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早期的無線電發射機

No.41   1996 June.   p30~35,   by 林茂榮 / BV5OC



    在美國無線電聯盟 (ARRL) 奠基成立之前,也說是 1914 年之前,CW 所代表的意義並不像今天一樣是幾乎與莫耳斯碼劃上等號的,當時 CW 是指連續波 (Continuous Wave),也就是一種振幅等幅的連續交流訊號。在真空管尚未發明之前,連續波在無線電可以說是佔了很重要的地位。

    本文打算介紹現代化收發機展開之前的那一段無線電發射機的發展歷史:「火花式發射機」 (Spark Transmitter)、「弧光發射機」 (Arc Transmitter)、「交流產生器」 (Atenator);並談談射頻電流表與現代無線電技藝之父 -- 阿姆斯壯。這裡所提的雖非正統的無線電發展史,但也絕非稗官野史之類,只不過是以提綱挈領的方式來介紹這段歷史而已……林茂榮 BV5OC




火花式發射機

    發明無線電之初,當然有無數的無線電發射機實驗,而且有許多各式各樣的機器都可發出無線電波來,不過,第一部能很有效率地發出無線電波的,應該要算是「火花式無線電發射機」,當時就用這種無線電發射機來傳送莫耳斯碼。當然在那之前,莫耳斯碼已經存在很久了,當時在鐵路線上的電報傳送,以及其他有線電報上的應用,都普遍使用莫耳斯碼,只不過是當時的莫耳斯碼與現今使用的莫耳斯碼的編碼結構大多已經改變了,尤其是數字以及符號幾乎完全不一樣,連字母也只有 15 個相同。

    早期的無線電通訊幾乎是用在船對船或船對岸上的通訊,至於商用的無線電廣播,是在第一次世界大戰結束後才開始的。

    一部簡單的火花式無線電發射機線路如圖 1A 所示,其中包含交流發電機,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生火花的間隙裝置,同時也並聯了一只電容,以防止火花產生的射頻訊號倒灌到高壓變壓器的次級線圈內,這樣會破換掉變壓器內的絕緣材料,使變壓器焚毀。

    電鍵被壓下時,發電機的電源進入到高壓變壓器的初級,當時在火花式無線電發射機使用早期,一般電源是使用 60Hz,可是這會使發出的莫耳斯碼音調是 120Hz,為了使莫耳斯碼音調聽來更清晰悅耳,後來商用的火花式發射機都改成 300Hz 到 500Hz 之間的電源供電,如此可以產生音調更高的悅耳聲音。

    不論是電源的正半波或負半波電壓,一旦超過火花間隙導通的電壓,火花間隙上便出現火花,電流也因而導通,此時電壓往往在數千伏以上,而這電流就流到振盪變壓器的初級上。而振盪變壓器的次級接著天線網路,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射機的振盪變壓器次級形成了一個調諧線路。每一次火花間隙放電時出現火花,能量被瞬間釋放,使得這一調諧線路出現與調諧共振頻率一致的無線電訊號,由於天線有電阻成份,因此會把進入的能量轉化成為熱,這雖然不會使振盪馬上停止,但是卻會使產生的無線電訊號,一波比一波弱下來,因而產生了所謂的阻尼效應,使每一次火花放電產生的無線電波,如圖 1B 所示的輸出波形。

Fig 01
圖 1:(A) 基本的火花式發射機線路。(B) 火花式發射機產生的射頻訊號。

    火花式無線電發射機發出的訊號會使接收機出現陣陣的響聲,因為火花式無線電發射機會在電源每一週期內出現兩次火花,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 年的無線電法規當中,就制定有嚴格的發射機輸出頻譜規格,以當時規定,圖 1 的火花式無線電發射機根本不能使用。所以實際的火花式無線電發射機,在振盪變壓器的初級上,還並聯有一只電容,這電容可以初步決定振盪頻率,也可以當作是振盪變壓器的旁路電容,雖然只加了這一只電容,但是這一調諧線路與次級的天線調諧線路,使整部無線電發射機就有雙調諧的作用,提高發射機的 Q 質,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整下功夫,在耦合恰當的情況下,可以使火花式無線電發射機的輸出頻譜變窄許多。

