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現代無線電技藝之父
艾德恩•霍華•阿姆斯壯

No.41   1996 June.   p40~43,   by 林茂榮 / BV5OC



Fig 01
Edwin Howard Armstrong
1890 ~ 1954

    在無線電發展歷史當中,也許沒有人能夠像艾德恩•霍華•阿姆斯壯 (Edwin Howard Armstrong) 一樣,對於無線電通訊的技藝所做的貢獻是如此之大,影響如此之深。假如沒有阿姆斯壯在無線電方面的潛心發明,無線電廣播、電視廣播、FM 廣播等也不會這麼快地發達起來,通訊技藝也無法快速發展到目前這樣的榮面。

歷史背景

    早期與無線電發展有關的科學家,像是馬可尼、馬克斯威爾、德福雷斯特 (真空管發明者)、及法拉第等,在各所屬領域內都堪稱是有巨大貢獻的巨人,同時也在歷史佔有舉足輕重的地位,可說是相當有份量,因而備受懷念。

    然而在歷史中,也有這麼一位偉大的無線電家,每一步發明都相當傑出成功,然而在生活上卻是受到無情的挫敗,無時無刻忍受著不幸與悲戚的催逼。最重要的是,他的一生現在已經少有人知,他就是阿姆斯壯。

    年輕時的阿姆斯壯也是一位頗為活躍的業餘無線電愛好者。在 1895 年馬可尼發現無線電波的應用之後,對於無線電接收機及發射機線路的改善,阿姆斯壯的貢獻最大,他所發明及提出的無線電改善技藝,有些至今依然流傳著,而且應用在每一個人的日常生活裡。

    本世紀初已經開始了無線電活動,在初期的十年當中,不論是商業的應用,或者是業餘無線電領域,對於接收機其差無比的靈敏度都束手無策,根本無法有效地改善。

    當時接收機可以說是剛起步,極不靈敏,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。本世紀初,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無線電訊號。當然這種實驗性質的接收機,工作的範圍只能達到幾公尺遠,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。這種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。


發明更好的檢波器

    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,稱為滴答檢波器 (Clicker)。但是這檢波器也僅限於在百來公尺的工作距離。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);也就是柏恩萊金屬檢波器 (Branley coherer);及液態鎮流電阻器 (Barretter) 做檢波器;現今所稱的金屬檢波器也就是柏恩萊金屬檢波器。其實在 1878 年左右,另一名為休斯的教授,也發展了功能相類似的檢波器,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

    金屬檢波器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,靠著充填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檢波器內的鐵屑被極化,使它們的極性排列漸成一致,但這樣一來,檢波器輸出的訊號就隨著工作時間加長,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

    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,像是二極體 PN 介面的特性,可說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。使用晶體檢波器的接收機,就被稱做晶體接收機。

    這些早期的接收機都沒有放大訊號的作用,從耳機中聽到的聲音,完全是取自空中所拾取到的電波能量,當時商業應用中,只能加大火花式或是弧光發射機的輸出功率,或者是改善天線的效率,來增加通訊的距離及增強通訊的可靠性。當時有些商用電台,甚至裝設了隔音室供操作者使用,以便能夠更有效地收聽微弱的訊號。


探討聲音線路

    1909 年春天,時值 18 歲的阿姆斯壯,年青力壯,個子修長。他可算是一位年青的無線電實驗家,他從高中畢業,並且進入哥倫比亞大學電力工程系就讀。為了想要增強接收到的無線電訊號,他堅定不移的在學校的實驗室工作,也在自己家中的閣樓內努力不懈地做這方面試驗,致力於研究如何利用三極真空管,也就是由德福雷斯特發明的真空管,但是對於真空管在接收機方面的應用,德福雷斯特本身卻一無所知。

