多年來,我們目睹了建構無線電介質的多次變化,技術也從電子管到電晶體,一直發展到單晶片電路。這些變化帶來了各種可能性,但在無線電發展初期的先驅眼中,這些不過是白日夢,但欲與我們的日常生活緊密地聯繫在一起...

第1部份:初期

雖然許多人士都對早期的無線技術發展具有著傑出貢獻,但Guglielmo Marconi卻可稱為其中的佼佼者。雖然他是以無線技術而聞名,但很多人對於他在19世紀末所創建的無線技術事業並不熟悉。在1900年代的前20年中,他建立了一項非常重要的事業,並促使無線世界走向了今日的方向。

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圖1:Guglielmo Marconi展示他的技術

雖然Marconi的商業化技術並不是最新的,而且技術的發展相當迅速,但是該技術已經夠好了,因為他想到了辦法,知道如何利用現有技術來創造一個新的產業。1900年代初,殖民主義走向終結,戰爭和災難大規模爆發,甚至還有1912年4月皇家郵輪鐵達尼號(RMS Titanic)沉沒;值此世界大亂之際,Marconi著手部署了一個全球網路,以無線方式發送和轉發資訊。鐵達尼號郵輪沉沒後,無線技術在救援倖存者和傳播事故新聞方面發揮了重要作用,提升了這一新興技術的重要性。

公眾和軍方都意識到了無線技術的重要性,尤其是後來成為美國海軍部長的Joseph Daniels。在美國及其他地區,像Daniels這樣的領導者認為軍方應將無線電國有化,以確保他們在戰爭期間能使用無線電。必須記住的是,在此期間,唯一可用的頻譜是低於200kHz左右——至少有一段時間是朝著這個方向發展的,但在第一次世界大戰(World War I;WWI)之後,政府對無線技術的控制減弱,不過,這是在形成政府特許壟斷權並以此成立美國無線電公司(RCA)之後。

根據我們的推測,Marconi時代的無線電非常原始。發射器採用火花隙裝置(後來才使用機械交流發電機)產生射頻(RF),但在接收端,系統完全是被動的,並由天線、諧振式LC調諧器和某種檢波器組成。我們很快就會討論這些檢波器,但在當時,它們可能是機械式的,或者可能是化學式或有機式的。其中一些系統是透過電池為它們進行簡單的偏置,但不提供任何電路增益。這些系統的輸出可提供至某種頭戴式耳機,以將訊號轉換成音訊——這種音訊總是非常微弱,不過是簡單的哢噠聲或嗡嗡聲。

因為這些系統未在接收端提供增益,所以其有效範圍取決於發射功率的大小、接收器的品質、操作員在調整方面的經驗,當然還有大氣條件。Marconi意識到,在可合理預測有效範圍的情況下,可以建立一個基地台網站,在大洲和大洋之間可靠地傳遞資訊。其中還包括在陸上和海上安裝設備。Marconi開始在全球各地和海上安裝無線電台,包括在客船和貨船上。透過在航海船隻上安裝無線電系統,他不僅使這些船隻能與其在岸上的商業利益相關者進行溝通,而且還能在必要的地方提供中繼和冗餘,從而使Marconi填補了其網路中的關鍵空白。

Marconi所擁有的一項技術是早期的真空管。真空管公認的發明者John Ambrose Fleming曾為Marconi Corporation工作,但Fleming和Marconi當時分析認為,他們現有的技術足以檢測無線電訊號。此外,他們認為他的發現雖有好處,但尚不值得為閥管運作投入額外的資金或電池。Marconi已經擁有了數種訊號檢測技術,與閥管不同,這些技術不需要高功率來運行燈絲和加熱板,因此,他們在一開始時即放棄了這種技術。