    而天線系統既然也是屬於火花式無線電發射機調諧的一部份,因此,高 Q 質的天線,也可以使火花式發射機的輸出頻譜更為理想。

    使用火花式無線電發射機有兩大難題,一是決定發射機的波長,另一是如何讓天線的效率最高,以取得最大的輸出功率。當時標準的方法就是使用「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天線。

    火花式無線電發射機輸出的訊號頻譜的分佈情況確實很驚人,因此在火花式無線電發射機附近的接收機,可能在所有的頻率上都可以聽到同一火花式無線電發射機的訊號。所以在 1920 年代早期剛剛出現商業性的 AM 廣播時,當商船靠近像是舊金山、紐約等港口時,都禁止使用無線電發射機,以避免干擾到岸上的 AM 廣播。現今的國際法規,已經嚴格禁止使用火花式發射機了。


弧光無線電發射機

    所謂的弧光很容易解釋,比如火花式發射機上因火花間隙上導電現象所產生的光就稱為弧光。但是火花式無線電發射機與弧光無線電發射機是完全不同的。

    前面已經說明了火花放電如何激發振盪變壓器,並且使用調諧線路及調諧天線系統,使它振盪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射機與供電的電源時序無關,而所產生的無線電波是一種帶有阻尼現象的波形。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盪的相位,使之同步,那麼就可以產生出真正的連續波。多重火花間隙的時序控制火花式無線電發射機,就可以做到產生真正的連續波,當然,這種發射機還是不能和真空管或者是電晶體線路一樣,產生接近完美的連續波。

    「弧光無線電發射機」,或者有時叫做「弧光轉換發射機」,是因為對調諧線路做連續的激盪,而產生出連續波來,這有點像是使用弦弓拉動使小提琴產生音調一樣,參看圖 2 就是簡易的弧光無線電發射機線路。

    一部 2 千到 3 千瓦的弧光發射機,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) 的兩邊來產生電磁場。操作者只要把 A 點 (碳蕊) 推向 B 點 (銅質),就可以啟動火花間隙出現火花,而 A 點上有個彈簧,可以把 A 點自動彈回,為了延長發生火花的時間,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,但是在負電阻上,電壓加大,電流卻會減小,在弧光無線電發射機上的負電阻,就有補償的作用,可以使原本阻尼狀態的波形,變成接近連續波。

    如果讓產生火花的空間內佈滿酒精蒸氣或者是氫氣,可以使產生火花時更有效率,不過在火花間隙腔內,如果碰巧有適當的氧濃度,當火花出現在高氫氣濃度時,會產生爆炸,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,可以用來控制發射機的輸出功率,阻值越大,產生的弧光也就越弱,因此輸出功率也就越小。

    弧光無線電發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),這與現今的 RTTY、AMTOR、及 PACKET 等所使用的方式類似。

Fig 02
圖 2:弧光發射機的基本線路。

    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,因為弧光無線電發射機的發射頻率會受天線影響,也就改變了發射頻率。因此發射的訊號頻率就有兩種,當電鍵壓下時,出現「訊號波」 (Signal Wave or Signal Frequency),放開時,出現「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,這電鍵用來使發射天線內的線圈做少部份的短路接地。

    火花式無線電發射機出現的調制音調頻率是供電電源頻率的兩倍。而弧光無線電發射機供電的是直流電,因此也就沒有調制訊號,因為當時無線電法規就規定,發射的無線電波必須要有調制訊號才行,否則當時有些接收機是無法接收到訊號的,因此弧光發射機也必須要有調制訊號才行。

