關(guān)于無線電設(shè)計(jì)的一些早期發(fā)展

本文旨在向初學(xué)者介紹高頻無線電設(shè)計(jì)中有趣而富挑戰(zhàn)性的技術(shù)。它還旨在吸引經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人士對這種藝術(shù)進(jìn)行更深入的了解，并在框外進(jìn)行思考，這既可以對技術(shù)進(jìn)行小規(guī)模的改進(jìn)，也可以進(jìn)行大范圍的改進(jìn)。例如，今天有許多事情可以嘗試，而幾十年前是不切實(shí)際的。通過了解我們之前發(fā)生的事情以及在某些情況下遺漏的事情，可以改進(jìn)前進(jìn)的道路。我花了40多年的時(shí)間來嘗試和設(shè)計(jì)新概念，并嘗試一些很少嘗試的概念-目的是改善藝術(shù)形式。

為什么要看歷史？

現(xiàn)代接收機(jī)的描述與三十年前的接收機(jī)完全不同。在無線電接收機(jī)中重要的哲學(xué)正在不斷變化。這是由于技術(shù)上的變化而帶來的更好的性能。在我看來，弄清楚為什么會這樣是一個(gè)好主意，而這樣做的一個(gè)好方法是深入研究無線電接收器的歷史。了解無線電接收器的歷史可以使您了解事物隨時(shí)間變化的方式和原因，并使設(shè)計(jì)師可以更好地發(fā)現(xiàn)良好的設(shè)計(jì)。使用較舊設(shè)計(jì)的一部分來補(bǔ)充新設(shè)計(jì)也可能很有用。例如，大多數(shù)無線電接收機(jī)中使用的振蕩器已隨著時(shí)間的流逝而發(fā)生變化，以至于其中產(chǎn)生的噪聲可能會改變新一代無線電接收機(jī)的設(shè)計(jì)理念。

熟悉無線電接收器歷史的另一個(gè)原因是，沿著歷史道路一路走來，有技術(shù)上的漏洞–通常比您想像的要多。由于諸如在設(shè)計(jì)時(shí)不可行之類的原因，有些區(qū)域尚未開發(fā)。例如，對于某種設(shè)計(jì)，組件的大小可能曾經(jīng)（在早期的閥式無線電接收器時(shí)代）太大或太昂貴，但現(xiàn)在可能變得更小，更便宜。組件和其他設(shè)計(jì)元素的開發(fā)為填補(bǔ)這些技術(shù)漏洞打開了大門，而舊設(shè)計(jì)的元素則在現(xiàn)代和未來的無線電接收器設(shè)計(jì)中占據(jù)一席之地。

由于缺乏技術(shù)知識和當(dāng)今存在的組件（例如鋒利的晶體過濾器），其他早期設(shè)計(jì)沒有“起飛”。一個(gè)很好的例子就是所謂的“超級發(fā)電機(jī)”概念。1 2盡管此概念為數(shù)字通信提供了一種簡單有效的模式，但在其發(fā)展之后再也沒有被接受。

現(xiàn)在我們已經(jīng)討論了為什么了解無線電思想的歷史可能很重要，讓我們研究一下無線電設(shè)計(jì)的一些早期發(fā)展。

早期無線電發(fā)展

選擇性

選擇性是無線電接收器從一個(gè)頻率中選出一個(gè)頻率，并使發(fā)送器將信號保持在接收器恢復(fù)原始信號所需范圍之內(nèi)的能力。圖1是級聯(lián)調(diào)諧電路的選擇性的圖形表示。選擇性是新興的無線行業(yè)所要克服的早期問題。這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)所有收聽范圍內(nèi)的電臺都會互相干擾，因?yàn)樗鼈兌际褂没鸹òl(fā)射器在非常寬的頻帶上進(jìn)行廣播。請參見圖2的黑色軌跡。這嚴(yán)重限制了新無線技術(shù)的實(shí)用性。

一，二和三調(diào)諧電路對選擇性的累積影響。Y軸是通過調(diào)諧電路的信號的衰減量。注意，在諧振頻率上，幾乎沒有衰減。但是，在諧振頻率之外，當(dāng)更多的調(diào)諧電路級聯(lián)時(shí)，信號的衰減更大。每個(gè)都可以由放大器分開。

泰坦尼克號上如此之多的生命損失的原因之一是其無線電接收器的選擇性不足，并且實(shí)際上還缺乏當(dāng)時(shí)所發(fā)射信號的寬頻譜。泰坦尼克號的無線電運(yùn)營商正試圖從紐約接收電報(bào)信號，但其他船只也在發(fā)出冰山警報(bào)。這兩個(gè)信號無法分開，這導(dǎo)致泰坦尼克號的操作員要求違規(guī)的船舶站關(guān)閉其警告，而他們這樣做并就寢了！這阻止了附近的船聽到泰坦尼克號的CQD（或SOS）。其余的，正如他們所說，是歷史。

