有趣的天線發(fā)明史

二戰(zhàn)中屢立奇功的英國(guó)雷達(dá)天線

大家一定都很熟悉天線的英文名稱一般叫做 Antenna；其實(shí)，它的另一個(gè)名稱叫 Aerials。所謂 Aerials 就是一條用來(lái)發(fā)射或接收無(wú)線電訊號(hào)的長(zhǎng)導(dǎo)線。從這個(gè)名稱可以看出來(lái)，實(shí)驗(yàn)家們?cè)谶€沒(méi)有把天線發(fā)揚(yáng)光大之前，天線原來(lái)是什么樣子。

下面試著以「以古鑒今」的方式來(lái)了解天線，最主要的是希望從中可以看到天線的有趣實(shí)驗(yàn)與動(dòng)腦筋的精神，最后要簡(jiǎn)略地介紹天線的發(fā)展歷史……

一、有趣的天線發(fā)明史

「威爾」發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)線的妙處

我們一路回到最早期的無(wú)線電時(shí)代。在電力未發(fā)明以前，所有的機(jī)器都以煤油供應(yīng)，例如以煤油為動(dòng)力的冰箱就是很好的證明。

早期有位實(shí)驗(yàn)家，名叫「威爾」 (Whitfield Whire)，他發(fā)明的無(wú)線電發(fā)射機(jī)可以發(fā)出很大的火花，但訊號(hào)卻無(wú)法發(fā)射出去。實(shí)際上他發(fā)明的發(fā)射機(jī)是以火花放電原理產(chǎn)生的無(wú)線電。但是讓他最吶悶的是，試用了無(wú)數(shù)的方法，就是無(wú)法接收到這發(fā)射機(jī)所發(fā)射的訊號(hào)。后來(lái)是收到了，但訊號(hào)很弱。

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證電波是否可以穿過(guò)桌面，他把發(fā)射機(jī)擺在桌子底下，為了取得訊號(hào)，接收機(jī)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(jī)的這一條導(dǎo)線，竟然使接收機(jī)的效率好了許多，因此，他就把吊著的導(dǎo)線留在那里，從此，他就稱他的接收機(jī)為「無(wú)線電接收機(jī)」 (WIRELESS SET)，他并且把這一份結(jié)果整理成一份報(bào)告，發(fā)表在美國(guó)的 QST 雜志上 (世界上最早的一份業(yè)余無(wú)線電雜志 )。

「古浪」發(fā)現(xiàn)接地的好處

在這好幾年之后，有一位名叫「古浪」 (Garfield Grownd) 的實(shí)驗(yàn)家發(fā)現(xiàn)到，供電給桌子上的臺(tái)燈有兩條導(dǎo)線，但是接收機(jī)的天線只有一條，為什么只有一條天線可以表現(xiàn)得那么好，因此他就針對(duì)這個(gè)問(wèn)題繼績(jī)探討下去。

這個(gè)問(wèn)題自然對(duì)他困擾不已，但是事情就是如此之巧，在后來(lái)他買(mǎi)了一部車(chē)子后，他發(fā)現(xiàn)車(chē)燈也是使用一條導(dǎo)線而已，當(dāng)然還有另一條線是接車(chē)子的外殼。這就使他想到一個(gè)問(wèn)題：若同樣把發(fā)射機(jī)的其中一條導(dǎo)線接到一個(gè)共同的接點(diǎn)，是不是會(huì)比較好？所以他就用了一條金屬管打入地底下，并且拉出一條線接到發(fā)射機(jī)上頭，這竟然使訊號(hào)增強(qiáng)了許多，同樣地，他也把這重要的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在 QST 雜志上。他在該文中建議，每一座業(yè)余無(wú)線電臺(tái)，都需要有「接地」 (GROWND)。

