在文章開始之前，我們來看一段英劇《背叛》中第一季第3集中劇中人物操作火化式發(fā)射機發(fā)送有關(guān)叛亂信息的橋段： 早期的無線電通訊幾乎是用在船對船或船對岸上的通訊，至于商用的無線電廣播，是在第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后才開始的。 一部簡單的火花式無線電發(fā)射機線路如圖 1A 所示，其中包含交流發(fā)電機，這電源透過電鍵送給高壓變壓器。在這簡單的線路中，跨接在變壓器次級上的，是由一高頻扼流圈串接可產(chǎn)生火花的間隙裝置，同時也并聯(lián)了一只電容，以防止火花產(chǎn)生的射頻訊號倒灌到高壓變壓器的次級線圈內(nèi)，這樣會破換掉變壓器內(nèi)的絕緣材料，使變壓器焚毀。 電鍵被壓下時，發(fā)電機的電源進入到高壓變壓器的初級，當(dāng)時在火花式無線電發(fā)射機使用早期，一般電源是使用 60Hz，可是這會使發(fā)出的莫耳斯碼音調(diào)是 120Hz，為了使莫耳斯碼音調(diào)聽來更清晰悅耳，后來商用的火花式發(fā)射機都改成 300Hz 到 500Hz 之間的電源供電，如此可以產(chǎn)生音調(diào)更高的悅耳聲音。 不論是電源的正半波或負(fù)半波電壓，一旦超過火花間隙導(dǎo)通的電壓，火花間隙上便出現(xiàn)火花，電流也因而導(dǎo)通，此時電壓往往在數(shù)千伏以上，而這電流就流到振蕩變壓器的初級上。而振蕩變壓器的次級接著天線網(wǎng)絡(luò)，無線電訊號便由此引出。 從圖 1 中可以看出來，天線的容抗與感抗與火花式無線電發(fā)射機的振蕩變壓器次級形成了一個調(diào)諧線路。每一次火花間隙放電時出現(xiàn)火花，能量被瞬間釋放，使得這一調(diào)諧線路出現(xiàn)與調(diào)諧共振頻率一致的無線電訊號，由于天線有電阻成份，因此會把進入的能量轉(zhuǎn)化成為熱，這雖然不會使振蕩馬上停止，但是卻會使產(chǎn)生的無線電訊號，一波比一波弱下來，因而產(chǎn)生了所謂的阻尼效應(yīng)，使每一次火花放電產(chǎn)生的無線電波，如圖 1B 所示的輸出波形。 圖 1：(A)基本的火花式發(fā)射機線路。(B)火花式發(fā)射機產(chǎn)生的射頻訊號。 火花式無線電發(fā)射機發(fā)出的訊號會使接收機出現(xiàn)陣陣的響聲，因為火花式無線電發(fā)射機會在電源每一周期內(nèi)出現(xiàn)兩次火花，因此以 60Hz 供電的話，這陣陣響聲的頻率就是 120Hz 。如果電源的頻率是 500Hz 的話，聲響的頻率就會是 1000Hz。 1912 年的無線電法規(guī)當(dāng)中，就制定有嚴(yán)格的發(fā)射機輸出頻譜規(guī)格，以當(dāng)時規(guī)定，圖 1 的火花式無線電發(fā)射機根本不能使用。所以實際的火花式無線電發(fā)射機，在振蕩變壓器的初級上，還并聯(lián)有一只電容，這電容可以初步?jīng)Q定振蕩頻率，也可以當(dāng)作是振蕩變壓器的旁路電容，雖然只加了這一只電容，但是這一調(diào)諧線路與次級的天線調(diào)諧線路，使整部無線電發(fā)射機就有雙調(diào)諧的作用，提高發(fā)射機的 Q 質(zhì)，輸出的頻譜也會比較純。如果能在初級與次級之間的距離調(diào)整下功夫，在耦合恰當(dāng)?shù)那闆r下，可以使火花式無線電發(fā)射機的輸出頻譜變窄許多。 而天線系統(tǒng)既然也是屬于火花式無線電發(fā)射機調(diào)諧的一部份，因此，高Q值的天線，也可以使火花式發(fā)射機的輸出頻譜更為理想。 使用火花式無線電發(fā)射機有兩大難題，一是決定發(fā)射機的波長，另一是如何讓天線的效率最高，以取得最大的輸出功率。