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无线电电子学的发展简史

    无线电电子学是在早期电磁学和电工学基础上发展起来的,它是利用电磁波作为信息载体加以传播的一门科学技术。

(1)准备条件
早在1865 年,麦克斯韦(Maxwell,J.C.1831~1879)从电磁理论研究中就预言电磁波能以波的形式向外传播,其速度与光速相同。1887 年德国物理学家赫兹(Hertz,H.R.1857~1894)以著名的电火花放电实验证明了麦克斯韦的预言。他们的科学成果,为无线电通讯技术的兴起作了理论上和实验上的准备。与此同时,爱迪生在研究如何延长碳丝白炽灯的寿命时,意外地发现了在灯丝与加有正电压的电极间有电流通过,而电极为负压时则无电流,这种热电子发射效应当时称作爱迪生效应。这一效应为后来电子管的发明准备了条件,在此以前,美国莫尔斯(S.Morse,1791~1872)在1837、1838 年发明电磁式电报机和点划组合的莫尔斯电码,1844 年建成了从华盛顿到巴尔的摩的电报线路;贝尔(A.G.Bell,1847~1922)1876 年试验电话通话成功,1878 年发展为波士顿与纽约间的长途通话(300 千米)。所有这些,都为无线电电子学的发展与广泛应用准备了充分条件。

(2)马可尼与波波夫
1890 年法国物理学家布兰利(E.Bran-ley,1844~1940)改进了赫兹的电波接收装置,能在140 米以外探测到赫兹电波。英国物理学家洛奇(O.J.Lodge,1851~1940)发明粉末检波器,改进电路,在800 米外成功地接收到用莫尔斯电码发送的信号。最有影响的要属意大利人马可尼(G.Marconi,1874~1937)的工作。1895 年,他在大量成功的无线电发送接收实验中发明了天地线装置,改进了发射机与接收机,利用当时仅有的金属检波器,有效地把无线电传播距离增加到2.8 千米。1896 年,电波已能飞越英吉利海峡(45 英里),1901 年又首次完成了横渡大西洋(3200千米)的试验,由此诞生了无线电报。1899 年,德国人布劳恩(C.F.Braun,1850~1918)还研制出一套能够调谐的接收系统,既能排除干扰,又大大提高了灵敏度,从根本上改进了马可尼的无线电系统。为此,马可尼和布劳恩共同获得1909 年诺贝尔物理学奖金。与此同时,俄国物理学家波波夫(A.C.Пoпoв,1859~1906)也对无线电通讯作出重要贡献,1895 年他发表了论文,并公开表演了他制作的“雷电指示器”,实际上就是一台无线电接收机,1896 年又成功地表演了无线电电报,传播距离250 米,传送的第一个电文就是“赫兹”。他长期致力于航海的无线电通讯,并在救援阿非利加号军舰触礁事件中发挥了实际效用,到1900 年通信距离已达45 千米。


(3)三极管的诞生与电子技术的突破早期的无线电通讯,由于缺乏相应的电子元件,只能限于短距离的符号通讯,发展受到限制。
1904 年英国工程师弗莱明(J.A.Fleming,1849~1945)利用热电子发射效应,发明了热电子真空二极管,可用来检测无线电信号,有灵敏的检波整流作用。1906 年美国德福雷斯特(L.deForest,1873~1961)制成真空三极管,具有放大与控制作用,并可用于发生高频振荡信号,从而代替了电火花发生器和高频交流发电机,成为无线电技术中最基本、最关键的电真空器伴。并为无线电技术由长波向短波发展提供了条件。1906 年圣诞节前夕,美国费森登(R.A.Fessenden,1866~1932)利用50 千赫发电机作发射机,用微音器直接串入天线实现调制,首次完成用无线电波从波士顿传送语言和音乐的实验,使大西洋航船上的报务员能够听到,创立了现代意义的无线电广播。三极管的运用,大大促进了无线电波的发射和接收。第一次世界大战推动了通讯技术。1913 年美国电工学家阿姆斯特朗(E.H.Armstrong,1890~1954)设计出再生式放大线路,1919 年又设计出超外差式接收机。同时,哈特莱(R.V.L.Hartley)等先后改进了振荡电路,无线电广播与收音机迅速发展。1919 年,第一个定时广播电台在英国建成。1920 年,美国匹茨堡建成了第一座商业电台(KDKA),第一天播音时把当天总统竞选结果立即告知人们,获得巨大成功。1926 年美国组成世界上第一个全国广播网。在此期间,加拿大、澳大利亚、丹麦、苏、法、英、德、意、日以及墨西哥也都相继建立了无线电台,到1930 年已经形成全球性的无线电广播系统。

