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標題: 無線電發明簡史 [打印本頁]

作者: 51hei不 時間: 2016-6-20 13:55
標題: 無線電發明簡史
一、電子管發明簡史
1883年，美國發明家愛迪生（T.Edison），為尋找電燈泡最佳燈絲材料，曾做過一項小小的實驗。他在真空電燈泡內部碳絲附近安裝一小截銅絲，希望銅絲能阻止碳絲蒸發。實驗結果使愛迪生大失所望，但在無意中他發現，沒有連接在電路里的銅絲，卻因接收到碳絲發射的熱電子而產生了微弱的電流。缺乏系統知識的愛迪生并沒有深入研究產生這個現象的原因，但發明家的敏感性促使他預料到了這個現象日后的重大應用，于是他立即申報了專利，稱之為“愛迪生效應”。
被愛迪生本人忽略的“愛迪生效應”驚動了大洋彼岸的一位青年。1885年，30歲的英國電氣工程師弗萊明（J.Fleming）堅持認為，一定可以為愛迪生效應找到實際用途。經過反復試驗，他終于發現，如果在真空燈泡里裝上碳絲和銅板，分別充當陰極和屏極，則燈泡里的電子就能實現單向流動。經過多次實驗，1904年，弗萊明研制出一種能夠充當交流電整流和無線電檢波的特殊燈泡——“熱離子閥”，從而催生了世界上第一只電子管，也就是人們所說的真空二極管。
二極管首先用于無線電通訊接收機，作為理想的檢波元件，使接收靈敏度大幅提高。但是由于人們錯誤的認為電子管工作的必要條件是其中存在稀薄氣體，早期的二極管性能很不穩定。直到高真空電子管發明后，二極管才獲得普遍應用。
一個早期的電子二極管。由于管內存在稀薄的空氣，工作時發出藍色輝光。在二極管的基礎上，很快催生了真空三極管，使得人類進入電子世界。三極管的發明者是美國工程師德•福雷斯特（D.Forest）。德•福雷斯特那年也不到30歲，孩提時期并不出眾，被老師認為是個平庸的孩子，唯一的愛好是拆裝各種機械小玩藝。
1899年秋，德福雷斯特正在撰寫博士論文《平行導線兩端赫茲波的反射作用》。在此期間，一年一度的國際快艇比賽就要在紐約揭開序幕，恰逢意大利無線電發明家馬可尼來訪。那天清晨，馬可尼登上了停泊在港口的一艘軍艦，及時地把比賽的消息用無線電報拍發回來。整整5個小時，《紐約先驅論壇報》的總部收到了馬可尼發來的4000多字的新聞報道，使美國新聞記者們嘆服。人們要求“無線電之父”馬可尼在港口為他們做一次現場演示。德福雷斯特自大膽走到馬可尼的身后，仔細研究起無線電設備來。可尼告訴他，由于“金屬屑檢波器”的靈敏度太差，嚴重影響收發效果。
1902年，他在紐約泰晤士街租了間破舊的小屋，創辦了德福雷斯特無線電報公司。
當英國弗萊明發明真空二極管的消息傳來，德福雷斯特也選擇了一段白金絲制作燈絲，也在燈絲附近安裝了一小塊金屬屏板，把玻殼抽成真空通電后，果然也“追尋”到電子的蹤跡。他抓起一根導線，彎成“Z”型，小心翼翼地把它安裝到燈絲與金屬屏板之間的位置。德福雷斯特極其驚訝地發現，Z型導線裝入真空管內之后，只要把一個微弱的變化電壓加在它的身上，就能在金屬屏板上接收到更大的變化電流，其變化的規律完全一致——德福雷斯特發現的正是電子管的“放大”作用。后來，他又把導線改用像柵欄形式的金屬網，于是，他的電子管就有了三個“極”——絲極、屏極和柵極。1907年，德福雷斯特向美國專利局申報了真空三極管的發明專利。
