阿姆斯特朗與現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)

楊慶余

阿姆斯特朗是無(wú)線電領(lǐng)域的開拓者和創(chuàng)新者。他在反饋電路和振蕩真空管電路方面的開拓性工作，標(biāo)志著現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)的誕生。由于超外差電路、超反饋方面的貢獻(xiàn)以及寬幅調(diào)頻系統(tǒng)的發(fā)明，他成為現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)的創(chuàng)始人之一。

1901年，意大利科學(xué)家馬可尼（G.Marconi）用大功率的龐大天線向大西洋彼岸發(fā)出了不連貫的無(wú)線電報(bào)脈沖，實(shí)現(xiàn)了跨越大西洋的無(wú)線電通信；隨后，弗萊明（J.A.Fleming）、費(fèi)森登（R.A.Fessenden）和德福雷斯特（L.De Forest）相繼在連續(xù)傳聲方面做出了巨大貢獻(xiàn)。在無(wú)線電廣播技術(shù)中做出里程碑貢獻(xiàn)的還有阿姆斯特朗（E.H.Armstrong）。他不僅利用三極管實(shí)現(xiàn)了放大器和發(fā)生器的雙重功能，而且發(fā)明了超外差電路、超反饋電路以及寬幅調(diào)頻系統(tǒng)，這使總統(tǒng)對(duì)國(guó)民演講、宇航員與地面控制人員交談、手機(jī)用戶之間清晰而頻繁地交流成為可能。

早年經(jīng)歷

阿姆斯特朗，1890年12月18日生于紐約州紐約市曼哈頓上城。在他9歲那年，因一次風(fēng)濕熱而染上了風(fēng)濕性舞蹈病，為此父母讓他整整休學(xué)兩年。1904年，父親從倫敦帶回一本美國(guó)著名記者貝克（H.S.Baker）的作品《男孩的發(fā)明故事集》，書中敘述了1901年12月12日馬可尼從英國(guó)康沃爾橫跨大西洋傳送莫爾斯電碼到加拿大紐芬蘭的驚人壯舉，這激發(fā)了阿姆斯特朗的探索激情。

阿姆斯特朗心目中的英雄是意大利的馬可尼和英國(guó)的法拉第（M.Faraday）。馬可尼并沒(méi)有預(yù)見(jiàn)到現(xiàn)代無(wú)線電廣播的前景，充滿朝氣而樂(lè)觀的阿姆斯特朗決心把語(yǔ)言和音樂(lè)傳送給全世界所有聽(tīng)眾。

無(wú)線電信號(hào)是在空中傳遞的電磁波，馬可尼等無(wú)線電研究先驅(qū)們?cè)O(shè)計(jì)出了初級(jí)電路來(lái)產(chǎn)生和探測(cè)這些電磁波。阿姆斯特朗是個(gè)癡迷的無(wú)線電愛(ài)好者——在他房間里滿是晶體、萊頓瓶、線圈、檢波器和電容器等。為建天線，他沿河堤鋪設(shè)了幾千英尺的電線。他不分晝夜把耳機(jī)戴在頭上，專注地接聽(tīng)從加拿大新斯科舍省或者美國(guó)小島基韋斯特發(fā)送來(lái)的電報(bào)信號(hào)，自己也給揚(yáng)克斯市的朋友們敲擊莫爾斯電碼。阿姆斯特朗的生命軌跡從少年時(shí)代便可窺見(jiàn)一斑，后來(lái)他做了無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)，在這些實(shí)驗(yàn)中試圖做每個(gè)人都認(rèn)為不可能的事情。