    因此就有圖 2 中的「轉輪調制器」,這調制器就由一小型馬達帶動一組線圈,並且與天線線圈做耦合,這樣一來,轉輪調制器就可以產生 FSK 的效果,如果轉輪調制器一秒鐘斷續 700 次,那麼利用檢波收音機就可以聽到這 700Hz 的調制聲,而轉輪調制器的開關可以用來選擇弧光無線電發射機輸出的是連續波 (CW)或者是調制連續波 (MCW)。

    因為弧光無線電發射機非常貴,而且技藝講究極為精巧,因此當時的業餘無線電愛好者,幾乎沒有人使用弧光無線電發射機。當時的弧光無線電發射機,在標準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。

    與火花式無線電發射機一樣,弧光無線電發射機也是以輸入功率來計算的,總的來說,弧光無線電發射機的效率大約是 50 %,500 千瓦的輸入功率,大約可以產生 250 千瓦的射頻輸出。當時的船台,大約都是使用 2 千瓦左右的規模,至於岸台,則往往使用數百千瓦的功率。在第二次世界大戰期間,還有些使用弧光無線電發射機的電台,但是當高功率的真空管發明之後,這些發射機就被真空管機所取代了。

    為了想像弧光無線電發射機所產生的電磁場有多大,加州大學在 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射機內的電磁鐵,利用這些可以產生高磁場的電磁鐵來當作離子加速器。


交流發電機

    電力公司利用發電機組來產生 60Hz 的電源,那麼為什麼不能利用發電機來產生高頻呢?當然可以,後來也有所謂的「高頻發電機」,很有名的分別是以發明者命名的阿雷克安得森 (Alexanderson) 及國登史密特 (Goldschmidt) 交流發電機。

    這些交流發電機體積都非常龐大,操作時也會發出極大的噪音,但是可以產生頻率高達 100KHz,功率達數百千瓦的射頻訊號。不過當時的工作頻率是集中在 18KHz 到 50KHz 之間,但是交流發電機依然要使用數以打計的成對線圈,以及好幾百片的電極片,就算這樣,要產生最常用的 18KHz 訊號,也要使交流發電機的馬達轉動非常快才行,使用大型的電動馬達來帶動交流發電機,而交流發電機的次級線圈一端接地,另一端則接天線。

Fig 03
圖 3:(A) 高頻發電機 (或稱交流產生器) 的基本結構。(B) 交流產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,可以控制是否產生射頻訊號,但是要讓初級線圈很快產生磁場,以應付很快的敲鍵速度,往往就會跟不上,為了解決這個問題,有些電台就使用特別的電鍵技術,參看圖 3B ,弧光無線電發射機隨時產生訊號,電鍵提起時,就把功率導往一個水槽,用來作為天線的假負載,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。至於交流發電機是以輸出功率大小來計算的,標準的交流產生器大約是 200 千瓦左右。


再生式接收機一第一部收發機

    阿姆斯壯 (Edwin Howard Armstrong) 於 1912 年發明了再生式檢波器及振盪式檢波器,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 發射機慢慢發達起來。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機。

    早在 1920 年開始,許多業餘無線電家就開始使用再生式接收機做雙向的通訊。於第二次世界大戰期間,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出的微弱訊號來追蹤船跡。當時在 500KHz 的呼叫及遇難頻率上,往往可以聽到突然出現但卻微弱的訊號,後來證明這些都是發自附近同樣在 500KHz 上守聽的再生式接收機。


初探火花式無線電發射機的聲音

    最早期的無線電發射機稱為火花式發射機 (Spark Transmitter),後來又發展成為弧光發射機 (Arc Transmitter),這兩者其實有很大分別的,先有火花式無線電發射機,再有弧光無線電發射機;商用的火花式無線電發射機通常是以 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射機。

    根據世界各地的無線電博物館資料,以及各種早期的無線電發展文獻看來,世界上應該不存在早期以簡易接收機收聽火花式發射機的聲音錄音資料,也就是現代人根本無法體驗早期的火花式無線電發射機所發出的訊號聲音。

