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接收機發展史 -- 從礦石接收機到超外差

No.28   1995 May   p52~61,   by 林茂榮 / BV5OC



    雖然我個人喜愛先進的接收機,它的功能及操作,好的沒話說。但是我也收集一些古老的收音機,當然著手點不在它的性能。實際上除了業餘無線電活動外,我在無線電領域的另一個次要嗜好,是收集古董收音機及古老的無線電設備與資料,尤其是足以代表每一重要階段無線電發展史的一些設備。

    感謝許多朋友知道了我有此嗜好之後,常提供他們手頭的舊設備,讓我的收集更充實,領域也不斷擴大。其中,因為有一次蒙樑上君子大清倉,雖損失難以估計,但是這次意外,也讓我有機會去深思收集古董接收機的意義與方法。

    本文打算簡單回顧一下時間並不算很長的接收機發展史。從早期的礦石接收機到現行的超外差接收機,先做一簡要的說明。雖然大多並非是業餘無線電用的,而是商業廣播用的接收機,不過若是能不偏重介紹,應可以更清楚地看出整個接收機發展史的輪廓。

    另外在沒有進入主題之前,我想提出說明的是,這並不是介紹接收機機器的文章,而是接收機技藝的發展史。我常看到或聽到許多朋友,對某些古董機器如癡如迷,迷的若是古董價值還沒話說,要是迷它的性能,就有點叫人想不透了。今天任何廉價的接收機,其總體性能一定比老式的接收機好。因此我想提出一個觀點,也是個人的心得,要是你也有收集古董接收機的嗜好,應從接收機的特點 (例如是第一部有數宇顯示機種,或是有特殊功能等) 或古董價值下手。

    一部老式接收機的性能,要比現代的接收機還好,對這種想法不能太認真,否則你一定會常處失望的情緒裡。若是觀念正確,偶而把玩早期的接收機,聽一下超再生的尖叫聲、難得的直接轉換式接收機的微動雜音、及沒有自動增益控制線路的接收機發出海潮般的聲音起伏,這些不但在近代的接收機已經絕跡,聽一下這些聲音,很容易喚起早期把玩接收機的情緒,這很像你聽到早期的流行歌曲般。


早期的接收機

    最早期的接收機,若是以現行的眼光或標準去看,有時還很難叫它是一部接收機。

    十九世紀初,所謂的接收機,只是一只線圈繞在一根指針上,很像是指南針般,它的用途主要是用來找到附近以火花放電方式發射出的訊號。這種接收機工作的範圍只有幾公尺遠,通常是從一只實驗桌到另一實驗桌,頂多也只有馬可尼當時創下的記錄,從室內到後院的距離。很原始的早期接收機 (現在我們稱為檢波器),除上述者外,還有 HERTZ 發明的,以一圓環擺在尖端放電裝置上的接收機。

    接收機技藝的第一次重大改革是發明了更好的檢波器。它是一圓柱體,當訊號加諸其上時,它會有阻抗的變化,我們稱它為「滴答檢波器」 (CLICKER)。但是這檢波器也僅限於百來公尺。

Fig 01
圖 1:金屬檢波器結構。

    不過,很快地,滴答檢波器被耳機所取代,當時盛行的是「金屬檢波器」 (COHERER);也就是「柏萊立金屬檢波器」 (BRANLEY COHERER);及「液態鎮流電阻器」 (BARREETTER) 做檢波器。現今稱金屬檢波器為柏萊立金屬檢波器。其實在 1878 年左右,另一名叫休斯的教授,也發展了相類似的檢波器。不幸的是,最後是由馬可尼繼續發展金屬檢波器,並且申請了專利。

    金屬檢波器如圖 1 所示,是由一圓柱體的玻璃管,填充金屬屑,通常是鐵屑而成的。無線電訊號從天線引進之後,便加在這金屬檢波器上。金屬檢波器的功能就是靠充填的鐵屑的非線性阻抗特性,來達到檢波的目的。不過,無線電訊號很快地會使鐵屑被極化,使它們的排列漸成一致,這樣一來,檢波器輸出的訊號隨著工作時間加長,也越來越弱,而且有很大的失真。因此當時也發展出幾種使金屬檢波器恢復靈敏度的方法。