因發明新型電子管，德•福雷斯特竟無辜受到美國紐約聯邦法院的傳訊。有人控告他推銷積壓產品，進行商業詐騙。法官判決說，德•福雷斯特發明的電子管是一個“毫無價值的玻璃管”。1912年，頂著隨時可能入獄的壓力，德•福雷斯特來到加利福尼亞帕洛阿托小鎮，堅持不懈地改進三極管。在愛默生大街913號小木屋，德•福雷斯特把若干個三極管連接起來，制成了最早的電子擴音機。
帕洛阿托市的德•福雷斯特故居，至今依然矗立著一塊小小的紀念牌，以市政府名義書寫著一行文字：“德•福雷斯特在此發現了電子管的放大作用。”用來紀念這項偉大發明為新興電子工業所奠定的基礎。電子管主要在無線電裝置里，它的誕生為通訊、廣播、電視等技術的發展鋪平了道路。可是，人們不久還發現，真空三極管除了可以處于放大狀態外，還可充當開關器件，其速度要比繼電器快成千上萬倍。電子管很快受到計算機研制者的青睞，計算機的歷史也由此跨進電子的紀元。二、晶體管的發明
　　1948年6月30日，美國貝爾電話研究所正式宣布：世界上第一只晶體管研制成功。
　　美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓在30─40年代，先后進入貝爾電話研究所工作，都從事著固體物理理論的研究。
　　肖克利早在1939年提出“利用半導體而不用真空管的放大器在原則上可行的”。布拉頓和巴丁在開始研究晶體三極管時，采用了肖克利的場效應概念，但實驗屢遭失敗。兩人在總結經驗教訓的同時，巴丁又提出了表面態理論。根據這一新的原理，在1947年12月23日的實驗中，他們終于取得了意義重大的成功。巴丁和布拉頓把兩根細金屬絲置放在鍺半導體晶體片的表面，其中一根接通電流，使另一根盡量靠近它，并加上微電流，這時，通過鍺片的電流突然增大起來。這就是一種信號放大現象。
　　這項發現震動了整個電子學界。貝爾研究所利用這種放大現象制造出晶體管。因為這種晶體管的結構，只是金屬與半導體晶片的某一“點”接觸，故稱之為“點接觸晶體管”。然而，當時這種晶體管存在著不穩定、噪聲大、頻率低、放大率小、制作困難等缺點，某些性能還比不上電子管。故而人們估計，它只能使用在助聽器之類的小東西上，很少有人能預見到它以后的巨大發展。
　　在“點接觸晶體管”誕生之后，肖克利又一次顯示了非凡的才能。他認識到過去進展不大的主要原因是一味地模仿真空三極管。肖克利又對半導體的性能進行了更深刻地探討，提出了“空穴”這一嶄新的概念，并提出另一具新設想：在半導體的兩個P區中間夾一個N區的結構就可以實現晶體管放大作用。肖克利給這種晶體管取名為“結型晶體管”。由于當時技術條件較差，他克服和重重困難，整整費了一年的時間，1950年第一個“結型晶體管”試制成功。這種晶體管是利用晶體中的電子和空穴的作用原理制成，它是現代晶體管的雛型。
　　“結型晶體管”的出現具有重大意義，它證明半導體的放大作用不是由表面現象引起，而是在半導體內部發生的放大過程中形成的。它克服了“點接觸晶體管”的不穩定性，而且噪聲低、功率大。
　　肖克利用雖然沒有直接參與“點接觸晶體管”的發明（專利權屬于巴丁和布拉頓），但他是半導體組的領導人，而且對導致晶體管發明的理論做出了重大貢獻。1956年，肖克利和巴丁、布拉頓一起領受了科學的最高獎──諾貝爾物理獎。
　　此后，許多科研人員又對晶體管的改進和半導體的研究做了大量工作，繼而開發出許多品種的新型晶體管，如合金晶體管（1951年）、漂移晶體管（1955年）、臺面晶體管（1956年），平面晶體管（1959年）、外延晶體管（1960年）、金屬氧化物半導體晶體管（1962年）、功率晶體管（1962年）等。三、收音機的發明
