電磁頻譜特性探析

王國玉，徐振海，劉興華，楊曉帆，許 雄

（1.國防科技大學電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，湖南 長沙 410073；2.電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，河南 洛陽 471003；3.北京航空航天大學，北京 100191；4.軍事科學院軍事科學信息研究中心，北京 100142）

0 引言

電磁是物質電特性和磁特性的總稱。電磁特性源于電荷運動，所有電磁現象源于電場。變化的電場產生磁場，而變化的磁場又產生電場，變化的電場和變化的磁場構成一個不可分離的統一場，就叫電磁場。變化的電場和變化的磁場相互激發而產生的在空間以光速傳播的交變電磁場就是電磁波。

1864年，英國理論物理學家麥克斯韋提出了著名的麥克斯韋方程，描述電磁場運動規律，從理論上預言了電磁波的存在［1］。1886年，德國實驗物理學家赫茲首次觀察到“火花放電”現象，證實了電磁波的存在，并計算出電磁波的速度。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稱為廣譜電磁波［2］。廣譜電磁波的頻率范圍從零到無窮。電磁頻譜所構成的物理空間（即電磁空間）也是無限的。人類以廣譜電磁波為研究開發對象，構建了雷達、通信、導航、遙感、信息網絡、電磁醫療、射電天文等多種應用與研究探索體系。

隨著科技進步和時代發展，國家安全領域已超出傳統的領土、領海、領空范圍，不斷向海洋、太空、電磁空間拓展和延伸。太空安全、網絡安全、電磁空間安全，已成為國家安全的重要組成部分。

電磁空間作為信息產生、傳輸、感知和新質聚能的不可替代的天然物理空間，具有極強的開拓性、開放性、跨域性、沖突性和關聯性。國家信息網絡、輿論宣傳、經濟運行、綜合治理、社會穩定、科技發展、軍事行動等等，都高度依賴電磁空間。因此，電磁空間安全已成為國家安全的前沿焦點和戰略支柱。

電磁空間及其所有資源的實體物理構成是電磁頻譜。電磁頻譜是由電磁波按頻率排列形成的一個從零至無窮的結構譜系，即不同頻率所有電磁波的順序集合，包括無線電波、紅外線、可見光和紫外線、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與相關事件構成。電磁頻譜的承載及其資源開發利用，是電磁空間行為活動的主體和核心。因此，全面理解電磁頻譜及其特征屬性至關重要。本文從天然特性、社會特性和應用特性三個方面較為系統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，獨立而在，不可多得。電磁頻譜是一個物理域，其天然的存在與人類無關。電磁頻譜覆蓋了由零至無限大赫茲的頻率范圍，理論上是無限的，但由于目前技術水平的限制和使用需求的快速增長，可利用的頻譜資源十分稀缺。

2）瞬時性

電磁波以光速運動傳播，電磁頻譜研發應用以光速提供效能作用，幾乎瞬時，不需要額外的時間和人物資源。

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。區別于石油、礦產等自然資源，電磁頻譜只是使用，而非消耗，不存在耗損和補充存儲問題，只取決于研發應用能力與水平。當用頻功能停止時，所占用的電磁頻譜即刻被釋放，可無限次地重復使用。

4）開放性

電磁頻譜資源為人類共有，國際共用，軍民共用，敵我共用。電磁頻譜活動表現于電磁波輻射傳播與接收。除了雷電、太陽黑子活動、宇宙射線等自然源，電磁輻射源還包括人為源，可以來自陸、海，也可來自空、天，電磁波傳播于任何開放空間，滲透于每個角落，電磁輻射傳播滲透無疆界。

5）易擾性

由于電磁頻譜的開放性，電磁波在空間域、時間域、頻率域上橫縱交錯，多種用頻設備管理使用不當，布局不合理時，容易互相產生干擾。自然界中宇宙射線、太陽黑子、雷電環境，現代城市環境中的高壓輸電線、工業、醫用電子設備等等，也會對用頻系統產生干擾，影響正常的電磁頻譜業務。電磁頻譜可以為信息化戰場傳遞信息和感知目標；而另一方面可借助情報偵察、電磁干擾和精確打擊等手段，控制戰局。

2 電磁頻譜的社會特性

電磁頻譜在經濟發展、國防建設和社會生活各領域中占據不可或缺、無法替代的戰略資源地位，具有以下社會特性。

1）國家性

電磁頻譜是影響國家發展和戰爭勝負的重要國有戰略資源。我國《物權法》的第50 條單獨明確規定，“無線電頻譜資源屬于國家所有”。頻譜資源的國有屬性在我國法律中單獨成條，實屬罕見，足見其重要性和不同尋常的地位。