先驅(qū)們的工作

加拿大出生的費(fèi)森登是一位學(xué)識(shí)淵博、特立獨(dú)行的人。他起初在普渡大學(xué)和賓夕法尼亞兩部大學(xué)（后更名為匹茲堡大學(xué)）任職，后任職于美國(guó)氣象局。他花了好幾年時(shí)間來(lái)思考兩個(gè)問(wèn)題，并展開相關(guān)實(shí)驗(yàn)。第一，如何制造承載聲音所需的高頻振動(dòng)的連續(xù)電波；第二，在接收端把這些高頻電波轉(zhuǎn)變成可以聽(tīng)見(jiàn)的聲音時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果。高頻振動(dòng)的連續(xù)電波于1906年由費(fèi)森登的合作者施泰因梅茨（C.P.Steinmetz）和亞歷山德松（E.Alexanderson）具體實(shí)現(xiàn)。同年，費(fèi)森登使用外差法把高頻電波轉(zhuǎn)換成低音頻，在布蘭特羅克鎮(zhèn)電臺(tái)播放了圣誕歌曲《平安夜》，并通過(guò)高頻無(wú)線電載波把聲音傳送出去，這是大西洋和加勒比海之間進(jìn)行的第一次音樂(lè)和人聲的無(wú)線電廣播。

同樣在1906年，德福雷斯特完成了他一生中最具創(chuàng)造性的成就，即在電子管中添加了一段被彎成“之”字形的金屬線，德福雷斯特稱之為“柵極”?！皷艠O”上只需一點(diǎn)微弱的信號(hào)便能控制更強(qiáng)大的電子流在正、負(fù)極間流過(guò)。德福雷斯特稱這種改進(jìn)后的電子管為三極真空電子管。三極真空電子管雖然只是稍微改善了無(wú)線電接收器里發(fā)出的聲音，卻為現(xiàn)代電子學(xué)、計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展播下了種子。到1912年為止，99.9%的無(wú)線電通訊依舊是采用電報(bào)接觸式發(fā)送器、檢波器或磁性檢波器來(lái)傳送，直到1940年代晶體管的出現(xiàn)，三極真空管才成為所有電子設(shè)備的“核”。

黃金歲月

1909年，阿姆斯特朗進(jìn)入哥倫比亞大學(xué)電氣工程學(xué)院學(xué)習(xí)。哥倫比亞大學(xué)有幾位老師很欣賞他那種充滿理智的固執(zhí)創(chuàng)見(jiàn)。發(fā)明家浦品（M.Pupin）和阿倫特（M.Arendt）教授都意識(shí)到阿姆斯特朗知道的比他們自己要多，并鼓勵(lì)他繼續(xù)探索下去。1912年8月，阿姆斯特朗在佛蒙特州的一座山上產(chǎn)生突破性想法?！盁o(wú)線電的基本原理是‘只要有高頻振蕩，電路頻率就可以調(diào)諧，阿姆斯特朗的這個(gè)想法正是受到這一原理的啟發(fā)而形成的?！彼泵s回家，探究如果通過(guò)感應(yīng)的方法調(diào)諧三極管的板極電路，將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象。他的妹妹埃塞爾·阿姆斯特朗（Aesir Armstrong）回憶了發(fā)生在1912年9月22日晚上的事：“媽媽、爸爸和朋友們玩牌去了，我在床上很快就睡著了。突然霍華德拿著一個(gè)小盒子沖進(jìn)了我的房間，他在屋里蹦來(lái)蹦去地大聲叫著：‘我成功了！我成功了！”他讓埃塞爾通過(guò)耳機(jī)聆聽(tīng)，電碼聲響亮而又清晰。他改造的電路使電子一秒鐘來(lái)回穿梭好幾千次，把信號(hào)強(qiáng)度提高了幾百倍，對(duì)于微弱信號(hào)來(lái)說(shuō)有1000倍。他用一個(gè)很小的天線來(lái)演示是怎樣從太平洋海岸的海軍海岸電臺(tái)和愛(ài)爾蘭的馬可尼電臺(tái)接收到可靠信號(hào)而不戴耳機(jī)就能聽(tīng)到被揚(yáng)聲器放大的聲音的。

