電磁頻譜特性探析

王國(guó)玉，徐振海，劉興華，楊曉帆，許 雄

（1.國(guó)防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191；4.軍事科學(xué)院軍事科學(xué)信息研究中心，北京 100142）

0 引言

電磁是物質(zhì)電特性和磁特性的總稱。電磁特性源于電荷運(yùn)動(dòng)，所有電磁現(xiàn)象源于電場(chǎng)。變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)構(gòu)成一個(gè)不可分離的統(tǒng)一場(chǎng)，就叫電磁場(chǎng)。變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互激發(fā)而產(chǎn)生的在空間以光速傳播的交變電磁場(chǎng)就是電磁波。

1864年，英國(guó)理論物理學(xué)家麥克斯韋提出了著名的麥克斯韋方程，描述電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從理論上預(yù)言了電磁波的存在［1］。1886年，德國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家赫茲首次觀察到“火花放電”現(xiàn)象，證實(shí)了電磁波的存在，并計(jì)算出電磁波的速度。麥克斯韋方程證明了光波也是電磁波，從微波到光波可以統(tǒng)稱為廣譜電磁波［2］。廣譜電磁波的頻率范圍從零到無(wú)窮。電磁頻譜所構(gòu)成的物理空間（即電磁空間）也是無(wú)限的。人類以廣譜電磁波為研究開(kāi)發(fā)對(duì)象，構(gòu)建了雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、遙感、信息網(wǎng)絡(luò)、電磁醫(yī)療、射電天文等多種應(yīng)用與研究探索體系。

隨著科技進(jìn)步和時(shí)代發(fā)展，國(guó)家安全領(lǐng)域已超出傳統(tǒng)的領(lǐng)土、領(lǐng)海、領(lǐng)空范圍，不斷向海洋、太空、電磁空間拓展和延伸。太空安全、網(wǎng)絡(luò)安全、電磁空間安全，已成為國(guó)家安全的重要組成部分。

電磁空間作為信息產(chǎn)生、傳輸、感知和新質(zhì)聚能的不可替代的天然物理空間，具有極強(qiáng)的開(kāi)拓性、開(kāi)放性、跨域性、沖突性和關(guān)聯(lián)性。國(guó)家信息網(wǎng)絡(luò)、輿論宣傳、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、綜合治理、社會(huì)穩(wěn)定、科技發(fā)展、軍事行動(dòng)等等，都高度依賴電磁空間。因此，電磁空間安全已成為國(guó)家安全的前沿焦點(diǎn)和戰(zhàn)略支柱。

電磁空間及其所有資源的實(shí)體物理構(gòu)成是電磁頻譜。電磁頻譜是由電磁波按頻率排列形成的一個(gè)從零至無(wú)窮的結(jié)構(gòu)譜系，即不同頻率所有電磁波的順序集合，包括無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光和紫外線、X 射線和γ 射線等［3］，如圖1 所示。

圖1 電磁頻譜按頻段劃分的譜系

電磁空間的所有行為均由電磁頻譜承載的各類電磁波活動(dòng)與相關(guān)事件構(gòu)成。電磁頻譜的承載及其資源開(kāi)發(fā)利用，是電磁空間行為活動(dòng)的主體和核心。因此，全面理解電磁頻譜及其特征屬性至關(guān)重要。本文從天然特性、社會(huì)特性和應(yīng)用特性三個(gè)方面較為系統(tǒng)完整地探討分析了電磁頻譜的特征屬性。

1 電磁頻譜的天然特性

電磁頻譜作為一種獨(dú)特的自然資源，具有以下天然特性。

1）稀缺性

電磁頻譜是稀缺寶貴的資源。電磁頻譜渾然天成，獨(dú)立而在，不可多得。電磁頻譜是一個(gè)物理域，其天然的存在與人類無(wú)關(guān)。電磁頻譜覆蓋了由零至無(wú)限大赫茲的頻率范圍，理論上是無(wú)限的，但由于目前技術(shù)水平的限制和使用需求的快速增長(zhǎng)，可利用的頻譜資源十分稀缺。

