無(wú)線電工作原理

無(wú)線電工作原理

看不見的無(wú)線電波通?？缭綌?shù)百萬(wàn)公里的距離在空中傳送音樂(lè)、談話、圖片和數(shù)據(jù)——這種無(wú)線電波每天都以成千上萬(wàn)種不同的方式進(jìn)行！ 雖然無(wú)線電波對(duì)人而言是看不見且完全不被察覺(jué)的，但它們卻完全改變了整個(gè)社會(huì)。 無(wú)論是我們談?wù)摰?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/107/" target="_blank">手機(jī)、嬰兒監(jiān)護(hù)器、無(wú)繩電話，還是成千上萬(wàn)種其他無(wú)線技術(shù)中的任何一種，它們都是通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行通信的。

下面是基于無(wú)線電波的一些常見技術(shù)：

AM和FM無(wú)線電廣播
無(wú)繩電話
車庫(kù)門遙控器
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
遙控玩具
電視廣播
手機(jī)
GPS接收器
業(yè)余無(wú)線電
衛(wèi)星通信
警用無(wú)線電
無(wú)線電控制時(shí)鐘
還有很多很多…… 甚至像雷達(dá)和微波爐也是靠無(wú)線電波工作的。 像通信和導(dǎo)航衛(wèi)星這些設(shè)備如果離開了無(wú)線電波就將無(wú)法工作，現(xiàn)代航空領(lǐng)域也是一樣 -- 飛機(jī)要依靠十多種不同的無(wú)線電系統(tǒng)來(lái)工作。當(dāng)前流行的無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)也使用了無(wú)線電，這意味著將來(lái)的生活會(huì)更加方便！
有趣的是作為核心技術(shù)的無(wú)線電卻是一項(xiàng)簡(jiǎn)單得令人難以置信的技術(shù)。 使用幾個(gè)最多價(jià)值一到兩美元的電子元件，就可以制造出簡(jiǎn)單的無(wú)線電發(fā)射器和接收器。 為什么如此簡(jiǎn)單的東西卻能夠成為當(dāng)今世界的技術(shù)基石，探索這一過(guò)程是非常有趣的。

在本文中，我們將探索無(wú)線電技術(shù)，以便使您完全能夠理解看不見的無(wú)線電波是如何使如此多的事情成為可能的。

無(wú)線電簡(jiǎn)單得令人難以置信，大約在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，正是因?yàn)檫@種簡(jiǎn)單使得幾乎所有人都可以進(jìn)行早期的實(shí)驗(yàn)。那么它到底有多簡(jiǎn)單呢？請(qǐng)看下面的示例：

• 拿一個(gè)新的9伏電池和一個(gè)硬幣。
• 找出一臺(tái)AM收音機(jī)，調(diào)到只能聽到靜音的刻度位置。
• 然后拿著電池靠近天線，并用硬幣迅速敲打電池兩端（這樣可在一瞬間將它們連接起來(lái)）。
• 您會(huì)從收音機(jī)中聽到噼啪聲，這是由硬幣的接通和斷開而產(chǎn)生的。

電池與硬幣的組合就構(gòu)成了一個(gè)無(wú)線電發(fā)射器！ 它不能傳輸任何有用的信息（只是靜電），也不能傳輸很遠(yuǎn)的距離（僅僅是幾厘米，因?yàn)闆](méi)有針對(duì)距離作出優(yōu)化）。但是如果使用這種靜電敲出摩爾斯電碼，事實(shí)上您就可以利用這種原始的裝置和幾厘米之外的人進(jìn)行通信！

如果想做得稍微精巧一些，可以使用一個(gè)金屬銼刀和兩段導(dǎo)線。將銼刀的柄和9伏電池的一端連接起來(lái)。將另外一根導(dǎo)線和電池的另一端相連，然后將導(dǎo)線的自由端在銼刀上來(lái)回刷動(dòng)。如果是在黑暗中做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)導(dǎo)線的一端與銼刀連接和斷開的時(shí)候就能夠看到微弱的9伏電火花沿著銼刀延伸。拿著銼刀靠近AM收音機(jī)，還會(huì)聽到大量的靜電聲。
早期的無(wú)線電學(xué)中，發(fā)射器稱為火花線圈，在高壓下（例如2萬(wàn)伏電壓）可產(chǎn)生連續(xù)的電火花流。高壓下產(chǎn)生大量的火花就像在火花塞中看到的一樣，而它們能夠傳播更遠(yuǎn)的距離?，F(xiàn)在，像那樣的發(fā)射器是非法的，因?yàn)樗加昧苏麄€(gè)無(wú)線電頻譜，但是在早期，由于使用無(wú)線電波的人不多，這使得它得到普遍應(yīng)用并工作得很好。

