发射机设施照片由 Geerling 工程公司提供

射频之谜 | 发射机、波导、发射塔、天线、加压传输线和电力系统，广播传输基础设施有哪些？今天我们来看这篇专题文章。

射频之谜

作者：Eric Wenocur

不久前，我在早上六点被床头收音机里传出的一个奇怪的外星声音吵醒。

是啊，床头收音机是多么古色古香啊！这台收音机是 20 年前推出的 Tivoli Audio 型号。它有一个模拟 AM/FM 调谐器、线路输入和一个立体声遥控扬声器。具有讽刺意味的是，它现在只用来播放睡眠白噪音（通过 Sonos Connect）。声音直接从白噪声中传出。

我听到的声音似乎有一部分是人类的声音，但声音杂乱无章，有一种过滤的感觉。这不是简单的音频设备所能产生的失真。两个短语反复出现。这让人感到阴森恐怖，尤其是在早上 6 点。声音停止了，我试着继续睡觉。然后又开始了，但是调低音量也不能阻止它！唯一的办法就是关掉收音机。

恶魔附身？如果你听了这里的音频文件，你可能会这么想，但实际上是我的邻居，他是一名业余无线电（HAM）操作员。这种情况以前发生过一次，与我记忆中演奏音乐时的情况类似，当时出租车或送货卡车上的无线电聊天声会从吉他放大器中喷涌而出。

这种现象是大功率传输造成的，大功率传输会使设备输出放大器中的某些元件超载，使它们充当调幅无线电 “检波器”。其结果是信号的音频部分被解调和放大。

另一个与我邻居的 HAM 操作有关的奇怪现象是 GFCI 断路器偶尔会无缘无故跳闸。幸运的是，我发现 ARRL（美国业余无线电协会）已经注意到一种特定品牌和型号的断路器出现了这种现象，而我用的正是这种断路器。幸运的是，ARRL 通知了制造商，我得到了免费的改进型更换。真的很奇怪，而且很难排除故障！

在条件允许的情况下，专业设备中可能会出现射频干扰。这种情况很少见，但如果影音系统中出现奇怪的症状，就要引起注意了。

频谱和能量

我不是射频工程师，也不是这方面的大专家，但我学到的知识足以让我意识到许多在工作和日常生活中有用的方面。其中许多内容并不比高中物理更奇特。首先，所有无线设备，从蓝牙到 Wifi，再到调频收音机、电视、卫星和手机，都在电磁频谱的某个部分工作。当美国联邦通信委员会就允许哪些实体使用不同频率做出规定时，这个词偶尔会出现在新闻中。这对广播电视和专业无线音频来说是个大问题，因为蜂窝电话和互联网运营商都在争夺更多的频谱。

我们往往认为 “无线电波 ”是看不见的，对我们来说的确如此，但这是因为我们所熟知的可见光属于频谱的另一部分。一些动物和昆虫可以 “看到 ”其他区域的光，比如紫外线。从物理学的角度来看，这都是一个连续体，而我们周围的环境无时无刻不充满着射频能量。

而能量正是这一切的关键所在。有些读者可能还记得，关于手机是否会对健康造成危害的争议时有发生，因为手机是在我们的头部附近进行发射的。科学界对此的立场尚未定论，但射频能量肯定会对人体造成危害。除了 X 射线和伽马射线等电离辐射会对细胞造成损害外，广播发射器中的能量如果不加以控制，也会造成灼伤。另一个例子是焊接，如果不采取保护措施，射频能量（可见光谱和不可见光光谱）会对眼睛造成伤害。

第二个关键原则是信号波长的重要性。频率越高，波长越短（就像声学领域的声波一样）。频率低、波长长的信号往往传播得更远，也更容易被反射。业余无线电操作员可以在全球范围内进行通信的原因之一，就是传输信号会从地球大气层的一部分反射出去。

波长是传输和接收许多有用信号的关键因素，因为天线和接收电路在所需信号波长的几分之一处工作时性能最佳。例如，工作频率为 500MHz 的无线麦克风的波长刚刚超过半米（23.6 英寸）。通常指定的天线波长为 ½ 或 ¼，例如无线接收器附带的短鞭。天线也可以缠绕或折叠。不同用途的天线设计各有特点，使用正确的天线非常重要！

波长和频率与共振有关，共振是指物体、物质或电路对振动产生共鸣的趋势。如果你在洗澡时唱歌，你可能会发现某些音符听起来比其他音符更响亮，这就是声共振。除了天线和多种接收器中的调谐电路外，电磁波的共振响应也是微波炉和核磁共振成像背后的原理。

传播和干扰

当人们谈论 Wi-Fi 等相对较新的无线技术的问题时，我可能会提醒他们，Wi-Fi 并不是什么神奇的东西，它只是无线电而已。换句话说，它是射频频谱中的一种信号，遵循与其他一切事物相同的物理定律。

