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誰發明了天線?
淺談天線的起源

No.27   1995 Apr.   p94~99,   by 林茂榮 Paul Lin / BV5OC, P.O. Box 575 Changhua

Fig 00



    大家一定都很熟悉天線的英文名稱一般叫做 ANTENNA;其實,它的另一個名稱叫 AERIALS。所謂 AERIALS 就是一條用來發射或接收無線電訊號的長導線。從這個名稱可以看出來,實驗家們在還沒有把天線發揚光大之前,天線原來是什麼樣子。

    我完全沒有正規的天線理論基礎與專業教育,但是因為接觸業餘無線電而與天線結緣。下面試著以「以古鑑今」的方式來瞭解天線,最主要的是希望從中可以看到天線的有趣實驗與動腦筋的精神,最後要簡略地介紹家用電視天線的發展歷史……




有趣的天線史

「威爾」發現了導線的妙處

    我們一路回到最早期的無線電時代。在電力未發明以前,所有的機器都以煤油供應,例如以煤油為動力的冰箱就是很好的證明。

    早期有位實驗家,名叫「威爾」 (Whitfield Whire),他發明的無線電發射機可以發出很大的火花,但訊號卻無法發射出去。實際上他發明的發射機是以火花放電原理產生的無線電。但是讓他最吶悶的是,試用了無數的方法,就是無法接收到這發射機所發射的訊號。後來是收到了,但訊號很弱。

    為了更進一步驗證電波是否可以穿過桌面,他把發射機擺在桌子底下,為了取得訊號,接收機被吊在桌子上方的天花板上,令他感到意外的是,吊著接收機的這一條導線,竟然使接收機的效率好了許多,因此,他就把吊著的導線留在那裡,從此,他就稱他的接收機為「無線電接收機」 (WIRELESS SET),他並且把這一份結果整理成一份報告,發表在美國的 QST 雜誌上 (世界上最早的一份業餘無線電雜誌)。

「古浪」發現接地的好處

    在這好幾年之後,有一位名叫「古浪」 (Garfield Grownd) 的實驗家發現到,供電給桌子上的檯燈有兩條導線,但是接收機的天線只有一條,為什麼只有一條天線可以表現得那麼好,因此他就針對這個問題繼績探討下去。

    這個問題自然對他困擾不已,但是事情就是如此之巧,在後來他買了一部車子後,他發現車燈也是使用一條導線而已,當然還有另一條線是接車子的外殼。這就使他想到一個問題:若同樣把發射機的其中一條導線接到一個共同的接點,是不是會比較好?所以他就用了一條金屬管打入地底下,並且拉出一條線接到發射機上頭,這竟然使訊號增強了許多,同樣地,他也把這重要的發現發表在 QST 雜誌上。他在該文中建議,每一座業餘無線電台,都需要有「接地」 (GROWND)。

「戴柏」發明雙偶極天線

    天線的下一個主要突破是由「戴柏」 (Diogenes Dipole) 發明的。

    有一天,當迪普 (戴柏的暱稱) 走過一個遊樂場時,發現當地的獅子會員正在玩蹺蹺板,他發現這些獅子會員都很快地能保持平衡,想必其中有人運力,使蹺蹺板在極短的時間內保持平衡。

    迪普回到家後,馬上拿了一條導線接上機器外殼,另一條導線則接到發射機輸出,這就成為一組新的天線。其實,此天線也就是後來大家所熟知的「雙偶極」 (DIPOLE) 天線,這是為了記念戴柏,而以他的名字來命名。

「郝柏思」發明虛接地

    在 QST 雜誌上讀過 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天線專論之後,一位名叫「郝柏思」 (Count Herpoise) 的歐洲貴族,發現他的檯燈不只兩條線,而是三條線,因為這國家的電力系統採用 330V,這雖很自然,但是他想到,為什麼北美地區使用 220V 供電,也要有三條線。這也就促成他發明了「虛接地線」,這理論常時很少人知道,甚至有人對這理論不以為然。不過,今日對天線有興趣者,必定知道,虛性接地是必須的,而這些「虛接地」通常也稱做 COUNTERPOISE,用發明者的名字以資紀念。