我們假設(shè)拿著另外一根導(dǎo)線并平行地放置在距離電池上那根導(dǎo)線5厘米的地方。 如果在這根導(dǎo)線上連接了一個(gè)非常敏感的電壓計(jì)，那么會(huì)發(fā)生下面的情況： 每次將第一根導(dǎo)線從電池上連接和斷開的時(shí)候，可以發(fā)現(xiàn)第二根導(dǎo)線上電壓和電流有微小的變化，任何變化的磁場(chǎng)都能夠在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電場(chǎng)——這就是發(fā)電機(jī)的基本原理。 因此：

• 電池在第一根導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生電流。
• 移動(dòng)的電子在導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。
• 磁場(chǎng)延伸出來(lái)到達(dá)第二根導(dǎo)線。
• 第一根導(dǎo)線中的磁場(chǎng)變化時(shí)，第二根導(dǎo)線中的電子就開始流動(dòng)。

值得注意的是，僅僅在連接和斷開電池的時(shí)候第二根導(dǎo)線中才有電流。只有在磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)才會(huì)在導(dǎo)線中產(chǎn)生電流。接通和斷開電池時(shí)改變了磁場(chǎng)（接通電池產(chǎn)生磁場(chǎng)而斷開時(shí)磁場(chǎng)消失），因此第二根導(dǎo)線只在這兩個(gè)瞬間才可產(chǎn)生電流。

要制作一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線電發(fā)射器，您需要做到的就是在導(dǎo)線中制造出快速變化的電流。您可以通過(guò)迅速接通和斷開電池而做到這一點(diǎn)，如下：

連接電池時(shí)，導(dǎo)線中的電壓是1.5伏，斷開時(shí)，電壓是0伏。 通過(guò)迅速接通和斷開電池，形成一個(gè)在0-1.5伏之間變化的方波。

更好的方法是在導(dǎo)線中形成連續(xù)變化的電流。 最簡(jiǎn)單的（也是最平滑的）連續(xù)變化的波形是正弦波，如下圖所示：

正弦波在兩個(gè)電壓之間平滑振蕩，例如，在10伏和-10伏之間。

形成正弦波并使其在導(dǎo)線中流動(dòng)，這就制造出了簡(jiǎn)單的無(wú)線電發(fā)射器。形成正弦波非常簡(jiǎn)單，只需要使用幾個(gè)電子元件——一個(gè)電容器和一個(gè)電感器就能夠制造出正弦波，通過(guò)幾個(gè)晶體管將電波放大成強(qiáng)大的信號(hào)（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見振蕩器工作原理，此處是一個(gè)簡(jiǎn)單的晶體管原理圖）。通過(guò)把信號(hào)傳送到天線上，就可以向空中發(fā)射正弦波。

頻率:正弦波的一個(gè)特征就是其頻率。正弦波的頻率是指一秒鐘內(nèi)上下振蕩的次數(shù)。收聽AM無(wú)線廣播時(shí)，收音機(jī)通常會(huì)調(diào)到每秒1百萬(wàn)周期的正弦波頻率上（每秒周期就是眾所周知的赫茲）。 例如，AM刻度上的680是指每秒68萬(wàn)周期。 FM無(wú)線電信號(hào)工作在1億赫茲范圍內(nèi)，因此FM刻度上的101.5指的是發(fā)射器產(chǎn)生的每秒1億150萬(wàn)周期的正弦波。

如果有正弦波信號(hào)和通過(guò)天線向空間發(fā)射正弦波的發(fā)射器，那么就有了一個(gè)無(wú)線電臺(tái)。 唯一的問(wèn)題是此正弦波不包含任何信息。 我們需要通過(guò)某種方法調(diào)制此電波，將信息編碼到電波中。正弦波的調(diào)制有三種常用方法：

• 脈沖調(diào)制 (PM)——PM方式下，只需簡(jiǎn)單地開關(guān)正弦波。這是一種發(fā)送摩爾斯式電碼的簡(jiǎn)易方式。PM調(diào)制不太常見，但是有一個(gè)很好的實(shí)例就是美國(guó)的一種向無(wú)線電控制時(shí)鐘發(fā)射信號(hào)的無(wú)線電系統(tǒng)。一臺(tái)PM發(fā)射器就能夠覆蓋整個(gè)美國(guó)。