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圖2:首批Fleming管原型

然而,所謂的無線電之父(Father of Radio)——Lee de Forest撿回了這項技術,並實現其巨大的潛力。透過在燈絲和加熱板之間插入簾閘極,讓他不僅可以整流訊號,還能控制加熱板中的電流量,從而實現了放大。儘管有證據表明,他並不理解其三極管的工作原理,但他確實意識到了其巨大的潛力,並盡力發揮這一發明的優勢,不但將其作為一項技術,同時也作為與Marconi發明類似的一種增值服務。透過建立各種企業,de Forest嘗試製造和銷售其真空管,並建立了與Marconi類似的無線網路。然而,這些企業註定要失敗,這並不是因為技術不好,而是因為de Forest的商業夥伴往往不夠誠實,而且常常讓他獨自為別人的錯誤承擔責任。最後,de Forest不得不賣掉自己發明的權利,讓其他人享受該發明帶來的利潤。

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圖3:第一個de Forest音訊三極管

Edwin Armstrong是早期率先體認到真空管各種可能性的其中一人。當他還在唸高中的時候,家裡一位朋友就送了一個de Forest三極管給他。Armstrong不僅建立了無線技術專家的聲譽,還在家裡創建了自己的無線電台,他很快地想到辦法,知道如何利用該裝置開發出更好的接收器。在大學期間,他繼續開發這項技術,並開發出了再生式接收器,相較於當時所有無線電台採用的被動系統,該接收器具有卓越的性能。

David Sarnoff是American Marconi Corporation (AMC)的資深人員。與Marconi本人長期建立了合作關係,其專注的敬業精神,使他在公司快速崛起。剛開始時,Sarnoff的工作只是在AMC跑跑腿,後來在Marconi一次訪美行程中兩人偶遇。Sarnoff讓Marconi留下了深刻的印象,因而協助讓他管理公司的發展,最終,Sarnoff先後成為AMC和RCA的高階領導者。在參觀紐約工程實驗室時,他還偶然遇到了Armstrong。Armstrong淵博的無線技術知識及其再生式接收器的強大功能讓Sarnoff獲益頤淺,二人便建立起了長期的專業合作關係和個人關係。

第一次世界大戰爆發時,Armstrong感到責任的召喚而應徵入伍。但當時,他已經享有無線技術專家的聲譽,因而沒有被派往作戰崗位,而是被派往法國,為各地的作戰軍種檢修和安裝無線電台。他的職責使他能使用設備、實驗室和各種技術,還能附帶地繼續從事研究活動。在1918年初的一次空襲中,他得到了一系列的新發現,使他合成了超外差接收器。整個1918年,他全力發展自己的概念,到11月時,他與一群親密的朋友會面,展示了超外差無線電的原型。朋友們為之印象深刻,因而敦促他繼續開發。到1918年底,戰爭行將結束,在返回美國之前,Armstrong於1918年12月30日申請了法國專利。回到美國後,他經過了幾週時間才從一場疾病中恢復過來,使他推遲了提交美國專利申請。一直到1919年2月8日,才為超外差接收器申請了美國專利。

雖然Marconi在無線技術願景方面只關注兩方電報承載的商業資訊,Sarnoff的願景則更廣闊得多——將訊號發給多方。剛開始時,Sarnoff的願景並未得到廣泛認同,但其他人最終意識到,這項新技術提供了一種方法,借助該方法可以輕鬆實現新聞和娛樂節目的遠距離傳送,包括傳送到美國的農村地區。為了推動實現這一願景,Sarnoff和他的團隊想到一個辦法,準備於1921年7月2日廣播Dempsey與Carpentier的拳擊比賽,而最後此次廣播活動的成功,也使其他人看到了今日我們所熟知之廣播無線電的巨大潛力。

然而,當時的真正挑戰是技術性的。早期的收音機很難使用,並且功能不佳。Armstrong、Sarnoff和RCA的故事便是從這裡延續下去。透過之前發展的關係和RCA獲得的專利,包括超外差接收器專利,無線電技術已經大幅地獲得了簡化,而能實現可攜、人人都可輕鬆使用。當從技術面的角度來看,超外差架構是這一成就的關鍵,時至今日,也是如此。

