电磁频谱基础
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S.F.Li BUPT 18
各种电磁波的频率范围
7
电磁频谱划分
S.F.Li
BUPT
20
电磁频谱划分
S.F.Li
BUPT
21
电磁波谱划分
S.F.Li
BUPT
22
电磁波的整个实验证明，不仅无线电波是电磁 波，光、X射线、γ射线也都是电磁波。它们的 区别仅在于频率或波长有很大差别。光波的频 率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比 无线电波的波长短很多；而X射线和γ射线的频 率则更高，波长则更短。为了对各种电磁波有 个全面的了解，人们按照波长或频率的顺序把 这些电磁波排列起来，这就是电磁频谱（波谱 ）。
S.F.Li BUPT 23
播放电磁频谱歌
无线电波是电磁波的一部分，其频率小 于3000GHz，但目前我国用频装备的使 用频率主要集中在300GHz以下，公众通 信主要在6GHz以下。无线电频谱是全部 无线电波频率的总和，是电磁频谱的一 部分。
S.F.Li
BUPT
24
无线电频谱的分类
根据无线电波不同的频率范围和特性， 将无线电频谱进行分类。表1-2给出了无 线电频谱的分类情况。 300~3000GHz频段目前还没有命名。
100~ 1000 m
1~ 10 km
10~ 100 km
100~ 1000 km
λ
10^3 ~ 10^4 km
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10^4 km 以上
频 率
f
3000 ~ 300 GHz
300 ~ 30 GH z
30 ~ 3 GHz
300 0~ 300 MH z
300~ 30 MHz
30~ 3 MHz
3000~ 300 kHz
S.F.Li BUPT 15
电磁频谱基础知识
动 画
S.F.Li
BUPT
16
电磁频谱基础知识
平面电磁波向前传播时，电场和磁场 同步变化，电场方向发生改变时，磁 场方向同时发生改变，而波的传播方 向不改变。
某时刻平面电磁波的波形如图 所示。
S.F.Li BUPT 17
电磁波根据频率的不同可以划分为很多形 式， 如无线电波、红外线波、可见光波 、紫外线波、X射线等，这些电磁波分别 使用不同的频率范围。电磁频谱就是这 些不同频率范围的电磁波的总称。表1-1 列举了一些常见的电磁波形式及其对应 的频率范围。
麦克斯韦的理论:在某一点上任何电场的变化（即电场强度发生变 化）都要在该点周围空间产生磁场，而且电场变化越快，所产生 的磁场强度也越大；同样，某一点磁场强度的改变也必定在该点 周围空间产生出电场，而且磁场变化越快，产生的电场强度也强。 1873年，德国物理学家赫兹用试验第一次证明了电磁波的存在。 他自制了一个能够产生电磁振荡的仪器，产生出电磁波，在离它 三公尺的地方，赫兹用一个简单的接受器接受到了这台仪器发出 的电磁波。于是全世界都相信电磁波的存在。
Y 电场强度 电磁波传播方向
电磁波的实质
X 磁场强度
Z
电磁频谱基础知识
电磁场理论告诉我们：交变电流在周围空间
会产生交变磁场，变化的电场和磁场是相互联 系着的；交变的电磁场能够脱离其产生的波源 向远处传播。这种在空间以一定速度传播的交 变电磁场，就称为电磁波。电磁波每秒钟内振 动（变化）的次数称为电磁波的频率，国际单 位制单位为Hz；每个周期内传播的距离，称为 电磁波的波长，国际单位制单位为m；每秒钟 传播的距离称为电磁波的速度，国际单位制单 位为m/s。
S.F.Li BUPT 30
无线电频谱的特性
4）非耗竭性 无线电频谱不同于土地、水、矿藏等非再 生或一类再生资源，它可以反复利用而 不被消耗。 5）易受污染性 无线电频谱易受到自然界噪声和人为噪声 的干扰，需要实施保护性管理。
S.F.Li BUPT 31
无线电频谱的特性
由于无线电频谱具有上述特性，因此用频单位 和个人必须按照国际电信联盟《无线电规则》 、《中华人民共和国无线电管理条例》及国家 、军队无线电管理的相关规定依法使用无线电 频谱。各种用频装备都有其指定的工作频段和 具体工作频率，如果擅自改变工作频率、工作 参数，不按照规定在非许可工作时间和工作空 域进行发射，就可能会对其他军用或民用设备 造成无线电干扰。