當(dāng)時標(biāo)準(zhǔn)的方法就是使用「射頻電流表」，利用相對的測量方式，可以知道有多少功率到達(dá)天線。 火花式無線電發(fā)射機輸出的訊號頻譜的分布情況確實很驚人，因此在火花式無線電發(fā)射機附近的接收機，可能在所有的頻率上都可以聽到同一火花式無線電發(fā)射機的訊號。所以在 1920 年代早期剛剛出現(xiàn)商業(yè)性的AM 廣播時，當(dāng)商船靠近像是舊金山、紐約等港口時，都禁止使用無線電發(fā)射機，以避免干擾到岸上的 AM 廣播。現(xiàn)今的國際法規(guī)，已經(jīng)嚴(yán)格禁止使用火花式發(fā)射機了。 弧光無線電發(fā)射機 所謂的弧光很容易解釋，比如火花式發(fā)射機上因火花間隙上導(dǎo)電現(xiàn)象所產(chǎn)生的光就稱為弧光。但是火花式無線電發(fā)射機與弧光無線電發(fā)射機是完全不同的。 前面已經(jīng)說明了火花放電如何激發(fā)振蕩變壓器，并且使用調(diào)諧線路及調(diào)諧天線系統(tǒng)，使它振蕩更有效率以及得到更有效率的電波輻射。這種火花式無線電發(fā)射機與供電的電源時序無關(guān)，而所產(chǎn)生的無線電波是一種帶有阻尼現(xiàn)象的波形。但是如果能夠使火花間隙的放電速度夠快，而且能夠掌握到阻尼振蕩的相位，使之同步，那么就可以產(chǎn)生出真正的連續(xù)波。多重火花間隙的時序控制火花式無線電發(fā)射機，就可以做到產(chǎn)生真正的連續(xù)波，當(dāng)然，這種發(fā)射機還是不能和真空管或者是晶體管線路一樣，產(chǎn)生接近完美的連續(xù)波。 「弧光無線電發(fā)射機」，或者有時叫做「弧光轉(zhuǎn)換發(fā)射機」，是因為對調(diào)諧線路做連續(xù)的激蕩，而產(chǎn)生出連續(xù)波來，這有點像是使用弦弓拉動使小提琴產(chǎn)生音調(diào)一樣，參看圖 2 就是簡易的弧光無線電發(fā)射機線路。 一部 2 千到 3 千瓦的弧光發(fā)射機，可能會使用大約 500 伏特的直流電源供電，直流電壓加到電磁鐵上，使它產(chǎn)生一個極強的電磁場。有兩塊電磁鐵，分別擺在火花間隙 (圖 2 中的 A 及 B)的兩邊來產(chǎn)生電磁場。操作者只要把 A 點 (碳蕊 )推向 B 點 (銅質(zhì) )，就可以啟動火花間隙出現(xiàn)火花，而 A 點上有個彈簧，可以把 A 點自動彈回，為了延長發(fā)生火花的時間，兩旁的強磁場，可以使火花往外擴張，增長火花的延續(xù)時間。 一般在阻值不變的電阻上，只要增加電壓，就可以加大電流，但是在負(fù)電阻上，電壓加大，電流卻會減小，在弧光無線電發(fā)射機上的負(fù)電阻，就有補償?shù)淖饔?，可以使原本阻尼狀態(tài)的波形，變成接近連續(xù)波。 如果讓產(chǎn)生火花的空間內(nèi)布滿酒精蒸氣或者是氫氣，可以使產(chǎn)生火花時更有效率，不過在火花間隙腔內(nèi)，如果碰巧有適當(dāng)?shù)难鯘舛?，?dāng)火花出現(xiàn)在高氫氣濃度時，會產(chǎn)生爆炸，而使火花間隙腔的背蓋噴開，這往往會驚嚇到操作員，甚至在制服上留下一條條的黑色煙灰。 圖 2 中的可變電阻，可以用來控制發(fā)射機的輸出功率，阻值越大，產(chǎn)生的弧光也就越弱，因此輸出功率也就越小。 弧光無線電發(fā)射機的電鍵控制可以有好幾種方式，最簡單的就是所謂的「頻率位移電鍵」 (FSK )，這與現(xiàn)今的 RTTY、AMTOR、及 PACKET 等所使用的方式類似。
