无线电的工作原理
看不见的无线电波通常会在数百万公里的空中传送音乐、谈话、图片和数据——而且这种无线电波每天都会以数千种不同的方式传播！ 看不见、完全不被注意，但他们却彻底改变了社会。 无论我们谈论的是手机、婴儿监视器、无绳电话还是数千种其他无线技术中的任何一种，它们都通过无线电波进行通信。
以下是一些基于无线电波的常见技术：
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
卫星通讯
警察电台
无线电控制时钟
还有很多很多……甚至雷达和微波炉之类的东西也靠无线电波工作。 通信和导航卫星等设备没有无线电波就无法运行，现代航空也是如此——飞机依靠十几种不同的无线电系统来运行。 现在流行的无线上网也是使用无线电，这意味着以后的生活会更加方便！
有趣的是，核心技术——无线电——是一项极其简单的技术。 简单的无线电发射器和接收器可以用一些最多价值一两美元的电子元件来构建。 探索如此简单的东西如何成为当今世界的技术基石是一件很有趣的事情。
在本文中，我们将探讨无线电技术，以便您可以充分了解不可见的无线电波如何使许多事情成为可能。
在 19 世纪末和 20 世纪初，无线电非常简单，正是这种简单性使得几乎任何人都可以进行早期实验。 那么它到底有多简单呢？ 请参阅下面的示例：
准备一块新的 9 伏电池和一枚硬币。
找到一台调幅收音机，将其调到只能听到寂静的位置。
然后将电池靠近天线，并用硬币快速敲击电池的两端（这会在一瞬间将它们连接起来）。
您会在收音机中听到噼啪声，这是由硬币开关引起的。
用硬币敲击 9 伏电池的两端，
这会产生 AM 收音机可以接收的无线电波。
电池和硬币的组合就构成了无线电发射器！ 它不会传输任何有用的东西（只是静态的），并且不会传输很远（只有几厘米，因为它没有针对距离进行优化）。 但如果你用这种静电敲出摩尔斯电码，你实际上可以使用这种原始的设备与几厘米外的人进行交流！
如果你想变得更精致一点，你可以使用金属锉刀和两根金属丝。 将锉刀柄连接到 9 伏电池的一端。 将另一根电线连接到电池的另一端，然后将电线的自由端在锉刀上来回刷。 如果您在黑暗中进行此实验，当电线一端与锉刀连接和断开时，您会看到微弱的 9 伏火花沿着锉刀流动。 将文件靠近调幅收音机，您还会听到很多静电噪音。
在早期的无线电科学中，发射器被称为火花线圈，它在高电压（例如 20,000 伏）下产生连续的电火花流。 高压会产生大量火花，就像火花塞中的火花一样，并且火花的传播距离更远。 现在，这样的发射器是非法的，因为它占用了整个无线电频谱，但在早期，没有多少人使用无线电波，这使得它无处不在并且工作得很好。
我们在前面的章节中已经看到，静电传输非常简单。 然而，所有现代无线电都使用连续的正弦波来传输信息（音频、视频、数据）。 我们现在使用连续正弦波的原因是因为有很多不同的人和设备想要同时使用无线电波。 如果有一种方法可以看到无线电波，您会发现周围有数千种不同的无线电波（正弦波形式） - 电视广播、AM 和 FM 广播、警察和消防无线电广播、卫星电视传输、手机通话和GPS信号等。 令人惊讶的是，当今无线电波的用途非常广泛（有关详细信息，请参阅无线电频谱的工作原理）。 每个不同的无线电信号使用不同的正弦波频率，这就是它们的区分方式。
任何无线电设备都由两部分组成：
发射器
接收者
发射器获取某种信息（无论是某人说话的声音、电视上的图片、无线调制解调器的数据或其他信息），将其编码为正弦波，然后通过无线电波传输。 接收器接收无线电波并从接收到的正弦波中解码信息。 发射器和接收器都使用天线来发射和捕获无线电信号。