「崔伯」首創較短的雙偶極天線

    也在 QST 上讀過 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天線專論的「崔伯」 (Von Trap),由於他家空間不夠大,無法架設雙偶極天線,所以他沿著天線,每隔幾英呎左右就繞幾個圈,好把過長的部份纏繞起來,並且在纏繞的電感上並聯電容,這就是「崔伯雙偶極天線」 (TRAP DlPOLE) 的誕生。

「尼馬奇」發明駐波比錶

    從美國 QST 雜誌發行以來,有關天線的發展史中,最富傳奇色彩的是「尼馬奇」 (Morries Nimatch),他的朋友們都暱稱他為 Mo。他是第一位提出天線理論,探討有關被饋送到長狀天線的功率,有多少不會被輻射出去的物理學家。他為了徹底了解這一理論,想知道功率發射出去約有多少,被反射回來約有多少,因而發明了「駐波比錶」 (駐波比 SWR 的現在英文正名為 Standing Wave Ratio。當時是 See What Returns 的縮寫,意思是有多少功率被折返。)

    為了紀念此為駐波比錶發明者,以前曾有人把駐波比錶稱做 MoNimatch。至今,有關駐波比錶的製作,依然以此為基礎。

    QST 雜誌依例報導了極為成功的 Monimatched Whire Grownded Count Herpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole 天線。從上列一路發展下來,像極了印度教的導師精神。

    最後一位承襲者是「雷頓」 (Raoul Random),他發現蹺蹺板上兩端物體互異,但是調整距離也可以達到平衡,天線應該也可以像這樣,以人工方式調整,達到平衡 (匹配)。

    從上面的一系列發展下來,下面對天線的發展有個總結:

  • 無線電機器,有一條導線接著之後,性能好的不得了,這導線就稱為天線 (Aerial)。
    ——威爾 (WHIRE)
  • 如果把上述無線電機器的外殼接地,那性能就更妙。
    ——古浪 (GROWND)
  • 如果天線旁有些巧妙的導線安排,則無線電機器的接收,簡直妙不可言。
    ——郝柏思 (COUNT HERPOISE)
  • 從無線電機器拉出去的天線,若是兩條一字拉開,使電力呈平衡狀是最好的。
    ——戴柏 (DIPOLE)
  • 天線是否平衡,可以由簡易的駐波比錶測量出來。
    ——尼馬奇 (NIMATCH)
  • 在雙偶極天線能上,可以把部份長度纏繞成電感狀,使天線能變短。
    ——崔柏 (TRAP)
  • 天線是否平衡,不必光看天線在形體上是否對稱,可以設法人工調整。
    ——雷頓 (RANDOM)



「八木-宇田」(YAGI-UDA)天線

    談到無線電通訊,以它的發展史來看,無線電科學的發展是一項集體的創作,而不是個人的發明。所以至今我們也沒有聽說過,無線電是誰發明的。舉幾個簡單的例子,我們說「莫耳斯」 (Morse) 發明了電報 (Telegraph);「貝爾」 (Bell) 首創電話 (Telephone);而無線電報 (Wireless Telegraph) 則是「馬可尼」 (Marconi) 優先使用。但是無線電的發展卻是在幾乎同一時間,由分布在世界各個不同角落的專家的集體創作。

    「八木 - 宇田天線」早被廣汎應用,對無線電有興趣者,沒有人不熟悉。家用電視的接收天線、商用的通訊系統都廣汎使用著它。早期又稱「定向天線」,或叫「寄生天線」,後來才叫作「八木 - 宇田天線」,不過,習慣上,一般很少人這樣稱呼,大家還是一直稱作「八木天線」。這是由日本兩位科學家「八木秀次」 (Hidetsugu Yagi) 教授及「宇田新太郎」 (Shintaro Uda) 講師所發明,他們是早期的電力工程專家,他們的研究主題是想找出比較理想的方法,好讓短波振盪器的訊號可以有效地輻射出去。

    「八木」先生,是至今全世界的業餘無線電家及無線電通訊專家還常掛在嘴邊的名字,可以說耳熟能詳。「八木」於 1886 年 1 月 28 日誕生於日本大阪。在這之前 2 年,德國科學家「赫芝」 (Heinrich Hertz) 才剛開始做電磁波的產生、發射、及檢波方面的試驗。90 年之後,世界上不論是多大的「寄生天線」,無不以「八木天線」來稱呼。