2）瞬時(shí)性

電磁波以光速運(yùn)動(dòng)傳播，電磁頻譜研發(fā)應(yīng)用以光速提供效能作用，幾乎瞬時(shí)，不需要額外的時(shí)間和人物資源。

3）非耗性

電磁頻譜資源雖然寶貴有限，但電磁頻譜天然有之，恒定存在。區(qū)別于石油、礦產(chǎn)等自然資源，電磁頻譜只是使用，而非消耗，不存在耗損和補(bǔ)充存儲(chǔ)問(wèn)題，只取決于研發(fā)應(yīng)用能力與水平。當(dāng)用頻功能停止時(shí)，所占用的電磁頻譜即刻被釋放，可無(wú)限次地重復(fù)使用。

4）開(kāi)放性

電磁頻譜資源為人類共有，國(guó)際共用，軍民共用，敵我共用。電磁頻譜活動(dòng)表現(xiàn)于電磁波輻射傳播與接收。除了雷電、太陽(yáng)黑子活動(dòng)、宇宙射線等自然源，電磁輻射源還包括人為源，可以來(lái)自陸、海，也可來(lái)自空、天，電磁波傳播于任何開(kāi)放空間，滲透于每個(gè)角落，電磁輻射傳播滲透無(wú)疆界。

5）易擾性

由于電磁頻譜的開(kāi)放性，電磁波在空間域、時(shí)間域、頻率域上橫縱交錯(cuò)，多種用頻設(shè)備管理使用不當(dāng)，布局不合理時(shí)，容易互相產(chǎn)生干擾。自然界中宇宙射線、太陽(yáng)黑子、雷電環(huán)境，現(xiàn)代城市環(huán)境中的高壓輸電線、工業(yè)、醫(yī)用電子設(shè)備等等，也會(huì)對(duì)用頻系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響正常的電磁頻譜業(yè)務(wù)。電磁頻譜可以為信息化戰(zhàn)場(chǎng)傳遞信息和感知目標(biāo)；而另一方面可借助情報(bào)偵察、電磁干擾和精確打擊等手段，控制戰(zhàn)局。

2 電磁頻譜的社會(huì)特性

電磁頻譜在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)生活各領(lǐng)域中占據(jù)不可或缺、無(wú)法替代的戰(zhàn)略資源地位，具有以下社會(huì)特性。

1）國(guó)家性

電磁頻譜是影響國(guó)家發(fā)展和戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要國(guó)有戰(zhàn)略資源。我國(guó)《物權(quán)法》的第50 條單獨(dú)明確規(guī)定，“無(wú)線電頻譜資源屬于國(guó)家所有”。頻譜資源的國(guó)有屬性在我國(guó)法律中單獨(dú)成條，實(shí)屬罕見(jiàn)，足見(jiàn)其重要性和不同尋常的地位。

2）政治性

電磁頻譜無(wú)國(guó)界，但開(kāi)發(fā)利用、為誰(shuí)服務(wù)則有鮮明的政治立場(chǎng)。電磁頻譜可廣泛開(kāi)發(fā)應(yīng)用于事關(guān)國(guó)家主權(quán)、領(lǐng)土完整、政治制度維護(hù)等國(guó)家安全領(lǐng)域的情報(bào)偵察監(jiān)視等?，F(xiàn)代電磁信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)乎思想宣傳、輿論引導(dǎo)、民心所向等政治意識(shí)形態(tài)大事。

3）經(jīng)濟(jì)性

頻譜資源本身已可定價(jià)、拍賣、貿(mào)易。據(jù)報(bào)導(dǎo)，1995—2011年間，美、英等國(guó)為發(fā)展第三、四代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，所拍賣的頻譜價(jià)值共約1 300 億美元。頻譜資源開(kāi)發(fā)利用更是價(jià)值連城。下一代天地移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的核心是天地電磁頻譜開(kāi)發(fā)應(yīng)用。預(yù)測(cè)認(rèn)為，下一代（5G+、6G）天地移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)一旦突破建成，直接間接帶動(dòng)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)30～50 萬(wàn)億美元。有測(cè)算顯示，電磁頻譜資源開(kāi)發(fā)利用對(duì)我國(guó)GDP 增長(zhǎng)率的貢獻(xiàn)率近5%，已超過(guò)人力資本對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)。2015年，我國(guó)正式啟動(dòng)“中國(guó)制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃，明確了電磁頻譜作為稀缺戰(zhàn)略資源，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和轉(zhuǎn)型的重要支撐。