「戴柏」發(fā)明雙偶極天線

天線的下一個(gè)主要突破是由「戴柏」 (Diogenes Dipole) 發(fā)明的。

有一天，當(dāng)?shù)掀?(戴柏的昵稱 ) 走過(guò)一個(gè)游樂(lè)場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐莫{子會(huì)員正在玩蹺蹺板，他發(fā)現(xiàn)這些獅子會(huì)員都很快地能保持平衡，想必其中有人運(yùn)力，使蹺蹺板在極短的時(shí)間內(nèi)保持平衡。

迪普回到家后，馬上拿了一條導(dǎo)線接上機(jī)器外殼，另一條導(dǎo)線則接到發(fā)射機(jī)輸出，這就成為一組新的天線。其實(shí)，此天線也就是后來(lái)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(lái)命名。

「郝柏思」發(fā)明天線的虛接地

在 QST 雜志上讀過(guò) Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天線專論之后，一位名叫「郝柏思」 (Count Herpoise) 的歐洲貴族，發(fā)現(xiàn)他的臺(tái)燈不只兩條線，而是三條線，因?yàn)檫@國(guó)家的電力系統(tǒng)采用 330V，這雖很自然，但是他想到，為什么北美地區(qū)使用220V 供電，也要有三條線。這也就促成他發(fā)明了「虛接地線」，這理論常時(shí)很少人知道，甚至有人對(duì)這理論不以為然。不過(guò)，今日對(duì)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(fā)明者的名字以資紀(jì)念。

「崔伯」首創(chuàng)較短的雙偶極天線

也在 QST 上讀過(guò) Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天線專論的「崔伯」(Von Trap)，由于他家空間不夠大，無(wú)法架設(shè)雙偶極天線，所以他沿著天線，每隔幾英呎左右就繞幾個(gè)圈，好把過(guò)長(zhǎng)的部份纏繞起來(lái)，并且在纏繞的電感上并聯(lián)電容，這就是「崔伯雙偶極天線」 (TRAP DlPOLE) 的誕生。

「尼馬奇」提出天線理論、發(fā)明駐波比表

從美國(guó) QST 雜志發(fā)行以來(lái)，有關(guān)天線的發(fā)展史中，最富傳奇色彩的是「尼馬奇」 (Morries Nimatch)，牠的朋友們都昵稱他為 Mo。牠是第一位提出天線理論，探討有關(guān)被饋送到長(zhǎng)狀天線的功率，有多少不會(huì)被輻射出去的物理學(xué)家。他為了徹底了解這一理論，想知道功率發(fā)射出去約有多少，被反射回來(lái)約有多少，因而發(fā)明了「駐波比表」 (駐波比 SWR 的現(xiàn)在英文正名為 Standing Wave Ratio。當(dāng)時(shí)是 See What Returns 的縮寫(xiě)，意思是有多少功率被折返。)

為了紀(jì)念此為駐波比表發(fā)明者，以前曾有人把駐波比表稱做 MoNimatch。至今，有關(guān)駐波比表的制作，依然以此為基礎(chǔ)。

QST 雜志依例報(bào)導(dǎo)了極為成功的 Monimatched Whire Grownded Count Herpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole 天線。從上列一路發(fā)展下來(lái)，像極了印度教的導(dǎo)師精神。

「雷頓」發(fā)現(xiàn)天線匹配

后為「雷頓」 (Raoul Random)發(fā)現(xiàn)蹺蹺板上兩端物體互異，但是調(diào)整距離也可以達(dá)到平衡，天線應(yīng)該也可以像這樣，以人工方式調(diào)整，達(dá)到平衡 (匹配 )。

「赫茲」建立第一個(gè)天線系統(tǒng)

1865年德國(guó)物理學(xué)家赫茲Hertz (1857-1894, 37歲)建立了第一個(gè)天線系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)的裝配設(shè)備如今可描述為工作在米波波長(zhǎng)的完整無(wú)線電系統(tǒng)，其中采用了終端加載的偶極子作為發(fā)射天線，并采用了諧振方環(huán)作為接受系統(tǒng)。

