世界上的收音机,可能有数万不同设计的品种,我们姑且不谈那些用半导体做成的新式收音机,以及电视、调频(专门播送音乐的)广播中的收音机,只看市上所有的交流式,交直流两用式,直流式,手提式,带放唱片或播音式,单波段或全波式……等,就会觉得花样繁多,使人眼花缭乱。如果再考虑到收音机有不同的用途,如专门收听广播、电话或电报的,构造上还各有它们的特点,就显得问题更复杂化。那么,我们是否就不可能对收音机进行一般的分析了呢?
不,对于掌握了无线电基本知识的人来说并不是这样。只要看看任何收音机里面的零件,总不外是电阻、线圈、电容器、扼流圈、调谐回路、变压器、电子管等这些东西,如果我们已经熟悉了这些零件个别的作用,就有条件来分析它们相互配合起来后总的效用。必须指出,常见的收音机中,从工作原理和线路来分,还有矿石式,再生式,高频调谐式和起外差式等类型的不同,我们只准备着重谈谈最后一种——超外差式收音机,这一类型现在在任何用途上数量最多,道理也比较复杂,懂得超外差式的主要线路以后,对其他型式应当是可以“举一反三”,自行了解的。
超外差式收音机是无线电历史上极其重要的发明之一,它基本上克服了过去无线电在通信、广播各方面所存在的主要缺点,并为电视及其他微波无线电的应用,开辟了途径。
从最初研究收音机的制造开始,无线电工程师们,为了使自己设计的收音机在所接收的频率范围内,都有很高的“灵敏度”,不变的“选择性”和“逼真度”以及良好的接收“稳定性”,曾付出了不少的劳动。他们面临着几乎无法避免的几项困难。第一项因难,我们可以用下面的公式来表明:
这个公式指出一个用一定线径d(单位为圆密尔,1密尔=\(\frac{1}{1000}\)时,这是量线的粗细常用的单位)绕成的单层线圈的高频电阻R\(_{rf}\),在频率为f(以兆周计)时和它的直流电阻R0有显著的不同。而且频率愈高,线圈的电阻愈大。例如用28号铜线,它的线径是12.8密尔,那么:
在600千周,\(\frac{R}{_{6}00}\)R0=0.385×12.8\(\sqrt{.}\)6=3.82
在1000千周,\(\frac{R}{_{1}000}\)R0=0.385×12.8\(\sqrt{1}\).0=4.98
在1500千周,\(\frac{R}{_{15}00}\)/R0=4.98 1.5=6.01
可见一个线圈的电阻,由600千周到1500千周将近增加一倍。如果把这样的线圈,用在收音机的调谐回路里,而且我们的收音机主要是靠这种调谐回路的谐振放大作用来得到增益或灵敏度的话,当我们转动电容器由接收频带的一端移到另一端时,收音机的“灵敏度”岂不是会有很大的变化?
这里,我们顺便指出,有一种用特殊编织线绕的线圈,常用在超外差式收音机的“中频”放大器中,它在465千周时的\(\frac{R}{_{465}}\)R0=3.33,比一般铜线绕的线圈高频电阻小,所以用这种线圈的调谐回路有很大的调谐放大作用。
第二项困难是调谐本身所引起的困难。为了要接收不同的频率,收音机不能没有输入调谐回路,这通常是由转动这调谐回路里的电容器来实现的。可是我们知道一个调谐回路的“选择性”和它的“\(\frac{L}{C}\)比值”有关,如果L不变而C有变化,而且如果这收音机的选择性主要是靠输入回路的调谐作用的话,那么当我们接收不同频率时,就全有不同的选择性,整个频带的选择性将极不均匀。如果在低频端的选择性适当,在高频端就会不够;在高频端如果适当,低频端就会显得过高。选择性不够,说明调谐回路没有起到应有的作用;相反的,选择性过高,也并不好,因为载波的两边有上下边带频率共占一个频带,如果选择性过高,上下边带里所含的高音频成份就会被载去,影响收听的音质,显然都不会有良好的逼真度和收音效果。

所以,要在收音机所接收的频率范围内,都有均匀的“选择性”、“灵敏度”和“逼真度”,从而接收任何一个电台的音量和音质,都没有显著差别,显得十分稳定,应当说是极端困难的。超外差式收音机线路的发明者,想出了巧妙的办法,使整个收音机的“选择性”和“灵敏度”的获得,不依靠高频调谐回路来解决,而主要是靠一些工作频率固定不变的中频放大级来完成。由于中频固定不变,所以中频调谐回路的L和C都可以不变;由于中频较高频的频率低,特制的线圈可以有很低的电阻,因此调谐回路的放大作用大,而放大级的增益也可以不随频率改变。这样便克服了无线电接收历史上存在着多年的基本困难。所以超外差式接收机的重要线路,就是采用了一个变频级,把任何高频信号频率变为固定不变的中间频率。在超外差式接收机里,高频放大级是可用可不用的,而变频级(又叫做混频级)则必须要用;可是输入调谐回路虽没有担负提高灵敏度和选择性的主要使命,最好还是使用。我们可以从“差拍变频”及“杂音”的原理来说明超外差式机里输入回路的主要功用。