    於 1912 年所研究的檢波器主題中,阿姆斯壯曾想辦法把陽極的能量取回到輸入的柵極當中,並且使兩者產生調諧,這種技藝能夠把靈敏度提高到令人難以相信的地步,使得以往在耳機中聽來若隱若現的聲音,現在卻可以響徹整個房間。靠著這麼一個技巧,以及相關線路,阿姆斯壯可以聽到來自歐洲各地火花式發射機所發出的訊號。

    阿姆斯壯這一發明,可以把訊號放大到數千倍之譜,這僅僅是運用所謂的回饋或再生原理的結果,當時任何商用接收機都沒有如此靈敏,也沒有任何其他接收機能夠發出如此響亮的聲音”

    六個月之後,1913 年初,一位就讀哥倫比亞大學的學生發現了再生接收機線路,如果調整時越過了再生點,會出現嘶嘶叫聲,這聲音引發了日後出現的振盪線路,它可以產生真正的連續波訊號。因此,阿姆斯壯在這個小小的線路當中,不但增加了接收機的靈敏度,也可以成為供給發射機訊號的連續波產生器,在測試儀器及其他方面也有數不清的應用。


申請專利

    於 1913 年 6 月畢業之後,阿姆斯壯的父親如約出金,讓阿姆斯壯為他的發明去申請專利,很不幸地,阿姆斯壯在專利申請書上寫的是「無線電接收系統的改善」 (Improvement in Wireless Receiving System),由於當時的兩大錯誤決定,使得阿姆斯壯一生受著悲淒的催逼與折磨,這錯誤就是未能及時申請專利而拖到畢業之後才進行,另一項就是在申請專利時,只提「接收」字眼。一畢業,阿姆斯壯馬上接受哥倫比亞大學的助理教職的工作,開始教起「無線電」這一科目。

    阿姆斯壯把他發明的接收機裝在厚重的盒子裡頭,在米契爾•普金教授實驗室中,舉行了兩次展示會。第一次展示是在 1913 年 12 月,對象是來自大英馬可尼公司 (British Marconi Company)的工程師,其中包括了當時極為年青的助理總工程師大衛沙諾夫 (David Sarnoff)。兩個月之後,類似的組成隊伍,來自 AT&T 的工程師們,在該實驗室內利用阿姆斯壯發明的接收機,收聽到了來自歐洲的訊號,起初這兩大團體還不相信這部接收機的靈敏度能夠表現這麼好,甚至有人懷疑其中是否另有圈套;後來他們分別驗證了當時接收到的 電文確是從歐洲發出來的,但是這兩家公司還是不大敢相信,後來阿姆斯壯乾脆把這部接收機所應用的回饋原理線路拿給 AT&T 看,但是依然沒有得到任何的回應。

    1914 年 10 月 6 日,第一次世界大戰在歐洲爆發不久,阿姆斯壯申請專利的接收機註冊生效。同時在合約的授權下,位於紐約長島謝郡 (Sayville) 的德國德律風根電台使用了阿姆斯壯發明的接收機,以保持和德國瑙燕 (Nauen) 之間的聯絡,直到 1917 年美國捲入世界第一次大戰,把該電台關閉為止。但是也就在這一夜之間,阿姆斯壯的接收機在無線電領域內大為轟動。

    在這期間,阿姆斯壯也在「電力世界」 (Eelctrical World) 為文,介紹了他發明的接收機。1915 年再次於「電力工程學會」 (Institute of Electrical Engineers) 上介紹他的接收機,這也算是阿姆斯壯第一次對三管真空管的工作原理做正確的解說,也同時推翻了德福雷斯特所提的真空管的陽極線路不能有交流電流的理論。

Fig 02
圖 2:阿姆斯壯發表於 1915 年的再生式接收機線路。



加入戰爭

    業餘無線電團體也得知了阿姆斯壯所獨創的「回饋」線路原理應用於再生式接收機中,從此業餘無線電的活動空間,也從區域性的聯絡,跨越到洲際間的國際聯絡。而商業上的應用反而腳步慢了許多。直到 1916 年,美國馬可尼公司才與阿姆斯壯簽約。阿姆斯壯從此專利權特許費也獲得了豐厚的收入。