晶體接收機 (CRYSTAL SETS)

    之後有些人發現,某些天然礦石,對無線電波有檢波的功能。例如在方鉛礦上頭的光滑表面上小心探測,可以找到電流只能單方向流動的特性。當然現在我們很容易可以解釋,因為方鉛礦表面某些點,可以像是二極體 PN 介面的特性,也就是說,這些是大自然生產的二極體。

    因為方鉛礦是方型的結晶體,因此方鉛礦檢波器,也被稱為晶體檢波器。而使用晶體檢波器的接收機,就稱做晶體接收機。

    圖 2 就是晶體檢波器的結構。把方鉛礦放在一金屬杯中,可以使用螺絲或彈簧,把方鉛礦固定住,金屬杯就當做是一電極。因為要成為接收機,主要是有一檢波器,而這是要在方鉛礦的表面上找到一點,可以有檢波作用。另一電極,就是要來找出正確的點。

    因為這方鉛礦上的點並不好找,加上工作點常因故跑掉,如碰撞或晃動等,因此,使用方鉛礦檢波器的人,對這些小瑕疵通常並不能接受,而感到不滿意。

Fig 2a
圖 2A:晶體檢波器的結構。
Fig 2b
圖 2B:晶體檢波器的線路。
Fig 2c
圖 2C:使用二極體代替晶體檢波器的線路。



晶體接收機的靈敏度

    最粗糙的晶體檢波接收機如圖 2B 所示,一條長狀天線接在晶體的一邊,另有一邊則接地,檢波器與接地之間,則使用極高阻抗的耳機來拾取檢波聲音。其時,今天也可以自行以鍺二極體,如 1N34 1N60 等取代方鉛礦,製作晶體檢波接收機,如圖 2C 所示。

    圖 2 所示粗糙的晶體接收機,只能接收很近電台的極強訊號。圖 3A 所示線路,則可以改善晶體接收機的靈敏度。這種結構的接收機,自天線引進之後,由電感接在天線與接地間,來調諧出想要接收的訊號,這可以提供檢波器更強的訊號。其實由於晶體檢波器可以在抽頭電感間切換,使得低阻抗的晶體檢波器也可以找到相匹配的線圈抽頭,以得到最大的訊號。我們都如道,在電子系統中,只有在源頭與負載間的阻抗完全匹配,才能夠有最大能量的轉移。

Fig 3a
圖 3A:利用線圈來改善晶體接收機靈敏度。
Fig 3b
圖 3B:利用變壓器來改善晶體接收機靈敏度。

    更精良的晶體檢波接收機如圖 3B 所示,原先的抽頭線圈,現在改為射頻變壓器了。在原線圈 L1 上加繞另一線圈 L2,這樣就是一只射頻變壓器。L1 就稱為初級,L2 就是次級。天線與接地就分別接在初級,當天線感應的訊號流經初級時,經由感應效應,次級也出現同樣的訊號,但是因為次級所繞的圈數比初級還多,所以次級的電壓會比初級還高。

    就算是在早期,無線電干擾的情況發展得也很快,所以選擇不同頻率訊號的方法,也顯得格外迫切。早期的晶體檢波接收機之所以能選擇電台,完全是靠天線的調諧,例如取想要訊號的四分之一或二分之一波長的天線,想要的訊號可以比較強,但這天線也可以取得其他頻率的訊號,只是效率會差些。

    當然光靠天線來選擇訊號,是絕對不夠的。於是有人發明利用一可變電容,配合原來的變壓器,產生了一個共振槽路,這可以選擇一很窄頻寬的訊號,而排斥其他頻率的訊號,如圖 4A 所示。而圖 4A 不只有共振槽路,還提供對晶體檢波器的匹配作用。

Fig 4a
圖 4A:簡單的調諧式晶體接收機線路可以改善接收機的選擇性度。
Fig 4b
圖 4B:利用阻抗匹配及簡單的調諧方式來改善接收機的選擇性度。



進入真空管時代

    佛萊明真空管是第一只出現的二極體真空管,這真空管最重要的特性是,電流只能單方向流動,因此佛萊明真空管適合用做無線電訊號檢波。所以這真空管就成為晶體檢波接收機中方鉛礦的極好替代品,而且燈絲線路還可以調整靈敏度。