圖 2：弧光發(fā)射機的基本線路。 參看圖 2，電鍵壓下，也就是讓天線線圈的一圈或是兩圈短路，也就會改變天線的共振頻率，因為弧光無線電發(fā)射機的發(fā)射頻率會受天線影響，也就改變了發(fā)射頻率。因此發(fā)射的訊號頻率就有兩種，當(dāng)電鍵壓下時，出現(xiàn)「訊號波」 (Signal Wave or Signal Frequency )，放開時，出現(xiàn)「補償波」 ( Compensation wave，亦稱「空間波」 Spacing Wave )。 圖 2 所示是簡化了的線路，電鍵就直接串在調(diào)諧線路上，為了防止操作員受到強大功率的射頻訊號灼傷，電鍵是使用遙控的方式來操控，這電鍵用來使發(fā)射天線內(nèi)的線圈做少部份的短路接地。 火花式無線電發(fā)射機出現(xiàn)的調(diào)制音調(diào)頻率是供電電源頻率的兩倍。而弧光無線電發(fā)射機供電的是直流電，因此也就沒有調(diào)制訊號，因為當(dāng)時無線電法規(guī)就規(guī)定，發(fā)射的無線電波必須要有調(diào)制訊號才行，否則當(dāng)時有些接收機是無法接收到訊號的，因此弧光發(fā)射機也必須要有調(diào)制訊號才行。 因此就有圖 2 中的「轉(zhuǎn)輪調(diào)制器」，這調(diào)制器就由一小型馬達(dá)帶動一組線圈，并且與天線線圈做耦合，這樣一來，轉(zhuǎn)輪調(diào)制器就可以產(chǎn)生 FSK 的效果，如果轉(zhuǎn)輪調(diào)制器一秒鐘斷續(xù) 700 次，那么利用檢波收音機就可以聽到這 700Hz 的調(diào)制聲，而轉(zhuǎn)輪調(diào)制器的開關(guān)可以用來選擇弧光無線電發(fā)射機輸出的是連續(xù)波 ( CW )或者是調(diào)制連續(xù)波 (MCW )。 因為弧光無線電發(fā)射機非常貴，而且技藝講究極為精巧，因此當(dāng)時的業(yè)余無線電愛好者，幾乎沒有人使用弧光無線電發(fā)射機。當(dāng)時的弧光無線電發(fā)射機，在標(biāo)準(zhǔn)的遇難與呼叫頻率上，也就是 500KHz 的 600 米波長上工作，效率非常低。如果工作頻率低一些，效果就會好很多。 與火花式無線電發(fā)射機一樣，弧光無線電發(fā)射機也是以輸入功率來計算的，總的來說，弧光無線電發(fā)射機的效率大約是 50 %, 500 千瓦的輸入功率，大約可以產(chǎn)生 250 千瓦的射頻輸出。當(dāng)時的船臺，大約都是使用 2 千瓦左右的規(guī)模，至于岸臺，則往往使用數(shù)百千瓦的功率。在第二次世界大戰(zhàn)期間，還有些使用弧光無線電發(fā)射機的電臺，但是當(dāng)高功率的真空管發(fā)明之后，這些發(fā)射機就被真空管機所取代了。 為了想象弧光無線電發(fā)射機所產(chǎn)生的電磁場有多大，加州大學(xué)在 1930 年代第一次做原子碰撞實驗時，他們就曾取來一部舊的弧光無線電發(fā)射機內(nèi)的電磁鐵，利用這些可以產(chǎn)生高磁場的電磁鐵來當(dāng)作離子加速器。 交流發(fā)電機 電力公司利用發(fā)電機組來產(chǎn)生 60Hz 的電源，那么為什么不能利用發(fā)電機來產(chǎn)生高頻呢？當(dāng)然可以，后來也有所謂的「高頻發(fā)電機」，很有名的分別是以發(fā)明者命名的阿雷克安得森 (Alexanderson )及國登史密特 (Goldschmidt )交流發(fā)電機。 這些交流發(fā)電機體積都非常龐大，操作時也會發(fā)出極大的噪音，但是可以產(chǎn)生頻率高達(dá) 100KHz，功率達(dá)數(shù)百千瓦的射頻訊號。不過當(dāng)時的工作頻率是集中在 18KHz 到 50KHz 之間，但是交流發(fā)電機依然要使用數(shù)以打計的成對線圈，以及好幾百片的電極片，就算這樣，要產(chǎn)生最常用的 18KHz 訊號，也要使交流發(fā)電機的馬達(dá)轉(zhuǎn)動非?？