　　本世紀初，人們在發明了傳送電碼信息的無線電報之后，又發明了傳送話音的無線電話。繼而人們想到：無線電既然能夠傳送話音，那么它也就能夠傳送音樂；而且無線電信號是可以被多人同時接收的，那么作無線電臺向公眾進行廣播也是可能的。
　　1906年，美國的費森登教授在一次無線電通信實驗時，在世界上首次用無線電波發送音樂和講話，附近的許多無線電通信電臺接收到了費森登教授的信號。但是，普通公眾是不可能都擁有無線電。要真正實現無線電廣播，就要有一種普通公眾都能擁有的、專門用于收聽聲音信號的無線電接收機，即收音機。
　　礦石收音機是在無線電廣播事業初期出現的一種簡單接收機，它是由美國科學家鄧伍迪和皮卡爾德發明的。1910年，隨著無線電廣播事業的興起，鄧伍迪和皮卡爾德開始研究無線電接收機，他們利用某些礦石晶體進行試驗，發現方鉛礦石具有檢波作用，如果將其與幾種簡單的元件相連接，就可以以接收到無線電臺放送的廣播節目。
　　礦石收音機靠天線接收電波，機內裝有簡單的調諧電路，可將接收到的電波按所需的波長選擇出來輸送給礦石檢波器從電波中分檢出記載音頻信號的電流，然后通過耳機將電流轉換成聲音。礦石收音機無需電池，結構簡單，幾乎所有的無線電愛好者可自己裝配制做。但它只能供一人收聽，而且接收性能也比較差。
　　本世紀初，無線電傳播技術的研究取得了很大的進展，各種無線電元件，如具有檢波作用的二極管和具有放大穩壓作用的三極管等相繼發明，使無線電遠距離發射、接收方面存在的一些難題一一獲得了解決，這就為家用收音機的發展提供了技術和物質條件。
　　1912年，費森登在改進原有接收機的研究中發明了外差式電路，這種電路是依靠接收的信號和在接收點產生的本機振蕩的聯合作用進行工作的，這兩個變流信號的組合形成了音頻的拍音，即兩個波的差頻。它的發明，為以后出現的超外差和邊帶接收法奠定了基礎。
　　1913年，美國無線電工程師阿姆斯特朗發明了超外差電路，這種電路能有效地防止兩個頻率相近信號在接收機中的互相干擾，能夠保證把不同頻率的信號區別開來，使接收機能分別接收各個不同頻率的信號。同年，法國人呂西安、萊維利用超外差電路制作成了收音機，并申請了專利，從而結束了以往收音機必須安裝許多旋鈕，調諧十分困難的歷史，大大地簡化了收音機的調諧過程，為工業化生產提供了條件。
1924年，超外差式收音機首次投入市場1934年得以推廣。今天世界上99％的無線電收音機、電視、衛星地面站等都是利用超外差電路來進行工作的。
　　調頻收音機也是美國電路工程師阿姆斯特朗發明的。1925年，他發明了使載波的瞬時頻率隨傳播信號的變化規律而變化的調制方法，即調頻方法。調頻要求工作波長極短，必須使用特制的收音機，但由于它不怕余波干擾，不串臺，所以具有極好的接收性能，而且還能播送和接收立體聲信號。
　　最早時期的收音機由于使用的是電子管，大多都體積大、耗電多和笨重。直到1948年，美國工程師約翰•巴丁等人發明了晶體管，收音機的小型化才得以實現。1955年，首批晶體管收音機幾乎同時在美國和日本問世。
　　目前的許多收音機與錄音機組合成一體，以便將喜愛的節目隨時收錄下來。四、電視的發明
　　電視發明的意義不亞于印刷術的發明，它不僅可用于文化娛樂，而且還廣泛用于科技、軍事和工農業生產等領域。
　　從首次提出制造電視的設想，到英、美實驗室中得到的第一幅忽隱忽現的電視圖像，其發明研制的過程經歷了約50年。