    與現代的單邊帶發射系統一樣,使用特殊的麥克風或特別的線路,也會使發射機發出音質特異的聲音,火花式無線電發射機也是一樣,幾乎每一個電台所發出的聲音特質都不一樣,各有特色,這是因為每部發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,所發出的聲音特質也都不一樣。當然這些看似缺點,但是假如有一大堆電台同時發射訊號時,倒是可以從聲 音的特性來辨別電台,而成為一項不算優點的好處。

    由於火花式發射機產生的頻譜佔有極大的頻寬,而當時使用的簡易接收機,選擇性也非常差,也就是頻寬也很大,如果有幾個電台同時發射訊號,以當時的無線電系統而言,那就會像是有好幾個電台使用同一頻率一樣,所以假如聲音沒有自己的特性,反而是不容易辨識。


現存的火花式無線電發射機

    相信很少人看過火花式無線電發射機,至於聽過接收火花式發射機產生的聲音那可能就更少了,至於能聞一聞火花式無線電發射機發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中,還可以看到火花式無線電發射機,比如下面兩處,就因為可以體驗火花式發射機而遠近馳名:

    The Antique Wireless Association's Radio Museum

    這博物館在紐約,有一部商用的船 - 岸聯絡用的火花式無線電發射機。

    Fred Hammond's Radio Museum

    這是在加拿大渥太華的博物館,所展出的有早期業餘無線電人員所使用的非同步控制間隙的火花式無線電發射機”

    從這兩處博物館可以體驗火花式無線電發射機的使用場景,但是相信你我都沒有聽過火花式無線電發射機的訊號是什麼樣子。


自製火花式發射機與接收機

    圖 4 是一部 5MHz 的火花式發射機製作,使用啟動汽車引擎的高壓線圈作為火花式無線電發射機的感應線圈,線路結構仿造布朗 (Braun) 式,發射機可以配合四分之一波長單極 (長條狀) 天線。

Fig 04
圖 4:(a)仿布朗的火花式發射機線路。(b)簡易的接收機,用來接收火花式發射機的訊號。

    雖然這部火花式無線電發射機仿造布朗式,但是線圈的次級並不是直接拉往天線,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射機,輸出的頻率以及頻譜,完全是由天線系統來決定。這種早期的火花式無線電發射機頻譜的確極寬,這部仿造的火花式發射機,-10dB 頻寬大約是 1MHz。

    這部火花式無線電發射機當然不能直接拿來發射,因為目前無線電法令已經不允許使用火花式無線電發射機 (為了頻率不會漂動太厲害,還規定發射機必須要以石英為主控的振盪線路)。

    火花式無線電發射機輸出之後,被衰減了 120dB 到 140dB 之間,之後就被送到接收機,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埠。目前高阻抗耳機已經難尋,有的只是能塞在耳洞內很小型的晶體式耳機,從早期的電話機話筒內可以取得碳膜式麥克風來代替這種高阻抗的耳機。


調整火花式無線電發射機

    為了要把接收到的火花式無線電發射機聲音錄下來,首先就必須學會如何把火花式無線電發射機組合起來,並且加以調整。像是火花式無線電發射機的初級與次級之間、調諧槽與天線網路之間,都不能出現超耦合 (Overcoupled),因為這樣會使火花式無線電發射機有雙峰輸出的現象,如此一來就變成是兩部發射機了,而且振幅與頻率都會佔據掉極大的頻寬。

    要讓火花式無線電發射機正常動作,要讓火花發生在磨光的電極圓面上頭,而不是兩根電極中間的空隙裡,並且電極要盡量保持最大的間隙,這樣電鍵壓下期間才能反覆地出現火花。實際上,要調整火花式無線電發射機可以說是一項藝術,通常會一面監聽接收機的聲音,一面調整火花式無線電發射機。 END


    主要參考資料:
1. Radio Gear of Yesteryear, by Bob Shrader.
2. The Sound of a Spark Transmitter, by John S. Belrose



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