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英雄辈出:射频的早期发展

1887年的赫兹实验实现了电磁理论的闭环,自此,法拉第、麦克斯韦等理论先驱所建立的电磁理论,有了完整的理论框架。射频这项技术自此开始快速发展。

在原始射频阶段,射频通信所依靠的主要是基本的电磁理论、电路理论,以及基本通信理论;在硬件上采用真空管等简单电路元件实现射频通信。在这一阶段,人类实现了射频电波的生成和检测,实现了跨大西洋的无线电报发送,也出现了一些基本的调制技术。在这一阶段,射频“王朝”逐步建立。“王朝”建立之时,也是英雄辈出之时。射频“王朝”的建立也不例外,众多熠熠生辉的英雄在这个时期开始涌现。

在电磁理论建立之后,许多充满创造力和冒险精神的年轻人,加入射频通信的商业化推进队伍。在最早的先行者中,最成功的是意大利物理学家和发明家马可尼(Guglielmo Marconi)。马可尼出生于1874年,那时,麦克斯韦的《电磁学通论》出版刚刚1年。马可尼家庭条件优渥,从小就对科学和技术有浓厚兴趣。

1894年,马可尼20岁,37岁的赫兹因病去世。也正是在这一年,马可尼读到了赫兹的著作。马可尼认为这些实验清楚地表明了看不见的波的存在,并且它可以以光速在空中传播。年轻聪明又富有冒险精神的马可尼敏锐地意识到:电磁波可以用来进行远距离的信号传送。这样一来就可以实现有线电报所不能完成的事情,如将信号发送给海上航行的船只,甚至传输到大洋的彼岸。

只经过一年的努力,1895年,21岁的马可尼发明了射频信号的发送与接收装置,这种装置可以实现2.4千米的莫尔斯编码传送。马可尼意识到这可能是一个巨大的商业机会,于是向意大利政府寻求支持与资助。但在当时的意大利,因为理论与商业利益之争,马可尼的发明并没有得到足够的重视。于是一年之后,马可尼来到英国,申请了无线电专利,并组建了以其姓名命名的无线电报公司:马可尼无线电报公司。

与电磁学前期的理论家不同,马可尼是个不折不扣的工程师和商业奇才。马可尼在1897年成立无线电报公司之后,将射频应用到出海航行的船只上,拯救了许多海上的遇险人员。人类第一次感受到射频带来的力量。虽然已取得了商业成功,并在英国取得了一定的成就,但马可尼却不满足于此, 马可尼想做的,是让射频改变世界。

1901年,马可尼计划在加拿大和英国之间进行无线电通信,实现射频信号的跨大西洋传播。此举的象征意义大于实用意义,马可尼想借此机会,让全世界看到射频的力量,让全世界看到自己的公司。马可尼在距离3400千米的英国和加拿大分别建立了射频信号的发射与接收站。1901年12月12日,马可尼在英国接收站等待着来自大洋彼岸的信号传输,经过几小时的焦急等待,马可尼终于听到耳机中传来的嘀嘀嘀声,马可尼激动地向世人宣告了这一信息,举世震惊,自此,全世界都注意到了射频无线通信技术。马可尼也因为首次实现了商用无线电报的发送和接收,被称为“无线电之父”。

随后,科学家对射频不断进行改进。英国物理学家和电气工程师弗莱明(John Ambrose Fleming)在马可尼的公司工作期间,改进了射频通信系统。弗莱明最为伟大的发明是在1904年发明的真空管:弗莱明在一个真空灯泡中,制作了单向直流工作的器件,这个器件就是二极管。二极管的发明对于射频的发展有巨大影响,二极管可以用来检测和整流射频信号。天线感应出的交流电信号很微弱,很难被直接听到或看到,但把射频信号输入到二极管中,就可以得到一个单向的直流信号,这样,用一个耳机就可以听到信号的变化。

弗莱明对于二极管的发明还催生了后期的三极管、四极管等更强大的真空管的发明。福雷斯特(Lee De Forest)也是在马可尼的激发下,对射频检波装置产生了浓厚的兴趣。出生于美国的福雷斯特年长马可尼一岁,从小被认为是一个平庸的孩子,但他对射频装置一直保持坚定的兴趣。1906年,福雷斯特在真空二极管的基础上,加入了第三极来控制电流大小,于是真空三极管就被发明出来了。早期三极管的发明并没有得到世人重视,福雷斯特甚至遭受过法院判决,称其发明的三极管是“毫无价值的玻璃管”。但福雷斯特却从不放弃,坚持不懈地改进着他的三极管。1912年,福雷斯特把多个真空三极管连接起来,再把他的手表放在话筒前方,这时,耳机里传来几乎震耳欲聋的手表嘀嗒声。这就是最早的扩音器。三极管的发明使人类不仅可以对射频信号进行检测,还可以对射频信号进行放大,甚至完成后续的调制,也使射频信号可以覆盖更远距离和更多用户,让射频得以走入寻常百姓家。

电路技术准备好之后,射频通信架构及射频通信方式也随之进步,人们可以发明更复杂的电路,来实现更远距离和更高质量的射频信号传输。

1918年,美国工程师阿姆斯特朗(Edwin Howard Armstrong)发明了超外差架构的射频收发系统。超外差发射架构利用本振振荡信号和输入信号的混合,产生新的射频信号,这个新的射频信号频率等于本振频率和输入信号频率的和。这样改变本振频率就可以控制射频信号的频率,实现对射频信号的良好控制。超外差接收架构与之相反。在超外差架构下,接收机的灵敏度和选择性大大提升,射频信号传输的距离再次提升。超外差架构也成为射频的标准配置,直到现在仍被广泛使用。

这一时期,在让射频信号传输更远、质量更高的驱动下,一系列创新电路被发明出来。随着这些电路的发明,科学家也将射频的基本理论框架建立起来。在这段时间内,科学家了解了射频的传输特性,理解了射频在不同导体中的阻抗特性,匹配与传输的概念被建立起来。1939年,工作于贝尔实验室的史密斯(Philip H.Smith)将射频匹配与阻抗的概念表示在一个图上,用来进行传输与阻抗的计算,这就是大名鼎鼎的Smith圆图(见图1-2)。Smith圆图被广泛流传,直到现在还是射频人工作中的必备工具。同一时期,科学家还掌握了射频放大器的基本结构,并利用到射频系统中。例如,在现代基站设备中广泛使用的多尔蒂(Doherty)架构,就是美国工程师多尔蒂(William H.Doherty)在1936年发明的。

图1-2 Smith圆图

正是由于全球众多天才科学家的投入,在不到50年的时间里,射频理论体系被迅速完善。射频在无线电报、雷达、制导等应用中得到广泛应用。这项技术在被发明50年后,就实现了对人类社会的改变。 OLPeM8U8zb86X1rBmqTl4kv5S6iFjKMp8WB1QhHlNZJ1+gPH94mM6LW5VhpOWYFz

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