——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」
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。
|
|
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
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。
圖 4:記載如何運用「八木 - 宇田天線」的「紐曼筆記」。
|
|
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