无线电波

无线电波（Radio Waves），又称为无线电、无线电磁波、电磁波^[2]，是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。通常频率在3000GHz以下，而频率在3000GHz附近的电磁波既可视为无线电波，亦可视为光波^[1][5]。

无线电波的传播不必依赖传输媒质，即可以像光波一样在真空中进行传播。^[2]无线电波是横波，即电场和磁场的方向都跟波的传播方向垂直，在无线电波中，各处的电场强度和磁感应强度的方向也总是互相垂直的，这样，它们总是互相切割，不断产生出新的电磁波向远方传播。^[6]无线电波在空间中的传播方式有直射、反射、折射、穿透、绕射（衍射）和散射。对应传播方式，无线电波有地波、天波和空间波之分，^[7]适合于不同波长无线电波的传播。无线电波按其波长可分为4个波段。与红外线邻近的波长最短的波段称微波（波长约1~10-4米），比微波的波长长的波段依次为短波（波长102~1米）、中波（波长103~102米）和长波（波长105~103米）。^[8]

1865年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦预言了无线电波的存在。1888年，德国物理学家海因里希·赫兹证明了它的存在。1894年，在英国牛津，人类第一次传送了无线电波。次年，意大利物理学家伽利尔摩·马可尼开发了第一套无线电传输系统。巴西牧师罗伯托·兰德尔·德莫拉在1900年完成了首次语音传输。1901年，第一条信息穿越了大西洋，从美国到达英国。1906年的平安夜，美国进行了第一次无线电广播，播放了第一首广播音乐，是汉德尔和广播员雷金纳德·范信达一起演奏的小提琴的录音。^[9][4][10]

人类利用无线电波的传输特性实现信息在空间的传输，发明无线电报、无线电广播、电视和移动电话等；利用无线电波的反射特性实现对目标的探测，发明雷达、无线电遥感遥测、无线电导航定位等技术；利用无线电波辐射的能量来烤熟食品，发明微波炉等^[1]。

1860年，麦克斯韦离开阿伯丁港前往伦敦皇家学院任教，在一年中要花9个月进行教学的同时进行电磁学领域的研究并做出许多成就。1864年，麦克斯韦向英国皇家学会递交电磁学论文，为证明电流产生电场和磁场的原理以及电场与磁场之间的关联性，他采用数学工具建立4个数学方程式，即“麦克斯韦方程”。通过该方程组在解释电磁感应现象的同时，提出光实质是一种电磁波的观点，首次将光学和电磁学联系在一起。^[11]

1887年，海因里希·鲁道夫·赫兹用他自己设计的实验装置证实电磁波的存在，并根据实验数据得出的波长以及电路的振荡频率算出电磁波的传播速度，从而揭开电磁波的真相。后来他又继续深入他的研究，用实验的方法观察到电磁波的折射、偏振、衍射等原本属于光的性质。1888年1月赫兹在他的论文《论动电效应的传播速度》中总结了他的实验发现，同时赫兹在电磁波实验过程还发现了光电效应。^[12][13]

英国人马可尼在1896年获得无线电报专利，并在两年后建起跨英吉利海峡的无线电报通信，无线电技术开始在各国迅速发展，这也标志着战争“无缝通信”时代的到来。^[13]

1893年夏天，特斯拉在密苏里州的圣路易斯全国电灯联合会做报告，展示了世上第一台高频振荡器——无线电发射机。报告中，他描述并演示了无线电通信的基本原理。1893-1894年，特斯拉作了一系列报告，详细阐述了无线电发送和接收方面的六项基本要求。^[14][15]

1895年6月，21岁的伽利尔摩·马可尼把无线电信号发送到了1.5英里外的地方，并于1896年来到伦敦发表了和特斯拉在1893年所做的一模一样的无线电报告。1897年9月2日，特斯拉的无线控制技术专利申请获得登记，编号为645576和649621。这是世界上最早的无线电技术蓝本。但为时已晚，公众都以为是马可尼在1895年取得了这一功绩，以至于马可尼在1909年因为“对无线电报发展的贡献”获得诺贝尔物理学奖。^{[16][17][18][19]}1901年12月12日，意大利发明家马可尼经过多次试验和长期探索，首次完成横渡大西洋的无线电波通信。^[4][10]