可是當(dāng)聲音放大到一定程度時(shí)，電碼聲就會(huì)消失?！啊且环N嘶嘶的聲音，不可否認(rèn)的是，那是同一個(gè)電臺(tái)，從那聲音僅通過(guò)特有的振蕩傳送以及傳送的信息來(lái)看又是可識(shí)別的?！边@聲音是怎樣產(chǎn)生的呢？它并不是一種干擾，這嘶嘶聲來(lái)自于設(shè)備本身。阿姆斯特朗決心要和這種全新的現(xiàn)象較量一番?；氐綄?shí)驗(yàn)室，他有了更多的時(shí)間使用儀器。幾個(gè)月后，他確定自己已經(jīng)開創(chuàng)了一個(gè)全新的實(shí)用操作領(lǐng)域。除了放大功能以外，三極管開始自激振蕩，這意味著產(chǎn)生了高頻無(wú)線電波。那嘶嘶的聲音標(biāo)志著設(shè)備系統(tǒng)從簡(jiǎn)單的放大聲音進(jìn)展到無(wú)線電電路自身產(chǎn)生能傳送聲音的連續(xù)性電磁波，這是之前的發(fā)電機(jī)所做不到的。他現(xiàn)在擁有的這個(gè)三極管，不僅可以作為無(wú)線電波的檢波器和放大器，關(guān)鍵的是還可以作為無(wú)線電波發(fā)生器。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的回路，可以用來(lái)替代馬可尼那笨拙的冒著火花的發(fā)電機(jī)和費(fèi)森登又大又重的交流發(fā)電機(jī)。雖然還有許多需要改進(jìn)，但他的第一位傳記作者萊辛（L.Lessing）認(rèn)為：“隨著這種具有雙重作用的電路出現(xiàn)，現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)由此誕生了?！?/p>

1913年6月，阿姆斯特朗把改進(jìn)過(guò)的無(wú)線電接收器展示給專利權(quán)律師戴維斯（W.Davis），但他沒(méi)有告訴戴維斯這個(gè)接收器除了能接收無(wú)線電波以外還能產(chǎn)生無(wú)線電波，而這恰是這一發(fā)明最有意義的方面。戴維斯在11月14日勸他在專利申請(qǐng)里把發(fā)明的所有特征都寫進(jìn)去。1913年12月18日，23歲生日那天，他成功申請(qǐng)到專利。這年年底，他獲得哥倫比亞大學(xué)學(xué)士學(xué)位，并馬上被邀請(qǐng)留校，任他的導(dǎo)師浦品的助手。1914年10月6日，專利局授予阿姆斯特朗此項(xiàng)發(fā)明的專利號(hào)：1113149。

1917年4月，美國(guó)加入第一次世界大戰(zhàn)，阿姆斯特朗成了最早的志愿兵，軍隊(duì)立即認(rèn)識(shí)到他的價(jià)值，任命他為美國(guó)信號(hào)部隊(duì)的上尉并火速派遣他到法國(guó)前線。1918年3月，在巴黎大街上聽(tīng)到防空炮兵盲無(wú)目的地向根本看不見(jiàn)的德軍轟炸機(jī)開炮時(shí)，阿姆斯特朗腦海中閃過(guò)一個(gè)念頭——只要把電路中的三根固定接線連接在一起，飛機(jī)引擎點(diǎn)火系統(tǒng)發(fā)出的短波就會(huì)被迅速捕捉到。高頻信號(hào)“超外差接收機(jī)”誕生了。1918年11月，阿姆斯特朗在美國(guó)和法國(guó)分別為其申請(qǐng)了專利。

與德福雷斯特的專利之戰(zhàn)