    1917 年 4 月,美國捲入了第一次世界大戰,一批批年青的業餘無線電家紛紛響應政府的號召,加入陸軍的通訊團或海軍服役。阿姆斯壯當時年齡 27,也接受了陸軍一份相當於艦長的職務。而關於與美國馬可尼公司之間的專利權特許費,就交由他的妹妹及寡母處理,阿姆斯壯準備整裝出海服役,為國效勞。

    1917 年末,阿姆斯壯當時人在英國,並從一位船長口中得知,最讓盟軍首腦困惑的一個問題是如何偵測到德軍在戰場中的無線電通訊,當時曾有人懷疑,德軍是使用極高頻 (當時的定義) 的 500KHz 到 3000KHz 之間的頻率,但是從運往法國的無線電通訊設備來看,根本無法使用到這麼高的工作頻率,當時英國所生產的真空管雖比美國生產的還好,工作截止頻率也只能到達 1200KHz 而已。

    當時阿姆斯壯服務的陸軍通訊團有個研究室,就設在一幢巴黎式的大宅邸內,阿姆斯壯在這實驗室內解決了許多問題,其中包括早期為飛行通訊所裝設的無線電,但是關於所謂的短波訊號的接收問題,還是百思不得其解;直到 1918 年初,阿姆斯壯突然開竅,設計了一部八管的接收機,並且於 1918 年的上半年進行一連串的實驗,結果在高頻的放大、選擇性、及穩定度方面,都取得了重大的成就。阿姆斯壯稱這部接收機為「超外差接收機」。

    大戰於 1918 年底結束,至於德軍的神祕訊號,也因此而成為無解之謎。阿姆斯壯發明的超外差接收機並未投入戰役中使用,卻很巧地應用在隨後展開的 AM、FM 接收機、電視機、以及雷達接收設備等。因為服役陸軍的關係,阿姆斯壯一直停留在巴黎,直到 1919 年 2 月 19 日,阿姆斯壯才提出超外差式接收機申請專利。這項申請經過 16 個月之後才被核定生效。


訴訟開始纏身

    法國部隊極為推崇阿姆斯壯,並且授與阿姆斯壯榮譽陸軍少校,法國退伍軍人協會也授與勳章,無線電工程學會也授獎表彰阿姆斯壯發明了「回饋」線路。在法國這一段逍遙的夏日,卻被他的律師從美國傳來的一項重要訊息所打斷,這項訊息指出,德福雷斯特對於阿姆斯壯的專利,在專利局的審議團前提出了程序問題 (堅持或主張發明在先),德福雷斯特稱早在阿姆斯壯提出專利之前,他已經使用過再生式線路。

    於是阿姆斯壯於 1 919 年 9 月整裝返國,直接處理德福雷斯特所提的專利權訴訟案,同時另一宗與 AT&T 的超再生專利權訴訟案也正進行之中。他選擇了哥倫比亞大學實驗室的作品,以及向美國無線電俱樂部演講用的超外差線路為證物。但是因為訴訟案需要金錢資助,因此阿姆斯壯在不情願的狀況下,把超再生接收機專利權,以 10 萬美元賣給了西屋公司。

    這些因為專利權所引起的法律訴訟,在未來的美國電子工業發展的背景下,真是小巫見大巫。1919 年,美國馬可尼公司賣給了通用電子。在美國海軍的堅持下,AT&T 也與通用電子合併,成為美國無線電公司 (RCA),因為美國海軍不希望像第一次世界大戰一樣,讓外國插足其間而引起許多麻煩,這些一手由工業家導演的合併案,使得多達 2000 多項的專利案結成了大同盟,自然往日的專利權訴訟至此也劃下了休止符。


