你身邊的隱形朋友

李會超

自宇宙誕生起，各種電磁場就充斥于星際空間。以我們生活的地球為例，雷雨天時，空氣中局部電荷的累積可以產(chǎn)生電場;地球磁場能夠使磁石指向南北方向;鳥類和魚類進化出利用地球磁場辨別方向的能力;一些需要長途遷徙的動物更是具備感知地球磁場方向和強度的能力。

電磁波的旅行

電磁波是電場與磁場在空間中傳播產(chǎn)生的一種“波”，它可以在空氣和真空中傳播。通過電場和磁場的交替變化，電磁波會像湖水中的漣漪一樣，以光速在自由空間（即空氣和真空）中向各個方向傳播。

按照頻率的不同，電磁波可以分為γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波等，其中只有可見光波段可以被我們用肉眼觀察到。提起可見光，我們首先會想到它是太陽釋放出的光波，其實除了太陽，凡是溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體，都會釋放出電磁波?？茖W家們認為，目前世界上還不存在溫度低于絕對零度的物體，所以可以說世界上的任何物體，包括你我，時刻都在釋放著電磁波。

電磁波的旅行不依靠電線，也不像聲波那樣必須借助空氣傳播。電磁波可以在空氣和真空中上天入地、自由來去。只不過受距離和大氣遮擋等因素的影響，電磁波在行進過程中會損失一定的能量。

電磁波的發(fā)現(xiàn)

人類對電磁現(xiàn)象的認識已有兩千多年的歷史，但長期以來，人們一直把電和磁看作兩種獨立的物理現(xiàn)象。直到19世紀上半葉，人們才開始認識到電和磁的內(nèi)在聯(lián)系。

1820年，丹麥哥本哈根大學物理學教授奧斯特發(fā)現(xiàn)：把小磁針放在通電導線附近，磁針會出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。這說明通電導線周圍存在著磁場。奧斯特的這一發(fā)現(xiàn)動搖了兩千多年來人們關(guān)于電與磁的認識。

又過了十多年，英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象：當導線在磁場中做切割磁感線運動時，或者把一根磁鐵插入由導線繞成的線圈中時，導線或線圈中就會有電流產(chǎn)生。奧斯特和法拉第的發(fā)現(xiàn)，說明了電與磁之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。后來，著名物理學家麥克斯韋在法拉第等人的研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了電磁場理論，并預言了電磁波的存在。愛因斯坦曾說：“麥克斯韋的電磁場理論，是繼牛頓時代以來，對物理學最深刻的變革。”

1887年，德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在，同時掀起了人們利用電磁波的熱潮。1890年，法國的布蘭利發(fā)明了金屬粉末檢波器，這對后來的無線電通信起到了至關(guān)重要的作用。1895年到1901年之間，相隔千里的兩位科學家馬可尼和波波夫，在電磁波的應(yīng)用方面有了重大突破。他們分別研發(fā)出利用電磁波進行無線電通信的技術(shù)。不過，馬可尼的無線電專利技術(shù)在1915年遭到了物理學家特斯拉的挑戰(zhàn)。特斯拉提出，自己在無線電應(yīng)用技術(shù)方面的專利申請早于馬可尼。幾經(jīng)周折，直到1943年6月21日，美國最高法院最終將無線電專利技術(shù)判給了特斯拉。

回顧歷史，其實電磁波的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，很難準確地歸功于一人。除了我們講到的這些科學家，還有很多科學家直接或間接地促進了電磁學的發(fā)展?？梢哉f，“電磁波”這個寶藏，正是一代又一代科學家不斷探索得來的。