人们利用烽火台来传递敌人的信息 2000年前 1831年 1864年 1876年 1888年 1895年 1904年 1919年 1957年
声音通信：群居创造了语言，但传递距离 很有限。 烽火通信：为了使信息传得更远，利用光 和烟等，建造烽火台通报消息。
Hello ！
最古老的通信方式
第1阶段：电磁波的发现 电流 磁场
S.F.Li
BUPT
25
无线电频谱分类及其名称
10
无线电频谱分类及其名称
甚高频 VHF 30-300MHz 米波 10-1米（m）
微
波
特高频 超高频
极高频 至 高频
UHF SHF
EHF
300-3000MHz 3-30GHz
30-300GHz 300-3000 GHz
分米波 厘米波
毫米波 亚毫米波 或丝米波
S.F.Li BUPT 28
无线电频谱是一种特殊的自然资源。它的 特性是：
1）三维性 无线电频谱具有空间、时间和频率三维特性， 2）有限性：尽管在不同的空间或时间可以重 复使用同一频率，但就某一频段而言，它在一 定区域、一定时间内可能是非常有限和紧张的 ，必须进行科学的管理。
S.F.Li
BUPT
http://baike.baidu.com/view/15007.htm
无线广播
雷电
电视广播
生活中熟悉的通信系统
卫星广播
雷达辐射
通信系统 ？
微波炉
移动电视
移 动 通 信
4
BY T. LUO
BY T. LUO
通信系统：邮政通“信”系统
发信人
邮政通“信”系统
收信人
5
BY T. LUO
广播通信系统
10-1分米（dm） 10-1厘米（cm）
10-1毫米（mm） 1-0.1毫米（mm） 10-1丝米（dmm）
THF
S.F.Li
BUPT
27
无线电频谱基本属性
无线电频谱作为一种自然资源，与土地 、水、矿山、森林等自然资源一样，属 国家所有。《中华人民共和国物权法》 第五章第五十条和《中华人民共和国无 线电管理条例》第四条明确规定：“无 线电频谱资源属于国家所有”。 环境污染：水、气、声、噪、电磁环境 。
电磁环境——电磁频谱
李书芳 Tel. (010)62282138 E-Mail: lisf@bupt.edu.cn
几个基本概念1：物理
物理：事物的内在规律，事物的道理; 物理学（physics）：研究物质结构、物质相互作用和 运动规律的自然科学。是一门以实验为基础的自然科 学，物理学的一个永恒主题是寻找各种序（Orders）、 对称性（Symmetry）和对称破缺（Symmetrybreaking）、守恒律（Conservation laws）或不变性 （Invariance）。 力学：经典力学、理论力学、电动力学、量子力学 热学：热力学、统计物理学 百度百科搜索“物理”： 光学：几何光学、激光 http://baike.baidu.com/view/2505.htm 电学：电磁学及电动力学
信宿
广播 电台
信道
信宿
信宿
6 BY T. LUO
多址接入通信系统
终端
终端
信道
基站
终端
7
BY T. LUO
计算机通信系统/网络
8
BY T. LUO
通信发展简史
贝尔 莫尔斯 马可尼 法拉第 麦克斯韦 赫兹 苏联发射第一颗人造卫星
英国首次试行无线电广播
佛莱铭发明真空管 马可尼发明无线电报 赫兹证实电磁波的存在 贝尔发明电话 麦克斯韦提出电磁波的存在 法拉第发现电磁感应现象
信息（Information）：信息是要表示和传送的对象（内容）。 消息（Message）：消息是表示信息的媒体，象语言、文字、 图象、符号、声音等。 信号（Signal）：信号是消息的承载者，常常由消息变换而来， 它是与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，例如随 百度百科搜索“通信”： 着时间变化的电压（电流）。 3 BY T. LUO
这是二个波动方程
麦克斯韦Maxwell （－1879）
预言电磁波存在
奇妙的电磁波 无线电通信的奠基人
赫兹
12
BY T. LUO
1888年,德国人赫兹用这个火花产生电磁波的装置， 证明了人们怀疑与期待已久的电磁波存在。
电磁波理论
麦克斯韦