回到愉快的研究工作

    雖然商務纏身,阿姆斯壯依然保有並能享受業餘無線電的樂趣,1921 年末,無線電接收機專家高萊 (Panl F. Godley) 被遴選為旅行團成員,前往英格蘭的安得森,守聽來自美國的業餘無線電訊號,這也是一項很有名的跨越大西洋通訊實驗,高萊這次守聽實驗收獲豐富,來自美國的訊號超過 30 個電台,其中訊號最理想的是來自 IBCG 電台,這電台是由阿姆斯壯精心設計的,由阿姆斯壯本人夥同另外五位朋友上機操作。

    1922 年,阿姆斯壯贏得了一項法院訴訟,那就是德福雷斯特提出的控告,德福雷斯特宣稱再生式接收機的某部份原理是他發明的,但是這次法庭判決,阿姆斯壯勝訴,再生式接收機的專利權屬於阿姆斯壯所有 (現在屬於西屋公司)。幾年之後,阿姆斯壯又發明了超再生式檢波器,這項發明,因為線路上的限制,不適合應用在廣播。

    雖然如此,RCA 公司還是買下了超再生式檢波器線路的專利權,費用是 20 萬美元外加 8 萬股 RCA 股票,雖然當時阿姆斯壯依然在大學執教,但是這一筆來自專利權的收入,使得阿姆斯壯成為百萬富翁之列。超再生式檢波器技藝於 1930 年代的業餘無線電領域內,普遍應用在 5 公尺波段及 2.5 公尺波段,同時,超再生式檢波器也首次應用在警網的無線電通訊系統中。

    由於專利權訴訟案,阿姆斯壯常常出入史納福的律師辦公室,因而有機會認識史納福的祕書瑪倪思 (Marion Macinnis),雖然平常忙於事務,她已經默默地深深吸引住阿姆斯壯,也因為上法院的機緣,兩人經過一段的感情激盪之後,後來互定終身,結為夫婦。

    阿姆斯壯晚年還是不斷地研究,他專注於尋找一種不會受大氣靜電干擾的接收技巧,在這一連串的研究當中,於 1933 年,阿姆斯壯又獲得了四項專利,其中一項就是寬頻帶的頻率調制 (FM),它不像 AM 調制一樣容易受到干擾。這套系統使接收機可以免受大氣雜訊干擾,因為一般電力系統或雷電等所產生的訊號是 AM 調制,而不會干擾到這套系統的運作,這項發明也開啟了後來的高傳真廣播之門。

    當時一切正常運作的廣播界對於阿姆斯壯的這項發明並不感興趣,因為這套 FM 系統要完全改變電台的設備,發射設備要汰換,接收機也不能相容。但是阿姆斯壯看到未來,技術已日趨成熟的電視廣播很快就會實現,而這套系統就是他們所要的。因此阿姆斯壯自行在新澤西州的阿賓架設起一個實際規模的 FM 電台,向人們展示 FM 廣播的真正價值。

    第二次世界大戰後,許許多多生產廠商不顧阿姆斯壯的專利,逕自生產起 FM 設備,為了維護他的這項發明,阿姆斯壯又掉入了另一場法律訴訟的爭戰裡。


壓力過重

    阿姆斯壯在身心的煎熬下,精疲力盡, 1954 年 1 月 30 日的日落之後到午夜之間,阿姆斯壯留了兩頁充滿愛意的遺書給當時出外訪友的妻子,從 13 樓的公寓窗口跳下,結束了 63 年的生命,所留下來的 20 件 FM 侵權訴訟,直到 1968 年才定案,阿姆斯壯遺孀獲得了一千萬美元的賠償。

    阿姆斯壯過世後,被國際電信聯盟遴選為電力學偉人,而與物理家兼數學家 -- 安培、電話的發明者 -- 貝爾、電學權威 -- 法拉第、及無線電與電報的發展功臣 -- 馬可尼,並列在聯合國的英雄榮譽榜上。 END



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