觳判?，使用大型的電動馬達(dá)來帶動交流發(fā)電機，而交流發(fā)電機的次級線圈一端接地，另一端則接天線。 圖 3：(A)高頻發(fā)電機 (或稱交流產(chǎn)生器 )的基本結(jié)構(gòu)。(B)交流產(chǎn)生器的另一種電鍵方式。 參看圖 3A，控制直流電在初級線圈的通過與否，可以控制是否產(chǎn)生射頻訊號，但是要讓初級線圈很快產(chǎn)生磁場，以應(yīng)付很快的敲鍵速度，往往就會跟不上，為了解決這個問題，有些電臺就使用特別的電鍵技術(shù)，參看圖 3B ，弧光無線電發(fā)射機隨時產(chǎn)生訊號，電鍵提起時，就把功率導(dǎo)往一個水槽，用來作為天線的假負(fù)載，電鍵敲下時，再把訊號切換到天線路徑上去。如果有一段時間不敲電鍵的話，這水槽的水可能就被加熱煮沸。至于交流發(fā)電機是以輸出功率大小來計算的，標(biāo)準(zhǔn)的交流產(chǎn)生器大約是 200 千瓦左右。 再生式接收機一第一部收發(fā)機 阿姆斯特朗 (Edwin Howard Armstrong )于 1912 年發(fā)明了再生式檢波器及振蕩式檢波器，因為這使接收機的靈敏度大為提高，也因而使利用真空管做 CW 發(fā)射機慢慢發(fā)達(dá)起來。而一提到再生式接收機，很少人知道，再生式接收機本身就是一部收發(fā)機。 早在 1920 年開始，許多業(yè)余無線電家就開始使用再生式接收機做雙向的通訊。于第二次世界大戰(zhàn)期間，船上也禁止使用再生式接收機，因為打開這接收機電源時，也就告訴了敵人自己的正確位置，因為對方可以從再生式接收機所發(fā)出的微弱訊號來追蹤船跡。當(dāng)時在 500KHz 的呼叫及遇難頻率上，往往可以聽到突然出現(xiàn)但卻微弱的訊號，后來證明這些都是發(fā)自附近同樣在 500KHz 上守聽的再生式接收機。 初探火花式無線電發(fā)射機的聲音 最早期的無線電發(fā)射機稱為火花式發(fā)射機 (sparkTransmitter )，后來又發(fā)展成為弧光發(fā)射機(Arc Transmitter )，這兩者其實有很大分別的，先有火花式無線電發(fā)射機，再有弧光無線電發(fā)射機；商用的火花式無線電發(fā)射機通常是以 400Hz 或是 500Hz 左右的交流電源供電，而弧光無線電發(fā)射機則是以直流供電，但是許多人都把這兩者一律稱為火花式無線電發(fā)射機。 根據(jù)世界各地的無線電博物館資料，以及各種早期的無線電發(fā)展文獻看來，世界上應(yīng)該不存在早期以簡易接收機收聽火花式發(fā)射機的聲音錄音數(shù)據(jù)，也就是現(xiàn)代人根本無法體驗早期的火花式無線電發(fā)射機所發(fā)出的訊號聲音。 與現(xiàn)代的單邊帶發(fā)射系統(tǒng)一樣，使用特殊的麥克風(fēng)或特別的線路，也會使發(fā)射機發(fā)出音質(zhì)特異的聲音，火花式無線電發(fā)射機也是一樣，幾乎每一個電臺所發(fā)出的聲音特質(zhì)都不一樣，各有特色，這是因為每部發(fā)射機的間隙控制速度都不完全相同的緣故，而且其間差別往往很大。況且這些聲音會隨著火花式無線電發(fā)射機中，所選用的間隙控制是同步或是非同步、電極的形狀及保持的間距，以及電壓大小 (用來控制輸出功率 )等的影響，所發(fā)出的聲音特質(zhì)也都不一樣。當(dāng)然這些看似缺點，但是假如有一大堆電臺同時發(fā)射訊號時，倒是可以從聲音的特性來辨別電臺，而成為一項不算優(yōu)點的好處。 由于火花式發(fā)射機產(chǎn)生的頻譜占有極大的帶寬，而當(dāng)時使用的簡易接收機，選擇性也非常差，也就是帶寬也很大，如果有幾個電臺同時發(fā)射訊號，以當(dāng)時的無線電系統(tǒng)而言，那就會像是有好幾個電臺使用同一頻率一樣，所以假如聲音沒有自己的特性，反而是不容易辨識。 