無線電工作原理

看不見的無線電波通常跨越數百萬公里的距離在空中傳送音樂、談話、圖片和數據——這種無線電波每天都以成千上萬種不同的方式進行！ 雖然無線電波對人而言是看不見且完全不被察覺的，但它們卻完全改變了整個社會。 無論是我們談論的手機、嬰兒監護器、無繩電話，還是成千上萬種其他無線技術中的任何一種，它們都是通過無線電波進行通信的。

下面是基于無線電波的一些常見技術：

AM和FM無線電廣播
無繩電話
車庫門遙控器
無線網絡
遙控玩具
電視廣播
手機
GPS接收器
業余無線電
衛星通信
警用無線電
無線電控制時鐘
還有很多很多…… 甚至像雷達和微波爐也是靠無線電波工作的。 像通信和導航衛星這些設備如果離開了無線電波就將無法工作，現代航空領域也是一樣 -- 飛機要依靠十多種不同的無線電系統來工作。當前流行的無線互聯網也使用了無線電，這意味著將來的生活會更加方便！
有趣的是作為核心技術的無線電卻是一項簡單得令人難以置信的技術。 使用幾個最多價值一到兩美元的電子元件，就可以制造出簡單的無線電發射器和接收器。 為什么如此簡單的東西卻能夠成為當今世界的技術基石，探索這一過程是非常有趣的。

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

無線電簡單得令人難以置信，大約在19世紀末20世紀初，正是因為這種簡單使得幾乎所有人都可以進行早期的實驗。那么它到底有多簡單呢？請看下面的示例：

• 拿一個新的9伏電池和一個硬幣。
• 找出一臺AM收音機，調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）。
• 您會從收音機中聽到噼啪聲，這是由硬幣的接通和斷開而產生的。

通過用硬幣輕敲9伏電池的兩端， 就可以產生AM收音機可以接收的無線電波了。

電池與硬幣的組合就構成了一個無線電發射器！ 它不能傳輸任何有用的信息（只是靜電），也不能傳輸很遠的距離（僅僅是幾厘米，因為沒有針對距離作出優化）。但是如果使用這種靜電敲出摩爾斯電碼，事實上您就可以利用這種原始的裝置和幾厘米之外的人進行通信！

如果想做得稍微精巧一些，可以使用一個金屬銼刀和兩段導線。將銼刀的柄和9伏電池的一端連接起來。將另外一根導線和電池的另一端相連，然后將導線的自由端在銼刀上來回刷動。如果是在黑暗中做這個實驗，當導線的一端與銼刀連接和斷開的時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，還會聽到大量的靜電聲。
早期的無線電學中，發射器稱為火花線圈，在高壓下（例如2萬伏電壓）可產生連續的電火花流。高壓下產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的距離。現在，像那樣的發射器是非法的，因為它占用了整個無線電頻譜，但是在早期，由于使用無線電波的人不多，這使得它得到普遍應用并工作得很好。

在前面幾節中我們看到，用靜電傳輸非常簡單。然而，現代的所有無線電都使用連續正弦波來傳輸信息（音頻、視頻、數據）。 現在我們使用連續正弦波的原因是因為有太多不同的人和設備想要同時使用無線電波。 如果有辦法可以看到無線電波，你就會發現有成千上萬種不同的無線電波（以正弦波的形式）圍繞著你 ——電視廣播、AM和FM廣播、警用和消防用無線電廣播、衛星電視傳輸、手機交談和GPS信號等等。 如今無線電波的用途多得驚人（有關詳細信息，請參見無線電頻譜工作原理）。 每種不同的無線電信號使用一種不同的正弦波頻率，這也是區分它們的辦法。
任何無線電裝置都由兩部分組成：

發射器
接收器
發射器攜帶某種信息（可能是某人說話的聲音、電視機圖像、無線調制解調器的數據或其他內容），將其編碼到正弦波上，通過無線電波傳輸。 接收器接收無線電波，從接收到的正弦波上對信息進行解碼。發射器和接收器都使用天線來發射和捕獲無線電信號。