婴儿监视器几乎是无线电技术最简单的应用。 它由安装在婴儿房间的发射器和父母用来监听孩子声音的接收器组成。 以下是典型婴儿监视器的一些重要特征：
调制方式：调幅（AM）
频率范围：49MHz
频率数量：1或2
发射器功率：0.25瓦
（如果您不理解“调制”、“频率”等术语，请不要担心 - 这就是接下来的内容。）
典型的婴儿监视器，接收器位于左侧，发射器位于右侧：发射器位于婴儿的房间内，本质上是一个微型“广播电台”。 父母携带接收器来听婴儿在房子里走动时的声音。 通常传输距离限制在61米左右。
手机也是一种无线电接收设备，并且是一种更复杂的设备（有关详细信息，请参阅手机工作原理）。 手机包含发射器和接收器，它们可以同时工作，了解数百种不同的频率，并在它们之间自动切换。 以下是典型模拟电话的一些重要特征：
调制方式：调频（FM）
频率范围：
频率数量：1664（每个提供商 832 个，每个地区两个提供商）
发射器功率：3瓦
典型的移动电话包含发射器和接收器，两者同时在不同频率上运行。 手机与手机信号塔进行通信，传输范围可达3-5公里。
使用电池和一根电线，您就可以体验无线电发射器的工作原理。 在电磁体的工作原理中，您会看到，如果用电线连接电池的两个极，电池就会通过电线发送电流（电子流）。 移动的电子会在电线周围产生一个磁场，该磁场的强度足以影响指南针。
假设我们取另一根引线并将其与另一根引线平行放置，距离电池上的引线 5 厘米。 如果将非常灵敏的电压表连接到该引线，则会发生以下情况：每次将第一根引线与电池连接和断开时，第二根引线上的电压和电流都会有所不同。 一个微小的变化，任何变化的磁场都可以在导体内产生电场——这是发电机的基本原理。 所以：
电池在第一根电线中产生电流。
移动的电子在电线周围产生磁场。
磁场延伸到第二根导线。
当第一根导线中的磁场发生变化时，第二根导线中的电子开始流动。
值得注意的是，仅在连接和断开电池时第二根导线中有电流。 仅当磁场变化时，导线中才会感应出电流。 打开和关闭电池会改变磁场（磁场在电池打开时产生，在电池关闭时消失），因此第二根电线只能在这两个瞬间产生电流。
要制作一个简单的无线电发射器，您所需要做的就是在电线中产生快速变化的电流。 您可以通过快速连接和断开电池来完成此操作。
当电池连接时，电线中的电压为1.5伏，当断开时，电压为0伏。 通过快速打开和关闭电池，产生 0-1.5 伏之间变化的方波。
更好的方法是在电线中产生连续变化的电流。 最简单（也是最平滑）的连续变化波形是正弦波。
正弦波在两个电压之间平稳振荡，例如在10伏和-10伏之间。
形成正弦波并让它流过电线就可以制作出一个简单的无线电发射器。 形成正弦波非常简单，只需要几个电子元件 - 一个电容器和一个电感器来创建正弦波，以及一些晶体管将波放大为强大的信号（有关更多详细信息，请参阅振荡器工作原理）。 ，这是一个简单的晶体管原理图）。 通过将信号发送到天线，正弦波被发射到空气中。
频率：正弦波的特征之一是其频率。 正弦波的频率是其在一秒钟内上下振荡的次数。 收听 AM 广播时，收音机通常调谐到每秒 100 万周期的正弦波频率（每秒周期称为赫兹）。 例如，AM 标度上的 680 表示每秒 680,000 个周期。 FM 无线电信号的工作频率为 1 亿赫兹，因此 FM 标度上的 101.5 指的是发射机产生的每秒 1.015 亿个周期的正弦波。
如果您有一个正弦波信号和一个通过天线将正弦波发射到太空的发射器，那么您就拥有了一个广播电台。 唯一的问题是这个正弦波不包含任何信息。 我们需要某种方法来调制该电波以将信息编码到其中。 调制正弦波有三种常见方法：
