阿姆斯特朗与现代无线电技术

杨庆余

阿姆斯特朗是无线电领域的开拓者和创新者。他在反馈电路和振荡真空管电路方面的开拓性工作，标志着现代无线电技术的诞生。由于超外差电路、超反馈方面的贡献以及宽幅调频系统的发明，他成为现代无线电技术的创始人之一。

1901年，意大利科学家马可尼（G.Marconi）用大功率的庞大天线向大西洋彼岸发出了不连贯的无线电报脉冲，实现了跨越大西洋的无线电通信；随后，弗莱明（J.A.Fleming）、费森登（R.A.Fessenden）和德福雷斯特（L.De Forest）相继在连续传声方面做出了巨大贡献。在无线电广播技术中做出里程碑贡献的还有阿姆斯特朗（E.H.Armstrong）。他不仅利用三极管实现了放大器和发生器的双重功能，而且发明了超外差电路、超反馈电路以及宽幅调频系统，这使总统对国民演讲、宇航员与地面控制人员交谈、手机用户之间清晰而频繁地交流成为可能。

早年经历

阿姆斯特朗，1890年12月18日生于纽约州纽约市曼哈顿上城。在他9岁那年，因一次风湿热而染上了风湿性舞蹈病，为此父母让他整整休学两年。1904年，父亲从伦敦带回一本美国著名记者贝克（H.S.Baker）的作品《男孩的发明故事集》，书中叙述了1901年12月12日马可尼从英国康沃尔横跨大西洋传送莫尔斯电码到加拿大纽芬兰的惊人壮举，这激发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马可尼和英国的法拉第（M.Faraday）。马可尼并没有预见到现代无线电广播的前景，充满朝气而乐观的阿姆斯特朗决心把语言和音乐传送给全世界所有听众。

无线电信号是在空中传递的电磁波，马可尼等无线电研究先驱们设计出了初级电路来产生和探测这些电磁波。阿姆斯特朗是个痴迷的无线电爱好者——在他房间里满是晶体、莱顿瓶、线圈、检波器和电容器等。为建天线，他沿河堤铺设了几千英尺的电线。他不分昼夜把耳机戴在头上，专注地接听从加拿大新斯科舍省或者美国小岛基韦斯特发送来的电报信号，自己也给扬克斯市的朋友们敲击莫尔斯电码。阿姆斯特朗的生命轨迹从少年时代便可窥见一斑，后来他做了无数实验，在这些实验中试图做每个人都认为不可能的事情。

先驱们的工作

加拿大出生的费森登是一位学识渊博、特立独行的人。他起初在普渡大学和宾夕法尼亚两部大学（后更名为匹兹堡大学）任职，后任职于美国气象局。他花了好几年时间来思考两个问题，并展开相关实验。第一，如何制造承载声音所需的高频振动的连续电波；第二，在接收端把这些高频电波转变成可以听见的声音时会产生什么结果。高频振动的连续电波于1906年由费森登的合作者施泰因梅茨（C.P.Steinmetz）和亚历山德松（E.Alexanderson）具体实现。同年，费森登使用外差法把高频电波转换成低音频，在布兰特罗克镇电台播放了圣诞歌曲《平安夜》，并通过高频无线电载波把声音传送出去，这是大西洋和加勒比海之间进行的第一次音乐和人声的无线电广播。

同样在1906年，德福雷斯特完成了他一生中最具创造性的成就，即在电子管中添加了一段被弯成“之”字形的金属线，德福雷斯特称之为“栅极”。“栅极”上只需一点微弱的信号便能控制更强大的电子流在正、负极间流过。德福雷斯特称这种改进后的电子管为三极真空电子管。三极真空电子管虽然只是稍微改善了无线电接收器里发出的声音，却为现代电子学、计算机和互联网的发展播下了种子。到1912年为止，99.9%的无线电通讯依旧是采用电报接触式发送器、检波器或磁性检波器来传送，直到1940年代晶体管的出现，三极真空管才成为所有电子设备的“核”。

黄金岁月

1909年，阿姆斯特朗进入哥伦比亚大学电气工程学院学习。哥伦比亚大学有几位老师很欣赏他那种充满理智的固执创见。发明家浦品（M.Pupin）和阿伦特（M.Arendt）教授都意识到阿姆斯特朗知道的比他们自己要多，并鼓励他继续探索下去。1912年8月，阿姆斯特朗在佛蒙特州的一座山上产生突破性想法。“无线电的基本原理是‘只要有高频振荡，电路频率就可以调谐，阿姆斯特朗的这个想法正是受到这一原理的启发而形成的。”他急忙赶回家，探究如果通过感应的方法调谐三极管的板极电路，将会发生什么现象。他的妹妹埃塞尔·阿姆斯特朗（Aesir Armstrong）回忆了发生在1912年9月22日晚上的事：“妈妈、爸爸和朋友们玩牌去了，我在床上很快就睡着了。突然霍华德拿着一个小盒子冲进了我的房间，他在屋里蹦来蹦去地大声叫着：‘我成功了！我成功了！”他让埃塞尔通过耳机聆听，电码声响亮而又清晰。他改造的电路使电子一秒钟来回穿梭好几千次，把信号强度提高了几百倍，对于微弱信号来说有1000倍。他用一个很小的天线来演示是怎样从太平洋海岸的海军海岸电台和爱尔兰的马可尼电台接收到可靠信号而不戴耳机就能听到被扬声器放大的声音的。

