无线电工作原理

看不见的无线电波通常跨越数百万公里的距离在空中传送音乐、谈话、图片和数据——这种无线电波每天都以成千上万种不同的方式进行！ 虽然无线电波对人而言是看不见且完全不被察觉的，但它们却完全改变了整个社会。 无论是我们谈论的手机、婴儿监护器、无绳电话，还是成千上万种其他无线技术中的任何一种，它们都是通过无线电波进行通信的。

下面是基于无线电波的一些常见技术：

AM和FM无线电广播
无绳电话
车库门遥控器
无线网络
遥控玩具
电视广播
手机
GPS接收器
业余无线电
卫星通信
警用无线电
无线电控制时钟
还有很多很多…… 甚至像雷达和微波炉也是靠无线电波工作的。 像通信和导航卫星这些设备如果离开了无线电波就将无法工作，现代航空领域也是一样 -- 飞机要依靠十多种不同的无线电系统来工作。当前流行的无线互联网也使用了无线电，这意味着将来的生活会更加方便！
有趣的是作为核心技术的无线电却是一项简单得令人难以置信的技术。 使用几个最多价值一到两美元的电子元件，就可以制造出简单的无线电发射器和接收器。 为什么如此简单的东西却能够成为当今世界的技术基石，探索这一过程是非常有趣的。

在本文中，我们将探索无线电技术，以便使您完全能够理解看不见的无线电波是如何使如此多的事情成为可能的。

无线电简单得令人难以置信，大约在19世纪末20世纪初，正是因为这种简单使得几乎所有人都可以进行早期的实验。那么它到底有多简单呢？请看下面的示例：

• 拿一个新的9伏电池和一个硬币。
• 找出一台AM收音机，调到只能听到静音的刻度位置。
• 然后拿着电池靠近天线，并用硬币迅速敲打电池两端（这样可在一瞬间将它们连接起来）。
• 您会从收音机中听到噼啪声，这是由硬币的接通和断开而产生的。

通过用硬币轻敲9伏电池的两端， 就可以产生AM收音机可以接收的无线电波了。

电池与硬币的组合就构成了一个无线电发射器！ 它不能传输任何有用的信息（只是静电），也不能传输很远的距离（仅仅是几厘米，因为没有针对距离作出优化）。但是如果使用这种静电敲出摩尔斯电码，事实上您就可以利用这种原始的装置和几厘米之外的人进行通信！

如果想做得稍微精巧一些，可以使用一个金属锉刀和两段导线。将锉刀的柄和9伏电池的一端连接起来。将另外一根导线和电池的另一端相连，然后将导线的自由端在锉刀上来回刷动。如果是在黑暗中做这个实验，当导线的一端与锉刀连接和断开的时候就能够看到微弱的9伏电火花沿着锉刀延伸。拿着锉刀靠近AM收音机，还会听到大量的静电声。
早期的无线电学中，发射器称为火花线圈，在高压下（例如2万伏电压）可产生连续的电火花流。高压下产生大量的火花就像在火花塞中看到的一样，而它们能够传播更远的距离。现在，像那样的发射器是非法的，因为它占用了整个无线电频谱，但是在早期，由于使用无线电波的人不多，这使得它得到普遍应用并工作得很好。

在前面几节中我们看到，用静电传输非常简单。然而，现代的所有无线电都使用连续正弦波来传输信息（音频、视频、数据）。 现在我们使用连续正弦波的原因是因为有太多不同的人和设备想要同时使用无线电波。 如果有办法可以看到无线电波，你就会发现有成千上万种不同的无线电波（以正弦波的形式）围绕着你 ——电视广播、AM和FM广播、警用和消防用无线电广播、卫星电视传输、手机交谈和GPS信号等等。 如今无线电波的用途多得惊人（有关详细信息，请参见无线电频谱工作原理）。 每种不同的无线电信号使用一种不同的正弦波频率，这也是区分它们的办法。
任何无线电装置都由两部分组成：

发射器
接收器
发射器携带某种信息（可能是某人说话的声音、电视机图像、无线调制解调器的数据或其他内容），将其编码到正弦波上，通过无线电波传输。 接收器接收无线电波，从接收到的正弦波上对信息进行解码。发射器和接收器都使用天线来发射和捕获无线电信号。