1906年的平安夜，美国进行了第一次无线电广播，播放了第一首广播音乐，是汉德尔和广播员雷金纳德·范信达一起演奏的小提琴的录音。^[9]

无线电波的产生、波动与传播，可用水波为例来说明：如果向一个平静的水面投入一个铁球，由于水的不可压缩性和流动性，铁球落人点位置的水，就被挤压而向四周扩散，使其外围1圈的水位逐渐抬高，相对外围2圈的水产生势能，该势能转化为动能使水继续向外围扩散释放，使2圈的水位也逐渐抬高，其势能再转变为动能继续向3圈扩散，这种势能与动能不断相互转换的过程，就形成了水波及其能量向外扩散传播的波动现象。^[2]

在传播方向上，水波是一个振幅逐渐降低的正弦波波形；在水波传播方向上的某个点会随时间上下垂直波动，符合正弦波的变化规律；同样在该位置上，势能与动能不断相互转换，沿传播方向上的速度也经历正弦波规律的波动变化。无线电波在空中的产生、波动与传播基本类似，只不过它是由电场与磁场或者电能与磁能的相互转换形成的，是电场E与同相振荡且相互垂直的磁场H在空中相互产生转换、波动而向外传播的过程（下图）。^[2]

在图1中，在O点沿x方向立一根导线，使一定频率的正弦交变电流流过该导线，在其周围就会产生一个变化的磁场，由于电磁感应，在磁场外围会产生或感应出一变化的电场，该电场又在其附近感应或激励出磁场，如此循环下去，就产生了一个通过波动不断向外辐射和传播的电磁波，也称为无线电波或电波。^[2]

发射天线或自然辐射源产生的无线电波，通过自然条件下的媒质或真空到达接收天线的过程，称为无线电波的传播，它是一种电磁能量的传播。与其他波动如声波、机械波等不同，电波的传播不必依赖传输媒质，即可以像光波一样在真空中进行传播，这是无线电波的重要特征之一。^[2]

因此在研究电磁波的传播特性时，为了方便常采用在自由空间（真空）传播的概念，定义为电导率为零、相对介电常数：和相对磁导率μ都恒为1的各向同性、均匀无耗介质空间，其介质特性与真空等效。电磁波在自由空间传播时，只有直线传播的扩散损耗，传播速度等于真空中的光速。^[2]

但实际的电磁波绝大多数是在存在着各种各样媒质的环境中传播的，这些媒质的电磁参数具有明显的不均匀性和随机性，使得通过它们的电磁波的传播特性发生了一定程度的随机变化，比如产生反射、折射、散射、绕射、色散和吸收等现象，并可能引起无线电信号的畸变。实际传播媒质对电波信号传播的影响主要表现在传输的吸收性损耗、相速变化、传播方向的改变、干扰和噪声等方面。^[2]

若传输媒质的特性随时间而产生随机变化，则称该媒质是随（机）参（量）的。电波在随参媒质中传播，会出现信号随时间的随机起伏，产生衰落现象。这种衰落可以是由电离层吸收作用的变化而产生的吸收型衰落，其变化一般较慢，周期是几分钟到几小时，甚至长达几个月，称为慢衰落；也可以是由电离层状态的随机变化导致路径实时改变，产生多径效应的干涉型衰落，其变化周期较短，通常在几分之一秒到几分钟之间，称为快衰落。不同频率信号的衰落情况不同，称之为选择性衰落。信号的衰落会造成信号失真，对于无线电通信和导航系统等，将严重影响其获取信息的准确性和可靠性。^[2]