脉冲调制 (PM) - 在 PM 模式下，只需打开和关闭正弦波。 这是发送莫尔斯电码的简单方法。 PM 调制不太常见，但一个很好的例子是美国的无线电系统，该系统将信号传输到无线电控制时钟。 单个 PM 发射器可以覆盖整个美国。
调幅 (AM) - AM 广播和电视信号的图像部分均使用 AM 来编码信息。 在 AM 中，正弦波的幅度（峰和谷到峰之间的电压）是变化的。 例如，人说话的声音产生的正弦波叠加在发射器的正弦波上以改变其幅度。
调频 (FM) - FM 广播电台和数百种无线电技术（包括电视信号、无绳电话、手机等）都使用 FM。 FM 的优点是它基本上不受静电影响。 在频率调制中，发射机正弦波的频率响应消息信号而略有变化。
如果您知道如何用正弦波调制信息，则可以传输信息。
以下是现实生活中的例子。 将汽车的 AM 收音机调至某个电台（例如，AM 拨号 680），发射器的正弦波将以 680,000 Hz 的频率发射（正弦波以每秒 680,000 周期的速度重复）。 通过改变发射器正弦波的幅度，DJ 的声音被调制到载波上。 对于大型 AM 电台，放大器可以将信号放大至约 50,000 瓦。 然后天线将无线电波发送到空气中。
那么汽车上的AM收音机（接收器）如何接收发射器发送的680,000 Hz信号并从中提取有用信息（DJ的声音）呢？
除非您坐在发射器旁边，否则无线电接收器需要天线来接收发射器发送到空中的无线电波。 AM天线只是一根电线或金属棒，用于增加发射器无线电波可以接触到的金属面积。
无线电接收器需要调谐器。 天线可以接收数千个正弦波。 调谐器的工作是从天线拾取的数千个无线电信号中分离出一个正弦波。 在此示例中，调谐器被调谐为接收 680,000 Hz 信号。
调音器根据共振原理工作。 也就是说，调谐器以特定频率谐振并放大它，同时忽略空气中的所有其他频率。 使用电容器和电感器可以轻松制作谐振器（请参阅振荡器工作原理以了解电感器和电容器如何一起工作以形成调谐器）。
调谐器使收音机仅接收特定频率（本例中为 680,000 Hz）的正弦波。 现在收音机需要从正弦波中提取 DJ 的声音。 这是由无线电中称为检测器或解调器的部分完成的。 在这个 AM 收音机示例中，探测器由称为二极管的电子元件制成。 二极管让电流沿一个方向流动并阻止电流沿另一个方向流动，从而切断一半的波。
然后收音机放大削波信号并将其发送到扬声器（或耳机）。 放大器由一个或多个晶体管组成（晶体管越多意味着放大倍数越大，因此扬声器的声音越大）。
您从扬声器中听到的是 DJ 的声音。
在调频收音机中，只有检波器不同，其他都一样。 在调频收音机中，检波器将频率变化转换为声音，但天线、调谐器和放大器基本相同。
在 AM 信号较强的情况下，只需两部分和一些电线即可制作无线电接收器。 步骤非常简单 - 以下是所需的组件：
二极管 - 您可以在 Radio Shack 购买二极管，价格约为 1 美元。 零件号 276-1123 即可。
两根电线 - 需要大约 15-20 米的电线。 Radio Shack 部件号 278-1224 效果最佳，但任何电线都可以。
使用小金属桩接地（也可以在发射机附近使用护栏或金属栅栏）。
水晶耳机 - 不幸的是 Radio Shack 不单独出售它们。 然而，Radio Shack 以 10 美元的价格出售水晶收音机套件（部件号 28-178），其中包括耳机、二极管、电线和调谐器（以使装置在不靠近发射器的情况下工作）。
现在，您需要找到并靠近 AM 无线电塔（即 1.6 公里以内），设备才能工作。 您可以按如下方式进行操作：