婴儿监视器几乎是最简单的无线电技术的应用。它是由安装在婴儿房间里的发射器和父母用来监听孩子的接收器组成。下面是典型的婴儿监护器的一些重要特征：

• 调制方式：调幅 (AM)
• 频率范围：49MHz
• 频率数目：1或2
• 发射器功率：0.25瓦

（不要担心不理解“调制”、“频率”等术语——接下来会做讲解。）

典型的婴儿监视器，左边是接收器，右边是发射器：发射器安置在婴儿的房间，它实质上是一个微型“无线电台”。 父母在房子周围活动时携带着接收器以监听婴儿。 通常传输距离限制为约61米。

手机也是一种无线电接收设备，是一种更复杂的设备（有关详细信息，请参见手机工作原理）。 移动电话同时包含发射器和接收器，两者能够同时工作，能够理解几百个不同的频率，能够自动在不同频率间切换。下面是典型的模拟手机的一些重要特征：

• 调制方式：调频 (FM)
• 频率范围：800MHz
• 频率数目：1664（每个供应商832个，每个地区两个供应商）
• 发射器功率：3瓦

一部典型的手机包含发射器和接收器，且两者同时在不同的频率下工作。手机与手机塔通信，可以在3-5公里范围内传输。

用一个电池和一段导线，您就可以初步了解无线电发射器的工作原理。在电磁体工作原理中，您会发现如果将电池的两极用导线连接起来，电池就通过导线传送电流（电子流）。移动的电子会在导线周围产生磁场，而且这个磁场强到能够影响罗盘。

我们假设拿着另外一根导线并平行地放置在距离电池上那根导线5厘米的地方。 如果在这根导线上连接了一个非常敏感的电压计，那么会发生下面的情况： 每次将第一根导线从电池上连接和断开的时候，可以发现第二根导线上电压和电流有微小的变化，任何变化的磁场都能够在导体内产生电场——这就是发电机的基本原理。 因此：

• 电池在第一根导线内产生电流。
• 移动的电子在导线的周围产生磁场。
• 磁场延伸出来到达第二根导线。
• 第一根导线中的磁场变化时，第二根导线中的电子就开始流动。

值得注意的是，仅仅在连接和断开电池的时候第二根导线中才有电流。只有在磁场发生变化时才会在导线中产生电流。接通和断开电池时改变了磁场（接通电池产生磁场而断开时磁场消失），因此第二根导线只在这两个瞬间才可产生电流。

要制作一个简单的无线电发射器，您需要做到的就是在导线中制造出快速变化的电流。您可以通过迅速接通和断开电池而做到这一点，如下：

连接电池时，导线中的电压是1.5伏，断开时，电压是0伏。 通过迅速接通和断开电池，形成一个在0-1.5伏之间变化的方波。

更好的方法是在导线中形成连续变化的电流。 最简单的（也是最平滑的）连续变化的波形是正弦波，如下图所示：

正弦波在两个电压之间平滑振荡，例如，在10伏和-10伏之间。

形成正弦波并使其在导线中流动，这就制造出了简单的无线电发射器。形成正弦波非常简单，只需要使用几个电子元件——一个电容器和一个电感器就能够制造出正弦波，通过几个晶体管将电波放大成强大的信号（有关详细信息，请参见振荡器工作原理，此处是一个简单的晶体管原理图）。通过把信号传送到天线上，就可以向空中发射正弦波。

频率:正弦波的一个特征就是其频率。正弦波的频率是指一秒钟内上下振荡的次数。收听AM无线广播时，收音机通常会调到每秒1百万周期的正弦波频率上（每秒周期就是众所周知的赫兹）。 例如，AM刻度上的680是指每秒68万周期。 FM无线电信号工作在1亿赫兹范围内，因此FM刻度上的101.5指的是发射器产生的每秒1亿150万周期的正弦波。

如果有正弦波信号和通过天线向空间发射正弦波的发射器，那么就有了一个无线电台。 唯一的问题是此正弦波不包含任何信息。 我们需要通过某种方法调制此电波，将信息编码到电波中。正弦波的调制有三种常用方法：