若传播媒质对传播的影响与电波频率有关，则称媒质是色散的。电波在这种媒质中传播时，相速会发生变化，即不同频率的无线电信号传播的速度不同，当到达接收点时，信号将产生失真，已不再保持发射时各频率分量的正确相位关系，即出现了色散效应。在地球大气中，对流层对20GHz以上、电离层对30MHz以下的无线电波分别存在色散效应。另外，由于多径传输时的多相位现象，在最大和最小延迟差与信号的带宽可比拟时，也会使信号波形产生明显的畸变。^[2]

若传播空间存在不同特性的传输媒质，或媒质具有不均匀性，则称为非均匀媒质空间。无线电波在其中传播时，会产生折射、反射、绕射等现象，使传播方向发生改变。有时通信系统可以利用这个现象来增加电波传播的距离，但在无线电导航中也会造成对距离、角度或方位等参数测量的精度下降。^[2]

由于地球表面的起伏不平及大气对电波的多级折（反）射，电波会经由不同途径（信道）到达接收端，其传播距离、信号相移、衰减特性都不同，这时接收端信号的总和将是不稳定的起伏信号，将其称为多径干扰。另外，无线电波在空间传播时，地球大气中的带电微粒与之相互作用，也会对有用信号产生干扰和噪声，从而对信号的正确传播造成不利影响。^[2]

无线电波又可分为平面波、球面波和柱面波，点辐射源产生的电磁波即为球面波，直线辐射源产生的为柱面波，而到了无穷远处，球面波或柱面波的曲率变得很小，可近似视为平面波。无线电波的频率范围可从几Hz到3000GHz，对应的波长从几万km到0.1mm。按照频率范围的不同及其传播特性的差异，可将其划分为若干个波段，如下表所列。^[2]

注：分米波、厘米波和毫米波统称微波^[2]

波段波长频率主要用途长波30000~3000m10-100kHz电报通信中波3000~200m100-1500kHz无线电广播中短波200~50m1500-6000kHz电报通信、无线电广播短波50~10m6~30MHz电报通信、无线电广播超短波（m波）10~1m30~300MHz无线电广播、电视、导航微 波分米波1~0.1m300~3000MHz电视、雷达、导航、 接力通信及其他专门用途厘米波0.1~0.01m3~30GHz毫米波0.01~0.001m30~300GHz参考资料^[20]

无线电波按其波长可分为4个波段。与红外线邻近的波长最短的波段称微波（波长约1~10-4米），比微波的波长长的波段依次为短波（波长102~1米）、中波（波长103~102米）和长波（波长105~103米）。在实际使用中，不同波段的无线电波的传播方式和应用领域等各不相同。^[8]

无线电波在空间中的传播方式有直射、反射、折射、穿透、绕射（衍射）和散射。无线电波由天线辐射出去后，向各方向传播，有的沿地表面传播；有的射向天空，靠电离层反射传播；有的像光线一样在空间直线传播。^[7]自由空间中由于没有阻挡，电波传播只有直射，不存在其他现象。对于日常生活中的实际传播环境，由于地面存在各种各样的物体，使得电波的传播有直射、反射、绕射(衍射)等。另外，对于室内或列车内的用户，还有一部分信号来源于无线电波对建筑的穿透。这些都造成无线电波传播的多样性和复杂性。^[21]

在视距内可以看作无线电波在自由空间中传播。直射波传播损耗公式同自由空间中的路径损耗公式：PL=32.44+20lgf+20lgd。其中，PL为自由空间的路损，单位是dB；f为载波的频率，单位是MHz；d为发射源与接收点的距离，单位是km。^[21]

