[编者按]二战时期，各参战国无不把空军作为赢得战争的重要力量，战机性能提升得很快。例如，德国Fw-190 战机的时速已达到535 千米，日本的零式战机时速已达570 千米，更不要提二战晚期德国的V-1 火箭和Me-262 喷气式战机了，高速飞行的战机给地面防空带来的压力越来越大。当时的高炮引信主要是触发式或延时式，对空作战效率极低，据统计，需要发射1 162 枚炮弹才能击落一架战机。1941 年，美国克莱斯勒公司接到一份美军弹药署的绝密订单，生产一种革命性的新式引信，其中安装了无线电收发信机，可以自动探测与目标的距离。但是，要把无线电装在体积很小的引信中，空间很成问题，如果使用电线焊接的方式将乱作一团，所以在近炸引信内部首次使用了印刷电路板。同时，真空管作为当时最重要的电子元件，也越来越难以满足军用设备对小型化、可靠性、适用性等方面的要求。解决这些问题需要一场新的技术革命。

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永不消逝的电波半导体革命

文/马岩  郭文韬

导可导，非常导

众所周知，自然界中的物体有导电和不导电之分，导电的被称之为导体，不导电的称之为绝缘体。可偏偏有些物质很难归类，比如我们第一篇文章中曾提到矿石检波器所用的方铅矿石，它就是一个特例。这种石头允许某一个方向的电流通过，那应该算导体吧?可是把它掉一个个儿，换个方向，它又不导电了。一般导体没有这样的，正所谓“导可导，非常导”。方铅矿石这类物质我们称之为半导体，它们的导电能力比绝缘体要强，但是比导体还要差一些，自然界中很多矿石晶体都具有半导体的特性。由天然半导体制成的检波器是不稳定的，经不起机械振动，每次使用的时候都必须在矿石上寻找灵敏点，因此天然矿石检波器很快被真空管所取代。但是半导体家族只是暂时性地“退隐山林”，很快它又将“重出江湖”。

1947年，在一片锗晶体两个相距仅有数十微米的接触式电极上，美国贝尔实验室的三名工程师实现了对微弱电流的15 倍放大作用，宣告晶体管的诞生。最初的晶体管是点接触式，制造工艺相当复杂，工作噪声偏大，放大功率有限，性能也不够稳定。但是没过多久，世界上第一只晶体管的缔造者——原先那三位志同道合的工程师因专利权问题反目，分道扬镳，各自按照自己的思路去改进晶体管，最终促成了性能更佳的面结型晶体管和场效应管的发明。20世纪50年代开始，晶体管开始全面替代真空管，成为电子界的新宠儿。

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20 世纪50 年代，晶体管开始取代真空管，成为电子界的新宠儿

半导体晶体管可以实现与真空管相同的整流和放大功能，但为什么它最终能够在诸多场合取代真空管呢？让我们来比较一下。

首先，论“个头”，晶体管更轻巧。普通的真空管大概像灯泡一般大，而普通的晶体管只有一颗黄豆那么大；超小型真空管的体积约为0.02~0.03厘米3，像一个米粒大小，这已经是真空管制造的极限尺寸了，而体积小于0.01厘米3的晶体管随处可见，如今的技术甚至可在1厘米3的元件中集成上亿只晶体管，其体积可以用原子来衡量。

论“体格”，晶体管更皮实。由于晶体管没有灯丝、金属板等零碎的部件，所以结构要比真空管坚固得多，能够经得起剧烈振动和冲击。单个晶体管可以承受20 000g的过载，如果换成真空管，100g的加速度就快让这个娇贵的小兄弟吃不消了。

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世界上第一只晶体管

比“寿命”，晶体管也比真空管要长寿得多。一只晶体管的平均寿命可达75 000小时，即使每天工作8小时，周末不休息，也可以连续用上25年，而军用设备中的真空管免不了磕磕碰碰，能用上几百个小时不出问题已经是传奇了。

比“能耗”，晶体管更省。同样的放大倍数，晶体管消耗的功率一般只有真空管的四分之一,甚至更少。而且，真空管开机要有一个预热时间，灯丝必须达到一定温度才能“烘烤”出足够的电子实现放大。晶体管则不然，一接通就立即进入工作状态，不仅不会浪费宝贵的功率，更重要的是响应速度大大提高了。