早在1914年年初，阿姆斯特朗就曾向無(wú)線電工程師協(xié)會(huì)和美國(guó)無(wú)線電俱樂(lè)部提交了論文，用明確的語(yǔ)言解釋了自己的發(fā)明。1914年3月，德福雷斯特試圖跟著申請(qǐng)一項(xiàng)“超三極管接收器”專利，聲稱他的接收器也能做阿姆斯特朗的電路所能做到的。毫無(wú)疑問(wèn)，1912年德福雷斯特幸運(yùn)地發(fā)明了一個(gè)會(huì)振蕩的電路，但有充分的證據(jù)表明他并不知道這種振蕩很重要，因?yàn)槌龢O管接收器所宣稱的特性與阿姆斯特朗的電路很相似。在申請(qǐng)專利失敗后，德福雷斯特又重新對(duì)阿姆斯特朗發(fā)起了挑戰(zhàn)。1915年9月，德福雷斯特申請(qǐng)了“振蕩三極管”的專利，他聲稱自己是發(fā)明反饋放大技術(shù)及同時(shí)具有接收和發(fā)射作用的儀器的第_人。這利用了阿姆斯特朗所犯的一個(gè)錯(cuò)誤——把一項(xiàng)發(fā)明當(dāng)成兩項(xiàng)獨(dú)立的專利來(lái)申請(qǐng)。1921年5月，專利之爭(zhēng)的官司打到了紐約南區(qū)的聯(lián)邦法院，德福雷斯特對(duì)30項(xiàng)專利權(quán)的歸屬問(wèn)題提起了訴訟。1922年3月13日，美國(guó)聯(lián)邦法院的3名法官一致駁回了德福雷斯特的上訴，并寫下一致決定：阿姆斯特朗對(duì)反饋的“全新想法”是“無(wú)線電技術(shù)史上的一大進(jìn)步”，而且是“一種為人知之甚少的儀器的重要改進(jìn)”。

事情還沒(méi)有結(jié)束。1924年春，德福雷斯特又進(jìn)行了反擊，上訴到哥倫比亞特區(qū)巡回法庭。實(shí)際上，德福雷斯特并沒(méi)有新的證據(jù)和論據(jù)在手，但是他把自己的公司賣給了美國(guó)電話電報(bào)公司，而美國(guó)電話電報(bào)公司的律師非常聰明，他們說(shuō)服一位專利局的調(diào)查人員在德福雷斯特的申請(qǐng)里更改了一個(gè)關(guān)鍵的詞。他曾稱他的三極管能產(chǎn)生高頻振蕩。而那位律師把“高頻振蕩”一詞改成了“電振蕩”——包含了低頻無(wú)線電波和高頻無(wú)線電波。德福雷斯特在1912年根本沒(méi)有想到過(guò)無(wú)線電廣播，但這一更改就使律師們能聲稱他可能曾這樣想過(guò)。哥倫比亞特區(qū)巡回法庭的判決中寫道，德福雷斯特的申請(qǐng)“如其用語(yǔ)一樣表述很明白”。德福雷斯特沒(méi)有能夠區(qū)別出低頻電波（簡(jiǎn)直就是噪聲）和高頻電波，他可以對(duì)前者申請(qǐng)專利權(quán)卻不能申請(qǐng)后者的專利權(quán)，但法庭偏偏這樣判決了。1924年5月8日，哥倫比亞特區(qū)巡回法庭把阿姆斯特朗的專利權(quán)剝奪了，轉(zhuǎn)而將反饋和振蕩技術(shù)的專利授予德福雷斯特。

無(wú)線電學(xué)界對(duì)阿姆斯特朗表示了強(qiáng)烈支持。1924年5月，在費(fèi)城舉行的無(wú)線電工程師協(xié)會(huì)的年會(huì)上，阿姆斯特朗被授予“關(guān)于反饋放大和真空管產(chǎn)生振蕩技術(shù)方面的工程和科學(xué)成就獎(jiǎng)”。會(huì)議大廳里將近1000位工程師對(duì)這個(gè)決定一次又一次地歡呼喝彩。

然而，長(zhǎng)期以來(lái)美國(guó)電話電報(bào)公司的辯護(hù)律師用假證據(jù)反對(duì)阿姆斯特朗的專利權(quán)，這讓阿姆斯特朗身心憔悴；連同舞蹈病引起的抽搐，阿姆斯特朗的生活變得痛苦不堪。1954年1月31日，他給夫人麥金尼斯（M.McInnis）寫下了訣別信，穿上大衣，戴上圍巾和手套，從13層樓上的臥室縱身跳下……

五年以后，在紐約州法官帕爾米耶里（E.Palm-ieri）響亮的聲音中，阿姆斯特朗得到徹底平反；但對(duì)阿姆斯特朗來(lái)說(shuō)，這已經(jīng)太遲了。 關(guān)鍵詞：阿姆斯特朗 三極管 放大器 發(fā)生器 調(diào)頻