電磁波家族中的最長波——無線電波

我們前面說到，任何溫度高于絕對零度的物體都會釋放電磁波。而溫度越高的物體，釋放的電磁波波長越短。在所有的電磁波中，宇宙射線的波長最短，而無線電波的波長最長。從另一種物理研究的視角來看，電磁波所蘊含的能量是由一個個被稱作“光子”的粒子攜帶的。從能量來看，波長越短，單個兒光子攜帶的能量越大，穿透力就越強。例如，可見光無法穿透我們的身體，所以醫(yī)院就需要用波長比可見光短的X射線來透視我們的身體。比X射線波長短的γ射線，光子能量更強，能夠穿透X射線無法穿透的金屬。這種超強的穿透力對人體的傷害很大，所以醫(yī)學上通常用γ射線進行重病的放射性治療，即用γ射線破壞DNA，殺死惡性細胞等。

如今，人類已經(jīng)可以對各種電磁波加以利用，但生活中使用最多的還是波長最長、對人體傷害最小的無線電波。

隨著無線電通信的發(fā)明，人們對無線電應(yīng)用的研究越發(fā)深入，并根據(jù)四種不同的傳播方式，將無線電波分為：地波、天波、空間波、散射波。

地波

沿地面?zhèn)鞑サ臒o線電波叫作地波，又叫表面波。無線電波的波長越短，越容易被地面吸收，因此只有長波和中波能在地面?zhèn)鞑ァ５夭ú皇軞夂蛴绊?，傳播比較穩(wěn)定。長波信號利用地面?zhèn)鞑シ绞剑杀挥脕磉M行潛艇的全球通信。

天波

經(jīng)空中電離層的反射或折射后，返回地面的無線電波叫作天波。由于短波太容易被地面吸收，所以短波會以天波的形式傳播，即短波被電離層反射到地面后，地面又把它反射回電離層，然后電離層再將其反射回地面……經(jīng)過多次反射，短波就被傳播到了很遠的地方。

空間波

從發(fā)射點經(jīng)空間直線傳播到接收點的無線電波叫作空間波，又叫直射波。超短波和微波主要靠這種方式傳播。不過，這種傳播方式的傳播距離很短，易受高山和高大建筑物的阻擋。為了增加傳輸距離，必須架設(shè)高天線。

散射波

電離層除了可以“反射”短波外，還可以和比其低的對流層一起“散射”微波和超短波。這種方式能將無線電波傳到很遠的地方，但是信號一般很弱，所以散射通信需要大功率的發(fā)射機、高靈敏度的接收機，以及方向性很強的天線。

無線電波按波長被分成了不同的波段。同時，因無線電波含有高速振動的磁場，其振動速度（即波動頻率）還形成了對應(yīng)的頻段。

為了紀念德國物理學家赫茲的貢獻，人們將電磁波的波動頻率單位命名為“Hz（赫茲）”。1Hz相當于電磁波在1秒內(nèi)振動1次。

kHz、MHz、GHz又是什么意思呢？k即“千”，相當于1 000Hz（千赫茲）;M即“兆”，相當于1 000 000Hz（百萬赫茲）;G即“吉”，相當于1 000 000 000 Hz（十億赫茲）。

傳播特性不一的各頻段具體適用于哪些領(lǐng)域呢？從上圖中我們便可窺其一二。日常生活中應(yīng)用最多的頻段主要集中在低頻到超高頻這個范圍內(nèi)。

造福人類的無線電技術(shù)

無線電波既然是“隱形”的，我們要如何利用它呢？一般來說，我們會通過控制無線電波振幅（振動幅度）和頻率（振動頻率）的變無線電波化方式來進行通信。具體來說就是，先將我們想要傳遞的信息通過改變無線電波振幅和頻率的方式進行加載，然后將無線電波發(fā)送出去。而后接收無線電波的一方再從無線電波的變化中解讀出它所承載的信息。這兩個過程被稱為“調(diào)制”和“解調(diào)”。

19世紀，特斯拉、馬可尼、波波夫等人最早發(fā)明的無線電應(yīng)用技術(shù)其實就是無線電報！今天，無線電報已經(jīng)淡出我們的生活，但無線電技術(shù)在很多領(lǐng)域的應(yīng)用至今造福著人類。