　　1842年，英國科學家佩恩研究出了將圖像轉換成電信號的傳真技術。1877年，法國人薩雷克受其啟發提出利用佩恩的傳真技術可進行電視廣播的設想。但由于當時還不具備技術上的條件，而只能是一種無法實現的夢想。
　　1844年，德國科學家尼布克發明了將圖像轉換成電流的新方法。他利用一塊鉆有螺旋狀的排列小孔的圓盤，置于圖像前旋轉，使圖像的色素轉換成連續的明暗變化，然后轉換成電流變化。他在采用1873年美國人史密斯發明的聚光電池后，成功地解決了圖像迅速傳送的問題。后來，德國的蓋特爾和埃爾斯特又發明了靈敏度比光電池還強的光電管。本世紀初電子管的出現，使光電管獲得的信號可以放大，從而解決了電視的發送問題。
　　在電視的接收方面，德國科學家布勞恩作出了重大貢獻。1897年，他發明了能使陰極射線電子束投射到熒光屏上的陰極射線管，把電流的強弱變化轉換成了光的明暗變化，使接收的圖像顯示在熒光屏上。這種陰極射線管又被稱為“布勞恩管”，在電視的發展史上起著重要的作用。數年后，俄國人羅科辛對布勞恩管進行了改進，加上了能控制電子束掃描順序的磁力偏轉線圈。這樣，當電視機從尼布克圓盤那里獲取到由光信號轉換成的電信號后，通過在布勞恩管中的熒光屏上順序掃描，即可迅速地還原成圖像，電視機出現了。
　　1925年英國的貝爾德進行了世界上首次電視廣播試驗，雖然圖像質量很差，明暗變化不明顯，但證實了電視廣播的可能性。時隔一年，貝爾德終于成功的發送出了清晰、明暗變化顯著的圖像，揭開了電視廣播的序幕。此后世界上不少的科學家為了提高電視技術繼續進行研究。1930年出現的利用尼布克圓盤和光電管制作的新式電視播放設備，并首次提出了在發送設備上也采用布勞恩管的新設想。1931年美國人蕩恩斯特發明了類似于布勞恩管的攝像管。1933年俄國出生的左利金也發明了光電攝像管，從而結束了電視的機械掃描方法，開始采用電子掃描進行攝像，掃描的行數遠遠超過了機械掃描，大大的提高了電視的清晰程度。五、莫爾斯電碼的發明
一位畫家在一次偶然的機會萌發了發明電報機的念頭，而這是連精通物理、電磁等方面的科學家都沒有想到的。
塞纓爾•莫爾斯（１７９１～１８７２年）出生于一個牧師的家庭，大學一畢業就成了一位職業畫家。他曾經兩度歐洲留學，在肖像畫和歷史繪畫方面成了當時公認的一流畫家。在１８３２年１０月，他在第二次留學歐洲后，乘船回紐約。在同一艙室中，有一位波士頓科學家叫查爾斯•杰克遜。為了打發航程中無聊的時間，一天晚上，他招呼來許多旅客觀看他正在搞的電學實驗。他把買來的一塊歐洲新發明的電磁鐵和電池時而接通，時而斷開，一塊鐵片也就一會兒被磁鐵吸住，一會又掉下來。
莫爾斯在旁邊仔細觀看杰克遜演示后，還以為線圈的導線長度和電流的速度成反比。而當他被告知，電是瞬間傳送的，它與導線的長短無關時，一種想法在摩爾斯腦海像閃電般掠過；如果能夠使眼睛看到在導線的什么地方有電存在，那就能夠利用電將消息瞬間傳送到很遠的地方。
從那天晚上起，他就呆在船艙里，在寫生簿上寫寫畫畫，反復琢磨著自己的構想。他最初是這樣設想的：用導線將發報的一方和收報的一方連結起來形成一條電路，發報一方將電路連通和斷開以傳送信號，在收報一方顯示出眼睛能看到的信號，再記錄下來。當船艙到紐約時，他的腦海中已差不多成熟地形成了關于電報機的基本構思。
