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无线电波的工作原理

无线电波的工作原理

无线电波控制着这一切，从 AM/FM 广播到无线网络再到车库门遥控开启器。

电磁无线电波是 20 世纪和 21 世纪技术最重要的发现之一。你看不到它们，但每天都有无数的高频波在你周围的空气中跳跃着。它们促进了汽车收音机、智能手机和 Wi-Fi 互联网等设备的无线通信。多亏了无线电，人与人之间的数据传输比以往任何时候都更快、更方便。

以下是一些依赖无线电波的日常技术：

• 车库门遥控开启器
• 无线网络
• 遥控玩具
• 电视广播
• 手机
• 全球定位系统接收器
• 业余无线电
• 警用收音机
• 无线时钟

甚至像雷达和微波炉这样的东西也依赖于无线电波。没有无线电波，通信和导航卫星就不可能实现，现代航空也是如此——一架飞机依赖于十几个不同的无线电系统。我们在工作、家庭和学校所依赖的WiFi 网络也完全依赖无线电波进行数据传输。

有趣的是，就其核心而言，无线电是一项极其简单的技术。只需几个最多花费十几元钱的电子元件，你就可以构建简单的无线电发射器和接收器。在本文中，我们将探索无线电技术，让你完全了解不可见的无线电波如何让这么多事情成为可能。

目录

1. 最简单的收音机
2. 一个（稍微）更精致的收音机
3. 无线电基础知识：零件
4. 简单的变送器
5. 制作自己的简单发射器
6. 传输信息
7. 接收 AM 信号
8. 最简单的 AM 接收器
9. 天线电基础知识
10. 天线：现实生活中的例子
11. 模拟与数字无线电

通过用硬币轻敲 1号电池的两端，你就可以创建 AM 收音机可以接收的无线电波！

无线电可以非常简单，在 20 世纪初，这种简单性使得几乎任何人都可以进行此类的实验。它能变得多简单？这是一个例子：

• 拿一节新的1号电池和一枚硬币。
• 找到一台 AM 收音机，将其调整到能听到静电的区域。
• 现在将电池靠近天线，然后用硬币快速敲击电池的两端（以便瞬间将它们连接在一起）。
• 你会听到收音机中因硬币连接和断开而引起的噼啪声。

你的电池/硬币组合是一个无线电发射器！它没有传输任何有用的东西（只是静态的），也不会传输很远（只有几厘米，因为它没有针对距离进行优化）。但是，如果你使用静电敲出摩尔斯电码，你却可以与这个简陋的设备进行几厘米远的交流。

如果你想做得更精致一些，请使用金属锉刀和两根电线。将锉刀的手柄连接到1号电池的一端。将另一根电线连接到另一端，然后将电线的自由端在锉刀上上下移动。如果你在黑暗中进行此操作，你将能够看到非常小的 火花，因为电线的尖端与锉的背部连接和断开。将锉刀放在 AM 收音机附近，你会听到很多静电的声音。

在无线电发明的早期，发射器被称为火花线圈，它们在高得多的电压（例如 20,000 伏）下产生连续的火花流。高压会产生大而粗的火花，就像你在火花塞中看到的那样，它们可以传播得更远。今天，像这样的发射器是非法的，因为它向整个无线电频谱发送垃圾信号，但在早期它能正常工作并且非常普遍，因为无线电波没有受到严格监管。

正如在上一节中所看到的，使用静电传输非常容易。然而，今天所有的收音机都使用连续的正弦波来传输信息。非常早期的无线电发射机一次发射一大段频率。他们所能复制的只是简单的噪音，可以用来用摩尔斯电码进行交流。正弦波发射器将该频带缩小到更特定的频率，可以有效地再现复杂的信息，如音频流、视频和互联网数据。窄频带还允许许多发射器在一个区域中运行而不会相互干扰。

我们今天使用连续的正弦波是因为有太多不同的人和设备想要同时使用无线电波。如果你有办法看到它们，你会发现现在你周围有成千上万种不同的无线电波（以正弦波的形式）——电视广播、AM 和 FM 无线电广播、警察和消防无线电、卫星电视传输、手机通话、GPS信号等。今天无线电波的用途之多令人惊讶。每个不同的无线电信号使用不同的正弦波频率，这就是它们的分离方式。