收音機

我們生活中最常見的無線電設(shè)備就是收音機。廣播電臺將播音員的聲音或播出的音樂進行“調(diào)制”后，“裝載”進無線電波中發(fā)射出去。另一邊，聽眾使用收音機接收廣播信號塔發(fā)射的無線電波，并從中“解調(diào)”出聲音信號，放送出來。

我們常在廣播節(jié)目中聽到以FM 開頭的頻道號，F(xiàn)M 即調(diào)頻廣播，使用的是甚高頻（英文縮寫“VHF”），使用這一頻率可以接收到國內(nèi)所有的廣播節(jié)目。對于無線電波來說，頻率越高，波長就越短，發(fā)射電磁波所需的天線長度也就越短。我們看到收音機的天線并不長，但廣播電臺負責發(fā)射電磁波的發(fā)射天線都很長。甚高頻的波長較短，只需不長的天線就能夠?qū)崿F(xiàn)雙向的接收和發(fā)送，因此特別適用于通信領(lǐng)域。

航空無線電通信系統(tǒng)

與調(diào)頻廣播頻段相似，航空通信需要在118MHz～136.975MHz 的頻率范圍內(nèi)進行，所以飛機的無線電通信系統(tǒng)使用最多的也是甚高頻。

我們在打電話時，會使用電話號碼區(qū)分不同的用戶。比如，你想給一位朋友打電話，只要撥對了電話號碼，其他人就無法接到這通電話，也聽不到你們的對話。航空通信的“電話號碼”是頻道，每個頻道有特定的無線電頻率。不過，和打電話一對一的模式不同，在航空通信中，飛行員只要把自己的無線電收發(fā)設(shè)備調(diào)到某個頻道，就能參與這個頻道內(nèi)的對話。在實際的航空管制中，一般是一個席位的航空管制員在同一頻道中指揮多架飛機。

無線電波的不同頻段有不同的傳播特性。甚高頻信號的通信距離有限，因此維持甚高頻通信需要在飛機飛行的航路上設(shè)置很多通信天線。然而，甚高頻通信天線一般很難在人跡罕至的荒野或大洋上空設(shè)置，因此在這些區(qū)域飛行的飛機就不得不換用另一個頻段——高頻（英文縮寫“HF”）來保持與航空管制員的聯(lián)系。高頻信號的頻率范圍在3MHz～30MHz 之間，也就是短波廣播信號所在的頻段。這個頻段的無線電波通過電離層與地面的不斷反射，能夠傳輸很遠的距離，不用擔心飛機飛太遠失去信號的問題。不過，這個頻段的信號，也存在傳輸過程中受干擾和衰減嚴重的問題，經(jīng)常出現(xiàn)很多雜音。如果機組人員一直監(jiān)聽無線電信號，就不得不承受雜音的困擾。

為了解決這個問題，高頻通信一般會配合“選擇呼叫系統(tǒng)”一同使用。在引入選擇呼叫系統(tǒng)以后，無線電通信由“群發(fā)”轉(zhuǎn)變?yōu)楹娇展苤茊T與特定飛機的單線聯(lián)系。當航空管制員想要聯(lián)絡(luò)某一架特定飛機時，會先發(fā)出選擇呼叫的代碼信號。所有在此頻道內(nèi)通信的飛機都會收到這個信號，當這個信號代碼與某架飛機代碼一致時，該架飛機的通信系統(tǒng)就會提醒飛行員及時應(yīng)答。

航空無線電雷達系統(tǒng)

無線電還可以借助雷達為飛機提供周圍環(huán)境的信息。雷達在工作時，會先發(fā)射一束無線電波，在接收到特定物體反射的無線電波后，通過分析無線電波從發(fā)出至收到反射波的時間差以及無線電波本身發(fā)生的一些變化，推算出周圍環(huán)境情況。雷達使用的一般是超高頻（英文縮寫“SHF”）。