嬰兒監視器幾乎是最簡單的無線電技術的應用。它是由安裝在嬰兒房間里的發射器和父母用來監聽孩子的接收器組成。下面是典型的嬰兒監護器的一些重要特征：

• 調制方式：調幅 (AM)
• 頻率范圍：49MHz
• 頻率數目：1或2
• 發射器功率：0.25瓦

（不要擔心不理解“調制”、“頻率”等術語——接下來會做講解。）

典型的嬰兒監視器，左邊是接收器，右邊是發射器：發射器安置在嬰兒的房間，它實質上是一個微型“無線電臺”。 父母在房子周圍活動時攜帶著接收器以監聽嬰兒。 通常傳輸距離限制為約61米。

手機也是一種無線電接收設備，是一種更復雜的設備（有關詳細信息，請參見手機工作原理）。 移動電話同時包含發射器和接收器，兩者能夠同時工作，能夠理解幾百個不同的頻率，能夠自動在不同頻率間切換。下面是典型的模擬手機的一些重要特征：

• 調制方式：調頻 (FM)
• 頻率范圍：800MHz
• 頻率數目：1664（每個供應商832個，每個地區兩個供應商）
• 發射器功率：3瓦

一部典型的手機包含發射器和接收器，且兩者同時在不同的頻率下工作。手機與手機塔通信，可以在3-5公里范圍內傳輸。

我們假設拿著另外一根導線并平行地放置在距離電池上那根導線5厘米的地方。 如果在這根導線上連接了一個非常敏感的電壓計，那么會發生下面的情況： 每次將第一根導線從電池上連接和斷開的時候，可以發現第二根導線上電壓和電流有微小的變化，任何變化的磁場都能夠在導體內產生電場——這就是發電機的基本原理。 因此：

• 電池在第一根導線內產生電流。
• 移動的電子在導線的周圍產生磁場。
• 磁場延伸出來到達第二根導線。
• 第一根導線中的磁場變化時，第二根導線中的電子就開始流動。

值得注意的是，僅僅在連接和斷開電池的時候第二根導線中才有電流。只有在磁場發生變化時才會在導線中產生電流。接通和斷開電池時改變了磁場（接通電池產生磁場而斷開時磁場消失），因此第二根導線只在這兩個瞬間才可產生電流。

要制作一個簡單的無線電發射器，您需要做到的就是在導線中制造出快速變化的電流。您可以通過迅速接通和斷開電池而做到這一點，如下：

連接電池時，導線中的電壓是1.5伏，斷開時，電壓是0伏。 通過迅速接通和斷開電池，形成一個在0-1.5伏之間變化的方波。

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

正弦波在兩個電壓之間平滑振蕩，例如，在10伏和-10伏之間。

形成正弦波并使其在導線中流動，這就制造出了簡單的無線電發射器。形成正弦波非常簡單，只需要使用幾個電子元件——一個電容器和一個電感器就能夠制造出正弦波，通過幾個晶體管將電波放大成強大的信號（有關詳細信息，請參見振蕩器工作原理，此處是一個簡單的晶體管原理圖）。通過把信號傳送到天線上，就可以向空中發射正弦波。

頻率:正弦波的一個特征就是其頻率。正弦波的頻率是指一秒鐘內上下振蕩的次數。收聽AM無線廣播時，收音機通常會調到每秒1百萬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68萬周期。 FM無線電信號工作在1億赫茲范圍內，因此FM刻度上的101.5指的是發射器產生的每秒1億150萬周期的正弦波。

如果有正弦波信號和通過天線向空間發射正弦波的發射器，那么就有了一個無線電臺。 唯一的問題是此正弦波不包含任何信息。 我們需要通過某種方法調制此電波，將信息編碼到電波中。正弦波的調制有三種常用方法：