4.5 MHz火花變送器的頻譜。黑色為黑色，來自閥變送器的干凈信號為綠色。輸出功率以對數(shù)刻度顯示，是相對的。

TRF（調(diào)諧射頻）接收器

三極管無線電閥由Lee De Forest于1908年發(fā)明，幾年后，無線電閥開始取代較早的寬帶火花發(fā)射器，從而可以發(fā)射更清潔的信號，如圖2的綠色軌跡所示。與天線隔離的電路也可以獲得良好的選擇性，并與閥門一起用作接收器中的放大器和檢測器。因此可以看出，選擇性在發(fā)送器和接收器中都很重要。我們感興趣的第一個(gè)無線電接收器是早期的調(diào)諧射頻（TRF）接收器。恩斯特·亞歷山大森（Ernst Alexanderson）在1916年為TRF接收器申請了專利。接收器使用了從天線進(jìn)行的一到三個(gè)放大階段，每個(gè)階段都被一個(gè)或兩個(gè)調(diào)諧電路隔開。圖1顯示了級聯(lián)多達(dá)三個(gè)調(diào)諧電路的效果。由于選擇性是累積性的，因此多重調(diào)諧電路會增加接收器的選擇性。這些電路分別在每個(gè)放大電路之間用一個(gè)放大三極管進(jìn)行調(diào)諧，每個(gè)電路的調(diào)諧刻度上都印有一個(gè)對數(shù)刻度（通常為0到100）。調(diào)諧電臺非常棘手，因?yàn)槊總€(gè)調(diào)諧電路都必須處于相同的頻率，并且通過將一個(gè)調(diào)諧旋鈕調(diào)到與另一級的距離太遠(yuǎn)，很容易錯(cuò)過弱電臺。但是，該系統(tǒng)可以正常工作，并且熟練地可以聽取當(dāng)時(shí)各種實(shí)驗(yàn)臺的聲音。圖3顯示了約1925年的典型TRF接收器的圖片。并且每個(gè)音調(diào)表盤上都印有一個(gè)記錄刻度（通常為0到100）。調(diào)諧電臺非常棘手，因?yàn)槊總€(gè)調(diào)諧電路都必須處于相同的頻率，并且通過將一個(gè)調(diào)諧旋鈕調(diào)到與另一級的距離太遠(yuǎn)，很容易錯(cuò)過弱電臺。但是，該系統(tǒng)可以正常工作，并且熟練地可以聽取當(dāng)時(shí)各種實(shí)驗(yàn)臺的聲音。圖3顯示了約1925年的典型TRF接收器的圖片。并且每個(gè)音調(diào)表盤上都印有一個(gè)記錄刻度（通常為0到100）。調(diào)諧電臺非常棘手，因?yàn)槊總€(gè)調(diào)諧電路都必須處于相同的頻率，并且通過將一個(gè)調(diào)諧旋鈕調(diào)到與另一級的距離太遠(yuǎn)，很容易錯(cuò)過弱電臺。但是，該系統(tǒng)可以正常工作，并且熟練地可以聽取當(dāng)時(shí)各種實(shí)驗(yàn)臺的聲音。圖3顯示了約1925年的典型TRF接收器的圖片。

大約1925年的TRF接收器。三個(gè)大調(diào)諧旋鈕中的每個(gè)旋鈕均控制著調(diào)諧電路，如本文所述。

在無線的早期，首選較低的頻率，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為信號覆蓋的距離隨著通過所謂的“地波”（Ground Wave）的降低而增加。由于這個(gè)原因，無線電業(yè)余服務(wù)被分配了較高的頻段，因?yàn)檎畽C(jī)構(gòu)認(rèn)為它們對遠(yuǎn)程通信幾乎沒有用。正是業(yè)余愛好者發(fā)現(xiàn)，隨著頻率的升高，信號不是從地波而是從電離層反彈而返回到距發(fā)射機(jī)數(shù)百甚至數(shù)千英里的地球。

他們發(fā)現(xiàn)，隨著頻率的上升，給定設(shè)計(jì)的調(diào)諧電路變得越來越不具有選擇性，這使得必須增加帶有調(diào)諧電路的級數(shù)才能獲得所需的選擇性。這顯然是不能令人滿意的，因?yàn)樵趯?shí)踐中，甚至更多的調(diào)諧撥盤是行不通的。為了解決這個(gè)問題，開發(fā)了組合調(diào)諧。在組合調(diào)諧中，使用一個(gè)撥盤來一起控制所有已調(diào)諧的電路。