任何无线电设置都包含两个部分：

• 发射机
• 接收者

发送器接收某种消息（可能是某人的声音、电视机的图片、无线电调制解调器的数据等），将其编码为正弦波并用无线电波发送。接收器接收无线电波并根据接收到的正弦波解码消息。发射器和接收器都使用天线来发射和捕获无线电信号。

电池通过其两端之间的电线传送电力。移动的电子在电线周围产生磁场，其强度足以影响罗盘。

你可以从一块电池和一根电线开始了解无线电发射器的工作原理。如果将电线连接在电池的两端之间，电池就会通过电线发送电流（电子流）。移动的电子在电线周围产生磁场，该磁场的强度足以影响罗盘。

假设你将另一根电线与电池电线平行放置，但距离电池电线5 厘米。如果将一个非常灵敏的电压表连接到电线，则会发生以下情况：每次将第一根电线与电池连接或断开时，你都会在第二根电线中感应到非常小的电压和电流；任何变化的磁场都会在导体中感应出电场——这是发电机的基本原理。所以：

• 电池在第一根导线中产生电子流。
• 移动的电子在导线周围产生磁场。
• 磁场延伸到第二根电线。
• 每当第一根导线中的磁场发生变化时，电子就开始在第二根导线中流动。

连接和断开电池会改变磁场。

需要注意的一件重要的事情是，只有当你连接或断开电池时，电子才会在第二根电线中流动。除非磁场发生变化，否则磁场不会导致电子在导线中流动。连接和断开电池会改变磁场（将电池连接到电线会产生磁场，而断开会破坏磁场），因此在这两个时刻电子会在第二根电线中流动。

当你连接电池时，电线中的电压为 1.5 伏，当你断开电池时，电压为零伏。通过快速连接和断开电池，你可以创建一个在 0 到 1.5 伏之间波动的方波。

要创建一个简单的无线电发射器，你需要做的是在电线中创建一个快速变化的电流。你可以通过快速连接和断开电池来做到这一点，如上图所示：

更好的方法是在导线中产生连续变化的电流。连续变化的波的最简单（也是最平滑）形式是正弦波，如下所示：

正弦波在 10 伏和 -10 伏之间平稳波动。

通过创建正弦波并通过电线运行它，你可以创建一个简单的无线电发射器。只需几个电子元件就可以非常容易地创建正弦波 - 一个电容器和一个电感器可以创建正弦波，几个晶体管可以将波放大为一个强大而简单的发射器原理图。通过将该信号发送到天线，你可以将正弦波发射到太空中。

如果你有一个正弦波和一个用天线将正弦波发射到太空的发射器，你就有了一个无线电台。唯一的问题是正弦波不包含任何信息。你需要以某种方式调制波以在其上编码信息。调制正弦波有四种常用方法：

在 PWM 中，你只需打开和关闭正弦波。这是发送摩尔斯电码的简单方法。PWM 并不常见，但其中一个很好的例子是在向无线电控制时钟发送信号的无线电系统。一个PWM发射器就能覆盖整个国家！

在幅度调制中，正弦波的幅度（其峰峰值电压）发生变化。

AM 无线电台使用调幅来编码信息。在幅度调制中，正弦波的幅度（其峰峰值电压）发生变化。例如，将人类的声音产生的正弦波叠加到发射器的正弦波上以改变其幅度。

通过调频，正弦波变化很小。

FM 广播电台和数百种其他无线技术使用频率调制。FM 的优势在于它在很大程度上不受静电影响。在 FM 中，发射器的正弦波频率根据信息信号发生非常轻微的变化。FM 使用比 AM 更高的频率信号，它具有更高的保真度但范围更小。

数字调制将数字信息编码到模拟载波信号上，并提供更高的保真度而没有任何干扰。对于无线路由器之类的东西，数字调制还允许对信号进行加密。这样，发射器将只向特定设备发送数据。

但是，太弱的数字信号很快就会变得不可用。音频数据听起来会杂乱无章，而视频会高度像素化。在美国，无线电视已完全转向数字传输，许多地面广播电台除了模拟信号外还使用数字天线。