Fig 05
圖 5:二極管代替了晶體檢波的線路。

    雖然佛萊明真空管使無線電接收機的發展向前跨了一大步,但是這真空管實在太貴了,並且在某些情況下,佛萊明真空管比方鉛礦的檢波,給人的感覺並沒有很明顯的改善。

    雖然許多各式各樣的晶體接收機不斷出籠,性能也多比金屬檢波器好很多,不過最大的問題還是在於訊號不夠強。在當時有許多訊號可以達到被檢波的程度,但卻太弱,不足以推動高阻抗的耳機出聲。

    1906 年美國科學家德佛雷斯特發明了一部有重大改善的接收機。德佛雷斯特在原先由佛萊明發明的真空管上,加了一片柵極。當時佛萊明發明真空管是以 1870 年代,愛迪生的研究基礎上努力出來的。德佛雷斯特發明的真空管,因為外加了一片柵極,使真空管有三隻腳,因而稱這真空管為三極管。三極管的最大優點是,它有放大作用,對先前因為訊號太弱,便一舉解決了。

    雖然早期的三極管,工作頻率不高,但是對聲頻可以放大。雖然這三極管的效率不彰,而且昂貴,但是卻是當時唯一可以對檢波後聲頻訊號放大的裝置。而這有檢波後放大的接收機,比沒有放大的接收機,性能的確好很多。

    參看圖 6,是三極管檢波接收機線路。

Fig 06
圖 6:三極真空管接收機線路。



再生式檢波接收機 (REGENERATIVE DETECTOR RECEIVERS)

    雖然早期的零件技藝受限,例如方鉛礦檢波器及佛萊明二極管檢波器,效率都很差,特別是碰到微弱訊號時,簡直束手無策。但是哥倫比亞大學的工程師,愛得蒙.阿姆斯壯,以回饋原理,發明了相當靈敏的檢波技藝,稱為再生式檢波器。參看圖 7。

Fig 07
圖 7:阿姆斯壯發明的再生式檢波接收機線路。

    阿姆斯壯把放大後的射頻訊號又部份拿回去輸入端,當這種耦合線路調整得宜的話,線路就會處在振盪邊緣,而微弱的輸入訊號,就有如催化劑般,使檢波非常容易。

    不幸的是,這線路的最大靈敏度是在線路起振點,所以再生式接收機很容易振盪,使接收機變成了發射機,這對附近處操作的接收機就造成干擾。最早期有些業餘無線電機器,就是使用阿姆斯壯振盪器。

    再生式接收機只流行一陣子,到 1920 年代中期,大多數的接收機製造廠已經不再生產再生式接收機,市場上只有少數的再生式接收機套件供應。


調諧式射頻接收機 (TUNED RADIO FREQUENCY)

    因為真空管特性已經有了明顯的改良,它不只可以放大聲頻訊號,連射頻訊號也可以放大了。很快地,真空管便投入射頻放大線路,參看圖 8。

Fig 08
圖 8:單極調諧式射頻接收機線路。

    如果接收機的真空管輸入線路,使用 LC 調諧,那麼射頻放大線路就變成有選擇性了,也就是可以只調諧想要的訊號來放大。對於這類加在檢波器前頭,可以選擇射頻訊號放大的接收機,就稱為調諧式射頻接收機。

    把幾組調諧式射頻接收機串連起來,不論在靈敏度或選擇性,都比單級的調諧式射頻接收機還好,我們一般稱的調諧式射頻接收機,大都也是指串連起來的調諧式射頻接收機,參看圖 9。然而串連的調諧式射頻接收機,必須付出很大的代價,不是每個可變電容不易調諧,就是要重新設計,使可變電容可以連動。

Fig 09
圖 9:多極調諧式頻射接收機線路。

    另外當三極管接近這些 LC 調諧線路時,也會有振盪的傾向,當不幸發生振盪時,這振盪訊號與電台訊號產生外差作用,耳機便會產生巨大的嗡嗡響聲。這時期的調諧式射頻接收機,除了有容易振盪的缺點外,因為線路極不穩定,所以從刻度上也不容易找到相同的電台訊號。