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圖4:Edwin Armstrong和妻子Marion帶著第一台可攜式收音機度蜜月

檢波器

無線電必須透過某種方式,產生承載著有意義的資訊的輸出訊號。在早期,這就是在接收環形天線中產生的共振火花。人們很快就意識到,需要用一種更敏感的方式,將輻射能轉換成有意義的訊號。早期的技術存在著很大的局限性,期通常利用了多種屬性,包括化學、機械和電氣等。

最開始時,使用的首批檢波器中有一款被稱為金屬屑檢波器,這款檢波器是以一個名叫 Édouard Branly的法國人的發現為基礎開發的。該金屬屑檢波器由兩塊金屬板構成,金屬板之間的間距很小,同時注入一定份量的金屬粉。當RF訊號到達金屬板時,金屬粉會吸附到金屬板上,使電路閉合。這種方式對檢波非常有效,但是,一旦RF訊號撤離,金屬粉會繼續吸附在金屬板上。為解決這個問題,安排了某種敲擊器,用於敲擊裝置側面,強制去除金屬板上的金屬粉。由於這個原因,這種原始檢波器雖然有效,但使用起來卻非常笨重。儘管如此,到了1907年,人們還在使用這種檢波器。

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圖5:金屬屑檢波器

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圖6:金屬屑接收器原理圖

而另一種更實用的解決方案是電解檢波器。這種裝置由浸入硫酸或硝酸溶液的一條超細鉑絲組成。透過電池將該電路偏置到電解點,會在鉑絲表面上形成氣泡,使電流下降。如果RF電流耦合到該電路中,它將調變電解點並使電流隨耦合RF訊號的強弱變化。這項技術由Fessenden開發,1903年至1913年間被人們廣泛使用。de Forest基於這種技術開發了一種變體,被稱為應答器(responder),這是由浸入過氧化鉛溶液中的兩塊金屬板所構成。

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圖7:電解檢波器

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圖8:電解無線電接收器

Marconi更喜歡被稱為磁檢波器的另一種方案。這些裝置被使用者親切地稱為‘Maggie’。它們的工作原理是,形成一個無端鋼絲環,使鋼絲環呈圓形旋轉的同時借助永磁體使其磁化。鋼絲磁化部份透過與天線相連的線圈。該線圈中的RF場根據存在的接收訊號電平對鋼絲去磁。然後,透過另一個線圈拾取鋼絲磁場的變化,該線圈連接到耳機,耳機負責提供聽得見的RF訊號。直到1912年,所有Marconi裝置都使用這種方案,包括鐵達尼號上的裝置。

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圖9:像Marconi那樣使用的磁檢波器

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圖10:磁檢波器無線電原理圖

另一類常見的檢波器是晶體檢波器,一直流行到1925年。這類流行元件通常被稱為晶鬚(cat whisker),基本上這是由各類礦物製成的早期半導體結。典型的礦物包括方鉛礦(PbS)、黃鐵礦(FeS2)、輝鉬礦(MoS2)和碳化矽(SiC)。在金屬杯製作這些岩石的小樣,透過細線在岩石上形成點接觸。可以移動該點接觸,放在岩石的各個位置,以發現最佳工作點。當今的市場上仍有晶體收音機銷售;電路與100年前的電路完全相同,只是半導體二極體製成品取代了晶鬚。晶體檢波器的一個優點,是這些裝置提供更多的線性檢波,這在AM廣播發展之初變得非常重要。這使語音通訊成為可能,而早期的傳輸僅由摩斯(Morse)電碼發送。

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圖11:方鉛礦晶鬚檢波器

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圖12:典型電晶體收音機原理圖

另一類檢波器是由一名為Marconi工作的工程師在1904年構建的...

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