4）科技性

電磁頻譜的廣泛研發(fā)應(yīng)用極大地推動(dòng)了科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。利用電磁波的傳輸特性，發(fā)明了無(wú)線電廣播、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)等；利用電磁波的輻射/反射特性，發(fā)明了雷達(dá)、導(dǎo)航、遙測(cè)、遙控和遙感等；利用電磁波的能量轉(zhuǎn)換特性，發(fā)明了微波爐、無(wú)線充電等。電磁波縱橫馳騁陸?？仗?，加速了信息時(shí)代的到來(lái)，廣泛而又深刻地促進(jìn)了科技發(fā)展和人類社會(huì)文明的進(jìn)步。

電磁頻譜儀器儀表和測(cè)量系統(tǒng)是現(xiàn)代科學(xué)研究探索必不可少的工具，沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科學(xué)。電磁頻譜本身隱藏著世界萬(wàn)物諸多秘密，有待人類探索認(rèn)知、賦能開(kāi)拓。

5）軍事性

從戰(zhàn)爭(zhēng)手段和作戰(zhàn)形態(tài)發(fā)展趨勢(shì)看，電磁頻譜利用和制電磁權(quán)爭(zhēng)奪已是戰(zhàn)場(chǎng)勝負(fù)的關(guān)鍵。人類戰(zhàn)爭(zhēng)已從冷兵器時(shí)代、熱兵器時(shí)代、機(jī)械化時(shí)代，來(lái)到了當(dāng)今的信息化時(shí)代。信息化戰(zhàn)爭(zhēng)最重要的標(biāo)志就是電磁頻譜廣泛開(kāi)發(fā)應(yīng)用于軍事戰(zhàn)爭(zhēng)。隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)演進(jìn)、作戰(zhàn)環(huán)境變化和新技術(shù)發(fā)展，電磁頻譜由戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取、傳輸?shù)闹匾d體，逐漸演變?yōu)槔^陸、海、空、天、網(wǎng)之后的新作戰(zhàn)域，貫穿作戰(zhàn)的全過(guò)程，如圖2 所示［4］?，F(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)聯(lián)合作戰(zhàn)最核心的三大要素就是實(shí)時(shí)偵察情報(bào)、指揮控制通信、快速精準(zhǔn)打擊，這三大要素和能力形成均取決于電磁頻譜研究開(kāi)發(fā)利用水平。2019年7月，美國(guó)空軍發(fā)布新的電子戰(zhàn)條令《附錄3-51：電磁戰(zhàn)與電磁頻譜作戰(zhàn)》，提到“現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)高度依賴電磁頻譜，保持電磁頻譜優(yōu)勢(shì)對(duì)聯(lián)合部隊(duì)指揮官獲得戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)役和戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)必不可少。美國(guó)空軍的平臺(tái)、武器系統(tǒng)和殺傷鏈都依賴電磁頻譜”［5］。2020年5月，美參聯(lián)會(huì)發(fā)布《JP 3-85：聯(lián)合電磁頻譜作戰(zhàn)》條令，明確定義“電磁頻譜優(yōu)勢(shì)”［6-7］。2022年2月，俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，雙方在電磁頻譜領(lǐng)域的攻防對(duì)抗，影響著戰(zhàn)爭(zhēng)走勢(shì)［8］。

圖2 戰(zhàn)爭(zhēng)手段發(fā)展演變

3 電磁頻譜的應(yīng)用特性

電磁頻譜資源寶貴，地位重要，而且是未來(lái)信息化和智能化研發(fā)應(yīng)用的核心基礎(chǔ)支撐。電磁頻譜具有以下應(yīng)用特性。

1）有限性

理論上電磁頻譜從零至近無(wú)窮赫茲的頻譜資源均可利用。國(guó)際電聯(lián)目前規(guī)劃的微波段頻譜范圍是10 kHz～400 GHz，低于這一范圍進(jìn)入音頻范圍，高于這一范圍進(jìn)入光波范圍。且受認(rèn)知和技術(shù)能力限制，可供開(kāi)發(fā)使用的頻譜資源有限，約占68%，大多數(shù)軍民商用頻設(shè)備和系統(tǒng)都集中在6 GHz 以下，已趨于飽和，頻譜資源緊缺問(wèn)題突出。