2）政治性

電磁頻譜無國界，但開發利用、為誰服務則有鮮明的政治立場。電磁頻譜可廣泛開發應用于事關國家主權、領土完整、政治制度維護等國家安全領域的情報偵察監視等。現代電磁信息網絡關乎思想宣傳、輿論引導、民心所向等政治意識形態大事。

3）經濟性

頻譜資源本身已可定價、拍賣、貿易。據報導，1995—2011年間，美、英等國為發展第三、四代移動通信網絡，所拍賣的頻譜價值共約1 300 億美元。頻譜資源開發利用更是價值連城。下一代天地移動通信網絡的核心是天地電磁頻譜開發應用。預測認為，下一代（5G+、6G）天地移動通信網絡一旦突破建成，直接間接帶動的經濟產業規模達30～50 萬億美元。有測算顯示，電磁頻譜資源開發利用對我國GDP 增長率的貢獻率近5%，已超過人力資本對經濟增長的貢獻。2015年，我國正式啟動“中國制造2025”發展戰略計劃，明確了電磁頻譜作為稀缺戰略資源，是我國經濟發展和轉型的重要支撐。

4）科技性

電磁頻譜的廣泛研發應用極大地推動了科技發展和社會進步。利用電磁波的傳輸特性，發明了無線電廣播、移動互聯網、手機等；利用電磁波的輻射/反射特性，發明了雷達、導航、遙測、遙控和遙感等；利用電磁波的能量轉換特性，發明了微波爐、無線充電等。電磁波縱橫馳騁陸海空天，加速了信息時代的到來，廣泛而又深刻地促進了科技發展和人類社會文明的進步。

電磁頻譜儀器儀表和測量系統是現代科學研究探索必不可少的工具，沒有測量就沒有科學。電磁頻譜本身隱藏著世界萬物諸多秘密，有待人類探索認知、賦能開拓。

5）軍事性

從戰爭手段和作戰形態發展趨勢看，電磁頻譜利用和制電磁權爭奪已是戰場勝負的關鍵。人類戰爭已從冷兵器時代、熱兵器時代、機械化時代，來到了當今的信息化時代。信息化戰爭最重要的標志就是電磁頻譜廣泛開發應用于軍事戰爭。隨著戰爭形態演進、作戰環境變化和新技術發展，電磁頻譜由戰場信息獲取、傳輸的重要載體，逐漸演變為繼陸、海、空、天、網之后的新作戰域，貫穿作戰的全過程，如圖2 所示［4］。現代戰場聯合作戰最核心的三大要素就是實時偵察情報、指揮控制通信、快速精準打擊，這三大要素和能力形成均取決于電磁頻譜研究開發利用水平。2019年7月，美國空軍發布新的電子戰條令《附錄3-51：電磁戰與電磁頻譜作戰》，提到“現代戰爭高度依賴電磁頻譜，保持電磁頻譜優勢對聯合部隊指揮官獲得戰術、戰役和戰略優勢必不可少。美國空軍的平臺、武器系統和殺傷鏈都依賴電磁頻譜”［5］。2020年5月，美參聯會發布《JP 3-85：聯合電磁頻譜作戰》條令，明確定義“電磁頻譜優勢”［6-7］。2022年2月，俄烏戰爭爆發，雙方在電磁頻譜領域的攻防對抗，影響著戰爭走勢［8］。

圖2 戰爭手段發展演變

3 電磁頻譜的應用特性

電磁頻譜資源寶貴，地位重要，而且是未來信息化和智能化研發應用的核心基礎支撐。電磁頻譜具有以下應用特性。

1）有限性

理論上電磁頻譜從零至近無窮赫茲的頻譜資源均可利用。國際電聯目前規劃的微波段頻譜范圍是10 kHz～400 GHz，低于這一范圍進入音頻范圍，高于這一范圍進入光波范圍。且受認知和技術能力限制，可供開發使用的頻譜資源有限，約占68%，大多數軍民商用頻設備和系統都集中在6 GHz 以下，已趨于飽和，頻譜資源緊缺問題突出。

2）復用性

目前，除了航空無線電導航、遇險搜救、射電天文等業務用頻屬于“專屬專用”的使用方式外，其他約90%以上的頻段都由多種無線電業務共用。當大量電磁頻譜設備和系統集中使用時，會出現擁擠、互擾，“打架撞車”的現象。在合理高效的頻譜管控方案和用頻計劃前提下，充分利用電磁頻譜在時域、頻域、空域和碼域等多維特性，可運用時分復用、頻分復用、空分復用和碼分復用來解決相互干擾和多用戶使用問題。