一旦用信息调制正弦波，就可以传输信息。

正弦波的一个特征是它的频率。正弦波的频率是它每秒上下振荡的次数。当你收听 AM 无线电广播时，你的收音机正在调谐到频率约为每秒 1,000,000 周期（每秒周期也称为赫兹）的正弦波。例如，AM 表盘上的 680 表示每秒 680,000 次循环。FM 无线电信号在 100,000,000 赫兹的范围内运行，因此 FM 刻度盘上的 101.5 是发射器，以每秒 101,500,000 周期的速度产生正弦波。

AM 信号的传输模式。

这是一个真实世界的例子。当你将汽车的 AM 收音机调到一个电台时——例如，AM 拨盘上的 680——发射器的正弦波以 680,000 赫兹的频率发射（正弦波每秒重复 680,000 次）。通过改变发射器正弦波的幅度，DJ 的声音被调制到该载波上。对于大型 AM 电台，放大器将信号放大到大约 50,000 瓦。然后天线将无线电波发送到太空。

那么，汽车的 AM 收音机（接收器）如何接收发射器发送的 680,000 赫兹信号并从中提取信息（DJ 的声音）？这是它的工作原理。

• 除非你就坐在发射器旁边，否则你的无线电接收器需要一根天线来帮助它从空中接收发射器的无线电波。AM 天线只是一根电线或一根金属棒，可以增加发射器的波可以与之相互作用的金属量。
• 你的收音机接收器需要一个调谐器。天线将接收到数千个正弦波。调谐器的工作是从天线接收到的数千个无线电信号中分离出一个正弦波。在这种情况下，调谐器被调谐以接收 680,000 赫兹的信号。调谐器使用称为共振的原理工作。也就是说，调谐器在一个特定频率下产生共振并放大，而忽略空气中的所有其他频率。用电容器和电感器创建谐振器很容易。
• 调谐器使收音机仅接收一个正弦波频率（在本例中为 680,000 赫兹）。现在收音机必须从正弦波中提取 DJ 的声音。这是通过称为检测器或解调器的无线电部分完成的。在 AM 收音机的情况下，检测器由称为二极管的电子元件制成。二极管允许电流沿一个方向流过，但不允许另一个方向流过，因此它会切断波的一侧。
• 收音机接下来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（更多的晶体管意味着更大的放大率，因此扬声器的功率更大）。

在 FM 收音机中，检测器不同，但其他一切都是一样的。在 FM 中，检测器将频率的变化转化为声音，但天线、调谐器和放大器大体相同。

在强 AM 信号的情况下，事实证明你可以只用两个部件和一些电线来制作一个简单的无线电接收器。这个过程非常简单——这是你需要的：

• 一个二极管
• 两根电线：你需要大约 15 到 20 米的 22 号电磁线。
• 可以打入地下的小金属桩或管道（或者，如果发射器附近有护栏或金属栅栏，你可以使用它）。
• 水晶耳机：这种简单的耳塞式耳机直接连接到天线二极管。

为了使这个过程更容易，一些套件也可以网上购买，其中包含盒子中的大部分必要部件。水晶收音机套件还配有电放大器，无需耳机。

制作 AM 接收器很容易。

你现在需要找到并靠近 AM 无线电台的发射塔（在 1.6 公里左右范围内）才能正常工作。这是你要做的：

1. 将木桩打入地下或找到一个方便的金属栅栏柱。剥去3 米长的电线末端的绝缘层，然后将其缠绕在木桩/柱子上5到 10 次，以获得良好的连接。这是地线。
2. 将二极管连接到地线的另一端。
3. 取另一根 3 到 6 米长的电线，将它的一端连接到二极管的另一端。这根电线是你的天线。将它放在地上，或挂在树上，但要确保裸露的一端不接触地面。
4. 将耳塞的两条导线连接到二极管的任一端。

现在，如果你将耳塞塞入耳朵，你将听到广播电台——这是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，但它确实展示了无线电接收器可以多么简单。

这是它的工作原理。 你的天线正在接收各种无线电信号，但因为你距离特定发射器太近，所以这并不重要。附近的信号以数百万倍的速度压倒其他一切。因为你离发射器很近，天线也接收到大量能量——足以驱动耳机！因此，你不需要调谐器或电池或其他任何东西。如前一节所述，二极管充当 AM 信号的检测器。因此，尽管没有调谐器和放大器，你仍可以收听电台。但是，在套件中添加放大器会增强信号并增加音量。