2）復(fù)用性

目前，除了航空無(wú)線電導(dǎo)航、遇險(xiǎn)搜救、射電天文等業(yè)務(wù)用頻屬于“專屬專用”的使用方式外，其他約90%以上的頻段都由多種無(wú)線電業(yè)務(wù)共用。當(dāng)大量電磁頻譜設(shè)備和系統(tǒng)集中使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)擁擠、互擾，“打架撞車”的現(xiàn)象。在合理高效的頻譜管控方案和用頻計(jì)劃前提下，充分利用電磁頻譜在時(shí)域、頻域、空域和碼域等多維特性，可運(yùn)用時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用、空分復(fù)用和碼分復(fù)用來(lái)解決相互干擾和多用戶使用問(wèn)題。

3）節(jié)約性

電磁頻譜資源天然存在，固定有限，供需矛盾越來(lái)越突出，節(jié)約使用是其重要的內(nèi)在要求：

①要省著用，夠用就行。電磁頻譜具有瞬時(shí)、非耗的特性，頻譜系統(tǒng)發(fā)揮作用時(shí)效快，也不存在耗損的問(wèn)題，夠用即可。

②要科學(xué)規(guī)劃頻譜資源，避免低效利用，杜絕浪費(fèi)，同時(shí)加快老舊系統(tǒng)更新?lián)Q代，重新整合規(guī)劃，重新高效利用結(jié)余下的頻譜資源，如頻譜收舊新用、頻譜碎片整理和熔爐增效等。

③ 要?jiǎng)?chuàng)新思維，提高認(rèn)知水平和技術(shù)能力，研發(fā)新的電磁頻譜利用技術(shù)和應(yīng)用模式。應(yīng)對(duì)日益擁擠的頻譜資源，采用頻譜共享技術(shù)，多個(gè)獨(dú)立實(shí)體在特定位置區(qū)域和時(shí)間中使用特定的頻段；依據(jù)新的應(yīng)用需求，建立新的概念和系統(tǒng)，融合電磁頻譜與信息戰(zhàn)、賽博戰(zhàn)手段，重構(gòu)電磁作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)，創(chuàng)新電磁頻譜節(jié)約使用新模式。

4）適應(yīng)性

隨著技術(shù)進(jìn)步和電磁頻譜的廣泛開(kāi)發(fā)利用，在任何時(shí)間域、頻率域和空間域上，單一設(shè)備工作的情形已不復(fù)存在，必然是多設(shè)備多系統(tǒng)同時(shí)工作，多種電磁信號(hào)同時(shí)存在。這些錯(cuò)綜交織的電磁信號(hào)間存在著復(fù)雜的相互影響，不同的影響機(jī)理產(chǎn)生不同的影響效應(yīng)。一方面，電磁頻譜裝備要具備抗外部電磁干擾的能力；另一方面，電磁頻譜裝備內(nèi)部要具有良好的電磁兼容能力。因此，電磁頻譜裝備要在復(fù)雜的電磁環(huán)境下能保持良好工作性能，電磁頻譜環(huán)境適應(yīng)性是其基本要求。

5）競(jìng)爭(zhēng)掠奪性

某種意義上說(shuō)，電磁頻譜開(kāi)發(fā)利用呈現(xiàn)“叢林法則”，先用先占，先占先有，甚至先占永得。30 GHz 以下的頻譜利用技術(shù)已較成熟，搶占優(yōu)先使用權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。60 GHz 以上頻譜利用正在開(kāi)發(fā)，“你追我趕，跑馬圈地”現(xiàn)象嚴(yán)重。衛(wèi)星軌道頻率資源掠奪激烈空前，導(dǎo)航頻率、同步軌道頻率近80%被美西方和俄羅斯先期搶占。

電磁頻譜資源的爭(zhēng)奪本質(zhì)上是國(guó)家利益和國(guó)家安全戰(zhàn)略制高點(diǎn)的爭(zhēng)奪。電磁頻譜是大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)博弈的必爭(zhēng)之域，也是平時(shí)、戰(zhàn)時(shí)交鋒最激烈最集中的領(lǐng)域，更是大國(guó)雄風(fēng)充分角逐展示的舞臺(tái)。