一个电子管如果使用得当,在栅极电压变动相当大的范围内,它输出的屏流都和栅压成正比的变化,得到放大作用,这样工作的电子管,可以认为是一个直线性元件。但是,电子管的栅压——屏流特性曲线有弩曲的部分,当屏流和栅压在这一部分变化时,它们之间的关系就不是直线的关系,而是曲线的关系。混频管所以能够起变频的作用而不只是单纯的起放大作用,就因为它是做为一个非线性元件来使用的缘故。
混频管是多极电子管,有好几个栅极。有一个栅极是接到输入调谐回路,接收到的频率f\(_{s}\)的信号电压加在这个栅极上;还有一个栅极是接本地振荡回路,有振荡频率f0的电压加到这个栅极上。因此,混频管的输出屏流随着频率为f\(_{s}\)及f0的两个电压,作非直线性的变化。在这样一种变化复杂的屏流里,分析起来它含有许多频率成分,其中一定有一个频率成分的频率是(f\(_{s}\)-f0)。例如,信号频率是550千周,本地振荡频率是1015千周,那么混频管的屏流里一定含有1015-550=465千周的频率成分,这就是我们所需要的中频;如信号频率是1600千周,本地振荡频率是2065千周,也同样会得到2065—1600=465千周的中频。因此,混频管的屏极输出回路,一定是一个中频调谐回路,靠了这个调谐回路的选择性,把f\(_{0}\)-fs的中频从复杂的屏流中所含许多频率里选择出来,而后送到中频放大级去放大。
混频级的巧妙就在于通过混频作用而得到新的频率——中频。信号频率f\(_{s}\)改变,本地振荡频率也跟着改变,例如fs由550千周变到1600干周(这是中波广播频带),f\(_{0}\)就自动由1015变为2065千周,f0跟着f\(_{s}\)而变动而且相差永远是一个中顺,这一现象叫做“跟踪”。做好跟踪不是很容易的事,但由于输入调谐回路和振荡回路都是调谐回路,如果把这两个调谐回路所用的可变电容器装在一个轴上同时转动,当一个调谐的频率改变时,另一个的振荡频率自然也会有相应的改变,所以使用同轴电容器就给“跟踪”提供了可能性。超外差式机的输入调谐回路和本地振荡回路里的电容器,毫无异外的都是采用同轴双连电容器,就是这个道理。
从上面的讨论,显然要产生中频,f\(_{s}\)和f0两者缺一不可;不仅如此,同样道理,f\(_{0}\)和fs的电压中任何一个过小,也不会得到够大的中频。所以输入调谐回路的功用之一,就是对收到的信号电压起放大作用,提高加到混频管信号栅极上的电压,完成混频;而对其他不需要接收的信号,则不起放大作用,在混频过程中也不起什么作用。
混频级是超外差式收音机的心脏,但是混频管本身却有它天生的缺点。当电子群从阴极穿过许多栅极达到屏极的过程中,它们有许多机会撞入屏极以外的其他电极,这种现象的发生是极其杂乱的,而且是人们无法制止的,最后就表现为混频管的屏流中多了许多不规则的变化,这就是所谓电子管的“散粒噪声”,因为它的效果是在接收机的扬声器或耳机里形成为一片吵噪的声音。电子管的电极愈多,“散粒噪声”就愈大,混频管的电极比一般高频放大管多,因此它的噪声也比较大。一般可以想像成有一个约1微伏的噪声电压接到混频管的信号栅极上一样。为了克服这种噪声,就需要相对的将信号电压加大,使噪声在扬声器或耳机里和信号的声音相比,只占很微小的成分,信号声音的质量才比较有保证。所以以倒混频管的噪声,是输入回路的第二项功用。
如果混频管是收音机的第一级,它的噪声将被以下各级依次放大,就显得特别重要;如果混频管是第二级,它的噪声比信号少了一级放大,就显得次要。这就是有些超外差式收音机加用一个噪声较低的高频放大级(因放大管极效较少、噪声较少)作第一级的缘故。但是当信号频率加高(例如超短波接收机),高频放大级往往不起放大作用,那就失去了再用的意义。许多工作在几百兆周以上的接收机,直接混频(不加高放级)就是这个缘故。
谈到这里,应当指出有些收音机的“灵敏度”,规定不过只有1—4微伏。也就是说输入信号只要1—4微伏,就能够产生音量足够的输出。这在不用高频放大级的收音机里,并不等于把1—4微伏的信号直接和1微伏的混频管操声电压相混,而是经过输入调谐回路把信号电压提高Q倍以后才相混,所以显得噪声很小。对于这一问题,我们下次还要作更具体的说明。
输入调谐回路,从某些方面看,它影响了一部收音机品质的均匀性和稳定性,而它始终有存在的价值,理由就在于此。
这次我们所谈的主要是收音机高频部分线路的工作原理,以后我们将通赤对各级增益的简单计算,更进一步来解释收音机里各级的作用。(沈肇熙)