平差式接收機 (NEUTRODYNE RECEIVERS)

    調諧式射頻接收機線路不穩定的情況,因為修改線路,已經有很大的改善。平差式接收機就是針對調諧式射頻接收機線路中,利用一電容器饋回的電壓來中和,使線路趨向穩定。

    這線路是史帝芬科技機構 (STEVENS INSUTUTE OF TECHNOLOGY) 的哈茲廷 (HAZELTINE) 教授發明的,他並申請了專利。

    哈茲廷教授的平差式接收機非常穩定,也是第一部使接收機上刻度具有意義的接收機。這技藝使得價廉的接收機,都有可靠的選台刻度,而且利用這刻度來找相同的電台還算非常可靠。1924 年到 1927 年之間,很多製造廠都生產了這類的平差式接收機。

    但是當時要製作廣播波段接收機很難,製作短波接收機更難。也因為價格非常昂貴,所以只有極少數人買得起,因此逼得很多人親自動手製作。當時這類接收機的價格大約在美金 300 到 700 元之間,這在 1920 年代,得工作好幾個月的薪水才夠。192O 年代左右,廣播波段接收機的標價,在當時幾乎可以買到一棟小房子。當然這價格與日劇降,到了 1930 年代,降到許多家庭都可以買得起的程度。也大約就在這時期,許多業餘無線電家也開始買現成的接收機。


第二代調諧式射頻接收機

    1927 年代開始,市面上開始供應四極真空管。三極管因為柵極與陰極,及柵極與屏極間的電容,造成了線路極不穩定。在控制柵極與陽極之間,若是加一網狀的柵極,可以使上述的電容劇降,而且達到幾乎可以忽略的程度。以這四極管重新設計的調諧式射頻接收機,就稱為第二代調諧式射頻接收機。

    這種第二代調諧式射頻接收機,在 1927 到 1932 年是全盛時期,就算在稍後的超外差時代,市場上依然可以買到比超外差便宜的第二代調諧式射頻接收機。


超外差接收機

    舊的調諧式射頻接收機,調諧不好的話,往往會產生尖叫聲。雖然第二代調諧式射頻接收機已大有改善,但是許多小問題依然存在。

    此次阿姆斯壯教授像是他在 1920 年代解決再生式接收機問題一樣,他發明了另一款接收機,命名為超外差接收機,這「超」字並不是工程師給命名的,而是市場中產生的。這超外差接收機依然是今天接收機利用的主要原理,雖然現代電子技藝發達,一只小小的 IC 幾乎可以替代所有的真空管,不過利用的主要原理是一樣的。

    第一部商業超外差接收機,是於 1924 年 RCA 公司生產的。當時針對超外差接收機,留傳著這麼一個故事。當時阿姆斯壯是與哥倫比亞大學結盟的。

    當他有一天晚上邀請大衛沙諾夫參觀自己的實驗室研究的一部新發明的接收機時,這部超外差接收機的靈敏度及選擇性,好到讓大衛沙諾夫幾乎當場把口水撒在該部接收機上。

    根據這個可能是過份誇大的故事,想必是阿姆斯壯一直不肯把這部接收機的線路告訴大衛沙諾夫,直到大衛沙諾夫答應把這超外差接收機買下為止。


中頻

    調諧式射頻接收機的主要致命傷是射頻放大器極不穩定,尤其是把射頻放大器逐級連接時,這問題更嚴重。超外差接收機之所以被認為好,就在於能徹底解決這問題。雖然固定頻率的射頻放大器,可以很穩定,但是可變頻率射頻放大器,就很容易引起振盪,至少在某些頻率上是如此。這就使得可變頻率的調諧式射頻接收機線路很複雜,也很不穩定。

    阿姆斯壯最得意的發明,就是把先前這射頻變動的情況,轉換到一個固定的頻率上,所有的接收機的放大與選擇性就移到這一固定的頻率上,這固定的頻率,就是現在每一位無線電愛好者都知道的中頻。所有接收的射頻,都被轉換到中頻,使用一極為穩定的高增益放大器來處理訊號。

