自1901年義大利的無線電愛好者馬可尼發明無線電報以來，無線電技術飛速發展，從來就沒有停止前進的步伐。從早期的軍用雷達、電報，到後來人們熟知的短波、超短波通信、廣播電視、衛星導航、Wi-Fi無線網，以及當前的5G通信、物聯網、衛星網際網路、天地一體化通信等應用，都離不開無線電通信技術。可以說，無線電通信技術已經深入到人們日常生產生活的方方面面，為滿足人民群眾日益增長的物質文化需要發揮著不可替代的作用。
作為無線電應用的分支，業餘無線電通信也伴隨著無線電技術的發展一同成長。廣大業餘無線電愛好者在推動無線電通信技術的發展、研究和創新方面做出了巨大的貢獻。早在1914年，單邊帶傳輸理論發明後，業餘無線電愛好者就立即對其進行試驗，驗證了單邊帶通信技術的實際應用效果。1923年，他們利用法國和美國的幾個業餘無線電臺，使用當時被認為無用的短波頻段開展實驗，成功實現跨大西洋與歐洲的無線電通聯，開創了短波遠程無線電通信的先河，為全球短波廣播和通信奠定了基礎。我國的業餘無線電活動起步於上世紀20年代後期的萬國業餘無線電上海分會（IARAC），抗日戰爭爆發後，業餘無線電愛好者利用其技術特長為抗戰勝利做出了貢獻[1]。
業餘無線電是一種具有高科技含量的業餘愛好，以「體諒、忠誠、進取、友愛、適度、愛國」為自律準則，用最貼近人們生活、最有趣的方式，將通信技術帶入到人們的日常生活中。業餘無線電活動發展至今，內容豐富多彩、形式多種多樣，通過業餘無線電愛好者的積極參與，業餘無線電臺活動不但為國家培養了大量肯鑽研、能動手的無線電和電子技術人才，而且極大地推動了無線電技術在科學、經濟、教育和社會服務等領域的應用探索。
為了支持業餘無線電活動的開展，各國政府都在130kHz至250GHz頻段為業餘無線電業務劃分了專用頻段，提供頻率保障[1]，供業餘無線電愛好者進行自我訓練、相互通信和技術研究。業餘無線電愛好者指經主管部門正式批准的、對無線電技術有興趣的人，其興趣純系個人愛好，其活動不涉及謀取商業利潤。其使用的電臺稱為業餘無線電臺（Amateur Radio），俗稱火腿電臺（Ham Radio），指經過國家主管部門正式批准，用於業餘無線電通信業務的電臺。業餘無線電通信技術多種多樣，從通信內容上可分為語音模式、圖像模式、無線電報和數字通信等等；從調製方式方面可分為模擬調製（如SSB、FM等）和數字調製（如RTTY、PACKET、C4FM等）；典型的業餘無線電通信包括業餘衛星通信、月面反射通信（EME）、流星餘跡通信、散射通信、海島通信、競賽通信、野外通信和遠徵通信等；這些業餘無線電通信使用的頻率涵蓋短波、超短波、微波等[3]。其中，月面反射通信最具挑戰性，得到了廣泛的關注，吸引了不少業餘無線電愛好者開展相關研究和實驗。
一般性通聯
業餘無線電愛好者使用業餘電臺進行通信，可以只交換必要的信息，也可以討論技術。
業餘無線電應急通信
業餘無線電愛好者自行完成天線架設和電臺設置，在災害發生時以最小的代價迅速建立聯絡。
無線電競賽
個人或團隊在特定時間內在儘量多的頻段上尋找儘可能多的電臺，並建立通聯。
技術研究
開展對業餘通信裝備改進、傳播模型和通信模式仿真等技術研究，包括QRP小功率通信研究、V/UHF通信研究、月面反射通信（EME）和流星餘跡通信等。
青少年無線電知識科普
向青少年宣傳普及無線電科學及法律相關知識，提升對無線電頻譜資源的保護意識，提高對無線電的認知和興趣。
隨著業餘無線電技術的不斷普及和推進，業餘無線電活動對社會發展進步也有較大的推動作用，主要表現為以下幾個方面：
一是普及科學知識，培養技術能手。俗話說，興趣是最好的老師。大量業餘無線電愛好者正是因為「興趣」、「愛好」，才孜孜不倦地潛心鑽研科學技術，反覆開展實驗，有效普及了科學技術知識，湧現出一大批技術能手。他們不僅向人們展示了一種新穎的通信方式，更會對國內業餘無線電愛好者、對廣大青少年愛好者學習新知識、新技術所起到的激勵和推動作用，一定程度上為科技後備力量與軍事後備人員的儲備提供了保障[1]。