    「八木」小時候對文藝的興趣遠超過科學,但是自從接觸了物理學及深入了解一些物理現象後,便對科學逐漸感興趣。他進入東京皇家大學 (現今的東京大學) 就讀;24 歲時,取得工程學位。之後任教於 SENDAI 高工,執鞭四載之後,取得教育部獎學金,負笈歐洲,遊學深造。也因有此因緣際遇,得以接觸當時正在歐洲發展中的一些重要的無線電科學實驗。

    「八木」先在德國習藝,專研發射機的共振變壓器,與「巴豪森」 (Heinrich Barkhausen) 共事,研究如何由尖端火花放電,來做為 CW 振盪器。「巴豪森」是專門研究振盪器的,後來他也發明了由真空管製作的極高頻振盪器,這振盪器也是後來「宇田」拿來做極高頻傳導研究的工具之一。

    1914 年爆發第一次世界大戰,「八木」的研究工作也被迫中斷,於是他離開德國,轉往英國。也因為這戰事,才得以和「佛來明」 (J.A.Fleming) 在倫敦共事;當時,「佛來明」已經發明真空二極管,而且它已被應用在無線電訊號的檢波上。

    與「佛萊明」共事兩年之後,「八木」又轉往美國,在哈佛大學與「皮爾斯」 (Jeorge W. Pierce) 共事,當時「皮爾斯」專長於晶體檢波,他也是有名的「皮爾斯振盪器」發明者。在美期間,「八木」加入了「無線電工程學會」 (Institute of Radio Engineers),它是現今 IEEE 的前身,也因此,「八木」在回到日本後,還能取得在美國的學報上發表研究成果的捷徑。

    在美期間,「八木」以英文為文,發表了兩篇研究報告。一篇是討論有關他最拿手的共振變壓器線路;另一篇則是比較使用交流與直流電源,以不同的火花放電方式,所產生的無線電報的音調。


「八木」的學生-「宇田」

Fig 01
圖 1:這是取自篇名為:「超短波的定向發射」 (BEAM TRANSMISSION OF ULTRA SHORT WAVES) 中的圖。圖示出導波管長度、數量與訊號強度的關係。
Fig 02
圖 2:導向元件數目與接收電流之間的關係。

    「八木」的一位學生叫「宇田」,他利用二極真空管製作的振盪器,產生了波長 4.4 公尺的訊號,也是利用這個工具,他把這訊號加在一只定向天線上做電波傳導試驗,這天線也就是「八木天線」或稱作「八木 - 宇田天線」。

    「宇田」開始研究天線,他首先測量環狀天線的輻射圖案,由於追根究柢的實驗精神,他想改善天線的指向性,因此把一個共振頻率稍低的寄生元件,擺在環狀天線附近,接著把環狀改成直條狀寄生元件,擺的數目越多,測得的訊號也越強。這聽來是不是很熟悉?這就是「八木 - 宇田天線」的由來。

    「宇田」的天線實驗,也從環狀的天線元件改成雙偶極,把雙偶極天線及寄生元件以垂直方式擺放。緊接著,「宇田」做各種不同條件變數下對天線指向性影響的深入分析,包括了:寄生元件的長度、寄生元件的彼此間距、各種不同的寄生元件形狀、接收天線的架高、發射天線的架高、及導向元件的數目等。

    「宇田」的實驗方法非常簡單,他利用標準的雙偶極天線,加裝晶體檢波器,並利用一只電流錶來記錄訊號的強度。他把實驗結果記錄下來,利用圖繪的方式把它表達出來,你看了一定很眼熟是不是?因為在大多數的天線工程學上,至今依然採用類似的圖案方式來描繪指向天線,參看圖 1。

    「宇田」也從中發現,當反射元件是波長的一半,且與輻射元件保持四分之一波長的距離時,天線的增益最佳,要保持這種狀況,在加入導向元件時,導向元件的長度,要比半波長少百分之十的長度,與輻射元件的距離約三分之一波長左右最理想。

    「宇田」的研究成果,最初發表在日本 1926 年二月的「皇家學院」學術刊物 (日本學士院記事; Proccedings of the Imperial Academy of Japan) 上,該文名為「尖銳指向的電波投射裝置」 (Projector of the sharpest beam of electric waves),文中詳細討論了垂直雙偶極定向天線的理論。第二篇的研究報告,只有「宇田」具名,發表在日本 1926 年三月份的「日本電力工程學刊」 (The Journal of the IEE of Japan) 上。名為:「短波定向發射」,詳細描述「宇田」的研究成果,他把三只定向天線的最佳尺寸安排,用在發射時,稱為「三 角共生反射器」 (Trigonal Reflector)。用在接收時,稱為「三角共生集波器」 (Triginal Collector)。