1865年，麦克斯韦首次提出了他的关于 电磁场的理论。在1873 年，他发表了划时代的著作——《电磁学研究》。它总结了前人 所发现的的电磁现象，指出彼此之间的联系，创立了完整的电磁 场理论，特别是他用十个数学方程式归纳了所发现的电磁现象。 他从所得的方程式中发现（预见）到有一种特殊的波存在，这种 波是由电场和磁场的振动引起的，麦克斯韦把它称做“电磁波”。
电场（或磁场）的变化快慢直接影响到所产生的磁场（或 电场）的强弱。当电场（或磁场）是均匀变化时由此而产 生的磁场（或电场）的强度也是恒定不变的；当电场（或 磁场）不均匀变化时，由此而产生的磁场（或电场）的强 度也随之发生改变。这样就导致一个现象：电场生磁场， 磁场生电场，所产生的电场又生产出新的磁场 ，新磁场又 生产出新电场• • • • • •所以就有了“电磁场”的出现。
BY T. LUO
2
几个基本概念1：信息与通信
通信（communication）：按照达成的协议，信息在人、 地点、进程和机器之间进行的传送。 通信（Telecommunication）：通信是以语言、图像、 数据为媒体，通过电(光)信号将信息由一方传输到另一 方，以实现信息的远距离传输与交换。通信技术是一 种产业，它生产的是一种信息在空间转移的效应。
29
无线电频谱的特性
3）共享性：
无线电频谱是一种共享性资源，任何国家和单 位都不可能将其拥为己有。由于无线电波的传 播不受行政区域限制等特点，任何一个国家、 地区或部门若随意使用无线电频谱，都可能干 扰其他国家、地区或部门对频率的使用，或者 反过来受到来自其他国家、地区或部门的干扰 ，必须实施有规则管理。
300~ 30 kHz
30~ 3 kHz
3000~ 300Hz
300~ 30 Hz
30 Hz 以下
频 段 名
至 高 频
极 高 频
超 高 频
特 高 频
甚 高 频
高 频
中 频
低 频
甚 低 频
特 低 频
超 低 频
极 低 频
35
S.F.Li
BUPT
S.F.Li
BUPT
36
中波和短波用于无线电广播和通信
S.F.Li BUPT 34
无线电波频（波）段的划分
波 段 名 波 长
亚 毫 米 波
毫 米 波
厘 米 波
分 米 波
微波
1~ 10 mm 1~ 10 cm 10 ~ 100 cm
超 短 波 射频波段
短 波
中 波
长 波
基 长 波
特 长 波
超 长 波
极 长 波
0.1~ 1 mm
1~ 10 m
10~ 100 m
微波用于电视和无线电定位技术（雷达）。
S.F.Li BUPT 37
公众无线通信频谱划分
GSM CDMA WCDMA TD-SCDMA TD-LTE 等
S.F.Li BUPT 38
公网频谱情况—移动通信频谱划分 情况
1820年 奥斯特 发现电流产生磁场
电场
安培
磁场
楞次
奇妙的电磁波 各自独立
1831年 法拉蒂 发现电磁感应现象
感应电流
11
感应电动势
BY T. LUO
动磁场
1864年
第2阶段：电磁波理论 涡旋电场、位移电流
电磁场不再独立
2E 2E 2E 2E 2H 2H 2H 2H 2 2 2 2 2 x y z t x2 y 2 z 2 t
S.F.Li BUPT 32
目前我国用频装备的使用频率主要集中 在300GHz以下，亦就是说用频装备主要 集中在无线电频谱内使用，因此在当前 及以后很长时间内，电磁频谱管理的主 体和重点仍然是无线电频谱管理。
S.F.Li
BUPT
33
无线电波波长为1m —— 30000m左右，换算 成频率：（10KHz~300000KHz）10000Hz — — 300000000Hz。 公式： c（波速，单位： m/s） =λ（波长，单位：m） 【电磁波谱】在空间传播着的交变电磁场，（ 即电磁波）。它在真空中的传播速度约为每秒 30万公里。无线电波、红外线、可见光、紫外 线、X射线、γ射线都是电磁波，不过它们的产 生方式不尽相同，波长也不 同，把它们按波长 （或频率）顺序排列就构成了电磁波谱。
各种电磁波的频率范围
7
电磁频谱划分
S.F.Li
BUPT
20
电磁频谱划分
S.F.Li
BUPT
21
电磁波谱划分
S.F.Li
BUPT
22