二是豐富應急通信手段，提升救災搶險能力。業餘無線電是應急通信一種重要的補充手段，在歷次重大突發事件應急通信中都發揮了重要的作用。我國業餘無線電在「5.12」汶川特大地震應急通信保障中發揮了積極作用，受到國際業餘無線電聯盟（IARU）的好評，美國無線電中繼聯盟（ARRL）理事會還將2008年ARRL人道主義獎授予中國業餘無線電愛好者[2]。
圖1.2 「5.12」汶川大地震中，業餘無線電愛好者提供應急通信支持三是有效提升通信裝備水平，不斷推進通信技術發展。業餘無線電從業人員積極參與到相關技術裝備的研究和改造等技術研究工作，成效顯著。2009年我國發射了一顆自主研發的業餘無線電衛星，名為「希望一號」，為廣大業餘無線電愛好者提供了一個開放的試驗平臺[3]。我國業餘無線電愛好者與北京理工大學合作研發的「北理工1號」衛星，於2019年7月成功發射，該衛星上搭載的新型空間電臺也向全世界業餘無線電愛好者提供了衛星信標和通聯平臺。
圖1.3 「希望一號」（左）和「北理工1號」（右）示意圖1.2 月面反射通信業餘無線電通信伴隨著無線電的發明而誕生，在推動無線電技術科學研究和工程實現方面發揮著十分重要的作用。其中，月面反射通信由於對無線電技術、通信收發設備、無線電知識和實際操作經驗有較高要求，非常具有挑戰性，常被稱為是業餘無線電通信的「明珠」，也吸引著全球的無線電愛好者廣泛的關注和極大興趣。
月面反射通信，簡稱EME（Earth-Moon-Earth Communication）通信，是一種利用月球作為反射面的超遠距離通信技術。
其基本原理是把月球作為無源反射面，在發射站將發射天線指向月球並發射無線電信號，在接收站接收被月球反射回地面的無線電信號，從而建立通信鏈路進行通信。
圖1.4 月面反射通信示意圖
業餘無線電愛好者首先可以利用無線電臺接收自身發射的脈衝信號被月球反射回來的「回聲」（時間大約為2.5秒），來嘗試初次通信和設備自檢。成功後就能與全球許多不同地區的的EME電臺進行通信。
月面反射通信並沒有廣泛地應用於我們實際的通信系統中，主要原因之一是由於作為反射面的月球與地球之間的所具有的位置關係、運動關係和傳輸鏈路的特殊性，導致該通信方式在實際的應用中存在著諸多限制和挑戰，是一種極富挑戰性的無線電通信技術。主要原因如下：
(1) 路徑傳輸損耗大
由於月球距離地球非常遠，約為380000km左右，因此無線電信號傳播路徑損耗特別大。例如，工作在144MHz頻段時，路徑損耗約為252dB；工作在10GHz頻段時，路徑損耗約為288dB。
(2) 月球反射效率低
由於月球的表面非常粗糙，對無線電信號反射效率較低。因此，只有極少量（約為7%）的信號被反射回地球。
(3) 天線跟蹤精度高
月球和地球存在實時相對運動(速度大約每小時15度)，因此收發天線必須跟蹤月球的精確位置。這就要求EME通信天線需要具備高指向角度自動控制操作的能力。
(4) 都卜勒頻移效應
月球和地球之間的相對運動導致無線電信號產生都卜勒頻移。例如，在月出或月落時，144MHz頻段的都卜勒頻移約為300Hz；10GHz頻段的都卜勒頻移可能會超過20KHz。由於EME通信中使用的信號帶寬非常窄，因此都卜勒頻移可能會對通信造成嚴重的影響。
(5) 法拉第旋轉效應
具有一定極化方式的無線電信號穿過地球電離層時，由於地球磁場對電信號的偏轉作用，會產生法拉第旋轉（例如，在432MHz頻段，信號極化可能會旋轉好幾圈）。大多數業餘無線電臺的天線採用線極化，因此極化旋轉會導致信號的極化衰減，導致接收信號強度的降低。
由於上述主要原因，使該技術的應用受到限制，往往只能用於無線電通聯，難以用於實際通信。雖然EME通信在實際使用中存在這麼多的挑戰，但是在理論上，它仍然是一種可以在技術上實現並在實際中得到使用的通信技術，尤其是對許多業餘無線電愛好者來說，更是經常使用的通信方式之一。可以說，EME通信非常具有技術挑戰性，並且離我們所熟知的各種通信方式也非常遙遠。另一方面，越是富有挑戰性、越是具有神秘感的技術，往往就越能激發業餘無線電愛好者的興趣和探索的樂趣。