在电磁波传播过程中遇到障碍物，当这个障碍物的尺寸远大于电磁波的波长时，电磁波在不同介质的交界处会发生反射和折射。另外，障碍物的介质属性也会对反射产生影响。对于良导体，反射不会带来衰减；对于绝缘体，他只反射入射能量的一部分，剩下的被折射入新的介质继续传播；而对于非理想介质，电磁波贯穿介质，即穿透时，介质会吸收电磁波的能量，产生贯穿衰落。穿透损耗大小不仅与电磁波频率有关，而且与穿透物体的材料、尺寸有关。一般室内的无线电波信号是穿透分量与绕射分量的叠加，而绕射分量占绝大部分。所以，总的来看，高频信号（例如1800MHz）的室内外电平差比低频信号（800MHz）的室内外电平差要大。并且，低频信号进入室内后，由于穿透能力差一些，在室内进行各种反射后场强分布更均匀；而高频信号进入室内后，部分穿透又穿透出去了，室内信号分布就不太均匀，也就使用户感觉信号波动大。^[21]

在电磁波传播过程中遇到障碍物，这个障碍物的尺寸与电磁波的波长接近时，电磁波可以从该物体的边缘绕射过去。绕射可以帮助进行阴影区域的覆盖。^[21]绕射波是建筑物内部或阴影区域信号的主要来源。绕射波的强度受传播环境影响很大，且频率越高，绕射信号越弱。^[21]

在电磁波传播过程中遇到障碍物，这个障碍物的尺寸小于电磁波的波长，并且单位体积内这种障碍物的数目非常巨大时，会发生散射。散射发生在粗糙物体、小物体或其他不规则物体表面，如树叶、街道标识和灯柱等。^[21]

无线电波视距传播的一般形式主要是直射波和地面反射波的叠加，结果可能使信号加强，也可能使信号减弱。由于地球是球形的，受地球曲率半径的影响，视距传播存在一个极限距离R，它受发射天线高度、接收天线高度和地球半径影响。^[21]

无线电波超视距传播的一般形式有对流层反射波和电离层反射波：^[21]

对流层反射波

产生于对流层。对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少，这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。对流层反射方式应用于波长小于10m(即频率大于30MHz)的无线通信中。对流层反射波具有极大的随机性。^[21]

电离层反射波

当电波波长大于1m(即频率小于300MHz)时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃，因此这种传播用于长距离通信，同对流层一样，电离层也具有连续波动的特性。^[21]

由于移动终端的天线高度比较低，传播路径总是受到地形及人为环境的影响，使得接收信号大量地散射、反射或叠加。传播环境的复杂性体现在地形、人为建筑物、人为噪声干扰的多样性。例如，周围有树林的地形，树叶会造成无线电波大量散射。而对于城市环境，由街道两旁的高大建筑导致的波导效应，使得街道上沿着传播方向的信号增强，垂直于传播方向的信号减弱，两者相差可达10dB左右。另外，机动车的点火噪声、电力线噪声、工业噪声等人为噪声，都会对接收信号造成干扰。^[21]

无线电波是横波，即电场和磁场的方向都跟波的传播方向垂直，在无线电波中，各处的电场强度和磁感应强度的方向也总是互相垂直的，这样，它们总是互相切割，不断产生出新的电磁波向远方传播。^[6]

由于地面、高山、电离层等对各波段无线电波的吸收、反射、透射等性能的不同，无线电波在空间的传播通常采用3种传播分类：地波传播，天波传播和空间波传播。这3种传播分类，适合于不同波长无线电波的传播。长波一般采用地波传播。长波传播具有稳定性好、受干扰影响小、传播距离远等优点，超长波甚至能作环球传播。但长波需要庞大的天线设备，实际应用不多。通常只用于潜艇和远洋航行的通信等。中波可用天波与地波两种方式传播。白天由于电离层吸收作用较大，主要靠地波传播。晚上电离层吸收作用减少，天波传播可大大增加传播距离。所以，中波昼夜信号强度差别较大，不适合远距离通信，而常用于国内广播等。短波主要靠天波传播，经电离层和地面的多次连续反射，可传播到很远的地方。短波传播的最大缺点是不稳定，一般用作各种长、短距离的通信。超短波与微波的绕射能力差，又会穿透电离层，因此不适合地波或天波传播，只适合空间波传播，由于空间波传播的距离有限，为增加传播距离，可采取增高发射天线高度和接力通信等方法。^[8]