(4)开发短波区段
早期无线电通讯使用的都是长波,这一方面限于发射设备的频率不太高,另一方面只知道电磁波传播中波的波长越长衰减越小。实际上沿地球表面传播的长波,受天线限制,无法再增大传播距离。而随着电子技术的发展,低频区段已感拥挤不堪,广播和军事的需要,都要求开发短波区段。早在1900 年,已经有人偶而收到过直视距离之外的短波信号,英国的亥维赛(O.Heaviside,1850~1925)和美国的肯涅利(A.E.Kennelly,1861~1939)认为波长几十米的短波可被高空的电离层反射回来,经多次反射,即可增大传播距离。这一观点到1924 年被英国物理学家阿普顿(E.V.Appleton,1892~1965)的实验证实和补充。而三极管的产生,又提供了技术条件,于是无线电广播和通讯得以迅速向短波区域发展起来。
美国早在第一次世界大战就开始研究军用短波通讯技术,到1918 年已研制成功波长为70 米~150 米的发射接收设备。继之,出现了一代新的电子器件:1921 年美国的赫耳(A.W.Hull,1880~1966)制成大功率微波器件磁控管,可产生几米波长的超短波。1923 年拉文德(H.J.Raund)发明了比三极管更适用于高频的五极管。

1933 年阿姆斯特朗发明了调频技术,1939 年发明了适用于超短波放大和振荡的速调管。美国从1929 年开始采用超短波通讯。到30 年代以后无线电通讯已进入10 来以内波长的超短波波段。

(5)电视与雷达
当实现了用无线电波传播听觉信号以后,人们又试图用来传播视觉信号,这就需要更高的频率,中短波广播一般为500 千赫,而一般电视频率要几十至几百兆赫,而雷达定位、自动跟踪要求波长更短。光电管、阴极射线管和无线电短波通讯等发明为电视、雷达技术准备了条件。早在19 世纪中叶英人巴伊恩(A.Bain,1818~1903)就发明了一种通过有线电信传递静止图象的机械装置,1913 年考恩(A.Korn,1870~1938)第一次用无线电通讯从柏林向巴黎传递了画面,但还只是无线电传真的静止图像。1923 年兹沃雷金(V.K.Zworykin,1889~1982)取得电子显像管专利,到1933 年又研制成功光电摄像管,至此完成了电视摄像与显像的完全电子化过程,现代电视系统基本成型。至1939 年4 月美国无线电公司的全电子电视首先播映,获得巨大成功。
第二次世界大战暂时阻碍了电视的发展,但是超短波、微波技术特别是雷达技术的发展,也推动了电视技术,所以第二次世界大战结束后,电视就进入了大规模实用与普及阶段。广播电视成为有力的宣传教育工具,它使人类文明广泛传播,知识迅速普及,其意义相当于历史上印刷术的发明。随着电磁波波长越来越短,方向性越好,遇到障碍物后的反射性越强。利用这一性质,通过短电磁波的发射与反射,可以测定障碍物的方位与距离。无线电探察与测距(Radiodetection and Ranging)装置,英文缩写为Radar,简称雷达就是根据这一性质制作的。1935 年英国沃森-瓦特(R.A.Watson-watt,1892~1973)研制成功1.5 厘米波的飞机探测雷达——CH 系统,探测距离达80 千米;于1938 年建成英国东海岸的防空警戒雷达网,有效距离200 千米,这一雷达网在1940 年击败纳粹德国空袭中起了重要作用。接着,美国于1938~1939 年先后制成火炮控制雷达、SCR-270防空雷达,SCR-268 跟踪控制两用雷达,后者可以自动指挥高射炮射击。1941 年,第一部微波雷达研制成功。它们在太平洋对日作战中发挥了很大威力。早期雷达技术尚不成熟,主要是频率低、功率小、精度差。随着电子技术不断改进,例如大功率高频磁控管的发明,天线、微波技术的发展,雷达的作用距离不断增大,鉴别率、分辨率不断提高等等,雷达不仅应用于军事,也广泛应用于国民经济、科学研究和其他一些领域。

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