由於通信路徑損耗巨大和月球反射效率很低，為實現通信聯絡，不但要求發射站具備很高的等效全向輻射功率（簡稱EIRP，是天線增益和發射功率之和），而且要求接收站具有極高的靈敏度。因此，早期用於EME通信電臺的技術門檻非常高，需要具備大型的天線系統、高發射功率和高靈敏度的接收系統。
今天，得益於先進的數位訊號處理技術、低噪聲放大器、信號編碼和調製技術，顯著地降低了對接收系統靈敏度的要求、發射系統的天線增益和發射功率的要求[4]。這使得越來越多的業餘無線電愛好者僅通過具備合適性能的電臺，就可以成功進行EME通信操作，並實現在全球許多國家之間進行長距離VHF/UHF通信。例如，目前全世界有數百名無線電業餘愛好者都在使用CW和JT65數字模式進行EME通信（EME最常用的頻率為144MHz頻段，在該頻段上在全球有1000多個業餘無線電臺），採用的典型天線僅僅是簡單的八木天線（天線的長度為5米，增益為21.8dBi）。
圖1.5 EME通信雙陣列八木天線（144 MHz頻段）1.3 月面反射通信歷史英國郵政總局的WJ Bray於1940年提出將月球用作無源通信衛星的設想，據他計算，利用可用的大功率微波發射設備和低噪聲接收器，可以將微波信號從地球上發射出去，並將它們從月球反射回來。他還認為可能至少有一個語音通道，通信時延為2.5秒[5]。但由於當時對氣象[6]、天體研究的欠缺，特別是電子器件的欠發達，導致月面反射通信只能用於有限的軍事用途。
第二次世界大戰期間，戰爭的需要極大的促進了雷達技術和無線通信技術的發展。為了滿足當時的遠程應急通信需求，美軍在1946年提出月面反射通信的概念和理論[5]。作為Diana計劃，在Zoltan Bay教授的帶領下，美軍在匈牙利使用110MHz頻段脈衝雷達發射源發射並成功接收到了來自月球反射的信號。
同期，業餘無線電愛好者們也活躍在這一新興技術上，1953年1月27日Bill Smith（W3GKP）和Ross Bateman（W4AO）開展了1次月面反射通信實驗，基於1kW的2m波段發射源和1個32單元天線陣，成功接收到了由月面反射的脈衝信號。
圖1.6 Bill Smith和Ross Bateman開展月面反射通信實驗1954年7月24日美軍完成了人類第一次月面反射語音通信[7]，由位於馬裡蘭州Stump Neck的海軍陸戰隊研究實驗室發送並接收了第一個從月面反射回地球的人類語音傳輸。
1960年第一次完成了在不同地點的民用業餘雙向月面反射通信[5][6]，月面反射通信才變得流行起來。此次通信是在Elimac Gang無線電俱樂部（W6HB，位於加利福尼亞州的聖卡洛斯）和Rhododendron Swamp超短波學會（W1BU/W1FZJ，位於馬斯康忻州）之間進行的，使用1296MHz頻段實現連續波通信交換。
1961年至1971年，美軍在試驗船（AGTRs）上搭建了TRSSCOMM月面反射通信系統，使用1.8GHz和2.2GHz頻率進行加密雙工通信。1961年12月15日午夜[7]，海軍作戰司令George W. Anderson和海軍陸戰隊研究實驗室主任R.M. Page博士通過月面反射通信，從馬裡蘭州Stump Neck向距其約2414公裡（1500英裡）的大西洋牛津號航空母艦發送了一條信息。這是美國海軍第一次成功地將地面站的信息傳送給船隻。
日本的業餘電臺也從70年代中期開始這項活動[8]，1975年9月JAIVDV曾使用430MHz頻段與美國西部WA6LET進行EME通信。同年8月九州久留米市JA6DR使用144MHz頻段與美國西部W6PO完成EME通信。
