[科普中国]-电子学史话

爱迪生在发明电灯后，苦于寻找一种碳纤维灯丝的替代材料，因为这种灯丝的寿命太短。1883年，爱迪生突发奇想，在灯丝中封入一个铜丝，也许能阻止碳纤维灯丝的蒸发。然而试验下来，灯丝蒸发如故，爱迪生却发现了一个奇怪的现象——并不连接的碳丝和灯丝，在碳丝加热发光后，竟然有微弱的电流流过。爱迪生觉得这是一个不可思议的现象，于是他对此声明了专利，并命名为“爱迪生效应”，然而爱迪生并没有发觉他的发现有什么应用价值，申请专利后就不再研究了。

在大洋彼岸，另一位青年工程师约翰·弗莱明正在为马可尼公司设计无线电接收机，弗莱明曾经在爱迪生电光公司工作过，爱迪生曾经向他提起过“爱迪生效应”。在他为马可尼公司设计检波器时，想到可以利用“爱迪生效应”进行包络检波。于是他改进了装置，在真空玻璃管内封装入两个金属片，给阳极板加上高频交变电压后，出现了爱迪生效应，在交流电通过这个装置时被变成了直流电。弗莱明把这种装有两个电极的管子叫作真空二极管，它具有整流和检波两种作用，这是人类历史上第一只电子器件。后来弗莱明将此项发明用于无线电检波，并于1904年11月16日在英国取得专利。

让我们把目光回到美国，1902年，一位叫李·德弗雷斯特的发明家在纽约泰晤士街租了间破旧的小屋，创办了德福雷斯特无线电报公司，一心一意想要发明出更先进的无线电检波装置。同时，他也要以自己的发明，向美国公众展示无线电应用前景。就在研究进展不太顺利的时候，英国弗莱明发明真空二极管的消息传来，像闪电一般照亮了他前行的道路。德福雷斯特的心里一定是这样想的——卧槽！还有这种操作。于是他立刻买来实验材料，组装好电路，灯丝点亮后，果然出现了和弗莱明的发明一样的效果。

然而，并没有满足于这个有趣的试验。他沉思了一会，突然抓起一根导线，弯成“Z”型，小心翼翼地把它安装到灯丝与金属屏板之间的位置。这根导线，或许他想用来同时接收灯丝发射的电子，或许还想派上其他什么用途。殊不知他装上的这根小小的导线，竟会影响到20世纪电子技术的发展进程。德福雷斯特极其惊讶地发现，Z型导线装入真空管内之后，只要把一个微弱的变化电压加在它的身上，就能在金属屏板上接收到更大的变化电流，其变化的规律完全一致——德福雷斯特发现的正是电子管的“放大”作用。后来，他又把导线改用像栅栏形式的金属网，于是，他的电子管就有了三个“极”——丝极、屏极和栅级，其中那个栅极承担着控制放大电信号的任务。1907年，德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管（电子管）的发明专利。

然而，由于合伙人的欺骗，德福雷斯特的公司曾两度倒闭。1912年，他甚至无辜受到美国纽约联邦法院的传讯，有人控告他的公司推销积压产品，进行商业诈骗。愚昧的法官判决说，德福雷斯特发明的电子管是一个“毫无价值的玻璃管”。也许是压力产生的动力，德福雷斯特顶着随时可能入狱的压力，来到加利福尼亚旧金山附近的帕洛阿托小镇，坚持不懈地改进真空三极管。在爱默生大街913号小木屋，德福雷斯特把若干个三极管连接起来，与电话机话筒、耳机相互连接，再把他那只“走时相当准确的英格索尔手表”放在话筒前方，手表的“滴哒”声几乎把耳朵震聋。世界是第一个音频放大器在这里诞生了。

在德福雷斯特的故居，至今依然矗立着一块小小的纪念牌，以市政府名义书写着一行文字：李·德福雷斯特在此发现了电子管的放大作用。

这里也成为了电子工业开始的地方，在这里诞生了许多改变世界的发明和公司，这个叫帕洛阿托的小镇也许很多中国人都不熟悉，但是他的另一个名字大家一定都听过，那就是——硅谷。

大多数人都认为，电子技术的发展，经历了电子管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路四个阶段的发展。其中电子管是真空器件，而从晶体管开始，进入了半导体时代。然而实际上，半导体在无线电领域的应用，远早于晶体管的发明，甚至早于电子管的发明。