• 調(diào)幅 (AM)——AM無(wú)線電臺(tái)和電視信號(hào)中的圖像部分都是使用調(diào)幅來(lái)編碼信息的。在調(diào)幅中，正弦波的幅度（峰谷到峰頂之間的電壓）是變化的。 例如，一個(gè)人的說(shuō)話聲音產(chǎn)生的正弦波疊加到發(fā)射器的正弦波上就使其幅度發(fā)生了變化。

• 調(diào)頻 (FM)——FM無(wú)線電臺(tái)和數(shù)以百計(jì)的無(wú)線電技術(shù)（包括電視信號(hào)、無(wú)繩電話、手機(jī)等）都是使用調(diào)頻的。 調(diào)頻的優(yōu)點(diǎn)是很大程度上不受靜電影響。在調(diào)頻中，發(fā)射器正弦波的頻率根據(jù)信息信號(hào)產(chǎn)生微小變化。

如果您會(huì)使用正弦波調(diào)制信息，您就可以傳輸信息了。

下面是生活中的實(shí)例。 將汽車上的AM收音機(jī)調(diào)到某個(gè)臺(tái)——例如，AM刻度680——發(fā)射器的正弦波就以68萬(wàn)赫茲的頻率傳輸（正弦波以每秒68萬(wàn)周期重復(fù)）。 DJ的聲音通過(guò)改變發(fā)射器的正弦波振幅而調(diào)制到載波上面。 對(duì)于大型調(diào)幅電臺(tái)，放大器可以將信號(hào)放大到大約5萬(wàn)瓦。 然后天線將無(wú)線電波發(fā)送到空中。

那么汽車上的AM收音機(jī)（接收器）又是如何接收發(fā)射器發(fā)送的68萬(wàn)赫茲信號(hào)，并從中提取有用信息（DJ的聲音）的呢？ 步驟如下：

• 除非你正好坐在發(fā)射器的旁邊，否則收音機(jī)接收器都需要天線來(lái)接收發(fā)射器發(fā)射到空中的無(wú)線電波。AM天線只是簡(jiǎn)單的一根導(dǎo)線或金屬棍，用于增加發(fā)射器的電波可以接觸到的金屬的面積。
  
• 收音機(jī)接收器需要調(diào)諧器。天線可以收到數(shù)千種正弦波。調(diào)諧器的任務(wù)就是從天線接收到的數(shù)千種無(wú)線電信號(hào)中分離出某一種正弦波。在這個(gè)例子中，調(diào)諧器調(diào)到接收68萬(wàn)赫茲的信號(hào)。

  調(diào)諧器是利用共振原理工作的。也就是說(shuō)，調(diào)諧器與某特定頻率發(fā)生共振并將其放大，而忽略空中其他所有頻率。 使用一個(gè)電容器和一個(gè)電感器很容易就可以制造一個(gè)共振器（請(qǐng)參閱振蕩器工作原理，了解電感器和電容器如何一起工作構(gòu)成一個(gè)調(diào)諧器）。

• 調(diào)諧器使收音機(jī)只接收某一個(gè)頻率的正弦波（本例中是68萬(wàn)赫茲）。 現(xiàn)在收音機(jī)需要從正弦波中提取DJ的聲音。這通過(guò)收音機(jī)中稱為檢波器或解調(diào)器的部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。本例的AM收音機(jī)中，檢波器是由稱為二極管的電子元件構(gòu)成。 二級(jí)管使一個(gè)方向的電流流過(guò)，而阻止另一個(gè)方向的電流，因此截掉了電波的一半，如下所示：

• 然后收音機(jī)放大經(jīng)過(guò)剪切的信號(hào)，并發(fā)送到揚(yáng)聲器（或者是耳機(jī)）。放大器由一個(gè)或多個(gè)晶體管組成（更多的晶體管意味著更大的放大倍數(shù)，因此揚(yáng)聲器的音量也就越大）。

從揚(yáng)聲器里聽到的就是DJ的聲音。

在FM收音機(jī)中，只有檢波器是不同的，其他都是相同的。FM收音機(jī)中，檢波器將頻率變化轉(zhuǎn)變?yōu)槁曇?，但天線、調(diào)諧器和放大器基本是相同的。

在強(qiáng)AM信號(hào)的情況下，只需要用兩個(gè)部件和一些導(dǎo)線就能夠制作一個(gè)無(wú)線電接收器。步驟非常簡(jiǎn)單——以下就是需要的元件：