然而人造通信衛星的發展，使月面反射通信再度被忽略。直到最高輸出功率可以達到1500W及上世紀八十年代GaAs FET(砷化鎵場效應管)前置放大器的出現[9]，加之近年來由於災害頻發，各種應急通信方案的提出才再次把月面反射通信重新推上舞臺。1984年日本業餘無線電臺（JR4BRS）使用1296MHz與奧地利業餘無線電臺(OE9XX)成功地進行EME通信。
近些年，我國也有過一些月面反射通信實驗。清華大學的業餘電臺BY1QH在1997年10月19日，用144MHz（2m）頻段成功地和瑞典SM5FRH等業餘電臺進行了第一次雙向的EME聯絡，實現了我國業餘電臺在這一領域的突破[10]。2011年3月20日至31日[11]，由中國無線電協會業餘無線電分會（CRAC，The Chinese Radio Amateurs Club）組織的業餘無線電月面反射通信實驗（實驗電臺呼號：BJ8TA）在香格裡拉縣和雲南天文臺澄江撫仙湖太陽觀測站圓滿完成。此次實驗自20日至24日在香格裡拉進行，27日至31日在澄江進行。其中，澄江實驗使用了位于澄江撫仙湖太陽觀測站的11米拋物面天線，經過簡單的改裝後成為能接收和發射的雙向通信系統。該系統分別在144MHz（2m）頻段和432MHz（0.7m）頻段連續工作了4天，一共完成與德國、俄羅斯、荷蘭、瑞典、愛沙尼亞、保加利亞、法國、義大利、瑞士、西班牙、丹麥、芬蘭、日本、澳大利亞、斯洛伐克等國家業餘電臺的38次雙向通信。此次EME通信是業餘無線電愛好者首次與國家專業天文研究機構深度合作完成的通信實驗。
圖1.9 香格裡拉月面反射(EME)通信實驗組裝好的天饋系統美國等一些國家的業餘無線電組織還經常組織EME通信的國際比賽，我國的無線電業餘愛好者也有參加。
1.4 月面反射通信頻段在頻率使用方面，月面反射通信可使用21MHz至76GHz頻段的頻率資源[6]，月面反射通信常用頻段見表1.2。表1.2 月面反射通信常用頻段
序號
頻段
波長
1
50 MHz
6 m
2
144 MHz
2 m
3
432 MHz
70 cm
4
1296 MHz
23 cm
5
2320 MHz
13 cm
6
5760 MHz
6 cm
7
10 GHz
3 cm
其中，144MHz（2m）頻段是使用最廣泛的月面反射通信頻率[5]，儘管在50MHz（6m）頻段上進行月面反射通信已經非常成功，但龐大的天線陣列以及天空的背景噪聲對大多數人來說都是難以解決的困難，不過仍有許多狂熱的愛好者在此頻段上操作。432MHz（70cm）頻段是EME通信中第二個常用的頻段[12]，它比起144MHz（2m）頻段來說既容易又困難，安裝一個天線陣較容易，其頻率較高、就相同數量的振子單元來說，432MHz（70cm）頻段的天線更小巧，其次432MHz（70cm）頻段上信號傳播也相對容易，但仍需要較高的功率使其能到達月球。另一個較流行的頻段為1296MHz（23cm）頻段，這時所選用的天線是拋物面天線。只有少數人定期在2320MHz（13cm）頻段上通信，使用10GHz（3cm）頻段進行通信的就更少了。本章參考文獻
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[9] 業餘無線電的廣度 | 月面反射通信（EME）：與月亮對話的準備工作[EB/OL]，http://mp.163.com/v2/article/detail/EL0M6KF40511A108.html,2019年.
[10] 徐輝.走進業餘無線電[M].人民郵電出版社,2009年；
[11] 業餘無線電愛好者使用雲南天文臺11米射電望遠鏡圓滿完成月面反射通信實驗[EB/OL].http://www.kmb.ac.cn/kpyd/201105/t20110511_3131049.html,2011年.
[12] EME月球反射——業餘無線電通信新形式[EB/OL].http://bbs.imufu.cn/?mod=viewthread&tid=123760,2009年.
來源：國家無線電監測中心
作者：郝才勇 陳棋 錢肇鈞