3）節約性

電磁頻譜資源天然存在，固定有限，供需矛盾越來越突出，節約使用是其重要的內在要求：

①要省著用，夠用就行。電磁頻譜具有瞬時、非耗的特性，頻譜系統發揮作用時效快，也不存在耗損的問題，夠用即可。

②要科學規劃頻譜資源，避免低效利用，杜絕浪費，同時加快老舊系統更新換代，重新整合規劃，重新高效利用結余下的頻譜資源，如頻譜收舊新用、頻譜碎片整理和熔爐增效等。

③ 要創新思維，提高認知水平和技術能力，研發新的電磁頻譜利用技術和應用模式。應對日益擁擠的頻譜資源，采用頻譜共享技術，多個獨立實體在特定位置區域和時間中使用特定的頻段；依據新的應用需求，建立新的概念和系統，融合電磁頻譜與信息戰、賽博戰手段，重構電磁作戰戰術，創新電磁頻譜節約使用新模式。

4）適應性

隨著技術進步和電磁頻譜的廣泛開發利用，在任何時間域、頻率域和空間域上，單一設備工作的情形已不復存在，必然是多設備多系統同時工作，多種電磁信號同時存在。這些錯綜交織的電磁信號間存在著復雜的相互影響，不同的影響機理產生不同的影響效應。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，電磁頻譜裝備內部要具有良好的電磁兼容能力。因此，電磁頻譜裝備要在復雜的電磁環境下能保持良好工作性能，電磁頻譜環境適應性是其基本要求。

5）競爭掠奪性

某種意義上說，電磁頻譜開發利用呈現“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已較成熟，搶占優先使用權的競爭十分激烈。60 GHz 以上頻譜利用正在開發，“你追我趕，跑馬圈地”現象嚴重。衛星軌道頻率資源掠奪激烈空前，導航頻率、同步軌道頻率近80%被美西方和俄羅斯先期搶占。

電磁頻譜資源的爭奪本質上是國家利益和國家安全戰略制高點的爭奪。電磁頻譜是大國競爭博弈的必爭之域，也是平時、戰時交鋒最激烈最集中的領域，更是大國雄風充分角逐展示的舞臺。

6）協同性

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越突出。衛星、廣播、航空、通信等技術的發展都對電磁頻譜需求迫切，國家、集團間電磁頻譜掠奪、爭搶與對抗激烈，這就決定了電磁頻譜研發使用必須要統籌與協同，以應對多方面的問題與挑戰［9-10］。協同內容包括：規范用頻設備的使用頻段、發射功率、占用帶寬等參數要求；研發應用軍地頻譜管理信息交互系統、分布式電磁頻譜感知系統；從頂層設計提高各設備在聯合作戰條件下的適應能力，打造智能化、體系化、網絡化的“協同電磁感知網”等等。

為高效快速發展商業航天，2021年美國聯邦通信委員會提議為商用航天發射劃分專用頻段，以改變過去“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

隨著傳統計算機網絡的無線化，以及傳統無線通信的網絡化和各類電磁頻譜系統的一體化、網絡化，電磁頻譜作為一個獨特的媒介空間，把空、天、網絡和電磁空間廣泛緊密地深度交織融合在一起。2020年10月，美國防部發布的《電磁頻譜優勢戰略》，明確指出“電磁頻譜不是軍事作戰的一個獨立域，因為電磁頻譜與聯合條令中所確定的那些作戰域是不可分割的”（電磁頻譜的跨域使用示意圖如圖3 所示）［11］。戰場用頻設備網絡化在很大程度上決定了網絡戰必須通過電磁頻譜實現。電磁頻譜信息網絡作為橋梁紐帶的全域作戰樣式，正在深刻地改變戰爭形態。空、天、網絡空間與電磁空間的有機融合，正在深刻地影響著人們生產生活方式乃至整個人類文明進步。

圖3 美國國防部對電磁頻譜的跨域使用

8）機動性

機動性是電磁頻譜研發應用的一個顯著特征，它是一種獨特的能力，就是在時間、空間和電磁頻譜參數等多個維度進行移動和調整變化的能力。美《電磁頻譜優勢戰略》中指出“電磁作戰環境是一個機動空間”，并以“電磁頻譜內的行動自由”作為電磁頻譜作戰的戰略目標［11］。電磁頻譜內行動自由的重要能力就是電磁頻譜的機動能力。電磁機動的關鍵技術包括：多功能電磁傳感器；多功能電磁干擾系統；開放架構設計；高速、實時、可重構；軟件定義功能；敏捷演進；人工智能自主操作等等。電磁機動是獲取電磁頻譜優勢，實施馬賽克戰和殺傷網理論的核心能力技術支撐。

4 結束語

人類對電磁頻譜的研究探索和開發利用大大推動了人類對自然的認知和人類文明的進步。本文從天然特性、社會特性、應用特性出發，細致地闡述了電磁頻譜的各項特性。在信息時代，占有、管理、利用好電磁頻譜資源，發揮電磁頻譜的優勢，對工業技術、民生應用、軍事行動等方面的進步均有重大意義。■