• 二級(jí)管——只需花大約1美元就可以在Radio Shack連鎖店買一個(gè)二極管。 部件號(hào)為276-1123的就可以。
• 兩根導(dǎo)線——需要大約15-20米長(zhǎng)的導(dǎo)線。Radio Shack部件號(hào)為278-1224最好，不過(guò)其實(shí)任何導(dǎo)線也可以。
• 小金屬樁用于接地（或者發(fā)射器附近有防護(hù)軌或金屬柵欄也可以利用）。
• 晶體耳機(jī)——不幸的是Radio Shack不單獨(dú)賣。 但是，Radio Shack出售晶體收音機(jī)套件（部件號(hào)28-178），包含有耳機(jī)、二極管、導(dǎo)線和調(diào)諧器（不用緊挨著發(fā)射器就可以使設(shè)備工作），總價(jià)為10美元。

現(xiàn)在需要找到AM無(wú)線電發(fā)射塔并還要在其附近（即1.6公里范圍內(nèi)），這樣才能使設(shè)備正常工作。 您可按以下步驟去做：

• 將金屬樁接地，或者找到金屬柵欄。剝掉3米長(zhǎng)導(dǎo)線末端的絕緣層，并將其纏繞10圈綁在樁/欄桿上以確保牢固連接。這是地線。

• 將二極管連接在地線的另一端。

• 再取另一根導(dǎo)線，3-6米長(zhǎng)，將其一端接到二極管的另外一端上。這根導(dǎo)線是作為天線的。要將其放在地上或掛在樹上，但必須保證裸露的一端不能接觸到地面。

• 將耳塞的引線連接到二極管的任一端，如圖所示：

此時(shí)，如果將耳塞放到耳朵里，就可以聽到無(wú)線電臺(tái)了——這可能就是最簡(jiǎn)單的無(wú)線電接收器了！如果距離電臺(tái)很遠(yuǎn)，則這一超級(jí)簡(jiǎn)單的項(xiàng)目將無(wú)法工作，但是它至少說(shuō)明了無(wú)線電接收器可以做到如此簡(jiǎn)單。

下面介紹它的工作原理。您剛才所用的天線接收所有的無(wú)線電信號(hào)，但是由于距離某個(gè)發(fā)射器非常近，所以這一點(diǎn)無(wú)關(guān)緊要。 附近的信號(hào)以數(shù)百萬(wàn)倍的強(qiáng)度壓制了任何其他信號(hào)。 因?yàn)榫嚯x發(fā)射器足夠近，天線同樣也接收到大量的能量——這些能量足夠驅(qū)動(dòng)耳機(jī)！ 因此，不需要調(diào)諧器或電池或任何其他東西。如前所述，二極管充當(dāng)了AM信號(hào)檢波器的角色。 因此盡管缺少調(diào)諧器和放大器，您還是能夠聽到電臺(tái)發(fā)射的聲音！

Radio Shack出售的晶體收音機(jī)套件 (28-178) 包含兩個(gè)額外部件：電感器和電容器。這兩個(gè)部件可以組成調(diào)諧器，擴(kuò)大無(wú)線電接收頻率范圍。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見振蕩器工作原理。

您可能注意到幾乎所有您知道的無(wú)線電設(shè)備（例如手機(jī)、汽車收音機(jī)等）都有一根天線。天線有不同的形狀和尺寸，這取決于天線要接收到的頻率。天線各式各樣，從一根長(zhǎng)、硬的導(dǎo)線（如大多數(shù)汽車上的AM/FM收音機(jī)的天線），到一些奇形怪狀的東西如衛(wèi)星圓盤天線。 無(wú)線電發(fā)射器也可使用極高的天線塔來(lái)發(fā)送信號(hào)。
無(wú)線電發(fā)射器中天線的作用就是將無(wú)線電波發(fā)射到空中去。在接收器中，天線的含義是盡可能地捕捉發(fā)射器的能量并提供給調(diào)諧器。 對(duì)于那些遠(yuǎn)在百萬(wàn)公里之外的衛(wèi)星，美國(guó)航空航天局（NASA）就使用巨大的碟形天線，其直徑達(dá)60米。

最合適的天線尺寸與天線要發(fā)送或接收的信號(hào)頻率有關(guān)。這種關(guān)系又與光速以及電子由此可以移動(dòng)的距離有關(guān)。光速是每秒30萬(wàn)公里。 在下一頁(yè)中，我們將使用此數(shù)字來(lái)計(jì)算現(xiàn)實(shí)生活中天線的尺寸大小。