    圖 10 是超外差接收機的基本方塊圖,整個超外差接收機的靈魂是,把射頻 RF 訊號轉換到中頻 IF 上。這一轉換工作,是利用一非線性混頻元件,使用一本地振盪訊號,把射頻訊號轉換到中頻上。

Fig 10
圖 10:超外差接收機的基本方塊圖。

    這本地振盪訊號頻率,可以比接收訊號的頻率高或低一個中頻。當然本地振盪訊號是由接收機本身產生,而超外差接收機選台鈕,就是牽動一個在這本地振盪線路內的可變電容。

    當電台的射頻訊號與接收機的本地振盪訊號,在非線性混頻器內作用時,至少會包含有下列四個訊號,包括射頻、本地振盪訊號、射頻加本地振盪訊號、與射頻和本地振盪訊號差。

    所謂中頻,可以有兩個,一個為「和」訊號,另一為「差」訊號。當時因為兼顧實際須要,所以只取「差」訊號為中頻,所以當時的超外差接收機,可以說是把頻率較高的射頻轉換到頻率較低的中頻。但事實上,「和」訊號也可以利用,現今有些短波接收機,也有利用頻率比較高的「和」訊號中頻。當時的電子技藝,要採取頻率比較高的中頻是有困難的。


預選器

    許多超外差接收機線路中,在混頻器之前還有射頻放大器,這射頻放大器就稱做預選器。預選器的功能不少,除了可以有放大作用,提供一些增益外,還有隔離的功能,也就是讓訊號可以由天線進來,但接收機內的訊號 (天線進來被放大後、本地振盪訊號、或混頻器產生的訊號) 不容易由天線輻射出去。尤其是本地振盪訊號,若沒有好的隔離,由天線輻射出去的話,容易對鄰近處的接收機造成干擾。

    另外,預選器也可以增加接收機的選擇性,它可以把波段外的強訊號阻絕掉,不讓它由天線進到接收機內。也就是說,超外差接收機的選擇性雖然可以說全在中頻線路上,但是中頻線路對於影像干擾問題,卻是束手無策,只能由預選器來幫忙。


影像干擾

    影像干擾是超外差接收機常見的問題,若無法處理影像干擾,超外差接收機可能會讓人討厭。影像干擾通常會由下列問題引發,圖 11 說明了這問題。

Fig 11
圖 11:接收機為什麼會有影像干擾問題。

    通常超外差接收機中,本地振盪訊號頻率與接收訊號頻率相差一個中頻,圖 11 中,本地振盪訊號的頻率就比接收頻率高出一個中頻。如果比中頻訊號的頻率高出一個中頻的訊號地出現在天線上的話,則中頻訊號裡會含有這兩道不同的訊號。若是預選器設計得當,可以把比本地振盪訊號頻率還高的訊號,在未進入混頻器之前,把它排除在外,影像干擾問題就可避免掉。

    中頻放大器在超外差接收機中,幾乎全包了接收機的增益及選擇性。因為針對線路而言,固定中頻的放大倍數可以比較高,而且中頻降低了,線路更容易得到比較大的放大倍數。因為超外差原理,可以有絕頂的性能,所以任何的無線電接收機,都利用了超外差原理。

    從發明這原理,一直到現代,所有接收機無不採用超外差,可見得這超外差的設計真不愧為一代傑作。

主要參考資料:

  1. Two hundreds meters and below,by Clinton B. DeSoto
  2. Theradio collector's directory and price guide, by Robert E. Grinder
  3. Miracle of the air waves by Edward A. Herron
  4. Vitange radio 3rd-edition, by Morgan E. McMahon
  5. Resorting classic radios, by Joseph J. Carr
  6. ABC's of shon-wave listening, by Len Buckwalter
  7. 德佛雷斯特傳,徐氏基金會
  8. 少年無線電技術,台南北一出版社
  9. 礦石收音機造法,俞子夷,上海中華書局,1931 年
  10. 短波收音機的做法,俞子夷,上海中華書局,1932 年 END



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