地波传播是无线电波沿地球表面附近空间的传播，传播时要求无线电波能绕过地球表面起伏不平的山峦，以及高低不一的建筑物等障碍物，这样才能传到较远的地方。当电磁波的波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波的衍射性能较好，即可绕过障碍物。因此，长波能很好地绕过几乎所有的障碍物，而中波还能较好地绕过不太大的障碍物，短波和微波的绕射能力就很差。由此可知，地波的传播方式是较适合于长波和中波的传播。^[8]

当地波沿地面传播时，也会被地面所吸收而损失部分能量。这种吸收与地面导电性能和波长有关。导电性能越好，波长越长吸收越小。由于海水导电性能好，因此，无线电波在海面上传播比在陆地上衰减少。由于地面的电性质在短时间内变化很小，因此，地波传播的优点是比较稳定、受干扰小。对长波来讲更是具有传播距离远的优点。^[8]

天波传播是无线电波通过电离层反射方式而进行的传播。地球的大气层一般可分为3层：离地面18千米以内，大气是互相对流的，称为对流层；离地面18~60千米的空间，气体对流现象减弱，称为平流层；离地面60~20000千米的范围，称为电离层。电离层只反射入射角较大的无线电波，使它经电离层的反射可传播到相当远的距离。^[8]

电离层反射特性还与无线电波的波长有关，长波、中波和短波都可以被电离层反射，波长越长，越容易反射。而微波和超短波基本上穿透电离层而不反射。当无线电波射入电离层后，在无线电波交变电磁场的作用下，电离层中的自由电子会作相应的振动，通过与正离子或中性原子的碰撞，使它们的无规则热运动加剧。这样无线电波的部分能量将转化为热能被损耗。电离层的这种吸收作用随自由电子密度或气体分子密度的增大和无线电波波长的增长而增大。因此，综合以上诸多因素，天波传播最适合于短波的传播，因为波长太短的超短波，电离层不反射；而对长波和中波，则电离层的吸收又太强。天波传播的最大缺点是传播不稳定。电离层气体的电离状况取决于太阳辐射的强弱，使其中自由电子的密度在一天中有很大的变化。这种不稳定情况在傍晚和黎明最为明显，如收听远地的电台，会发现原已调准的电台突然声音变小，继而听不清楚，称为“频率逃逸”现象。^[8]

空间波传播是无线电波像光那样沿直线的传播。由于地球近似是球体，因此，空间波是传不远的，传播的最远距离不能超过视线距离。无线电波除了直接从发射天线传播到接收天线外，也可以经地面反射而传到接收天线。因此，接收天线接收到的应是这两种波的合成波，但微波与超短波采用空间波传播，没有电离层反射。^[8]

空间波传播中的一个主要问题是大气吸收。大气对低于1000兆赫频率的无线电波的吸收非常微弱，但对于高于此频率的微波，吸收则明显增大，这是由于微波频率所相应的光子能量与大气中一些分子的转动能级的间距相接近，从而引起有选择性的共振吸收。因此，在微波通信中，选择微波的频率应避开会引起共振吸收的频率。如果在大气内有像雨、雾之类小水滴的话，则吸收将更为显著，这是因为水分子为有极分子。当有高频变化的电场存在时，会使这些分子朝电场方向偏转，并随电场的变化而转动。无线电波的频率越高，则转动越快，产生的热能也越多，从而对无线电波的吸收也越强。^[8]

无线电最早应用于航海中，使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。现在，无线电有着多种应用形式，包括无线数据网，各种移动通信以及无线电广播等。^[22]

无线电通信的技术原理是先改变导体中电流的强弱产生无线电波，然后通过调试将信息加载于无线电波之上。当无线电波被收信端接收时，就会引起电磁场变化而产生电流，人们通过解调，将信息从电流变化中提取出来，就达到了传递信息的目的。^[23]