    「宇田」對三角共生反射器的描述如下:『如果能有一反射元件與導向元件,與輻射元件前後一字排開時,這天線的指向性會大大地提高』。接著他建議,若是這三角共生反射器,與一群名為「波管」 (Wave Canals) 的導向元件併用,又可以增加這天線的指向性,他把這天線命名為「電波投射裝置」 (Wave Projector)。

    「八木」為這裝置取得專利權,並把這項專利讓渡給「美國無線電公司」 (RCA),這使戰後發展出來的電視科技,普遍使用了「八木天線」,做為電視接收天線。

    「八木 - 宇田天線」於 1932 年在日本正式投入商業應用範圍。在飛島 (TOBISHIMA) 與山形縣酒田市 (SAKATA) 之間的官方無線電線路正式啟用,兩地距離約有 40 公里,這利用了 2 公尺到 1O 公尺之間的頻率,在兩地建立了無線電電話業務。而新潟市與佐渡之島間,約 50 公里遠的通訊也隨之建立。而遠在歐洲,也正利用「八木 - 宇田」天線,與雷達併用,發展無線電著陸導航技藝。


「八木-宇田」天線發跡於日本,應用於歐美

Fig 03
圖 3:由「導波管」 (WAVES CARNAL) 組成的定向天線的輻射圖案。

    第二次世界大戰後的電視發展,大量採用了「八木 - 宇田」天線,這才奠立了八木 - 宇田天線的商業應用基礎。1951 年,「八木」教授加入了日本官方制定電視標準的委員會,成為傑出的顧問。「八木天線公司」也在此時成立,「八木」先生任總裁,「八木 - 宇田」天線也成為世界上廣用的電視接收天線。

    從第二次世界大戰時,在新加坡發現的一本手冊,名為「紐曼筆記」,參看圖 4,可以看出來這一現象,就是「八木 - 宇田天線」已被應用在軍事上。當時在新加坡看過這本冊子的日軍,無不個個愕然。從該冊子看來,「八木 - 宇田天線」已被應用在雷達上。由於日本戰敗後,民生物資缺乏,設備也被毀壞,一切技術及研究那陷入停頓狀態。

    英軍占領新加坡,宣稱百年不破。那知,常時正值銳不可當的日軍,不到三個月就把新加坡拿下。也因為這個機緣,從當時紐曼軍部隊的雷達手之中,拿到了這份「紐曼筆記」,這冊子當中就有 YAGl ARRAY 的記載,參看圖 5。

Fig 04
圖 4:記載如何運用「八木 - 宇田天線」的「紐曼筆記」。
Fig 05
圖 5:「紐曼筆記」的內頁對「八木一宇田天線」的說明。



結語

    「八木」先生家中保存的三十年研究檔案資料,及他個人的圖書室,都毀於 1945 年四月的東京大砲轟。「八木」退休之後,成為東北大學及大阪大學的名譽教授。不過「八木」依然極為活躍,他身為「八木天線公司」的特別顧問,也是日本電視廣播公司、東京電力快鐵、及各種科學單位與政府部門的顧問,他曾獲得日本天皇的日本一等文化勳章。

    第二次世界大戰結束後,「宇田」繼續研究「八木 - 宇田天線」,並且在 1954 年與 Y.Mushiake 合著了一本名為「八木 - 宇田天線」的教科書,直到 1960 年從東京大學退休為止。在 1950 年代,「宇田」一直研究著導波管。在 1955 到 1958 年之間,曾赴印度,為了聯合國文教科技組織 (UNESCO) 的微波通訊計畫工作。


主要參考資料:

1. Aerial--A Lost Art, by George Murphy.
2. H.Jasik, Ed, Antenna Engineering Handbook.
3. J.D.Kraus, Antenna.
4. J.L.Lawson, Yagi Antenna Design.
5. S.F.Mason,A History of the Sciences.
6. J.Hall, Ed, The ARRL Antenna Book.
7. Robort H.Welsh, Yagi:The Man and His Antenna.
8. 「紐曼筆記」與「八木-宇田天線」,by 佐藤 源貞
9. 回顧五十年,by 宇田 新太郎,神奈川 END



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