早期的无线电接收机十分的简单，甚至不需要电源。这是美军早期生产的BC-14A型军用接收机，在一战时大量使用。

这类接收机的核心器件是一个玻璃管子，里面有着一块小小的石头。这个器件就是大名鼎鼎的“矿石检波器”，又叫“猫须检波器”。矿石检波器的发明使无线电通信变得实用化，开始广泛的应用于商业和军事领域，在全世界范围内掀起了一股研究无线电技术的热潮，那时也被称为无线电技术的“恐龙时代”。直到今天，仍有遍布世界各地的爱好者热衷于制作矿石收音机，是业余无线电运动的重要组成部分。我国在上世纪60年代时，矿石收音机曾风靡一时，包括中学生在内的很多人都会组装，这些学生后来很多都走上了电子技术的道路，成为了80年代后电子工业领域的中坚力量。

故事要从十九世纪，无线电发明之前说起。1874年卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）发现了金属硫化物的单向导电性，这是人类第一次发现半导体的整流特性。1894年，贾格迪什·钱德拉·博斯（Jagadish Chandra Bose）利用方铅矿的单向导电性，制成了世界上第一个检波器——矿石检波器。十年后，在1904年马可尼发明无线电报之后，经过Henry H.C.Dunwoody和G.W.Pickard的改进，矿石检波器逐渐成熟，从此无线电技术开始实用化，走向了快速发展的道路。也正是无线电技术的飞速发展，衍生出了通信和电子技术，改变了当今世界。

这里要重点说一下布劳恩这个人，他在无线电技术上有很多发明。他发明了调谐电路并改进了马可尼的无线电发射机；发现了硫化物的单向导电性，这后来用于无线电接收机，因此他于1909年与无线电报的发明者马可尼共享了当年的诺贝尔物理学奖。他最重要的发明是阴极射线管（CRT），为后来的示波器、电视、雷达、电子显微镜奠定了基础，这是在液晶显示技术出现之前最重要的显示部件。

而博斯利用布劳恩的发现制成了矿石检波器（crystal detector），英文中通常叫：crystal detector ——猫须检波器。因为他是用一根细金属丝，与方铅矿进行接触，利用接触点的单向导电性进行检波的。当时人们并没有理解这个现象的内在机理，直到20世纪30年代，人们才意识到矿石检波器实际上是利用金属-半导体接触点形成的肖特基势垒具有的单向导电性进行检波的。

如今新媒体是个时髦词，新媒体是数字化、网络化的新传播方式，用以区分报刊、广播、电视等传统媒体。而就像人们都有难忘的童年时代，曾几何时，广播和电视也曾是当时的新媒体。这一次，就让我们一起回顾一下无线电广播的诞生故事。

就像我们之前说过的，电子技术短暂的经历了半导体时代（矿石检波器）后，就转入了电子管的时代，直到1947年肖克利发明了晶体管才又转入了半导体时代。无线电通信也是一样，从短暂的数字时代进入了高速发展的模拟时代，后来又回到了数字时代。早期的无线电报实际上就是最原始的数字通信，将信息编码为一系列的“点”和“划”，通过电键控制火花振荡器的开闭，将信息调制到高频脉冲上。后面章节我们会介绍，这个其实就是ASK（幅移键控）调制，至今仍然广泛的应用于数字通信。但是在当时，这种通信方式无疑是不方便的，普通人难以使用，当时有线电话和有线广播早已发明，人们期待像电话一样通过无线的方式传递声音，很多人都在研究将声音通过无线电传输的方法，费森登就是其中一位。

费森登（Fessenden,Reginald Aubrey 1866~1932）出生于加拿大魁北克省的米尔顿，费森登在十九世纪八十年代时曾是爱迪生手下的首席化学家，后来他又到了爱迪生的死对头——威斯汀豪斯手下工作。费森登名气虽然不大，但是他的发明专利无论是数量还是种类上都仅次于爱迪生，一生获得的专利达五百项之多。费森登最引入注目的发明就是他第一次实现了无线电波的调制传输，1906年12月25日，费森登在马萨诸塞州的布兰特罗克镇的国家电器公司128米高的无线电塔上进行了一次广播。广播的节目最主要的就是读《圣经》有关主耶稣基督降生的故事。另外还配有小提琴演奏曲，播送德国音乐家韩尔德所做的《舒缓曲》等。在演播前，他在报纸上进行了预告，并发出无线电报，通告报界和太平洋上的来往船只。那天晚上，太平洋船只的无线电发报员听到了小提琴和一位男子朗读圣经的声音。一般认为，这是世界上第一次成功的传声实验，并被公认为无线电声音广播诞生的标志，费森登也因此被称为“无线广播之父”。

然而费森登虽然最早实现了无线电广播，但是受限于当时的技术，无线广播还很不稳定，距离也不远，没有实现大规模应用。在费森登第一次无线电广播的同年，德弗雷斯特发明了“电子三极管”，前文我们曾经提到，电子三极管的发明可以认为是第三次科技革命的标志，因为只有当电子三极管的放大作用被发现后，电子技术史上影响深远的各类电路才被发明出来，电子技术才真正走向实用。在二十世纪初，无线通信和广播的出现无疑是电子技术发展的巨大推动力，在这时又一位天才发明家出现了，这就是埃德温·霍华德·阿姆斯特朗（Edwin Howard Armstrong）。