电磁波的整个实验证明，不仅无线电波是电磁 波，光、X射线、γ射线也都是电磁波。它们的 区别仅在于频率或波长有很大差别。光波的频 率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比 无线电波的波长短很多；而X射线和γ射线的频 率则更高，波长则更短。为了对各种电磁波有 个全面的了解，人们按照波长或频率的顺序把 这些电磁波排列起来，这就是电磁频谱（波谱 ）。
S.F.Li BUPT 23
播放电磁频谱歌
无线电波是电磁波的一部分，其频率小 于3000GHz，但目前我国用频装备的使 用频率主要集中在300GHz以下，公众通 信主要在6GHz以下。无线电频谱是全部 无线电波频率的总和，是电磁频谱的一 部分。
S.F.Li
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24
无线电频谱的分类
根据无线电波不同的频率范围和特性， 将无线电频谱进行分类。表1-2给出了无 线电频谱的分类情况。 300~3000GHz频段目前还没有命名。
100~ 1000 m
1~ 10 km
10~ 100 km
100~ 1000 km
λ
10^3 ~ 10^4 km
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10^4 km 以上
频 率
f
3000 ~ 300 GHz
300 ~ 30 GH z
30 ~ 3 GHz
300 0~ 300 MH z
300~ 30 MHz
30~ 3 MHz
3000~ 300 kHz
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电磁频谱基础知识
动 画
S.F.Li
BUPT
16
电磁频谱基础知识
平面电磁波向前传播时，电场和磁场 同步变化，电场方向发生改变时，磁 场方向同时发生改变，而波的传播方 向不改变。
某时刻平面电磁波的波形如图 所示。
S.F.Li BUPT 17
电磁波根据频率的不同可以划分为很多形 式， 如无线电波、红外线波、可见光波 、紫外线波、X射线等，这些电磁波分别 使用不同的频率范围。电磁频谱就是这 些不同频率范围的电磁波的总称。表1-1 列举了一些常见的电磁波形式及其对应 的频率范围。
麦克斯韦的理论:在某一点上任何电场的变化（即电场强度发生变 化）都要在该点周围空间产生磁场，而且电场变化越快，所产生 的磁场强度也越大；同样，某一点磁场强度的改变也必定在该点 周围空间产生出电场，而且磁场变化越快，产生的电场强度也强。 1873年，德国物理学家赫兹用试验第一次证明了电磁波的存在。 他自制了一个能够产生电磁振荡的仪器，产生出电磁波，在离它 三公尺的地方，赫兹用一个简单的接受器接受到了这台仪器发出 的电磁波。于是全世界都相信电磁波的存在。
Y 电场强度 电磁波传播方向
电磁波的实质
X 磁场强度
Z
电磁频谱基础知识
电磁场理论告诉我们：交变电流在周围空间
会产生交变磁场，变化的电场和磁场是相互联 系着的；交变的电磁场能够脱离其产生的波源 向远处传播。这种在空间以一定速度传播的交 变电磁场，就称为电磁波。电磁波每秒钟内振 动（变化）的次数称为电磁波的频率，国际单 位制单位为Hz；每个周期内传播的距离，称为 电磁波的波长，国际单位制单位为m；每秒钟 传播的距离称为电磁波的速度，国际单位制单 位为m/s。
S.F.Li BUPT 30
无线电频谱的特性
4）非耗竭性 无线电频谱不同于土地、水、矿藏等非再 生或一类再生资源，它可以反复利用而 不被消耗。 5）易受污染性 无线电频谱易受到自然界噪声和人为噪声 的干扰，需要实施保护性管理。
S.F.Li BUPT 31
无线电频谱的特性
由于无线电频谱具有上述特性，因此用频单位 和个人必须按照国际电信联盟《无线电规则》 、《中华人民共和国无线电管理条例》及国家 、军队无线电管理的相关规定依法使用无线电 频谱。各种用频装备都有其指定的工作频段和 具体工作频率，如果擅自改变工作频率、工作 参数，不按照规定在非许可工作时间和工作空 域进行发射，就可能会对其他军用或民用设备 造成无线电干扰。
人们利用烽火台来传递敌人的信息 2000年前 1831年 1864年 1876年 1888年 1895年 1904年 1919年 1957年