現(xiàn)存的火花式無線電發(fā)射機 相信很少人看過火花式無線電發(fā)射機，至于聽過接收火花式發(fā)射機產(chǎn)生的聲音那可能就更少了，至于能聞一聞火花式無線電發(fā)射機發(fā)出的特殊氣味的機會，那可不僅是運氣好而已，簡直就是一種福份了。目前在北美的眾多無線電博物館當(dāng)中，還可以看到火花式無線電發(fā)射機，比如下面兩處，就因為可以體驗火花式發(fā)射機而遠(yuǎn)近馳名： The Antique Wireless Association's Radio Museum 這博物館在紐約，有一部商用的船一岸聯(lián)絡(luò)用的火花式無線電發(fā)射機。 Fred Hammond's Radio Museum 這是在加拿大渥太華的博物館，所展出的有早期業(yè)余無線電人員所使用的異步控制間隙的火花式無線電發(fā)射機” 從這兩處博物館可以體驗火花式無線電發(fā)射機的使用場景，但是相信你我都沒有聽過火花式無線電發(fā)射機的訊號是什么樣子。 自制火花式發(fā)射機與接收機 圖 4 是一部 5MHz 的火花式發(fā)射機制作，使用啟動汽車引擎的高壓線圈作為火花式無線電發(fā)射機的感應(yīng)線圈，線路結(jié)構(gòu)仿造布朗 ( Braun )式，發(fā)射機可以配合四分之一波長單極 (長條狀 )天線。 圖 4：(a)仿布朗的火花式發(fā)射機線路。(b)簡易的接收機，用來接收火花式發(fā)射機的訊號。 雖然這部火花式無線電發(fā)射機仿造布朗式，但是線圈的次級并不是直接拉往天線，而是使用一小段饋送線作為耦合。這樣一部火花式無線電發(fā)射機，輸出的頻率以及頻譜，完全是由天線系統(tǒng)來決定。這種早期的火花式無線電發(fā)射機頻譜的確極寬，這部仿造的火花式發(fā)射機，-10dB 帶寬大約是 1MHz。 這部火花式無線電發(fā)射機當(dāng)然不能直接拿來發(fā)射，因為目前無線電法令已經(jīng)不允許使用火花式無線電發(fā)射機 (為了頻率不會漂動太厲害，還規(guī)定發(fā)射機必須要以石英為主控的振蕩線路 )。 火花式無線電發(fā)射機輸出之后，被衰減了 120dB 到 140dB 之間，之后就被送到接收機，這也是一部仿古的簡易接收機，包含有簡易調(diào)諧線路，一只檢波器，以及一副高阻抗耳機及可接錄音機的輸出阜。目前高阻抗耳機已經(jīng)難尋，有的只是能塞在耳洞內(nèi)很小型的晶體式耳機，從早期的電話機話筒內(nèi)可以取得碳膜式麥克風(fēng)來代替這種高阻抗的耳機。 調(diào)整火花式無線電發(fā)射機 為了要把接收到的火花式無線電發(fā)射機聲音錄下來，首先就必須學(xué)會如何把火花式無線電發(fā)射機組合起來，并且加以調(diào)整。像是火花式無線電發(fā)射機的初級與次級之間、調(diào)諧槽與天線網(wǎng)絡(luò)之間，都不能出現(xiàn)超耦合 ( Overcoupled )，因為這樣會使火花式無線電發(fā)射機有雙峰輸出的現(xiàn)象，如此一來就變成是兩部發(fā)射機了，而且振幅與頻率都會占據(jù)掉極大的帶寬。 要讓火花式無線電發(fā)射機正常動作，要讓火花發(fā)生在磨光的電擊圓面上頭，而不是兩根電極中間的空隙里，并且電極要盡量保持最大的間隙，這樣電鍵壓下期間才能反復(fù)地出現(xiàn)火花。實際上，要調(diào)整火花式無線電發(fā)射機可以說是一項藝術(shù)，通常會一面監(jiān)聽接收機的聲音，一面調(diào)整火花式無線電發(fā)射機。 主要參考資料：
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