遺憾的是，莫爾斯對電的知識一竅不通，連制作一個基本的電池也不會。于是他向紐約大學的化學教授倫納德•蓋爾坦誠求教，請他教給自己組裝電池和制造電磁鐵的方法。在１８３５年底，正是由于蓋爾的幫助，莫爾斯很快就用廢料制成了第一臺電報機。這種電報機的工作原理和現在的電報機既相似又不完全相似。這種電報機的發報機把制成凹凸不平的字母板排列起來拼成文章，然后讓字母板慢慢活動，觸動開關斷斷續續發出信號；收報機把不連續的電流通過電磁鐵，牽動擺尖左右擺動的前端與鉛筆連接，在移動的紙帶上劃出波狀的線條，經譯碼之后便還原成電文。盡管如此，它也能準確地工作。但是電磁鐵和電池是很粗糙的，所以，導線哪怕延長２－３米，收報機就會因電阻增大而失靈。如果通信距離不能進一步延長，是怎么也達不到實際運用的。
化學家蓋爾也不能繼續下去了，于是，他給莫爾斯推薦了普林斯頓大學教授約瑟夫•亨利（１７９７～１８７８年）亨利和美國的法拉第幾乎同時發現了電磁感應現象，他是以電感單位“亨利”留名的大物理學家。
亨利把電磁鐵改換成使用絕緣導線的強力電磁鐵，用繼電器把每個備有電池的電路串聯起來，把文字信號中繼轉發出去，電路中的一條導線可用地線代替，而不需要兩條往返導線。
亨利的指導，讓莫爾斯闖過了原理上的最大難關，但是機械本身還沒有實際應用能力。技術及應用方面的開發與改良，需要相應的發明天才和對機械的熟諳以及資金上的支持。幸運的是出現了一個叫做艾爾弗雷德•貝爾的年輕人，他具備這些條件。
貝爾是莫爾斯任教的紐約大學的畢業生，１８３７年年初訪問母校時，偶然在莫爾斯的房間觀看了電報機實驗，對此發生了強烈的興趣。他從在新澤西州開鐵廠的父親那里借了兩千美元并借了工廠的一間房屋做實驗室，便孜孜不倦，夜以繼日地對電報機進行改良。經過改進，莫爾斯的字母板式自動發報機改為手按的鍵，收報機由信號波形線改為高性能的小型機，基本形成今天的電報機原型。六、電報的發明
　　公元1794年，法國的夏普發明了“臂板信號機”。在高高的柱子上安裝兩塊木板條，用板條的不同夾角、位置，代表不同的字母、詞和詞組。把這樣的高柱樹立在山頭上，一站一站地把信號傳遞到遠方。現在的旗語就是在此基礎上發展起來的。
　　公元1804年，西班牙把塞羅那市的薩瓦進行電報試驗。他使用的電報接收裝置是裝有鹽水的玻璃管。將許多代表不同字母和符號的金屬線浸在鹽水中，有電流通過時，鹽水被電解，產生小氣泡。根據這些氣泡可以辨識是哪些字母，利用這種方式就能夠接收到遠方傳打算的信號。
　　1937年，英國的惠斯通和庫克利用電流的磁效應原理，研制出磁針式電信機。這種電信機配有字母圖表，安裝著5組磁針和線圈，還需要5條導線。當不同的線圈有電流流過時，對應的磁針即發生相應的偏轉，可以此來表示信號。這種信號機獲得了英國專利。
　　顯然，以上這些電信機結構復雜，可靠性差，很不家用。
　　美國發明家莫爾斯原本是學繪畫的，對電學也有興趣。他偶然觀看過一次電磁實驗，當電流流過電磁線圈時，電磁鐵產生的磁力將旁邊放置的彈簧片吸了過來。電流被切斷后，磁力就消失了，彈簧片又回來原來的位置。莫爾斯由此聯想到，如果使用一個電鍵，斷斷續續地接通或切斷電源，彈簧片就會時吸時放。他考慮，若以彈簧片被吸的次數來表示信號，就可以制出精確的電信機。莫爾斯從此投身于電報機的研制。1835年，莫爾斯的有線電報機在實驗室架設成功。為了解決遠距離通信時信號衰減的問題，莫爾斯又發明了繼電器。1883年，莫爾斯終于制成了實用型的單線電磁式電報機，并向美國專利局申請了專利。這種電報機是靠電流有規律地中斷來實現信號傳遞的。莫爾斯還發明了著名莫爾斯電碼，就是以長短信號的不同組合代表字母。用發報機的手按鍵發信號時，控制按鍵的時間，使電流中斷時間的長短與莫爾斯碼規定的點和線相對應，每分鐘可發10個字。接收機在紙帶上打出點和線，由收報員解碼譯出。
