感受不到。没有硝烟,没有烈焰。只有触点间瞬间进发的火花,真空玻璃管内蒸腾的电子。半导体中被顷刻放大的电流。它们是这个神秘世界的主宰。永不消逝的电波,裹挟着无数人对胜利的渴望,穿梭在空中。那么,电波作为现代战场的一件重要武器,是如何被“制造”出来的呢?历经战火洗礼后。电波的“制造厂”又发生了怎样的改变?各种信息又是如何被电波“携带”的呢,大小不一、形状各异的天线又能告诉我们什么?波段是如何划分的。不同波段的电波是否“秉性各异”?调频、调幅、超外差又是怎么一回事?本期开始刊登的系列文章将为您解读这一切。
“电子战元年”的开创者
1904年4月14日凌晨,几艘沙俄军舰正在旅顺港停泊。
但是,他们没有发现,在不远处的海岸边,一艘悬挂着太阳旗的小型驱逐舰正死死地盯着他们。
他们更没有发现,十几海里外,日军自意大利购进的两艘装甲巡洋舰“春日”和“日进”号正悄悄向他们开进。
很明显,这是日军蓄谋已久的一起偷袭行动,用巡洋舰发起炮击,前方的小型驱逐舰则为其提供校射信号。如果偷袭成功的话,对沙俄海军是一记重拳。
死亡的气息笼罩在港口,沙俄海军的官兵却丝毫没有察觉。终于,剧烈的爆炸声将他们从睡梦中唤醒,日军的校准射击开始了。虽然没有一发炮弹命中目标,但这只是为第一波炮击做的铺垫。抵近侦察的日军驱逐舰迅速根据弹着点位置进行校准,一份重新计算的射击诸元被送到了发报机旁。一个年轻的日本海军报务员,用略微颤抖的手拍发着这份决定战斗胜负和无数人生死的电报。
如果“春日”和“日进”号完整地收到这份电报,在港内停泊的沙俄军舰必将面临全军覆没的命运,被一把推进死神的血盆大口!
然而“命运”这个词是由两部分构成的。如果说这一天遭遇偷袭是彼得大帝海军的“命”,那么即将发生的一件事情绝对是沙俄舰队的“运”。这份电报的报头刚刚发出,就被沙俄的岸基无线电台侦听到了。一个年轻的沙俄帝国报务员,用略微颤抖的手死死按在了火花发报机的电键上。
人类战争史上前所未有的一刻出现了,两个舰队的战斗,悄然演变成了两个报务员的较量!
火花发报机在日俄战争时期还是一种比较先进的通信装备,不过交战双方的装备性能相距甚远。“乌拉尔”号巡洋舰装备的大功率电台通信距离可以达到近千千米,而日军虽然在每一艘战舰上配备了无线电,但是性能很差,通信距离都不足一百千米。在电波的对抗中,“狭路相逢功率大者胜”,天平很快便倒向了俄方。迫切等待校射电报的日军巡洋舰报务员,在耳机里听到的只是“嗒——”的噪声。日舰发射的炮弹漫无边际地砸在港口附近的海面上,激起了一道道冲天的水柱。沙俄舰队的水手们目睹了这一切,对他们的日本同行“大发慈悲”的射击精度深为惊叹。在谋杀了无数海洋生物之后,日军不得不提前结束炮击,带着歼敌数量为O的惊人战果悻悻离去。
这是一次载入史册的作战行动,1904年成为了电子战元年。20世纪初,火花发报机是最主要的无线电通信设备,担负起了通信装备和电子对抗装备的双重任务。那么,火花发报机是由谁发明的,又是如何工作的呢?
智慧的火花
故事要从19世纪末的意大利谈起。
1874年,一个意大利庄园主和他的爱尔兰妻子有了弄璋之喜,这对幸福的夫妇给这个小男孩取名为:古里莫·马可尼。年幼时,小马可尼的学习成绩并不好,如果照这样发展下去,他也只能是继承祖传威士忌酒厂的股份,做一个毫无建树的“富二代”。不知道马可尼的妈妈有没有读过孟母三迁的故事——多半是没有,但是马可尼最后的成功,多亏他有个好邻居。马可尼的邻居里希是波洛尼亚大学的一个物理学者,专门研究赫兹开创的“电磁射线”学(那时候还不叫电磁波),马可尼对电磁学的兴趣,就是由他而起的。
1895年的夏天,21岁的马可尼把他的火花发报机搬到他父亲的庄园里进行室外试验。应该说这台发报机并没有蕴含什么开创性的概念,包括他所使用的火花发射机。因为自电磁波被发现以来,有无数的发明家致力于将自己的名字和无线电通信技术一并写进诺贝尔奖的获奖名单,能提出的概念基本都提出来了。马可尼最终做的,是把已经形成的各种概念性技术尽可能实用化。1895年,他试验的通信距离是1.5千米;两年后,这个距离增加到19千米,他成立了自己的公司;1899年,电波跨越了英吉利海峡;1900年,他获得了“无线电通信技术”的7777号专利,开始向世界推广他的发明;1901年,电波跨越了太平洋,通信距离超过了3 000千米。
实际上,火花发报机的原理并不复杂。它包含一个高压电源,不断地为一个电容器充电,电容器两端的电压会迅速升高,直至到达火花间隙的击穿电压,于是,上万伏的高压化为一个电流脉冲,到达另一段电路。这段电路,被称为LC振荡回路,里面的电容和电感像两个“乒乓球选手”,闯入的电流脉;中就是他们的“球”,而火花间隙恰恰是他们的“发球者”。这股电流脉冲进入后会不断地在电容和电感间来回振荡,并通过天线将振荡的能量辐射出去,每秒钟电流振荡的次数就是所辐射的电磁波频率。随着电流的迅速衰减,火花间隙又蓄积了足够的高压,为下一次“发球”做好了准备。