无线电发射器中的天线将无线电波发射到太空。这个手机信号塔为智能手机客户提供服务。

你可能已经注意到，你看到的几乎所有收音机（如手机、汽车收音机等）都有天线。天线有各种形状和尺寸，具体取决于天线试图接收的频率。天线可以是任何东西，从一根又长又硬的电线（如汽车上的 AM/FM 收音机天线）到像碟形卫星天线这样奇怪的东西。无线电发射机还使用极高的天线塔来传输信号。

无线电发射机天线设计的思路是将无线电波发射到太空。在接收器中，是尽可能多地获取发射器的信号并将其提供给调谐器。

最佳无线电天线的尺寸与天线试图传输或接收的信号频率有关。这与光速有关，因为电子移动的速度与光速相同，光速为每秒每秒 30万公里。那么，你怎么知道需要多大尺寸的天线呢？

假设你正在尝试为广播电台 680 AM 建造一座无线电塔。它正在传输频率为 680,000 赫兹的正弦波。在正弦波的一个周期内，发射器将天线中的电子沿一个方向移动，切换并将它们拉回，切换并推出它们，然后切换并再次将它们移回。换句话说，电子将在正弦波的一个周期内改变方向四次。如果发射器以 680,000 赫兹运行，则意味着每个周期在 (1/680,000) 或 0.00000147 秒内完成。其中四分之一是 0.0000003675 ​秒。

以光速，电子可以在 0.0000003675 ​​秒内行进0.11 公里。这意味着 680,000 赫兹发射器的最佳天线尺寸约为 110 米。因此，AM 广播电台需要非常高的塔。另一方面，对于工作频率为 900,000,000 (900 MHz) 的手机，最佳天线尺寸约为8.3 厘米。这就是为什么手机可以有这么短的天线。

你可能已经注意到，汽车中的 AM 收音机天线不是几十米长——它只有几厘米长。如果你把天线做得更长，接收效果会更好，但是 AM 电台在城市中非常强大，所以你的天线是否是最佳长度并不重要。

你可能想知道为什么当无线电发射器传输某些东西时，无线电波想要以光速在远离天线的空间中传播。为什么无线电波可以传播数百万公里？为什么天线周围没有磁场，靠近天线，就像你在电池上看到的那样？一种简单的思考方式是：当电流进入天线时，它确实会在天线周围产生磁场。

我们还看到，磁场会在靠近发射器的另一根电线中产生电场（电压和电流）。事实证明，在太空中，天线产生的磁场会在太空中感应出电场。这个电场反过来在空间中感应出另一个磁场，磁场感应出另一个电场，电场感应出另一个磁场，依此类推。这些电场和磁场（电磁场）在空间中以光速相互感应，远离天线向外传播。

尽管模拟无线电信号源仍然很普遍，但 Wi-Fi 和蓝牙等数字信号已经占据了主导地位。对于许多广播电台，还可以使用称为HD Radio的数字格式。然而，FM 信号仍然是当前的标准，这可能是因为道路上的大量老式车辆仍然依赖 AM/FM 调谐器。

数字无线电传输提供的优点是高保真度和安全性。数字信号承载提供高清视频或无线互联网等服务所需的更高数据速率。接收器也不会接收到模拟传输中一直存在的噪音和静电。然而，实际的传输方法可能会变得复杂。

由于无线电波是一种传统的模拟信号，因此发射器需要使用数模转换器来转换其数据。一旦接收天线接收到信号，它就必须使用模数转换器将数据“解密”回其原始形式。这种方法听起来过于复杂，但它确实可以实现诸如数据加密之类的事情。

本质上，接收天线必须有正确的指令来解密由发射器转换的数字信号。没有这些指令，就无法访​​问数据。这就是人们在未与正确设备配对的情况下通常无法访问你的 Wi-Fi 或蓝牙的原因。此过程还有助于减少空中无线电干扰。另一方面，模拟无线电信号可以被该地区任何一个有天线的人所接收到。