　　莫爾斯的偉大發明最初未被人們所重視，他又經過數年的努力，才從美國國會爭取到3萬美元，在華盛頓和巴爾的摩之間建立了一條實驗電報線路，1844年正式開通。世界上第一封電報的內容是：“上帝創造了何等的奇跡”。七、雷達的發明
雷達是一種無線電探測裝置，雷達的發明匯集了許多科學工作者的貢獻。
　　1922年9月，美國海軍實驗員泰勒和揚格，在華盛頓附近的波特麥克河畔兩岸進行無線電通信試驗。在試驗中他們發現，每當有船只從此地通過，耳機中就會出現異常的怪聲，有時甚至導致通信中斷。經分析，他們認為是行船阻礙了電磁波的傳播。這就是有名的“波特麥克試驗”。試驗結果表明，無線電波遇到金屬物體是，能夠像光一樣進行反射。泰勒和揚格由此受到啟發，產生了用無線電波尋找障礙物，尋找敵機、敵船的念頭。這就是有關雷達的初步設想。
　　1924年，英國劍橋的物理學家愛德華•阿普爾頓在進行無線電實驗時發現了電離層。當時，他使用接收機接收從一個已知距離的地點發來的無線電波。然而，從收到的電波分析，其中一部分是直接到達接收機的；還有一些似乎經歷了更長的路程。阿普爾頓反復做了試驗，從大量數據資料中，他整理歸納出一條方程式，可以通過計算電波直線傳播和繞道走的路程差值，很容易地求出反射點，即大氣層中電離層的高度。阿普爾后來又采用美國人發明的脈沖發射系統，對地球上空電離層高度進行了驗證。他的這些工作為雷達的出現奠定了基礎。
　　真正的雷達誕生于本世紀30年代，它首先被應用于軍事目的。1934年，英國皇家物理研究所的沃森•瓦特博士，帶領一批科學家對地球大氣層進行無線電科學考察。一天，沃森•瓦特在觀察熒光屏上的圖像時，被一串亮點吸引注了。從其亮度分析，它不可能來自大氣層，而像是被某個物體反射回來的無線電波信號。又經過一系列的實驗，終于發現這些亮點原來是被實驗室附近的高樓反射回來的電波信號。沃森•瓦特特由此想到“應用我們已經了解的電磁波來探測在空中飛行的飛機，這將是可能的。”
　　沃森•瓦特博士及時開展了應用電磁波探測飛行物的研究。1935年夏，沃森•瓦特研制成功第一套實用雷達裝置。
　　1938年，英國在東海岸建起對空警戒雷達網。100米高的天線，能探測到160公里以外的敵機。敵機距離可根據無線電脈沖的反射波傳回雷達站所用的時間來計算。雷達天線來回擺動掃描，一收到反射波即刻停下，據此可判斷敵機所在的方向。顯示方位的反射波在陰極射線屏上是以一道光波振蕩的形式出現的。
第二次世界大戰爆發后，德國飛機經常飛越大西洋對英國狂轟濫炸。但是，英國憑借雷達網，及時地把敵機的架數、航向、速度和抵達英國領空的時間十分準確地測出來，牢牢把握著權，有效地防止了德國的空襲。
　　第二次世界大戰期間，雷達已使用得十分普遍，英、美、德、日本等國都陸續擁有了軍用雷達設備。由于各國都投入了相當的力量從事雷達研究，使雷達技術有了長足的進步。
　　雷達發展至今，種類越來越多，技術性能越來越完善，應用領域大大擴展。除了軍用方面外，還有其它用途。人們使用雷達測定人造衛星、宇宙飛船等飛行物的速度和軌道，測定水面艦船、陸上目標以及大氣中的云霧團等。此外，雷達技術還應用于精密跟蹤、導航、測繪攝影、空中交通管制、港口監視、氣象預報、資源勘探、天文學、宇宙航行等領域。

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