• 脈沖調制 (PM)——PM方式下，只需簡單地開關正弦波。這是一種發送摩爾斯式電碼的簡易方式。PM調制不太常見，但是有一個很好的實例就是美國的一種向無線電控制時鐘發射信號的無線電系統。一臺PM發射器就能夠覆蓋整個美國。

• 調幅 (AM)——AM無線電臺和電視信號中的圖像部分都是使用調幅來編碼信息的。在調幅中，正弦波的幅度（峰谷到峰頂之間的電壓）是變化的。 例如，一個人的說話聲音產生的正弦波疊加到發射器的正弦波上就使其幅度發生了變化。

• 調頻 (FM)——FM無線電臺和數以百計的無線電技術（包括電視信號、無繩電話、手機等）都是使用調頻的。 調頻的優點是很大程度上不受靜電影響。在調頻中，發射器正弦波的頻率根據信息信號產生微小變化。

如果您會使用正弦波調制信息，您就可以傳輸信息了。

下面是生活中的實例。 將汽車上的AM收音機調到某個臺——例如，AM刻度680——發射器的正弦波就以68萬赫茲的頻率傳輸（正弦波以每秒68萬周期重復）。 DJ的聲音通過改變發射器的正弦波振幅而調制到載波上面。 對于大型調幅電臺，放大器可以將信號放大到大約5萬瓦。 然后天線將無線電波發送到空中。

那么汽車上的AM收音機（接收器）又是如何接收發射器發送的68萬赫茲信號，并從中提取有用信息（DJ的聲音）的呢？ 步驟如下：

• 除非你正好坐在發射器的旁邊，否則收音機接收器都需要天線來接收發射器發射到空中的無線電波。AM天線只是簡單的一根導線或金屬棍，用于增加發射器的電波可以接觸到的金屬的面積。
  
• 收音機接收器需要調諧器。天線可以收到數千種正弦波。調諧器的任務就是從天線接收到的數千種無線電信號中分離出某一種正弦波。在這個例子中，調諧器調到接收68萬赫茲的信號。

  調諧器是利用共振原理工作的。也就是說，調諧器與某特定頻率發生共振并將其放大，而忽略空中其他所有頻率。 使用一個電容器和一個電感器很容易就可以制造一個共振器（請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成一個調諧器）。

• 調諧器使收音機只接收某一個頻率的正弦波（本例中是68萬赫茲）。 現在收音機需要從正弦波中提取DJ的聲音。這通過收音機中稱為檢波器或解調器的部件來實現。本例的AM收音機中，檢波器是由稱為二極管的電子元件構成。 二級管使一個方向的電流流過，而阻止另一個方向的電流，因此截掉了電波的一半，如下所示：

• 然后收音機放大經過剪切的信號，并發送到揚聲器（或者是耳機）。放大器由一個或多個晶體管組成（更多的晶體管意味著更大的放大倍數，因此揚聲器的音量也就越大）。

從揚聲器里聽到的就是DJ的聲音。

在FM收音機中，只有檢波器是不同的，其他都是相同的。FM收音機中，檢波器將頻率變化轉變為聲音，但天線、調諧器和放大器基本是相同的。

在強AM信號的情況下，只需要用兩個部件和一些導線就能夠制作一個無線電接收器。步驟非常簡單——以下就是需要的元件：

• 二級管——只需花大約1美元就可以在Radio Shack連鎖店買一個二極管。 部件號為276-1123的就可以。
• 兩根導線——需要大約15-20米長的導線。Radio Shack部件號為278-1224最好，不過其實任何導線也可以。
• 小金屬樁用于接地（或者發射器附近有防護軌或金屬柵欄也可以利用）。
• 晶體耳機——不幸的是Radio Shack不單獨賣。 但是，Radio Shack出售晶體收音機套件（部件號28-178），包含有耳機、二極管、導線和調諧器（不用緊挨著發射器就可以使設備工作），總價為10美元。