声音通信：群居创造了语言，但传递距离 很有限。 烽火通信：为了使信息传得更远，利用光 和烟等，建造烽火台通报消息。
Hello ！
最古老的通信方式
第1阶段：电磁波的发现 电流 磁场
S.F.Li
BUPT
25
无线电频谱分类及其名称
10
无线电频谱分类及其名称
甚高频 VHF 30-300MHz 米波 10-1米（m）
微
波
特高频 超高频
极高频 至 高频
UHF SHF
EHF
300-3000MHz 3-30GHz
30-300GHz 300-3000 GHz
分米波 厘米波
毫米波 亚毫米波 或丝米波
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无线电频谱是一种特殊的自然资源。它的 特性是：
1）三维性 无线电频谱具有空间、时间和频率三维特性， 2）有限性：尽管在不同的空间或时间可以重 复使用同一频率，但就某一频段而言，它在一 定区域、一定时间内可能是非常有限和紧张的 ，必须进行科学的管理。
S.F.Li
BUPT
http://baike.baidu.com/view/15007.htm
无线广播
雷电
电视广播
生活中熟悉的通信系统
卫星广播
雷达辐射
通信系统 ？
微波炉
移动电视
移 动 通 信
4
BY T. LUO
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通信系统：邮政通“信”系统
发信人
邮政通“信”系统
收信人
5
BY T. LUO
广播通信系统
10-1分米（dm） 10-1厘米（cm）
10-1毫米（mm） 1-0.1毫米（mm） 10-1丝米（dmm）
THF
S.F.Li
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无线电频谱基本属性
无线电频谱作为一种自然资源，与土地 、水、矿山、森林等自然资源一样，属 国家所有。《中华人民共和国物权法》 第五章第五十条和《中华人民共和国无 线电管理条例》第四条明确规定：“无 线电频谱资源属于国家所有”。 环境污染：水、气、声、噪、电磁环境 。
电磁环境——电磁频谱
李书芳 Tel. (010)62282138 E-Mail: lisf@bupt.edu.cn
几个基本概念1：物理
物理：事物的内在规律，事物的道理; 物理学（physics）：研究物质结构、物质相互作用和 运动规律的自然科学。是一门以实验为基础的自然科 学，物理学的一个永恒主题是寻找各种序（Orders）、 对称性（Symmetry）和对称破缺（Symmetrybreaking）、守恒律（Conservation laws）或不变性 （Invariance）。 力学：经典力学、理论力学、电动力学、量子力学 热学：热力学、统计物理学 百度百科搜索“物理”： 光学：几何光学、激光 http://baike.baidu.com/view/2505.htm 电学：电磁学及电动力学
信宿
广播 电台
信道
信宿
信宿
6 BY T. LUO
多址接入通信系统
终端
终端
信道
基站
终端
7
BY T. LUO
计算机通信系统/网络
8
BY T. LUO
通信发展简史
贝尔 莫尔斯 马可尼 法拉第 麦克斯韦 赫兹 苏联发射第一颗人造卫星
英国首次试行无线电广播
佛莱铭发明真空管 马可尼发明无线电报 赫兹证实电磁波的存在 贝尔发明电话 麦克斯韦提出电磁波的存在 法拉第发现电磁感应现象
信息（Information）：信息是要表示和传送的对象（内容）。 消息（Message）：消息是表示信息的媒体，象语言、文字、 图象、符号、声音等。 信号（Signal）：信号是消息的承载者，常常由消息变换而来， 它是与消息对应的某种物理量，通常是时间的函数，例如随 百度百科搜索“通信”： 着时间变化的电压（电流）。 3 BY T. LUO
这是二个波动方程
麦克斯韦Maxwell （－1879）
预言电磁波存在
奇妙的电磁波 无线电通信的奠基人
赫兹
12
BY T. LUO
1888年,德国人赫兹用这个火花产生电磁波的装置， 证明了人们怀疑与期待已久的电磁波存在。
电磁波理论
麦克斯韦
