無線電(2)-電磁波的生產者(電磁效應、振盪器、晶振、天線)

電磁效應,對初中物理學還有印象的讀者應該還記得電與磁的一些實驗,例如切割磁感線產生電流。電與磁是相生並可以互相轉化的。

第一個捕捉到電磁波的科學家赫茲,用下面這個裝置做了一個實驗,高壓線圈產生的電磁場成功的使遠處的線圈感應到了電磁場。於是,打開了近代無線電發展的大門。

無線電(2)-電磁波的生產者(電磁效應、振盪器、晶振、天線)

瞭解了電磁波的原理,做一個電磁波的發射器就容易了。這是一個簡易的發射裝置。

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電路很簡單主要元件是電感、晶振,有興趣的可以搜尋自制無線電波發射器。從原理上看這套裝置本身就有一個超短距的無線通訊模組,那就是電感,輸入端的資訊同樣是由電磁效應傳到不相連的線圈上,由另一邊放大功率的輸出端發射電波。這是一個類比電路,由於電感的性質,電路震盪頻率過高會導致線圈阻抗上升,發熱增加,使效能引數發生改變,甚至還會因過流而燒燬。

無線電(2)-電磁波的生產者(電磁效應、振盪器、晶振、天線)

晶振是利用石英晶體(二氧化矽的結晶體)的壓電效應制成的一種諧振器件,交變電壓會使晶體產生機械震動,而機械震動也會引起電壓變化,由這個過程來控制電路訊號的傳輸。由於晶體的物理性質比較穩定,因此廣泛運用在電路中,但隨著科技的發展機械震動的頻率也逐漸無法滿足人們的應用需求。

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目前高頻的振盪器不是直接用晶振,需要用VCO(壓控振盪器)來產生。VCO的工作原理簡單地看就是一個輸入控制電壓對應一個輸出頻率。

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有了輸入訊號,到振盪器轉換出電磁訊號,接下來需要將訊號傳送的儘可能遠。人們在使用無線電發射機的時候,發現了使用導線連線可以增強訊號的收發。

無線電(2)-電磁波的生產者(電磁效應、振盪器、晶振、天線)

天線的作用,一是以自身的電子運動發射更強的電磁訊號,二是儘可能吸收空間中的電磁波轉為電訊號。天線的發展方向也離不開材料與結構這2個基本框架。

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在材料方面,常見導電性較好的材料有鐵<鋁<金<銅<銀<石墨烯,但在長時間尺度來看,銅和銀都容易被腐蝕,金的性質則很穩定,所以追求穩定性的電子裝置會鍍金,避免被氧化。不過在快節奏的商業社會,電子裝置的壽命往往是設計好的,比較少不計成本追求質量,在社會發展的過程中,由於質量太好而倒閉的公司也不少,所以銅作為成本與效能的較優選擇而大量應用在電子裝置上。

無線電(2)-電磁波的生產者(電磁效應、振盪器、晶振、天線)

在結構方面,發展的過程就豐富很多了。由早期拉金屬導線接收長波的單極天線,到現在的5G毫米波陣列天線,隨著波長與功耗的減少,為了能靈敏的接收訊號,人們在最佳化天線物理形狀的同時,也提升天線的數量級來堆疊出準確的訊號。

無線電(2)-電磁波的生產者(電磁效應、振盪器、晶振、天線)

天線的發展歷程,始終是圍繞電子、波這2個基本物理性質展開,所謂萬變不離其宗。