？从上图中我们便可窥其一二。日常生活中应用最多的频段主要集中在低频到超高频这个范围内。

造福人类的无线电技术

无线电波既然是“隐形”的，我们要如何利用它呢？一般来说，我们会通过控制无线电波振幅（振动幅度）和频率（振动频率）的变无线电波化方式来进行通信。具体来说就是，先将我们想要传递的信息通过改变无线电波振幅和频率的方式进行加载，然后将无线电波发送出去。而后接收无线电波的一方再从无线电波的变化中解读出它所承载的信息。这两个过程被称为“调制”和“解调”。

19世纪，特斯拉、马可尼、波波夫等人最早发明的无线电应用技术其实就是无线电报！今天，无线电报已经淡出我们的生活，但无线电技术在很多领域的应用至今造福着人类。

收音机

我们生活中最常见的无线电设备就是收音機。广播电台将播音员的声音或播出的音乐进行“调制”后，“装载”进无线电波中发射出去。另一边，听众使用收音机接收广播信号塔发射的无线电波，并从中“解调”出声音信号，放送出来。

我们常在广播节目中听到以FM 开头的频道号，FM 即调频广播，使用的是甚高频（英文缩写“VHF”），使用这一频率可以接收到国内所有的广播节目。对于无线电波来说，频率越高，波长就越短，发射电磁波所需的天线长度也就越短。我们看到收音机的天线并不长，但广播电台负责发射电磁波的发射天线都很长。甚高频的波长较短，只需不长的天线就能够实现双向的接收和发送，因此特别适用于通信领域。

航空无线电通信系统

与调频广播频段相似，航空通信需要在118MHz～136.975MHz 的频率范围内进行，所以飞机的无线电通信系统使用最多的也是甚高频。

我们在打电话时，会使用电话号码区分不同的用户。比如，你想给一位朋友打电话，只要拨对了电话号码，其他人就无法接到这通电话，也听不到你们的对话。航空通信的“电话号码”是频道，每个频道有特定的无线电频率。不过，和打电话一对一的模式不同，在航空通信中，飞行员只要把自己的无线电收发设备调到某个频道，就能参与这个频道内的对话。在实际的航空管制中，一般是一个席位的航空管制员在同一频道中指挥多架飞机。

无线电波的不同频段有不同的传播特性。甚高频信号的通信距离有限，因此维持甚高频通信需要在飞机飞行的航路上设置很多通信天线。然而，甚高频通信天线一般很难在人迹罕至的荒野或大洋上空设置，因此在这些区域飞行的飞机就不得不换用另一个频段——高频（英文缩写“HF”）来保持与航空管制员的联系。高频信号的频率范围在3MHz～30MHz 之间，也就是短波广播信号所在的频段。这个频段的无线电波通过电离层与地面的不断反射，能够传输很远的距离，不用担心飞机飞太远失去信号的问题。不过，这个频段的信号，也存在传输过程中受干扰和衰减严重的问题，经常出现很多杂音。如果机组人员一直监听无线电信号，就不得不承受杂音的困扰。

为了解决这个问题，高频通信一般会配合“选择呼叫系统”一同使用。在引入选择呼叫系统以后，无线电通信由“群发”转变为航空管制员与特定飞机的单线联系。当航空管制员想要联络某一架特定飞机时，会先发出选择呼叫的代码信号。所有在此频道内通信的飞机都会收到这个信号，当这个信号代码与某架飞机代码一致时，该架飞机的通信系统就会提醒飞行员及时应答。

航空无线电雷达系统

无线电还可以借助雷达为飞机提供周围环境的信息。雷达在工作时，会先发射一束无线电波，在接收到特定物体反射的无线电波后，通过分析无线电波从发出至收到反射波的时间差以及无线电波本身发生的一些变化，推算出周围环境情况。雷达使用的一般是超高频（英文缩写“SHF”）。

飞机在飞行过程中，需要时刻关注前方的天气变化，以便及时避开雷雨、强降雨、乱流等危险天气。对于飞机至关重要的气象信息就是由气象雷达提供的。这种雷达一般安装在飞机前部，能够根据无线电信号强度判断前方某个位置的水汽含量。水汽较高的区域，一般是有降雨形成的雨带，而水汽极高的区域，通常就是已经出现危险天气的地方。如果水滴被急速多变的乱流吹动时，反射回的无线电频率相对于发射信号还会发生一些偏离。利用这个特征，就可以检测到雨带附近的乱流情况。

通常，飞机在高空中飞行时，会通过测量所处位置的气压来确定高度。然而，这样测到的高度是相对于海平面的高度。如果飞机在高原、山地上空飞行，用这种方法测得的高度显然就不够准确了。为了测得飞机相对于地面的高度，飞机上还装备了测高雷达。这种雷达会向地面发射一束无线电波，通过计算无线电波返回的时间来确定飞机与地面之间的距离。

飞机用于通信和导航的无线电信号一旦遭到其他信号干扰，就会对飞行安全产生严重的威胁。目前，常见的干扰源一般来自广播信号。有些广播电台因设备老化，发射信号的频率会发生偏差，与航空无线电频率重合，就会造成干扰。而有些非法开设的地下电台，随意设置自身频率，也会导致干扰发生。对于这些干扰源，工作人员会定期在机场附近使用专业设备进行测量，并对干扰源采取相应措施。

