高频振荡是怎样产生的

给初学者

如果没有振荡回路产生高频率的电流，就不会有电磁波传播出去来完成无线电通信和广播。高频振荡回路为什么能够产生振荡，可以说是无线电里最基本的问题，可从更简单的机械振动现象来理解。

一端钳牢的薄钢片（图1），另一端用手指猛弹一下，钢片便会来回振动，发出声音。我们注意观察就会发现，钢片愈短，振动愈快，音调愈高；用力愈大，振幅愈大，声音愈大。但振动快慢不影响音量的大小，振幅的大小也不影响音调的高低。

用手指把钢片弹向左边时，手指的动能给了钢片，变成为钢片的势能。钢片有弹性，能自行迅速弹回，使势能变为动能。在到达中间位置的那一瞬间，势能消失，但它的运动不能立刻停止，运动的惰性使钢片又偏到右边，又得到势能。直到向右边的运动停止的那一瞬间，势能最大，动能消失。这势能又能使钢片迅速弹回，势能仍变为动能，通过中间位置势能又完全消失，再靠惰性运动偏到左边，得到势能，恢复到开始状态。钢片将继续左右摆动，势能和动能不断的相互转换。这就是机械振荡。

由于机械力和空气阻力的不断作用，钢片在振荡时要消耗能量，使得手指一弹之后的振荡不能永远维持下去，钢片的振幅逐渐变小，到最后手指所给予的能量完全耗尽，振荡便完全停止。

用图2的方法在钢片的振动端绑上一只小铅笔，可以将振幅随时间变化的过程记录在以等速拖动的纸条上，成为“振荡曲线”。曲线上有正的和负的最大值，相当于摆动向右和向左的极端。在两相邻最大正值（或负值）间的时间T内，钢片来回振动一周。由图2可见振幅虽随时间变化，但每周所占时间始终没有变化。不过钢片愈长T愈大，每秒钟振动的次数愈少。钢片每秒振动的周数，我们叫做它的“自然频率”。

我们不难想像只有在完全没有机械力和空气阻力作用的情况下方会产生如图3的等幅振荡。事实上这种理想情况是不可能得到的，我们必须不断的用手指弹着钢片，方可维持它的振荡，能量一面消耗，一面供给，供给的和消耗的相等，振荡方能够永远维持下去。

拿许多一端固定的薄钢片如图4排开安置起来，内中钢片2和5完全相同，但和其余钢片都不相同。用手指使钢片2振动，它周围的空气跟着动荡，推动所有钢片都振动起来，因为钢片5的自然频率和钢片2相同，结果振幅最大。这种因外来振荡频率和本身自然频率恰相等而特别加强振荡的现象，在无线电里经常应用，一般就叫做“谐振现象”。

高频电流振荡回路，由感应圈L和电容器C所组成如图5。换句话说现在所谈的振子不是钢片，而是L—C组合的振荡回路。

我们晓得电容器充电后，两端分别有了正负电荷，便有电势存在，这时电容器储藏着“势能”。这势能是当充电时由电源供给的。此外当有电流流过感应圈时，就在感应圈附近产生磁场，如果放一枚磁针在磁场里，就会受磁场作用而转动，表现出磁场里含有能量。这种能量是感应圈里有电流流动的结果，我们说这时感应圈储藏着“动能”（应当说是磁能）。这动能是产生电流的电源供给的。

例如在图5里，开关K将1—2接通，有电流由电池流出将电容器充电，C两端有了电荷，同时便储藏了 “势能”，如图6甲。然后用开关K将1—3接通如图6乙，电容器放电，有电流经过感应线圈L，电容器上的电荷逐渐减少，所储势能逐渐消失，而感应圈同时储存了愈来愈多的“动能”，所以感应圈里的“动能”实际是电容器里的“势能”转变来的。电容器放电完毕，两端的电荷已经完全相互中和，“势能”就全部变为“动能”，如图6丙。我们可以看图6上相当的钢片振动过程来更清楚地理解回路里的作用。

和钢片振子有惰性相似，感应圈里的电流也有惰性。要电流开始流入线圈是很困难的，就像开始拉动一个载重的货车一样。已经有电流以后，要使电流停止下来也很困难，要有足够的相反电压，使电流有向相反方向流动的趋势，方能停止下来，就像停住货车要用力往后拉一样。货车是有惰性的，所以我们说感应圈里的电流也有惰性。

在上面的例子里，当电容器放完了电时，感应圈里的电流仍按原来方向流动，原来是放电的电流，一变而为充电的电流，使电容器两端有着和原来相反的电荷如图6丁，等到电荷愈积愈多，反对这电流的继续流动，这电流方停止下来如图6戊。这时“动能”消失，而“势能”又被储藏在电容器里。

自K把1—3接通后，L里的电流由零变大又回到零，都是朝着一个方向流动，可以绘成如图7的实线曲线，相当于L—C回路里半周的电流振荡。

我们不难想像这时电容器储蓄相反电荷以后，仍然是要通过L来放电的。现在放电的电流方向反了，但电流由零变大又回到零的过程是完全会重来一次的。这一时段的作用情况如图7的虚线曲线所示，相当于L—C回路里又一半周的电流振荡。

图7里的曲线所代表的是L—C回路里电流的一周振荡，和图2钢片振荡的曲线可以对比一下。在T时间内，电流在L—C回路里来回流动了一次，就好像钢片来回振荡了一次，一切又恢复到开始状态，于是又产生下一周的振荡，如此继续不已。

电流在L—C回路里，每秒钟振荡的次数决定于L和C数值的大小，这和钢片振动的频率决定于钢片的大小也是一样的。这频率叫做回路的“自然频率”。普通无线电回路的自然频率可高到几十兆周。知道L的亨数和C的法数，可用下式求自然振荡频率f：

L—C回路里如果没有电阻，电流来回流动并不消耗电能，振荡将永远继续下去。事实上回路里不可能没有电阻，要维持电的振荡也必须随时补充电力，这和我们必须继续弹着钢片来维持钢片的振荡也是一样的道理。我们时常把消耗电能的电阻看做“正电阻”，供给振荡回路的电能当着回路的“负电阻”。正负电阻相消，所以能维持振荡。无线电里的振荡回路，多靠电子管来补充电力，产生负值电阻。

L—C回路里的高频电流，也可以由外加的高频电压产生，如图8所示。当外来电波的频率，和L—C回路里的自然频率相同时，同样发生谐振现象，使L—C回路里产生这频率的很大电流，而对其他频率的外加电压作用很小，所以我们常说L—C谐振回路对外来电波有选择性。这和图4钢片2和5的谐振的原理是完全相同的。

电阻小的振荡回路，消耗电能小，储存电能的能力强，产生自由振荡和谐振都比较容易，用简单的无线电术语来说：就是回路的“Q”大。相反的情形就是“Q”小。所以“Q”的大小是任何L—C回路质量如何的重要因素。

一切无线电发信机靠振荡器产生高频振荡，设法送到天线上去，发出电磁波，到收信方面靠谐振作用，选择了它所要接收的电磁波，完成无线电通信、广播等工作。所以自振现象和谐振现象，是无线电里最重要的问题，值得无线电初学者特别注意。（张应中）