但是,伴随火花的产生,大量的光和热也被释放出来。所以,冷却好火花间隙也是个问题。当我们需要更大发射功率的时候,火花间隙产生的简直是一道明亮而炙热的电弧,解决这个问题显得更为迫切。一个思路与加特林提高火炮射速的方法有着异曲同工之妙。一根炮管在数次射击后会变得非常炽热,一味提高射速是行不通的。既然单根炮管承受的热量有限,那么多几个炮管轮流射击不就可以了吗?旋转的火花间隙被设计出来,它的主体是一个金属圆盘,边缘有一圈锯齿状的电极,每两个相邻的电极都可以构成一个火花间隙,电机驱动着圆盘的旋转,散热问题也迎刃而解。
现在我们的火花发报机可以“嘀嘀嗒嗒”地去工作了。可是,单有发报机没有接收机是不能构成一个完整的通信系统的,接下来呈现在大家眼前的,是无线电接收机中的老前辈,它的奇妙之处在于——它是一种不用电源就能工作的电子设备。
电子界的“低碳”一族
看到这篇文章之前,您可能依旧认为启动任何电子设备的第一步都是接通电源。但是这种接收机必将颠覆您的看法,因为它根本不需要电源,要启动它,只需要接通天线。它就是矿石接收机。
一部矿石接收机是由几个部分组成的。一副天线、一个矿石检波器、一个可调谐的电容和电感构成的选频回路(即前文提到的LC回路,用在接收端时它起到选频的作用,即使到了今天,我们使用的选频电路只是把电容和电感小型化和集成化,其原理仍与
百年前相同),一副地线和一副耳机。它的工作流程是这样的:电磁波通过天线转化成电流被注入电路中,矿石检波器将电流的负半周滤除,LC电路再将高频载波滤除,此时信号已经被还原,可以直接输入耳机。
为什么用矿石呢?这里说的矿石不是一般的矿石,而是方铅矿石。它具有单向导通的特性,对于某个方向电流的阻抗很小,而对于相反方向的电流阻抗会比较大。所以,方铅矿石是最早用作半导体的天然原料之一。而这种单向导通特性,正是次一级选频电路所必需的。
没有电源,这个东西是怎么工作的呢,总是要有能量来源吧。矿石接收机的能量来源就是它所接收的电磁波。可是,我们用的收音机都靠接收电磁波工作,它们为什么需要电源呢?这是因为我们现在使用的收音机为了提高收听质量,都在前端增加了放大电路,将天线接收的信号放大后再进行选频和滤波,而放大电路是依靠电源才能工作的。但是,老式的矿石接收机中根本不存在放大电路,所以依靠天线将电磁波转化成的电流,完全可以保证设备运行了。就像从河流中取水,可以用抽水机,泵出的水流又快又猛,也可以用水车,虽然效率低了一点,但是仍然能达到取水的效果,而且不需要借助外来能源。
但是,空中游弋的电波能量毕竟是有限的,检波电路中的电流和电压几乎可以用微弱来形容,所以矿石接收机的音量不可能很洪亮,一般都是用耳机收听,而且,必须使用阻抗较大的耳机才行。如果你是一个一战时的军火商,你一定会为这个几乎不需要什么成本的精密产品拍手叫好。如果你是一个一战时隐蔽在堑壕中的通信兵,你一定会为这个永远不需要换电池的伙伴拍手叫好,需要注意的是,这种不需要电源的接收机,不工作时一定要断开与天线的连接,否则的话,只要空中有电波,它就会乌哩哇啦响个没完。
像火花一样短暂而辉煌的生命
火花发报机和矿石机结合组成的通信系统从19世纪末期直至一战结束,都是当时最重要的无线电通信设备。每一艘军舰上都有了一个用于收发电报的“马可尼室”。从日俄海战到日德兰大海战,火花发报机不仅被用于保证己方通信畅通,而且在欺骗和阻塞敌方通信联络方面也屡建奇功。
但是,火花发报机的先天不足就是无法将功率集中在一个频率上发射,每个火花的产生都会在非常宽的频带上向外辐射能量,对频段的浪费严重。而且,火花发报机虽然结构简单,但其载波几乎无法调谐。在一战结束后,火花发报机在通信界的主宰地位被更先进的电子管无线电台取代,但是考虑到过去巨大的装备数量(尤其是在海军),它仍被作为紧急状况下的备用通信手段。然而,火花发报机大功率和超宽频带的特点,用在电子对抗方面就成了显著优势,在通信领域风光不再的火花发报机,摇身一变就到电子干扰领域发挥余热去了。
一百多年前诞生的矿石接收机虽然很切合21世纪对简约、质朴和低碳的呼声,但是天然矿石的电性能参差不齐,甚至安装在检波器中的一小块矿石,也要调试好久才能找到效果最佳的那个触点。而且,矿石机的频率选择性比较差,接受的频率不是一个,而是一片。幸好有了火花发报机这个好搭档(一个以“横扫千军”之势发射出来,一个以“海纳百川”之心接收回去,真是绝配),二者才携手在20世纪初的战争进程中发挥了无可替代的作用。更先进的半导体——二极管问世之后,矿石机逐渐淡出了指挥官的视野,退守民众广播业。
1955年,日本重新生产了大量火花无线电发射机和与之匹配的小型化矿石接收机,但它此时的任务已经不再是发报,而是用于遥控玩具巴士。至此,火花发报机和矿石接收机——两次世界大战的亲历者,正式宣告卸甲归田,退隐江湖。它们的继任者将是谁呢?它能否具备更高的频率精确度?能否有更小的体积和质量?它又是如何使尽浑身解数在战场上“发光发热”呢?且待下回分解。
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