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图4.1 偶极天线
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有人说了，这么简单的两根线就行了吗？确实。我们得感谢伟大的德国物理学家赫兹先生（Heinrich Hertz，1857—1894），他于1886年前后通过一系列实验，向世人展示了看不见、摸不着的电磁波可以通过这两根简单的线（偶极天线）发射出去，并且可以通过这两根简单的线在远处接收到。我在高中历史课上看到这段描述时，就跃跃欲试，想要重复赫兹的实验，但是最终还是停留在临渊羡鱼的阶段。本章的制作也算是了却我的一桩夙愿吧[1]！
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电磁波究竟是怎么通过这两根线转换成电信号的呢？如图4.2所示，图中有一个外来电磁波，其偏振方向（即电场的振动方向）与天线平行，当这个电场指向右方时，天线（其实就是图4.1中裸露的铜导线）中的电子被加速，驱赶到左边。这样天线左半段靠近中央缝隙处就会多余出正离子，带正电；而天线右半段靠近中央缝隙处就会多余出电子，带负电。天线缝隙两边就有了一个左正右负的电压差，这个电压差通过两根竖直的导线传到后续的电路进行处理。同理，当外来电磁波的电场方向经过半个周期，指向左边时，天线缝隙两边就会产生一个左负右正的电压差，它也是通过两根竖直的导线传到后续电路进行处理。
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图4.2 天线将电磁波转换成电压信号
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容易得知，天线转化成的电压信号是一个非常高频率的交流信号，比如微波炉所使用的电磁波频率是2.45GHz（即2.45×109Hz），导致这个电压信号每秒钟来回变换2.45×109次，要想直接实时地测量这个电压是非常困难的。所以如果我们拿一个电压表测量天线缝隙两端的电压，只能测到平均值零伏。即使使用电压表的交流挡，也无法跟上这么快的变化速度，而只能测到一个为零的平均值，所以得想个办法把高频交流电压转换成直流电压进行测量，这就是所谓的“整流”。我们可以通过下面的电路来实现这一点。在天线的缝隙之间加上一个高频二极管1N4148。如果按照图4.3所示连接，则当缝隙的左边是正电荷，右边是负电荷时，二极管导通，即右边的电子能够跑到左边去，中和掉那里的正电荷，这样缝隙两端的电压就很小了；相反，如果缝隙的左边是负电荷，右边是正电荷，二极管关闭，那么两端就会积累比较大的电压差。
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图4.3 测量微波的电路
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如果画一个缝隙两端电压随时间变化的示意图，我们会得到如图4.4所示的示意图。
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图4.4 二极管对天线信号的作用
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图4.4告诉我们，现在缝隙两端电压信号随时间的平均值就不是零了，而是一个正数，但是通常这个平均值都是很小的，毕竟释放到空中的电磁波都比较微弱。那么我们就需要对这个信号进一步放大，这就是图4.3中围绕着LM358的那一部分电路所起到的作用。不熟悉电路的朋友也不要担心，这个电路很容易就能理解，而且在以后的章节里会经常用到，下面我们来简单地了解一下它。
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LM358是一个常用的运算放大器（简称运放），它的本意是产生一个与正负输入端电压差成正比的输出电压，即V（输出）=放大倍数×（正极输入电压—负极输入电压）。但是这个放大倍数通常是几千，甚至上万。而通常一个电路输出的电压最大不能超过给它供电的电源的正电压（我们这里使用5V电压供电，即4节充电电池），最小不会低于电源的负电压（通常把它取为零）。这样只要输入端正极稍微比负极高一点点（毫伏量级），输出电压就达到了极大值5V（饱和状态）；同理，只要输入端正极比负极稍微低一点点，输出电压就达到了极小值0V。看起来这个放大器反应太强烈了，似乎没有什么作用。但是伟大的美国电子工程师Harold Stephen Black先生（1898—1983）于20世纪20年代提出了划时代的“负反馈”（Negative Feedback）概念。通过负反馈，激进分子运算放大器的面貌焕然一新，变幻出了无穷的用处。那么什么是负反馈呢？就图4.3中的电路而言，我们可以设想某时刻LM358的正极输入端比负极略高了一点点，那么输出端的电压就会上升，而这个上升的电压通过可变电阻传回到负极输入端，使得那里的电压上升。当它上升到比正极输入端的电压还要高时，输出端的电压就会下降，这个下降的电压通过可变电阻传回到负极输入端，使那里的电压下降……可以想象这是一个此消彼长的过程，而且发生在很短的时间内，最终的结果是，通过负反馈，LM358的正负极输入端电压保持一致。这时我们可以计算输出端的电压：
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V（输出）= [V（正极输入）/1kΩ]×（1kΩ+可变电阻值）
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即输出电压与正极输入端电压之比为（1kΩ+可变电组值）/（1kΩ）。这样，不羁的运放通过负反馈变成了一个放大倍数可调（从201～1）的放大电路。图4.3中与可变电阻并联的电容起到了进一步平滑电压信号的作用。
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运放还有很多其他优秀的品质，有兴趣的读者可以从电子电路的书籍和网络上找到很多用运放构成的实用电路。而负反馈则更是博大精深，它通过牺牲一个放大器的一部分放大能力（比如图4.3，使得运放的放大倍数从数千降到了数百），而起到了稳定电路、抵抗噪声、增强线性、扩大带宽等作用。有趣的是，当年，工程师Black先生提出这个概念时，大家都觉得他疯了。一个合格的放大器一诞生就是靠放大倍数拼高下的，你倒好，还费尽心机把它的放大倍数减小。所以Black先生为这个概念申请专利时遭到专利局的拒绝，直到六七年以后，世人才渐渐认识到这个概念的伟大意义。如今，我们所使用的每一个电子产品里都或多或少有负反馈的身影，它也当之无愧地成为了20世纪电子科学最伟大的概念之一。你或许会想，那有没有正反馈呢？当然也是有的。比如我们熟悉的当话筒和扩音器靠得太近时会产生刺耳的叫声，这就是正反馈的一个生动代表。在话筒端稍微一点小小的噪声输入，通过扩音器放大数倍后变成较大的声音，这个声音又通过话筒进入扩音器进一步放大，如此循环直到扩音器的极限，就形成了刺耳的叫声。可见正反馈通常造成非常极端的结果。除了少数情况需要特别设计成正反馈以外，一般电路都是以负反馈为主。
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动手实践
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所需材料列表
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LM358运算放大器（注意该芯片上集成了两路运放，我们只需要用其中的一路即可）
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电线若干 电阻、电容若干（依照图4.3电路所需）
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