“印刷”出的电路板

最初的电路都是用导线把各个电子元件连接起来的，这个工序只能由手工完成。但是随着电路越来越复杂，电子元件越来越多，如果再没有人想出一个好办法，那么成团的电线会给设备装配和维修带来灾难性的影响。当然，想出办法的这个人早已经出现了。

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如果印刷电路板没有及时发明，那么对装配和维修都是一场灾难

1930年，在奥地利的维也纳又多了一个待业的大学应届毕业生，他的名字叫保罗·艾斯勒。也许是迫于就业压力，他离开了奥地利，凭借专业优势在南斯拉夫的贝尔格莱德谋得第一份差事——在火车上安装无线电台。然而他干了没多久又返回了维也纳，跨专业地选择了一份印刷方面的工作（事实证明此人是个通才兼发明爱好者，他曾申请的专利还包括比萨饼加热机和汽车后窗除雾器），直到1934年因法西斯运动愈演愈烈而失业。恰恰是最初的这两份工作让了他产生了一个天才的想法——把电路“印刷”出来。

艾斯勒首先画出一张平面电路图，并依照印刷业的制版方法把电路图影印在镀有一层铜箔的绝缘板上，然后在需要保留的铜箔电路上涂上保护剂，再将电路板放入腐蚀液中，蚀刻掉不需要的铜箔。绝缘板上的铜箔替代了导线，起到了连接各个电子元件的作用，世界上第一块印刷电路板就此诞生了。由于印刷电路板的制造免去了繁杂的手工焊接和接线操作，生产精度和标准化程度很高，加工误差几近于零，可以大大提高电路板的生产效率，而且结构紧凑、抗冲击震动性能更好。

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印刷电路板非常适合大量标准化生产

1936年，艾斯勒用自己印刷的电路板制作了一台收音机，申请了专利之后辗转来到了英国。然而在二战初期，他却被英国政府当作敌国侨民拘留。1941年艾斯勒被释放，仍然一心想着为自己的专利寻找投资。两年后，纳粹V-1式导弹的阴影笼罩在伦敦上空，盟军发现无线电近炸引信是对抗这种飞航式导弹的有力武器。但是，近炸引信必须同高射炮弹一齐发射出去，发射瞬间承受的冲击力极大，并且由于引信属于消耗品，要保证能够大量生产，如果采用手工线路焊接的方式，无论在可靠性和生产效率上都远远达不到作战的需要。而艾斯勒的发明恰恰符合这两个苛刻的要求，由此，印刷电路板成功应用在了近炸引信的制造中。

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积木式组件可以节约空间，在集成电路出现之前被用于导弹导引头和遥感领域

1943 年美国就开始在军用无线电台的制造中引进印刷电路技术，但由于当时设备中的真空管发热量惊人，印刷电路板的底板经常处于高温炙烤的环境中，使用寿命普遍不高。直到低发热量的晶体管开始取代真空管，印刷电路板才迎来它真正的春天，与晶体管迅速携手渗透到了军方各类无线电技术领域。

值得一提的是，在大规模集成电路问世之前，曾出现过一种积木式的电路形式。它采用了两块印刷电路板，晶体管、电容、电阻等元器件被密集地夹在中间。这种焊接形式结构更加紧凑，比起平面电路所占空间要小很多，所以很适合在导弹导引头和遥感系统等空间宝贵的设备中运用。

两大阵营不同的选择

为证明晶体管和印刷电路的优势，1955年美国空军在C-121“超级星座”运输机上进行了有关试验，把飞机上18种无线电设备进行了升级。试验结果非常显著，由真空管换装晶体管印刷电路后，设备重量减少了71%，所占空间减少55%，功率消耗减少40%；由于重量、体积和功耗的大幅下降，且晶体管本身发热量远没有真空管的大，使得机上原有的冷却系统、继电器等附属设备大大简化；升级后的飞机总成本不仅没有节节攀升，反而下降了9.2%。