将金属桩接地，或找到金属栅栏。 剥去 3 米长电线末端的绝缘层，并将其绕桩/栏杆缠绕 10 圈，以确保牢固连接。 这是地线。
将二极管连接到地线的另一端。
取另一根 3-6 米长的电线，将其一端连接到二极管的另一端。 该电线用作天线。 要将其放置在地面上或挂在树上，请确保裸露的一端不会接触地面。
此时，如果您将耳塞放入耳中，您就可以听到广播电台 - 这可能是有史以来最简单的无线电接收器！ 如果你离电台很远，这个超级简单的项目将无法工作，但它至少显示了无线电接收器是多么简单。
这是它的工作原理。 您刚刚使用的天线会接收所有无线电信号，但由于它距离发射器非常近，所以这并不重要。 附近的信号压倒任何其他信号数百万倍。 因为它距离发射器足够近，所以天线也会接收大量功率 - 足够驱动耳机的功率！ 因此，不需要调谐器或电池或任何东西。 如前所述，二极管充当 AM 信号的检测器。 因此，尽管缺少调谐器和放大器，您仍然能够听到电台的传输！
Radio Shack 出售的晶体收音机套件 (28-178) 包含两个附加部件：电感器和电容器。 这两个组件可以组成一个调谐器来扩展无线电接收的频率范围。 有关详细信息，请参阅振荡器的工作原理。
您可能已经注意到，您所知道的几乎所有无线电设备（例如手机、汽车收音机等）都有天线。 天线有不同的形状和尺寸，具体取决于天线要接收的频率。 天线有各种各样的形式，从又长又硬的电线（就像大多数汽车 AM/FM 收音机上的天线），到像卫星天线这样形状奇怪的东西。 无线电发射器还使用极高的天线塔来发送信号。
无线电发射机中天线的功能是将无线电波发射到空气中。 在接收器中，天线的意义是从发射器捕获尽可能多的能量并将其提供给调谐器。 对于那些距离数百万公里的卫星，NASA 使用直径高达 60 米的巨大碟形天线。
最合适的天线尺寸与天线发射或接收的信号频率有关。 这种关系又与光速有关，从而与电子可以传播的距离有关。 光速为每秒30万公里。 在下一页中，我们将使用这个数字来计算现实生活中天线的尺寸。
假设要为 680AM 广播电台架设一座广播塔。 发送正弦波的频率为680,000 Hz。 在正弦波的一个周期内，发射器将天线中的电子向一个方向移动，然后将它们拉回； 再次出去，然后又回来。 换句话说，电子运动方向在正弦波的一个周期内改变四次。 如果发射机工作在 680,000 Hz，则意味着一个周期在 (1/680,000) 0. 秒内完成。 四分之一周期的时间为0秒。 电子以光速传播，0.2秒可传播0.11公里。 这意味着工作频率为 680,000 Hz 的发射机的最佳天线长度约为 110 米。 因此，AM 广播电台需要高塔。 对于工作在9亿()频率的手机来说，最合适的天线长度只有8.3厘米左右。 这就是手机天线如此短的原因。
您可能已经注意到，您汽车中的 AM 收音机天线不是 90 米长 - 只有几米长。 天线如果更长，接收效果会更好，但 AM 电台在城市中足够强大，因此天线长度是否最佳完全可以忽略不计。
您可能想知道为什么当无线电发射器发射某种信息时，无线电波以光速从天线通过空气传播。 为什么无线电波可以传播数百万公里？ 为什么天线不像连接到电池的电线那样仅在靠近天线的地方才有磁场？ 思考这个问题的一个简单方法是：当电流进入天线时，它确实会在天线磁场周围产生一个场。 我们还知道，磁场可以在靠近发射器的另一根电线中产生电场（电压和电流）。 事实上，天线在空气中产生的磁场会在空气中感应出电场。 然后这个电场会在空气中感应出下一个磁场，这个磁场又会感应出另一个电场，这个电场又会感应出另一个磁场，以此类推。 这些电场和磁场（电磁场）在空间中相互感应，以光速从天线向外传播。