• 脉冲调制 (PM)——PM方式下，只需简单地开关正弦波。这是一种发送摩尔斯式电码的简易方式。PM调制不太常见，但是有一个很好的实例就是美国的一种向无线电控制时钟发射信号的无线电系统。一台PM发射器就能够覆盖整个美国。

• 调幅 (AM)——AM无线电台和电视信号中的图像部分都是使用调幅来编码信息的。在调幅中，正弦波的幅度（峰谷到峰顶之间的电压）是变化的。 例如，一个人的说话声音产生的正弦波叠加到发射器的正弦波上就使其幅度发生了变化。

• 调频 (FM)——FM无线电台和数以百计的无线电技术（包括电视信号、无绳电话、手机等）都是使用调频的。 调频的优点是很大程度上不受静电影响。在调频中，发射器正弦波的频率根据信息信号产生微小变化。

如果您会使用正弦波调制信息，您就可以传输信息了。

下面是生活中的实例。 将汽车上的AM收音机调到某个台——例如，AM刻度680——发射器的正弦波就以68万赫兹的频率传输（正弦波以每秒68万周期重复）。 DJ的声音通过改变发射器的正弦波振幅而调制到载波上面。 对于大型调幅电台，放大器可以将信号放大到大约5万瓦。 然后天线将无线电波发送到空中。

那么汽车上的AM收音机（接收器）又是如何接收发射器发送的68万赫兹信号，并从中提取有用信息（DJ的声音）的呢？ 步骤如下：

• 除非你正好坐在发射器的旁边，否则收音机接收器都需要天线来接收发射器发射到空中的无线电波。AM天线只是简单的一根导线或金属棍，用于增加发射器的电波可以接触到的金属的面积。
  
• 收音机接收器需要调谐器。天线可以收到数千种正弦波。调谐器的任务就是从天线接收到的数千种无线电信号中分离出某一种正弦波。在这个例子中，调谐器调到接收68万赫兹的信号。

  调谐器是利用共振原理工作的。也就是说，调谐器与某特定频率发生共振并将其放大，而忽略空中其他所有频率。 使用一个电容器和一个电感器很容易就可以制造一个共振器（请参阅振荡器工作原理，了解电感器和电容器如何一起工作构成一个调谐器）。

• 调谐器使收音机只接收某一个频率的正弦波（本例中是68万赫兹）。 现在收音机需要从正弦波中提取DJ的声音。这通过收音机中称为检波器或解调器的部件来实现。本例的AM收音机中，检波器是由称为二极管的电子元件构成。 二级管使一个方向的电流流过，而阻止另一个方向的电流，因此截掉了电波的一半，如下所示：

• 然后收音机放大经过剪切的信号，并发送到扬声器（或者是耳机）。放大器由一个或多个晶体管组成（更多的晶体管意味着更大的放大倍数，因此扬声器的音量也就越大）。

从扬声器里听到的就是DJ的声音。

在FM收音机中，只有检波器是不同的，其他都是相同的。FM收音机中，检波器将频率变化转变为声音，但天线、调谐器和放大器基本是相同的。

在强AM信号的情况下，只需要用两个部件和一些导线就能够制作一个无线电接收器。步骤非常简单——以下就是需要的元件：

• 二级管——只需花大约1美元就可以在Radio Shack连锁店买一个二极管。 部件号为276-1123的就可以。
• 两根导线——需要大约15-20米长的导线。Radio Shack部件号为278-1224最好，不过其实任何导线也可以。
• 小金属桩用于接地（或者发射器附近有防护轨或金属栅栏也可以利用）。
• 晶体耳机——不幸的是Radio Shack不单独卖。 但是，Radio Shack出售晶体收音机套件（部件号28-178），包含有耳机、二极管、导线和调谐器（不用紧挨着发射器就可以使设备工作），总价为10美元。