航空无线电导航系统

导航是飞机另一个重要的无线电应用。现代导航台一般由VOR 方向信标和DME 测距仪组成，其中，VOR 方向信标像是一位嗓音洪亮的歌唱家，它转动着方向歌唱，而且向每个方向歌唱的旋律是不同的。飞机在“听”到导航台的“歌唱”后，通过旋律就能确定导航台的方向。

VOR 方向信标的“歌声”通过无线电波发出， 频率在108MHz～117.95MHz之间。不管白天黑夜、天气好坏，飞机都能获取导航台发出的信号。DME 测距仪是用来测量飞机和导航台之间距离的，它发射的测距信号被飞机接收后，飞机会给测距仪发射一个“回答”的信号，测距仪通过测量信号传输的时间间隔，可以确定飞机与导航台之间的距离，再将准确的距离发送给飞机。通常在飞机行进的道路上，每隔150 千米左右会有一个导航台。导航台发出的无线电波会在天空中划出一条明确的通道，这条空中通道就叫航路。

在飞行阶段，飞机只要根据导航台的位置沿航路飞行就可以了。在降落阶段，飞机会用到无线电仪表着陆系统，帮助飞机平稳降落。在能见度较差的天气中，这种着陆系统的作用更加显著。无线电仪表着陆系统由航向信标系统、下滑信标系统和指点信标系统组成。航向信标系统使用的无线电频率为108.10MHz～111.95MHz，下滑信标使用的频率为329.15MHz～335MHz，指点信标使用的频率一般固定为75MHz。在飞机即将降落时，航向信标引导飞机向跑道所指向的方向飞行，下滑信标会引导飞机安全地逐步降低高度，指点信标则给出飞机已经飞到距离着陆点特定距离的提示。

航天无线电系统

除了天上的飞机，太空中的航天器想要与地面保持联络，也需要依靠无线电波。在航天器飞行的过程中，地面控制人员需要通过无线电波向航天器发出指令、接收航天器传回的信息。此外，航天器所处的位置、飞行的速度与方向等，也需要通过无线电波来测定。卫星拍摄到的图像、测量到的数据、转发的通信信号、载人飞船舱内的图像、航天员与地面通信的语音等，也都需要无线电波来承载。

无线电波的频率要足够高才能穿透地球的电离层，所以航天器想要在宇宙空间中与地面保持通信，就需要选择频率足够高的无线电频段。以波段划分，在无线电波中，比短波更短的还有“微波”，而微波对应的頻率在300MHz～3kGHz 之间。按照IEEE（电气和电子工程师协会）的命名规则，微波还可以分为特高频（UHF 频段）、L 频段、S 频段、C 频段等。

早期的航天任务曾经混用多种频率的无线电波来承载不同类型的信息。例如，在美国早期的载人航天任务中，航天员和地面的语音通信信号要通过特高频和甚高频来收发，而载人飞船的地面跟踪雷达使用的则是C 频段（4GHz～8GHz）的无线电信号。由于不同频段的信号对发射接收装置的要求不同，因此混用多种频段会使飞船不得不安装多套功能相似的仪器，浪费了空间和载重量。因此，在后续的阿波罗计划中，美国国家航空航天局使用S频段（2GHz～4GHz）的无线电信号集合了以往分散在不同频段的功能，构成了“统一S频段”系统。统一S频段系统在之后的航天飞行中得到了广泛的应用，也影响了其他国家对于测控信号频段的选择。

我国航天测控网从20世纪90年代开始建设自己的统一S频段测控系统。在神舟飞船发射过程中，直播语音里出现的“USB雷达跟踪正常”，指的就是统一S频段测控系统跟踪正常。

于近地轨道通信，S频段可能是相对理想的选择，而对于“嫦娥”“天问”等深空任务来说，S频段频率较低，带宽受限。为了解决这些问题，频率更高的X频段被利用起来。在嫦娥二号任务中，我国首次进行了深空探测的X频段测控试验。到了嫦娥三号、嫦娥四号乃至天问一号任务时，X频段已成为测控和数据传输的首选。

工作在同步轨道上的通信卫星，早期主要使用C频段传输电视、广播信号。但接收C频段信号一般需要使用直径在1.8米以上的大型天线，信号的带宽也相对较低。为了满足地面终端小型化、灵活化的要求，近年来发射的通信卫星开始使用频率更高的Ku频段和Ka频段来传输信号。这样，仅在飞机或车辆上搭载小型天线就能完成信号收发工作，而且通信带宽得到进一步提升。频率最高的Ka频段，能实现千兆级网络传输速度，让空中高速上网成为现实。不过，频率越高，电磁波在穿过雨层时引起的衰减也就越严重。因此，当高频的Ka频段衰减严重时，C频段也会派上用场。

传统的特高频和甚高频虽然应用较少，但还未完全消失。比如，玉兔号月球车和嫦娥三号之间的短距离通信联络，就是通过UHF频段进行的。国际空间站开展的一项业余无线电计划，也是利用特高频和甚高频来为业余无线电爱好者和国际空间站的航天员提供通话机会，以此激励公众特别是青少年对科学知识保持好奇心并且勇于去探索。

作为我们身边的隐形朋友，无线电波暗中帮助我们取得了很多了不起的科技成就。它就像宇宙馈赠给我们的礼物，从进入地球大气层的那一刻开始，用漫长的旅行为人类传递着信息。