靈敏度
最早的無線電接收機(jī)必須處理從空中拔出的信號，而沒有任何放大作用。為了解決這個(gè)問題，早期的探測器（稱為相干器）非常不靈敏，并且需要非常大的天線。當(dāng)時(shí)，方鉛礦或金剛砂制成的更靈敏的晶體探測器也很常見，但是其可靠性差使得它們不適用于重要的用途，例如運(yùn)輸和軍事用途。

三極管閥的引入意味著可以在距離變送器遠(yuǎn)得多的位置從站接收信號。對于傳輸本身，更純凈的傳輸信號意味著不會在接收器所需的帶寬之外傳輸信號，從而意味著更高的效率。這意味著更多的電臺可以同時(shí)以不同的頻率播出，而不會互相干擾。三極管閥門能夠?qū)o線電信號進(jìn)行相當(dāng)大的放大，甚至在音頻頻率下也是如此。無線電接收器的靈敏度飛漲到前所未有的水平。

開發(fā)了再生接收器，其中，在一級附近反饋了少量放大的射頻能量。這具有大大增加調(diào)諧電路的選擇性和放大的效果，這反過來又增加了無線電接收機(jī)各個(gè)級的靈敏度。然而，選擇性仍然隨操作頻率而變化，再生并不是選擇性的最終答案。接收器選擇性的最理想方面是它隨頻率保持恒定。具有這種優(yōu)勢的超外差接收器是在一次大戰(zhàn)期間及之后發(fā)明的，并于1918年由Edwin Armstrong申請了專利。

超外差接收器的設(shè)計(jì)比以前的接收器更為復(fù)雜，但是隨著頻率不斷變化，選擇性不斷提高的優(yōu)勢使這種接收器一直持續(xù)到今天。

TRF和再生接收器比以前有了很大的改進(jìn)。稍后再引入四極管和五極管的閥門，這也意味著制作無線電接收器所需的閥門更少，因?yàn)檫@些新電子管比早期的三極管具有更大的放大倍數(shù)。

在1920年代，由于當(dāng)時(shí)制造商不愿向發(fā)明人支付專利使用費(fèi)，超外差接收器的使用相當(dāng)緩慢。但是，隨著時(shí)間的推移，很明顯，如果一家公司不生產(chǎn)卓越的超外差接收器，它們就會倒閉。即使到今天，也可以從中學(xué)到很多東西。

幾十年來，靈敏度和選擇性都是與接收機(jī)設(shè)計(jì)有關(guān)的兩個(gè)最重要的問題。

其他早期接收器類型
超級再生接收器

超級再生接收機(jī)也是由埃德溫·阿姆斯特朗（Edwin Armstrong）于1922年發(fā)明的，它是50 MHz以上頻率最常用的接收機(jī)。使用高于50 MHz的超級再生接收機(jī)的原因是，這種類型的接收機(jī)會從天線輻射出噪聲信號。這對人口稠密的HF（低頻）頻段造成了麻煩。高于50 MHZ仍然是新領(lǐng)域。它的使用并不多，因此頻帶足夠?qū)?，操作員可以找到一個(gè)安靜的頻率。

埃德溫·阿姆斯特朗（Edwin Armstrong）

但是，它的選擇性也相當(dāng)廣泛，最終被降級為頻率穩(wěn)定性不太重要的較高頻率。相對于其他類型的接收器，超級再生接收器仍具有一個(gè)巨大的優(yōu)勢，那就是一個(gè)閥式接收器可以聽到低至背景噪聲水平的信號。由于早期閥門的價(jià)格高昂，單管接收器是一個(gè)巨大的優(yōu)勢，而如今，超級再生設(shè)計(jì)在無線電控制玩具，車庫門開啟器和某些數(shù)據(jù)接收器中仍然很流行。

Fremodyne
這類接收機(jī)是1940年代開發(fā)的，由超外差技術(shù)和超再生技術(shù)組合而成。它們用于甚高頻波段，靈敏度很高，但選擇性很差。1970年，接收器看到了澳大利亞固態(tài)設(shè)計(jì)的復(fù)興3。

超級紅外線發(fā)生器
該接收器確實(shí)享有非常短的壽命。超級發(fā)生器將超外差設(shè)計(jì)的選擇性和超級再生接收器設(shè)計(jì)的靈敏度結(jié)合在一起。然而，接收器的第一部分在所謂的接收鏡像頻率方面存在問題，這使得接收器既可以監(jiān)聽期望的頻率，也可以監(jiān)聽不期望的鏡像頻率。該圖像頻率存在的原因以及如何避免該頻率將在本系列的第2部分中進(jìn)行討論。

參考

1 QST雜志，1935年12月，

2 ARRL手冊1936第257頁。

3澳大利亞電子公司，1970年5月

編輯：hfy