可是当声音放大到一定程度时，电码声就会消失。“……是一种嘶嘶的声音，不可否认的是，那是同一个电台，从那声音仅通过特有的振荡传送以及传送的信息来看又是可识别的。”这声音是怎样产生的呢？它并不是一种干扰，这嘶嘶声来自于设备本身。阿姆斯特朗决心要和这种全新的现象较量一番。回到实验室，他有了更多的时间使用仪器。几个月后，他确定自己已经开创了一个全新的实用操作领域。除了放大功能以外，三极管开始自激振荡，这意味着产生了高频无线电波。那嘶嘶的声音标志着设备系统从简单的放大声音进展到无线电电路自身产生能传送声音的连续性电磁波，这是之前的发电机所做不到的。他现在拥有的这个三极管，不仅可以作为无线电波的检波器和放大器，关键的是还可以作为无线电波发生器。这是一个简单的回路，可以用来替代马可尼那笨拙的冒着火花的发电机和费森登又大又重的交流发电机。虽然还有许多需要改进，但他的第一位传记作者莱辛（L.Lessing）认为：“随着这种具有双重作用的电路出现，现代无线电技术由此诞生了。”

1913年6月，阿姆斯特朗把改进过的无线电接收器展示给专利权律师戴维斯（W.Davis），但他没有告诉戴维斯这个接收器除了能接收无线电波以外还能产生无线电波，而这恰是这一发明最有意义的方面。戴维斯在11月14日劝他在专利申请里把发明的所有特征都写进去。1913年12月18日，23岁生日那天，他成功申请到专利。这年年底，他获得哥伦比亚大学学士学位，并马上被邀请留校，任他的导师浦品的助手。1914年10月6日，专利局授予阿姆斯特朗此项发明的专利号：1113149。

1917年4月，美国加入第一次世界大战，阿姆斯特朗成了最早的志愿兵，军队立即认识到他的价值，任命他为美国信号部队的上尉并火速派遣他到法国前线。1918年3月，在巴黎大街上听到防空炮兵盲无目的地向根本看不见的德军轰炸机开炮时，阿姆斯特朗脑海中闪过一个念头——只要把电路中的三根固定接线连接在一起，飞机引擎点火系统发出的短波就会被迅速捕捉到。高频信号“超外差接收机”诞生了。1918年11月，阿姆斯特朗在美国和法国分别为其申请了专利。

与德福雷斯特的专利之战

早在1914年年初，阿姆斯特朗就曾向无线电工程师协会和美国无线电俱乐部提交了论文，用明确的语言解释了自己的发明。1914年3月，德福雷斯特试图跟着申请一项“超三极管接收器”专利，声称他的接收器也能做阿姆斯特朗的电路所能做到的。毫无疑问，1912年德福雷斯特幸运地发明了一个会振荡的电路，但有充分的证据表明他并不知道这种振荡很重要，因为超三极管接收器所宣称的特性与阿姆斯特朗的电路很相似。在申请专利失败后，德福雷斯特又重新对阿姆斯特朗发起了挑战。1915年9月，德福雷斯特申请了“振荡三极管”的专利，他声称自己是发明反馈放大技术及同时具有接收和发射作用的仪器的第_人。这利用了阿姆斯特朗所犯的一个错误——把一项发明当成两项独立的专利来申请。1921年5月，专利之争的官司打到了纽约南区的联邦法院，德福雷斯特对30项专利权的归属问题提起了诉讼。1922年3月13日，美国联邦法院的3名法官一致驳回了德福雷斯特的上诉，并写下一致决定：阿姆斯特朗对反馈的“全新想法”是“无线电技术史上的一大进步”，而且是“一种为人知之甚少的仪器的重要改进”。

事情还没有结束。1924年春，德福雷斯特又进行了反击，上诉到哥伦比亚特区巡回法庭。实际上，德福雷斯特并没有新的证据和论据在手，但是他把自己的公司卖给了美国电话电报公司，而美国电话电报公司的律师非常聪明，他们说服一位专利局的调查人员在德福雷斯特的申请里更改了一个关键的词。他曾称他的三极管能产生高频振荡。而那位律师把“高频振荡”一词改成了“电振荡”——包含了低频无线电波和高频无线电波。德福雷斯特在1912年根本没有想到过无线电广播，但这一更改就使律师们能声称他可能曾这样想过。哥伦比亚特区巡回法庭的判决中写道，德福雷斯特的申请“如其用语一样表述很明白”。德福雷斯特没有能够区别出低频电波（简直就是噪声）和高频电波，他可以对前者申请专利权却不能申请后者的专利权，但法庭偏偏这样判决了。1924年5月8日，哥伦比亚特区巡回法庭把阿姆斯特朗的专利权剥夺了，转而将反馈和振荡技术的专利授予德福雷斯特。

无线电学界对阿姆斯特朗表示了强烈支持。1924年5月，在费城举行的无线电工程师协会的年会上，阿姆斯特朗被授予“关于反馈放大和真空管产生振荡技术方面的工程和科学成就奖”。会议大厅里将近1000位工程师对这个决定一次又一次地欢呼喝彩。

然而，长期以来美国电话电报公司的辩护律师用假证据反对阿姆斯特朗的专利权，这让阿姆斯特朗身心憔悴；连同舞蹈病引起的抽搐，阿姆斯特朗的生活变得痛苦不堪。1954年1月31日，他给夫人麦金尼斯（M.McInnis）写下了诀别信，穿上大衣，戴上围巾和手套，从13层楼上的卧室纵身跳下……

五年以后，在纽约州法官帕尔米耶里（E.Palm-ieri）响亮的声音中，阿姆斯特朗得到彻底平反；但对阿姆斯特朗来说，这已经太迟了。 关键词：阿姆斯特朗 三极管 放大器 发生器 调频