飛機在飛行過程中，需要時刻關(guān)注前方的天氣變化，以便及時避開雷雨、強降雨、亂流等危險天氣。對于飛機至關(guān)重要的氣象信息就是由氣象雷達提供的。這種雷達一般安裝在飛機前部，能夠根據(jù)無線電信號強度判斷前方某個位置的水汽含量。水汽較高的區(qū)域，一般是有降雨形成的雨帶，而水汽極高的區(qū)域，通常就是已經(jīng)出現(xiàn)危險天氣的地方。如果水滴被急速多變的亂流吹動時，反射回的無線電頻率相對于發(fā)射信號還會發(fā)生一些偏離。利用這個特征，就可以檢測到雨帶附近的亂流情況。

通常，飛機在高空中飛行時，會通過測量所處位置的氣壓來確定高度。然而，這樣測到的高度是相對于海平面的高度。如果飛機在高原、山地上空飛行，用這種方法測得的高度顯然就不夠準確了。為了測得飛機相對于地面的高度，飛機上還裝備了測高雷達。這種雷達會向地面發(fā)射一束無線電波，通過計算無線電波返回的時間來確定飛機與地面之間的距離。

飛機用于通信和導航的無線電信號一旦遭到其他信號干擾，就會對飛行安全產(chǎn)生嚴重的威脅。目前，常見的干擾源一般來自廣播信號。有些廣播電臺因設(shè)備老化，發(fā)射信號的頻率會發(fā)生偏差，與航空無線電頻率重合，就會造成干擾。而有些非法開設(shè)的地下電臺，隨意設(shè)置自身頻率，也會導致干擾發(fā)生。對于這些干擾源，工作人員會定期在機場附近使用專業(yè)設(shè)備進行測量，并對干擾源采取相應(yīng)措施。

航空無線電導航系統(tǒng)

導航是飛機另一個重要的無線電應(yīng)用?，F(xiàn)代導航臺一般由VOR 方向信標和DME 測距儀組成，其中，VOR 方向信標像是一位嗓音洪亮的歌唱家，它轉(zhuǎn)動著方向歌唱，而且向每個方向歌唱的旋律是不同的。飛機在“聽”到導航臺的“歌唱”后，通過旋律就能確定導航臺的方向。

VOR 方向信標的“歌聲”通過無線電波發(fā)出， 頻率在108MHz～117.95MHz之間。不管白天黑夜、天氣好壞，飛機都能獲取導航臺發(fā)出的信號。DME 測距儀是用來測量飛機和導航臺之間距離的，它發(fā)射的測距信號被飛機接收后，飛機會給測距儀發(fā)射一個“回答”的信號，測距儀通過測量信號傳輸?shù)臅r間間隔，可以確定飛機與導航臺之間的距離，再將準確的距離發(fā)送給飛機。通常在飛機行進的道路上，每隔150 千米左右會有一個導航臺。導航臺發(fā)出的無線電波會在天空中劃出一條明確的通道，這條空中通道就叫航路。

在飛行階段，飛機只要根據(jù)導航臺的位置沿航路飛行就可以了。在降落階段，飛機會用到無線電儀表著陸系統(tǒng)，幫助飛機平穩(wěn)降落。在能見度較差的天氣中，這種著陸系統(tǒng)的作用更加顯著。無線電儀表著陸系統(tǒng)由航向信標系統(tǒng)、下滑信標系統(tǒng)和指點信標系統(tǒng)組成。航向信標系統(tǒng)使用的無線電頻率為108.10MHz～111.95MHz，下滑信標使用的頻率為329.15MHz～335MHz，指點信標使用的頻率一般固定為75MHz。在飛機即將降落時，航向信標引導飛機向跑道所指向的方向飛行，下滑信標會引導飛機安全地逐步降低高度，指點信標則給出飛機已經(jīng)飛到距離著陸點特定距離的提示。

航天無線電系統(tǒng)

除了天上的飛機，太空中的航天器想要與地面保持聯(lián)絡(luò)，也需要依靠無線電波。在航天器飛行的過程中，地面控制人員需要通過無線電波向航天器發(fā)出指令、接收航天器傳回的信息。此外，航天器所處的位置、飛行的速度與方向等，也需要通過無線電波來測定。衛(wèi)星拍攝到的圖像、測量到的數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)的通信信號、載人飛船艙內(nèi)的圖像、航天員與地面通信的語音等，也都需要無線電波來承載。