无线电广播

根据将声音调制在无线电波上的不同，无线电波又分为调频波与调幅波两大类，调频波简称为FM，范围为87～108MHz。调幅波简称AM，可分为中波、短波、长波，相对应的英文简称为MW、SW、LW。现在世界上各个广播电台发射的无线电波有两种：一种叫调幅波，另一种叫调频波。能接收调幅波的收音机就叫调幅收音机，能接收调频波的收音机就叫调频收音机。调频广播抗干扰能力强，节目听起来要比调幅广播高音丰富、清晰、逼真。但调频广播不能做远距离广播用。调幅广播在我国只有中波和短波两个大波段的无线电广播。中波广播主要靠地波传播，也伴有部分天波；短波广播主要靠天波传播，近距离内伴有地波。短波传播距离远、经济方便，在通信和广播领域，短波传播很快超过了中波传播。调频制无线电广播多用超短波（甚高频）无线电波传送信号，使用频率为88~108MHz，主要靠空间波传送信号。^[22]

电视

通常的模拟电视信号采用将图像调幅，伴音调频并合成在同一信号中的方式传播。数字电视采用MPEG-2图像压缩技术，由此大约仅需模拟电视信号一半的带宽。^[22]

电话

移动电话是当前最普遍应用的无线通信方式。当前广泛使用的移动电话系统标准包括GSM、CDMA和TDMA等。运营商已经开始提供的5G移动通信服务。^[22]

数据传输

数字微波传输设备、卫星等通常采用正交幅度调制。QAM调制方式同时利用信号的幅度和相位加载信息，这样，可以在同样的带宽上传递更大的数据量。^[22]

蓝牙

蓝牙是一种短距离无线通信的技术。它可以支持便携式计算机、移动电话以及其他的移动设备之间相互通信进行数据和语音传输。蓝牙技术的最大好处是消除了电缆线。目前蓝牙技术的传输范围为10米左右，速率为1Mb/s，新标准出来后，可使传输范围达到100米。^[22]

无线电对讲机

无线电对讲机是用于发射和接收语音信息的双向无线电通信设备。每一部无线电对讲机包括一个发射器和一个接收器、一个麦克风和一个扩音器、一条天线和一组电源。手提式对讲机用电池作为电源，而车载式无线电可使用汽车电源。^[22]

业余无线电

业余无线电是无线电爱好者参与的无线电台通信。业余无线电台可以使用整个频谱上很多开放的频段。爱好者使用不同形式的编码方式和技术。有些后来商用的技术，比如调频、上边带调幅、数字分组无线电和卫星信号转发器，都是由业余爱好者首先应用的。^[22]

雷达

通过测量反射无线电波的延迟来推算目标的距离，并通过反射波的极化和频率感应目标的表面类型。^[22]

辨识

利用主动及被动无线电装置可以辨识以及表明物体身份。RFID，即射频识别，俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID广泛应用在物流、零售、仓储、交通、防伪、安防、医疗、军事等各个领域，我们常用的公交ID卡就属此类。^[22]

所有的卫星导航系统都使用装备了精确时钟的卫星。导航卫星播发其位置和定时信息。接收机同时接受多颗导航卫星的信号。接收机通过测量电波的传播时间得出它到各个卫星的距离，然后计算得出其精确位置。^[22]

通过射电天文望远镜接收到的宇宙天体发射的无线电波信号可以研究天体的物理、化学性质，这门学科叫作射电天文学。^[22]

加热

如微波炉利用高功率的微波对食物加热。^[22]

生物学应用

是一种能够对昆虫进行无线遥控的新技术。^[22]

动力

无线电波可以产生微弱的静电力和磁力。在微重力条件下，这可以被用来固定物体的位置。^[22]

宇航动力

有方案提出可以使用高强度微波辐射产生的压力作为星际探测器的动力。^[22]