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简介梗概

1897年,约瑟夫·约翰·汤姆逊发现了电子,在庆功会的结束致辞上,有人说到:“希望这个发现永远也不会得到应用”。然而仅仅10年后的1906年,李·德弗雷斯特就发明了电子三极管,标志着电子技术作为一项工程技术而诞生。电子技术不仅得到了应用,而且从此改变了人类的历史进程。短短一百年的时间里,人类创造的产值和取得的科学成就都远远超越了这之前人类历史的总和。而我们的生活方式,也发生了根本上的变化。而这一切,如果没有电子技术的飞速发展,简直是不可想象的。

工业方面,电子技术使生产实现了自动化,制造出了前所未有的海量产品。通信方面,微波和光纤使地球两端的人可以实时通话和视频。科学方面,电子化的仪器设备能够达到前所未有的精度和复杂度。可以说,电子技术的发展促进了人类各行各业的全面进步。而这,仅仅就是在这一百年内发生的。

一百年在人类历史上仅仅只是弹指一挥,但是就在这弹指一挥间,仍然有很多有趣的故事。在这个连载中,我们就一起回顾一下,那些改变世界的重要时刻。

作者自述

90后电子工程师一枚。喜欢写东西,又写不好。写不好还总想写,希望和读者一起进步吧

《电子技术史话》正文节选

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,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。

今天的故事,还是关于阿姆斯特朗的故事。没错,就是我们前面介绍过的,无线电广播技术的奠基人、泰山北斗级的前辈、超外差接收机的发明人——埃德温·霍华德·阿姆斯特朗(edwin howard armstrong)。遗憾的是,今天讲的,是一个悲伤的故事。

阿姆斯特朗在获得超外差接收机的专利后,很快就因为这个发明赚了很多钱。到1923年,他已经是一个百万富翁了。这一年,他和妻子marion macinnis结婚了,作为结婚礼物,阿姆斯特朗制作了世界上第一台便携式超外差收音机送给了妻子。阿姆斯特朗的妻子当时是美国无线电公司总裁david sarnoff(萨诺夫)的秘书,同时萨诺夫也是阿姆斯特朗的好友。当时萨诺夫邀请阿姆斯特朗到他的公司进行研究,帮助改良调幅无线电,以消除信号干扰和畸变。

然而在对调幅无线电改良的过程中,阿姆斯特朗意外的发明了一种更好的调制方法,能够彻底解决am的信号干扰,这就是后来的调频技术。经过了好几年的实验,阿姆斯特朗终于证明fm信号能够减少多达100倍的电磁干扰,同时传递的声音更加的清晰和保真。阿姆斯特朗于1934年获得了这项技术的专利,然而,他一生的噩梦就从这里开始了。

在这里有必要介绍一下调幅和调频的区别,当然对技术细节兴趣不多的读者大可以跳过这段,这并不影响整篇文章的阅读,不过我还是建议你耐心看完这段,因为理解起来并不那么困难。

调幅无线电是最早的将声音调制到高频无线电上的方法。这种方法是利用声音来改变高频无线电波的幅度,无线电波的幅度变化中蕴含了我们要传递的信息。但是无线电波在传递过程中,会受到各种各样的干扰,这些干扰也会使无线电波的幅度在传递的过程中发生变化,所以当我们接收到信号时,就无法区分哪些变化是有用的信息,而哪些变化是干扰造成的。

我们举个生活中的例子:你想象你要通过吹一个哨子,用哨子的声音大小来传递一个信息,你会发现你能传递的信息其实很有限,而且比如刮风时,别人并不知道是你吹的声音小,还是因为逆风的关系听起来声音小。那么,如何传递信息才能比较准确而又不受到环境的影响呢?你可能会想到,那我不用哨子了,我用笛子,因为笛子可以发出不同的音阶,这个音阶比音量更容易判断,并且不会因为刮风而变化。恭喜你,你很聪明,你和阿姆斯特朗的想法是一样的。