首先，到达接收设备的传输功率随距离的平方而变化。因此，与接收器的距离增加一倍，功率就增加 1/4。另一方面，过大的功率会使接收器超载，导致失真和错误。

射频能量会被一些表面和物体反射，而被另一些表面和物体吸收，这意味着信号的传播始终会受到环境的影响，包括周围移动的人（无线麦克风在空房间和满房间的表现可能不同的原因之一）。反射信号到达接收器的时间会晚于直接信号，这可能会造成干扰，有时也称为多径干扰。接收器必须能够滤除或补偿这些不需要的信号。

Wi-Fi 也是频谱拥挤的一个很好的例子。在城市的任何地方，打开笔记本电脑或手机上的 Wi-Fi 菜单，单个 Wi-Fi 信号的数量可能会令人震惊。每家企业、住宅或公寓都有自己的 Wi-Fi 路由器或接入点，有时甚至有好几个，而且都在同时广播。

消费类设备在交付时往往采用相同的默认设置，因此许多设备将以相同的功率水平使用相同的 Wi-Fi 信道。对于给定的接收电路来说，任务就是从一团噪音中挑选出所需的信号。反向路径，例如从手机到 Wi-Fi 接入点，则更加困难，因为功率电平可能更低，而且手机可能会移动。

解决 “Wi-Fi 信号差 ”的常见办法是增加放大器或更多接入点。这似乎显而易见，但如果共享射频空间中的每个人都这样做，最终结果会怎样呢？

在无线音频领域（麦克风、对讲机、入耳式监听器），尤其是在繁忙的电视 UHF 频段（470 - 596MHz），使用大量设备历来都是一种选择不干扰频率的微妙舞蹈。不仅使用相同频率的两个设备会产生问题，而且在不同频率上传输的设备也会产生互调产物--其他频率上的新信号。无线制造商在为设备规划频率组和使用信道选择工具时，都会考虑到这些因素。

不管有效载荷是数字的还是模拟的，传输过程仍然是模拟无线电，物理规则依然适用。幸运的是，巧妙的工程技术正在寻找使用频谱不同部分的方法，以及在同一频谱中获取更多信号的方法。其中，截至本文撰写之时，美国联邦通信委员会刚刚批准使用 WMAS（无线多声道音频系统），这是一种提高信号密度的新方法。

当然，每一项决定都要有所取舍。更高的频率意味着更短的波长，因此可用距离可能会缩短，信号也更容易被吸收。此外，Wi-Fi 频段等可供非授权用户使用的频谱区域也是许多其他设备的常用频段，可能已经很拥挤了。在系统中指定或添加无线音频设备不能随意进行！

频谱分析仪可用于直观显示不同频率的无线电信号，在设置射频系统或排除故障时可能会有所帮助。TinySA 分析仪涵盖无线电和电视频段，价格非常便宜（请参阅 www.svconline.com/author/eric-wenocur 上的 TinySA 评论）。

包含射频

“射频”一词往往指空气中的无线电波，但也适用于电线和传输线中的相同频率。传统的 “有线 ”电视传播使用的频率与空中广播相同。用于无线天线分配的电缆与用于蜂窝电话、Wi-Fi 等的电缆一样，都将相同的射频信号传输到天线。

这些情况下的信号传播可能会很特殊。首先，信号不再像在自由空间（理想情况下是在真空中）那样以光速传播。不同的频率和电缆特性会产生不同的传播延迟。在模拟电视中，这曾经是一个重要的考虑因素，因为电缆长度会影响视频信号是否能及时到达制作切换器，以便进行干净利落的切换（这也是 “视频定时 ”概念产生的原因）。

幸运的是，在典型的视听和制作环境中，电缆传播延迟并不令人担忧，也不是造成唇音同步错误和其他常见延迟问题的原因（请参阅 www.svconline.com/author/eric-wenocur 上的技术神话）。因此，当涉及到千赫兹范围内的信号（如音频）时，无论电缆长度如何，传播延迟实际上是不存在的。这一点只需了解，无需担心。

另一个射频传播现象是趋肤效应，这是一个有时被销售 “发烧级 ”电缆的小商贩们随口拈来的术语。意思是音频信号在电线表面传播，而不是在中间传播。

对于音频而言，这实际上是无稽之谈，但在射频频率下却很重要，这也是为什么广播发射机大楼里到处都是铜质水管的原因。不使用实心导体是因为高频、高功率射频希望在表面传播。

广播传输的基础设施本身就是一个专业，包括发射机、波导、发射塔、天线、加压传输线和电力系统（所有这些都有潜在危险）。如果这听起来很有趣，那么广播世界需要更多的射频工程师！

一些方便的链接：

(1) https://phys.libretexts.org/Bookshelves/College_Physics/College_Physics_1e_(OpenStax)/24%3A_Electromagnetic_Waves/24.03%3A_The_Electromagnetic_Spectrum

(2) https://www.ntia.gov/sites/default/files/publications/january_2016_spectrum_wall_chart_0.pdf

(3) http://www.arrl.org/