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C-121 运输机曾改成电子战、预警等改型

由于晶体管的几大优势，“晶体管化”成了20世纪五六十年代一个非常时髦的词汇，其热门程度就和今天的“信息化”、“网络化”差不多。彼时的军火商只要推出一款新型电子设备，必须要想方设法地宣传它的“晶体管化”程度有多高，比以往产品要强多少多少倍。一句话，只要跟晶体管沾边的东西就好卖。根据西方的统计数据，1955年，晶体管在通信设备中的数量还仅占14%，雷达设备方面占6%，导航设备方面占21%；而到1957年，仅2年光景，上述比例就飙升至37%、35%和45%。在取代真空管的征途中，晶体管势如破竹。

20世纪60年代，电子世界似乎已经跑步进入了晶体管时代。但是在铁幕的另一头，苏联的军用电子设备却走了一条截然不同的路，在很长一段时期内仍然对真空管情有独钟。由于延续二战中对武器装备简单、成熟、可靠，便于生产的研制思路，苏联认为真空管技术成熟，易于做出大功率元件，所以把主要精力都集中在真空管的小型化上．在模拟电路和数字电路的选择中，苏联专家同样认为模拟电路更成熟，更适合真空管的工作特性，所以大力发展以运算放大器为核心的模拟电路。赫鲁晓夫也曾经表示：“真空电子管在核电磁脉冲下的生存性能比晶体管要强，苏联以后不要搞晶体管，集中力量搞电子管小型化。”由于政策原因，苏联的半导体工业一直落后与西方，生产出的晶体管质量迟迟不过关，最终形成了恶性循环，越来越形成对真空管的依赖。

但事实上，真空管与晶体管相比，也绝非一无是处。晶体管的工作受电压和环境境温度限制，电压过大会导致击穿报废，当环境温度变化较大时，晶体管的性能也会发生剧烈变化。同时，晶体管的噪声要比真空管大，输出功率也远远比不上真空管。尤其是最后一点，在豪放的“北极熊”手中被发挥到了极致。

1976年，苏联截击航空兵上尉别连科驾驶一架米格-25战机叛逃日本。米格-25是冷战中的最尖端武器之一，世界上第一种具有“双3”能力（极速3 马赫、升限3 万米）的战机，曾创造过8项飞行速度、9项飞行高度和6项爬升时间的世界纪录。这头令人生畏的红色巨禽曾引发了西方无数猜测，其性能一度被神化。“踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫”，西方专家如获至宝，立即涌向日本对该机进行分解研究。但是拆开米格-25铆接的不锈钢机身，工程师们并没有看到高度集成的数字化的航电设备，摆在他们眼前是密密麻麻像葡萄一样挤在一起的真空管，还有一排排的液氮制冷器：苏联工程师用如此简陋的元件，居然制造出了性能如此优异的战机！米格-25正是凭借大量高功率真空管，可以轻松“烧穿”一般的电子干扰，其雷达持续辐射功率极高，可杀死一千米外的兔子！苏军规定，在地面维护时严禁开启米格-25的雷达，否则这个史无前例的“双3”微波炉会在瞬间灼伤地勤人员，或对其大脑造成永久性损伤。

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米格-25 曾是一种被西方神话了的装备，然而一架货真价实的米格25降落在日本函馆机场后，着实令西方大跌眼镜

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这就是米格-25 上大量运用的6c33真空管，它的功率十分惊人

然而这并不能使真空管在这个红色帝国得以永生。到了20世纪70年代中期，苏联工程人员终于发现，真空管小型化的路已经走到尽头，如果再使真空管的体积减小一个数量级，其耗费将是天文数字。而此时西方国家研制的集成电路，可在0.5平方厘米的硅片上集成14万个晶体管。苏联用十年时间证明了电子管小型化方面无法和晶体管集成电路相比。进入80年代，苏联的电子工业开始奋起直追，又用了十年赶超西方，在解体前已能够生产中规模集成电路，接近西方80年代初期的水平。

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随着技术的发展，电子器件日趋小型化，可靠性、适用性越来越强

一百多年来，无线电设备随着迸发的火花走出了实验室，在真空管温暖的辉光中走向了全世界，在晶体管集成化浪潮中叩开了新世纪的大门。无线电波，就像一架无形的光速运输机，满载着信息在空间中自由穿梭，在下一篇文章中，我们将带您参观一下“运输机”的“生产车间”，看一看它们是如何被“装配”起来的，信息又是如何被“装载”进去的。