現在需要找到AM無線電發射塔并還要在其附近（即1.6公里范圍內），這樣才能使設備正常工作。 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米長導線末端的絕緣層，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。

• 再取另一根導線，3-6米長，將其一端接到二極管的另外一端上。這根導線是作為天線的。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，如果將耳塞放到耳朵里，就可以聽到無線電臺了——這可能就是最簡單的無線電接收器了！如果距離電臺很遠，則這一超級簡單的項目將無法工作，但是它至少說明了無線電接收器可以做到如此簡單。

下面介紹它的工作原理。您剛才所用的天線接收所有的無線電信號，但是由于距離某個發射器非常近，所以這一點無關緊要。 附近的信號以數百萬倍的強度壓制了任何其他信號。 因為距離發射器足夠近，天線同樣也接收到大量的能量——這些能量足夠驅動耳機！ 因此，不需要調諧器或電池或任何其他東西。如前所述，二極管充當了AM信號檢波器的角色。 因此盡管缺少調諧器和放大器，您還是能夠聽到電臺發射的聲音！

Radio Shack出售的晶體收音機套件 (28-178) 包含兩個額外部件：電感器和電容器。這兩個部件可以組成調諧器，擴大無線電接收頻率范圍。有關詳細信息，請參見振蕩器工作原理。

您可能注意到幾乎所有您知道的無線電設備（例如手機、汽車收音機等）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、硬的導線（如大多數汽車上的AM/FM收音機的天線），到一些奇形怪狀的東西如衛星圓盤天線。 無線電發射器也可使用極高的天線塔來發送信號。
無線電發射器中天線的作用就是將無線電波發射到空中去。在接收器中，天線的含義是盡可能地捕捉發射器的能量并提供給調諧器。 對于那些遠在百萬公里之外的衛星，美國航空航天局（NASA）就使用巨大的碟形天線，其直徑達60米。

最合適的天線尺寸與天線要發送或接收的信號頻率有關。這種關系又與光速以及電子由此可以移動的距離有關。光速是每秒30萬公里。 在下一頁中，我們將使用此數字來計算現實生活中天線的尺寸大小。

假設要為680AM的無線電臺架設無線電塔。并且發送正弦波的頻率是68萬赫茲。在正弦波的一個周期中，發射器使天線中的電子沿一個方向運動，然后再將其拉回；再移出去，再移回來。換句話說，正弦波在一個周期中，電子運動的方向會改變四次。如果發射器工作在68萬赫茲下，那就意味著要在 (1/680,000) 0.00000147秒鐘內完成一個周期。 四分之一周期的時間就是 0.0000003675 秒。電子是以光速傳播的，在 0.0000003675秒內可以傳播 0.11千米。 這就意味著工作在68萬赫茲頻率下的發射器，其最合適的天線長度大約是110米。 因此AM無線電臺需要很高的塔。對于工作在9億 (900MHz) 頻率下的手機，最合適的天線長度大約只是8.3厘米。這就是為什么手機天線那么短的原因。

您也許注意到汽車內的AM收音機天線并沒有90米那么長——僅僅只有幾米長。如果加長，天線的接收性能將更好，但是在城市里AM電臺足夠強大，因此完全可以忽略天線長度是否最合適。

您可能想知道為什么在無線電發射器發射某種信息時，無線電波能夠以光速從天線向空中傳播。無線電波為什么可以傳播數百萬公里？為什么天線不是像連接著電池的導線那樣，只在靠近天線的地方有磁場？考慮此問題的簡單方法是：當電流進入天線時，它確實在天線周圍產生磁場。我們還了解，磁場能夠在靠近發射器的另一根導線中產生電場（電壓和電流）。其實，在空中由天線產生的磁場又在空中感應出電場。 然后此電場會在空中感應出下一個磁場，磁場再感應出另一個電場，電場再感應出另一個磁場，如此循環。 這些電場和磁場（電磁場）在空中相互感應，以光速從天線向外傳遞。