调频无线电的原理就类似我们吹笛子,fm是通过声音控制无线电波的频率而不是幅度来传递信息的。在传播过程中,无线电波的幅度会因为受到干扰而衰减、变化,但是频率却不会。因此调频会有更好的音质和更高的抗干扰能力。就像我们吹笛子,无论环境多嘈杂,只要能听见笛声,我们就能分辨do或re。但是我们想分辨哨子的音量大小却困难得多。

在获得了专利后,1935年,阿姆斯特朗向听众展示了fm技术的优势,他发送了泼水和撕纸的声音,这两种声音通过am发送完全无法识别,但是fm就可以。用fm传输的爵士乐效果也非常好。当时ogden standard-examiner的一份报道中曾写道:

“如果在座的50位工程师闭上自己的眼睛,那感觉就像是这间屋子里面有一个爵士乐队一样。没有任何多余的声音。”

阿姆斯特朗坚信fm具有比am更大的优势,但是他还是“图样图森破”了。他发明的推广面对的最大阻力,来自于am技术的既得利益者,他的昔日好友——萨诺夫。

萨诺夫是美国无线电公司的总裁,后来被誉为美国广播通讯业之父。在当时,美国无线电公司通过am技术已经建立了一个巨大的商业帝国,但是fm的出现,使得这个商业帝国遇到了威胁。于是萨诺夫利用了他的影响力,雪藏了这项技术。萨诺夫说服了联邦通信委员会,让委员们相信fm技术可以改良调幅技术,但还需要很长时间。于是,联邦通信委员会禁止商业调频广播的运作,并限制fm技术的实验研究。

但是后来,美国无线电公司却开始开发自己的fm技术,并且无视阿姆斯特朗的专利,直接销售调频收音机。美国无线电公司宣称这项技术是由该公司发明的,并且获得了自己的专利。

1948年,阿姆斯特朗起诉了美国无线电公司,指控该公司盗窃和侵犯了他的五项基本fm专利。美国无线电公司于是聚集了一众律师开始诉讼前的准备,在持续数年的时间中,这些律师采用了车轮战,不停地质疑阿姆斯特朗,直到他的健康状况和财务状况都开始恶化。有报道引述他的话说:“只有我死了或者破产他们才会停止”。1953年的感恩节的晚上,阿姆斯特朗不停地咒骂着,喋喋不休地向她的妻子抱怨钱的事情,他拿着火钳咒骂,然后在他的妻子的手臂上打了一下。

他的妻子于是离开了他,然后搬去和自己的妹妹同住。

接下来的圣诞节和新年他都是一个人孤独的度过的。两个月后,在1月31日的晚上,阿姆斯特朗在他的13层楼的公寓里穿好自己的大衣,戴好自己的帽子和手套;然后他小心地将空调从窗子上移下来,从楼上跳了下去。《纽约时报》在报道他的死亡时提到他留给他妻子的遗言:

“他因为没能再看到自己的妻子一眼而伤心欲绝,他因为自己伤害了他而感到非常后悔,她是他这一身最宝贵的财富。”

而他曾经的朋友萨诺夫对此只说了一句:“我没有杀他。”

他的妻子在他死后继续着他的战斗,在他们的律师dana raymond的帮助下,最终赢得了2场胜利,而其他18项也达成了协议。这些诉讼得到的钱进入了阿姆斯特朗纪念研究基金会,开始这一基金会支持小型的fm公司,而现在这一基金会的目标是激励和奖励无线电的研究人员。1955年,国际电信联盟将阿姆斯特朗的名字加入了伟人名录。1983年,美国发行了阿姆斯特朗的纪念邮票。2000年,他进入了消费电子协会的名人堂。

阿姆斯特朗最终还是没能看到诉讼胜利的那一天,任何伟大的创新都会受到既得利益者的拼命阻挠,这是资本世界的本性,我们无法准确的判断这到底是好还是坏。只能说,这是一个悲伤的故事。

(未完待续……)

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