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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(duì)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(shí)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(jí)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(jiǎn)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(hào)保持在接收器恢復(fù)原始信號(hào)所需范圍之內(nèi)的能力。圖1是級(jí)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(tái)都會(huì)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(qǐng)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(duì)選擇性的累積影響。Y軸是通過調(diào)諧電路的信號(hào)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(jí)聯(lián)時(shí)，信號(hào)的衰減更大。每個(gè)都可以由放大器分開。

泰坦尼克號(hào)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(hào)的寬頻譜。泰坦尼克號(hào)的無線電運(yùn)營(yíng)商正試圖從紐約接收電報(bào)信號(hào)，但其他船只也在發(fā)出冰山警報(bào)。這兩個(gè)信號(hào)無法分開，這導(dǎo)致泰坦尼克號(hào)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(hào)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(hào)為綠色。輸出功率以對(duì)數(shù)刻度顯示，是相對(duì)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(hào)，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(cè)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(qǐng)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(jí)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(huì)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(duì)數(shù)刻度（通常為0到100）。調(diào)諧電臺(tái)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(jí)的距離太遠(yuǎn)，很容易錯(cuò)過弱電臺(tái)。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(tái)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(tái)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(jí)的距離太遠(yuǎn)，很容易錯(cuò)過弱電臺(tái)。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(tái)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(tái)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(jí)的距離太遠(yuǎn)，很容易錯(cuò)過弱電臺(tái)。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(tái)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(hào)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(duì)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(hào)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(jí)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(hào)，而沒有任何放大作用。為了解決這個(gè)問題，早期的探測(cè)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(cè)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(hào)。對(duì)于傳輸本身，更純凈的傳輸信號(hào)意味著不會(huì)在接收器所需的帶寬之外傳輸信號(hào)，從而意味著更高的效率。這意味著更多的電臺(tái)可以同時(shí)以不同的頻率播出，而不會(huì)互相干擾。三極管閥門能夠?qū)o線電信號(hào)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(jí)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(jí)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(shì)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(qǐng)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(shì)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(huì)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(jí)再生接收器

超級(jí)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(jí)再生接收機(jī)的原因是，這種類型的接收機(jī)會(huì)從天線輻射出噪聲信號(hào)。這對(duì)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(jí)為頻率穩(wěn)定性不太重要的較高頻率。相對(duì)于其他類型的接收器，超級(jí)再生接收器仍具有一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，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(hào)。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(shì)，而如今，超級(jí)再生設(shè)計(jì)在無線電控制玩具，車庫(kù)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(jí)紅外線發(fā)生器
該接收器確實(shí)享有非常短的壽命。超級(jí)發(fā)生器將超外差設(shè)計(jì)的選擇性和超級(jí)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(cè)1936第257頁。

3澳大利亞電子公司，1970年5月

編輯：hfy