無線電波的頻率要足夠高才能穿透地球的電離層，所以航天器想要在宇宙空間中與地面保持通信，就需要選擇頻率足夠高的無線電頻段。以波段劃分，在無線電波中，比短波更短的還有“微波”，而微波對應(yīng)的頻率在300MHz～3kGHz 之間。按照IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）的命名規(guī)則，微波還可以分為特高頻（UHF 頻段）、L 頻段、S 頻段、C 頻段等。

早期的航天任務(wù)曾經(jīng)混用多種頻率的無線電波來承載不同類型的信息。例如，在美國早期的載人航天任務(wù)中，航天員和地面的語音通信信號要通過特高頻和甚高頻來收發(fā)，而載人飛船的地面跟蹤雷達使用的則是C 頻段（4GHz～8GHz）的無線電信號。由于不同頻段的信號對發(fā)射接收裝置的要求不同，因此混用多種頻段會使飛船不得不安裝多套功能相似的儀器，浪費了空間和載重量。因此，在后續(xù)的阿波羅計劃中，美國國家航空航天局使用S頻段（2GHz～4GHz）的無線電信號集合了以往分散在不同頻段的功能，構(gòu)成了“統(tǒng)一S頻段”系統(tǒng)。統(tǒng)一S頻段系統(tǒng)在之后的航天飛行中得到了廣泛的應(yīng)用，也影響了其他國家對于測控信號頻段的選擇。

我國航天測控網(wǎng)從20世紀90年代開始建設(shè)自己的統(tǒng)一S頻段測控系統(tǒng)。在神舟飛船發(fā)射過程中，直播語音里出現(xiàn)的“USB雷達跟蹤正常”，指的就是統(tǒng)一S頻段測控系統(tǒng)跟蹤正常。

于近地軌道通信，S頻段可能是相對理想的選擇，而對于“嫦娥”“天問”等深空任務(wù)來說，S頻段頻率較低，帶寬受限。為了解決這些問題，頻率更高的X頻段被利用起來。在嫦娥二號任務(wù)中，我國首次進行了深空探測的X頻段測控試驗。到了嫦娥三號、嫦娥四號乃至天問一號任務(wù)時，X頻段已成為測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x。

工作在同步軌道上的通信衛(wèi)星，早期主要使用C頻段傳輸電視、廣播信號。但接收C頻段信號一般需要使用直徑在1.8米以上的大型天線，信號的帶寬也相對較低。為了滿足地面終端小型化、靈活化的要求，近年來發(fā)射的通信衛(wèi)星開始使用頻率更高的Ku頻段和Ka頻段來傳輸信號。這樣，僅在飛機或車輛上搭載小型天線就能完成信號收發(fā)工作，而且通信帶寬得到進一步提升。頻率最高的Ka頻段，能實現(xiàn)千兆級網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，讓空中高速上網(wǎng)成為現(xiàn)實。不過，頻率越高，電磁波在穿過雨層時引起的衰減也就越嚴重。因此，當高頻的Ka頻段衰減嚴重時，C頻段也會派上用場。

傳統(tǒng)的特高頻和甚高頻雖然應(yīng)用較少，但還未完全消失。比如，玉兔號月球車和嫦娥三號之間的短距離通信聯(lián)絡(luò)，就是通過UHF頻段進行的。國際空間站開展的一項業(yè)余無線電計劃，也是利用特高頻和甚高頻來為業(yè)余無線電愛好者和國際空間站的航天員提供通話機會，以此激勵公眾特別是青少年對科學知識保持好奇心并且勇于去探索。

作為我們身邊的隱形朋友，無線電波暗中幫助我們?nèi)〉昧撕芏嗔瞬黄鸬目萍汲删?。它就像宇宙饋贈給我們的禮物，從進入地球大氣層的那一刻開始，用漫長的旅行為人類傳遞著信息。