1865年，麦克斯韦首次提出了他的关于 电磁场的理论。在1873 年，他发表了划时代的著作——《电磁学研究》。它总结了前人 所发现的的电磁现象，指出彼此之间的联系，创立了完整的电磁 场理论，特别是他用十个数学方程式归纳了所发现的电磁现象。 他从所得的方程式中发现（预见）到有一种特殊的波存在，这种 波是由电场和磁场的振动引起的，麦克斯韦把它称做“电磁波”。
电场（或磁场）的变化快慢直接影响到所产生的磁场（或 电场）的强弱。当电场（或磁场）是均匀变化时由此而产 生的磁场（或电场）的强度也是恒定不变的；当电场（或 磁场）不均匀变化时，由此而产生的磁场（或电场）的强 度也随之发生改变。这样就导致一个现象：电场生磁场， 磁场生电场，所产生的电场又生产出新的磁场 ，新磁场又 生产出新电场• • • • • •所以就有了“电磁场”的出现。
BY T. LUO
2
几个基本概念1：信息与通信
通信（communication）：按照达成的协议，信息在人、 地点、进程和机器之间进行的传送。 通信（Telecommunication）：通信是以语言、图像、 数据为媒体，通过电(光)信号将信息由一方传输到另一 方，以实现信息的远距离传输与交换。通信技术是一 种产业，它生产的是一种信息在空间转移的效应。
29
无线电频谱的特性
3）共享性：
无线电频谱是一种共享性资源，任何国家和单 位都不可能将其拥为己有。由于无线电波的传 播不受行政区域限制等特点，任何一个国家、 地区或部门若随意使用无线电频谱，都可能干 扰其他国家、地区或部门对频率的使用，或者 反过来受到来自其他国家、地区或部门的干扰 ，必须实施有规则管理。
300~ 30 kHz
30~ 3 kHz
3000~ 300Hz
300~ 30 Hz
30 Hz 以下
频 段 名
至 高 频
极 高 频
超 高 频
特 高 频
甚 高 频
高 频
中 频
低 频
甚 低 频
特 低 频
超 低 频
极 低 频
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BUPT
S.F.Li
BUPT
36
中波和短波用于无线电广播和通信
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无线电波频（波）段的划分
波 段 名 波 长
亚 毫 米 波
毫 米 波
厘 米 波
分 米 波
微波
1~ 10 mm 1~ 10 cm 10 ~ 100 cm
超 短 波 射频波段
短 波
中 波
长 波
基 长 波
特 长 波
超 长 波
极 长 波
0.1~ 1 mm
1~ 10 m
10~ 100 m
微波用于电视和无线电定位技术（雷达）。
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公众无线通信频谱划分
GSM CDMA WCDMA TD-SCDMA TD-LTE 等
S.F.Li BUPT 38
公网频谱情况—移动通信频谱划分 情况
1820年 奥斯特 发现电流产生磁场
电场
安培
磁场
楞次
奇妙的电磁波 各自独立
1831年 法拉蒂 发现电磁感应现象
感应电流
11
感应电动势
BY T. LUO
动磁场
1864年
第2阶段：电磁波理论 涡旋电场、位移电流
电磁场不再独立
2E 2E 2E 2E 2H 2H 2H 2H 2 2 2 2 2 x y z t x2 y 2 z 2 t
S.F.Li BUPT 32
目前我国用频装备的使用频率主要集中 在300GHz以下，亦就是说用频装备主要 集中在无线电频谱内使用，因此在当前 及以后很长时间内，电磁频谱管理的主 体和重点仍然是无线电频谱管理。
S.F.Li
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无线电波波长为1m —— 30000m左右，换算 成频率：（10KHz~300000KHz）10000Hz — — 300000000Hz。 公式： c（波速，单位： m/s） =λ（波长，单位：m） 【电磁波谱】在空间传播着的交变电磁场，（ 即电磁波）。它在真空中的传播速度约为每秒 30万公里。无线电波、红外线、可见光、紫外 线、X射线、γ射线都是电磁波，不过它们的产 生方式不尽相同，波长也不 同，把它们按波长 （或频率）顺序排列就构成了电磁波谱。