1912年，还在哥伦比亚大学电子工程系读书的阿姆斯特朗就发明了“反馈振荡器”和“再生电路”。振荡器的发明，使产生特定频率的无线电波成为可能；而再生电路，利用正反馈原理，使信号的放大能力大大加强，显著提高了接收机的性能。再生电路因其性能好、结构简单，在一战和二战时都曾广泛应用。1918年，阿姆斯特朗又提出了“超外差接收机”，这是一个具有划时代意义的发明，这使得接收机的灵敏度、选择性都大大提高，使商业无线电广播成为可能，并且直到今天，超外差原理仍然广泛应用于各类接收机。

超外差接收机的发明得益于电子管放大器和反馈振荡器的发明。我们知道，调幅（AM）广播信号是利用音频信号调制一个高频的载波信号得到的，高频的载波信号有利于发射，而音频信号携带信息，音频信号控制载波信号的幅度变化，这个就叫做幅度调制，简称“调幅”。而接收时，要从信号中去除载波信号，得到音频信号，送给耳机或音响，这个过程叫检波。

早期的接收机，是将高频载波信号放大后，直接检波得到音频，这种方式对选频网络的灵敏度有很高的要求，并且受限于当时的技术条件，高频放大器难以有足够的增益。而超外差接收机则利用本机振荡器产生一个等幅正弦信号，与天线接收回来的调制信号进行混频，得到中频信号。这个中频信号低于载波又高于音频，当要接收不同载波频率（不同频道的电台）的调制信号时，只需改变本机振荡器的频率，就能在中频频率不变的情况下，选择到另一个频道的信号。这样，中频放大器就可以用高性能的窄带放大器来实现，并且用窄带的中频滤波器实现高选择性。经过中频放大器放大的中频信号得到了足够的增益后，再进行检波获得音频信号。

超外差技术使接收机的灵敏度大大提高，促成了美国商业无线广播的诞生。而无线广播的迅速发展，则又带动了模拟通信技术的革新，从此进入了长达七十年的模拟电子技术的黄金时代。

电子学的发展不仅创造了一系列改变人们的生活方式的发明，更对科学研究起了重大的推动作用。20世纪的一些列自然科学的大发现，都离不开电子仪器的帮助。电离层的发现，就是其中的一个例子。

讲这个故事，还得让我们回到1901年的那个冬天，年轻的伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi）刚刚27岁，他急切的需要一次宣传自己发明的无线电报的机会。经过几年的实验，他觉得时机已经成熟，1900年10月，马可尼在英国康沃尔的普尔杜建立当时世界最大的10千瓦火花式电报发射机，架起了巨大的天线。1901年的12月12日，马可尼来到了加拿大的纽芬兰岛，通过风筝竖起了400英尺长的天线，收到了从英国发来的莫尔斯电码“S”，这在当时引起了巨大轰动。

随之而来的，便是质疑的声音，因为地球表面存在曲率，从英国的康沃尔到加拿大的纽芬兰，横跨大西洋，距离达到3600公里，无线电波是难以直接传播的。但是事实又摆在人们面前，马可尼确实收到了信号，于是有人猜测，地球大气层可能会有反射无线电波的能力，因此马可尼才收到了3600公里外的信号。

1902年，英国物理学家亥维赛通过麦克斯韦方程和数学方法，预测了在地球大气中，存在一个特殊的层面。这个层面空气分子受太阳光中的紫外线和X射线影响而发生电离，从而可能对无线电波产生反射。但在当时，对电磁理论的研究才刚刚起步，这个理论缺乏实验的证实。

直到1924年，在M.A.T.巴内特的协助下，英国物理学家阿普尔顿通过相距112千米的发射机和接收机，利用发射机的慢调频产生一系列变化频率的信号，通过接收到的回波直接测量地球上空反射电离层的高度，从而在1924年证实了英国A.E.肯涅利和O.亥维赛1902年假设的电离层（E电离层，高110～120千米）的存在。1925年他和巴尼特又注意到带电粒子和地磁场对无线电波传播过程的重要作用。1926年他又发现F电离层，称阿普尔顿电离层。

阿普尔顿是电离层研究的先驱，他的另一项开创性的工作是建立磁离子理论，并得出了电离层对无线电波的复折射指数公式。这一公式后被称为阿普尔顿-哈特里公式。这个公式正确地预言了电磁波在具有外磁场的电离气体中传播时的行为，这些研究对短波通信和雷达技术等实际应用都起了十分重要的作用。1947年，由于他在高层大气方面的研究，特别是电离层F层的发现，获得了当年的诺贝尔物理学奖。