现在需要找到AM无线电发射塔并还要在其附近（即1.6公里范围内），这样才能使设备正常工作。 您可按以下步骤去做：

• 将金属桩接地，或者找到金属栅栏。剥掉3米长导线末端的绝缘层，并将其缠绕10圈绑在桩/栏杆上以确保牢固连接。这是地线。

• 将二极管连接在地线的另一端。

• 再取另一根导线，3-6米长，将其一端接到二极管的另外一端上。这根导线是作为天线的。要将其放在地上或挂在树上，但必须保证裸露的一端不能接触到地面。

• 将耳塞的引线连接到二极管的任一端，如图所示：

此时，如果将耳塞放到耳朵里，就可以听到无线电台了——这可能就是最简单的无线电接收器了！如果距离电台很远，则这一超级简单的项目将无法工作，但是它至少说明了无线电接收器可以做到如此简单。

下面介绍它的工作原理。您刚才所用的天线接收所有的无线电信号，但是由于距离某个发射器非常近，所以这一点无关紧要。 附近的信号以数百万倍的强度压制了任何其他信号。 因为距离发射器足够近，天线同样也接收到大量的能量——这些能量足够驱动耳机！ 因此，不需要调谐器或电池或任何其他东西。如前所述，二极管充当了AM信号检波器的角色。 因此尽管缺少调谐器和放大器，您还是能够听到电台发射的声音！

Radio Shack出售的晶体收音机套件 (28-178) 包含两个额外部件：电感器和电容器。这两个部件可以组成调谐器，扩大无线电接收频率范围。有关详细信息，请参见振荡器工作原理。

您可能注意到几乎所有您知道的无线电设备（例如手机、汽车收音机等）都有一根天线。天线有不同的形状和尺寸，这取决于天线要接收到的频率。天线各式各样，从一根长、硬的导线（如大多数汽车上的AM/FM收音机的天线），到一些奇形怪状的东西如卫星圆盘天线。 无线电发射器也可使用极高的天线塔来发送信号。
无线电发射器中天线的作用就是将无线电波发射到空中去。在接收器中，天线的含义是尽可能地捕捉发射器的能量并提供给调谐器。 对于那些远在百万公里之外的卫星，美国航空航天局（NASA）就使用巨大的碟形天线，其直径达60米。

最合适的天线尺寸与天线要发送或接收的信号频率有关。这种关系又与光速以及电子由此可以移动的距离有关。光速是每秒30万公里。 在下一页中，我们将使用此数字来计算现实生活中天线的尺寸大小。

假设要为680AM的无线电台架设无线电塔。并且发送正弦波的频率是68万赫兹。在正弦波的一个周期中，发射器使天线中的电子沿一个方向运动，然后再将其拉回；再移出去，再移回来。换句话说，正弦波在一个周期中，电子运动的方向会改变四次。如果发射器工作在68万赫兹下，那就意味着要在 (1/680,000) 0.00000147秒钟内完成一个周期。 四分之一周期的时间就是 0.0000003675 秒。电子是以光速传播的，在 0.0000003675秒内可以传播 0.11千米。 这就意味着工作在68万赫兹频率下的发射器，其最合适的天线长度大约是110米。 因此AM无线电台需要很高的塔。对于工作在9亿 (900MHz) 频率下的手机，最合适的天线长度大约只是8.3厘米。这就是为什么手机天线那么短的原因。

您也许注意到汽车内的AM收音机天线并没有90米那么长——仅仅只有几米长。如果加长，天线的接收性能将更好，但是在城市里AM电台足够强大，因此完全可以忽略天线长度是否最合适。

您可能想知道为什么在无线电发射器发射某种信息时，无线电波能够以光速从天线向空中传播。无线电波为什么可以传播数百万公里？为什么天线不是像连接着电池的导线那样，只在靠近天线的地方有磁场？考虑此问题的简单方法是：当电流进入天线时，它确实在天线周围产生磁场。我们还了解，磁场能够在靠近发射器的另一根导线中产生电场（电压和电流）。其实，在空中由天线产生的磁场又在空中感应出电场。 然后此电场会在空中感应出下一个磁场，磁场再感应出另一个电场，电场再感应出另一个磁场，如此循环。 这些电场和磁场（电磁场）在空中相互感应，以光速从天线向外传递。