6）協(xié)同性

由于電磁頻譜軍民廣泛使用，資源有限與需求旺盛的矛盾越來(lái)越突出。衛(wèi)星、廣播、航空、通信等技術(shù)的發(fā)展都對(duì)電磁頻譜需求迫切，國(guó)家、集團(tuán)間電磁頻譜掠奪、爭(zhēng)搶與對(duì)抗激烈，這就決定了電磁頻譜研發(fā)使用必須要統(tǒng)籌與協(xié)同，以應(yīng)對(duì)多方面的問(wèn)題與挑戰(zhàn)［9-10］。協(xié)同內(nèi)容包括：規(guī)范用頻設(shè)備的使用頻段、發(fā)射功率、占用帶寬等參數(shù)要求；研發(fā)應(yīng)用軍地頻譜管理信息交互系統(tǒng)、分布式電磁頻譜感知系統(tǒng)；從頂層設(shè)計(jì)提高各設(shè)備在聯(lián)合作戰(zhàn)條件下的適應(yīng)能力，打造智能化、體系化、網(wǎng)絡(luò)化的“協(xié)同電磁感知網(wǎng)”等等。

為高效快速發(fā)展商業(yè)航天，2021年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)提議為商用航天發(fā)射劃分專用頻段，以改變過(guò)去“軍民”航天共用頻譜的局面，同年4月，即將2 200～2 290 MHz 頻譜段劃分給商用航天。

7）融合性

隨著傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線化，以及傳統(tǒng)無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)化和各類電磁頻譜系統(tǒng)的一體化、網(wǎng)絡(luò)化，電磁頻譜作為一個(gè)獨(dú)特的媒介空間，把空、天、網(wǎng)絡(luò)和電磁空間廣泛緊密地深度交織融合在一起。2020年10月，美國(guó)防部發(fā)布的《電磁頻譜優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)略》，明確指出“電磁頻譜不是軍事作戰(zhàn)的一個(gè)獨(dú)立域，因?yàn)殡姶蓬l譜與聯(lián)合條令中所確定的那些作戰(zhàn)域是不可分割的”（電磁頻譜的跨域使用示意圖如圖3 所示）［11］。戰(zhàn)場(chǎng)用頻設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化在很大程度上決定了網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)必須通過(guò)電磁頻譜實(shí)現(xiàn)。電磁頻譜信息網(wǎng)絡(luò)作為橋梁紐帶的全域作戰(zhàn)樣式，正在深刻地改變戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)?？?、天、網(wǎng)絡(luò)空間與電磁空間的有機(jī)融合，正在深刻地影響著人們生產(chǎn)生活方式乃至整個(gè)人類文明進(jìn)步。

圖3 美國(guó)國(guó)防部對(duì)電磁頻譜的跨域使用

8）機(jī)動(dòng)性

機(jī)動(dòng)性是電磁頻譜研發(fā)應(yīng)用的一個(gè)顯著特征，它是一種獨(dú)特的能力，就是在時(shí)間、空間和電磁頻譜參數(shù)等多個(gè)維度進(jìn)行移動(dòng)和調(diào)整變化的能力。美《電磁頻譜優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)略》中指出“電磁作戰(zhàn)環(huán)境是一個(gè)機(jī)動(dòng)空間”，并以“電磁頻譜內(nèi)的行動(dòng)自由”作為電磁頻譜作戰(zhàn)的戰(zhàn)略目標(biāo)［11］。電磁頻譜內(nèi)行動(dòng)自由的重要能力就是電磁頻譜的機(jī)動(dòng)能力。電磁機(jī)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：多功能電磁傳感器；多功能電磁干擾系統(tǒng)；開(kāi)放架構(gòu)設(shè)計(jì)；高速、實(shí)時(shí)、可重構(gòu)；軟件定義功能；敏捷演進(jìn)；人工智能自主操作等等。電磁機(jī)動(dòng)是獲取電磁頻譜優(yōu)勢(shì)，實(shí)施馬賽克戰(zhàn)和殺傷網(wǎng)理論的核心能力技術(shù)支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

人類對(duì)電磁頻譜的研究探索和開(kāi)發(fā)利用大大推動(dòng)了人類對(duì)自然的認(rèn)知和人類文明的進(jìn)步。本文從天然特性、社會(huì)特性、應(yīng)用特性出發(fā)，細(xì)致地闡述了電磁頻譜的各項(xiàng)特性。在信息時(shí)代，占有、管理、利用好電磁頻譜資源，發(fā)揮電磁頻譜的優(yōu)勢(shì)，對(duì)工業(yè)技術(shù)、民生應(yīng)用、軍事行動(dòng)等方面的進(jìn)步均有重大意義?！?/p>