赫茲的天線系統(tǒng)

「馬可尼」開(kāi)創(chuàng)商用無(wú)線電、越洋通信

1901年12月，意大利博洛尼亞研究者馬可尼在赫茲的系統(tǒng)上添加了調(diào)諧電路，為較長(zhǎng)波長(zhǎng)配備了大的天線和接地系統(tǒng)，并在紐芬蘭的圣約翰斯接收到發(fā)自英格蘭波爾多的2.5km無(wú)線電報(bào)。開(kāi)發(fā)了商用無(wú)線電，開(kāi)創(chuàng)了越洋通信。

在這些初期的研究上天線獲得廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，其發(fā)展大致可劃分為三個(gè)歷史階段。

二、天線的發(fā)展歷史

1、線天線時(shí)期（19世紀(jì)末至20世紀(jì)30年代初）

1901年馬可尼在加拿大紐芬蘭收到的橫渡大西洋由英國(guó)康泛爾半島發(fā)來(lái)的“S”字母信開(kāi)辟了無(wú)線電遠(yuǎn)距離通信的新時(shí)代。其當(dāng)時(shí)所用發(fā)射天線是從48m高的橫掛線斜拉下50根銅導(dǎo)線形成的扇形結(jié)構(gòu)，可認(rèn)為是第一副實(shí)用的單極天線，震蕩源是70Hz的火花發(fā)生器。隨后又利用4座木塔架設(shè)導(dǎo)線網(wǎng)構(gòu)成方形單錐天線，如圖所示，發(fā)射波長(zhǎng)1000m。

單錐天線

隨著20世紀(jì)初電子管的發(fā)明和發(fā)展，這一時(shí)期開(kāi)頭利用長(zhǎng)波進(jìn)行通信，隨后發(fā)展到中波通信，并因電離層的發(fā)現(xiàn)，1924年前后開(kāi)始了短波通信和遠(yuǎn)程廣播。這一時(shí)期也建立了線天線的基本理論。

2、面天線時(shí)期（20世紀(jì)30年代初至50年代末）

二戰(zhàn)前夕，微波速調(diào)管和磁控管的發(fā)明，導(dǎo)致了微波雷達(dá)的出現(xiàn)，厘米波得以普及，無(wú)線電頻譜才得到更為充分的利用。這一時(shí)期廣泛采用了拋物面天線或其他形式的反射面天線，這些天線都是面天線或稱口徑天線。此外，還出現(xiàn)了波導(dǎo)縫隙天線、介質(zhì)棒天線、螺旋天線等。戰(zhàn)后微波中繼通信、廣播和射電天文等應(yīng)用使面天線和線天線技術(shù)進(jìn)一步得到發(fā)展、提高。這時(shí)期建立了口徑天線和基本理論，如幾何光學(xué)、口徑場(chǎng)法等，發(fā)明了天線測(cè)試技術(shù)，開(kāi)發(fā)了天線陣的綜合技術(shù)。

3、大發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)50年代至今）

1957年人造地球衛(wèi)星上天標(biāo)志著人類進(jìn)入了開(kāi)發(fā)宇宙的新時(shí)代，也對(duì)天線提出了多方面的高要求，如高增益、精密跟蹤、快速掃面、寬頻帶、低旁瓣等。同時(shí)，電子計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代材料的進(jìn)展又為天線理論與技術(shù)的發(fā)展提供了必要的基礎(chǔ)。1957年，美國(guó)制成了用于精密跟蹤雷達(dá)AN／FPS-16的單脈沖天線，達(dá)0.1密位。1963年出現(xiàn)了高效率的雙模喇叭饋源，1966年發(fā)明了波紋喇叭，1968年制成了高功率相控陣?yán)走_(dá)AN／FPS-85。1972年制成了第一批實(shí)用微帶天線，并作為火箭和導(dǎo)彈的共形天線開(kāi)始了應(yīng)用。

近年來(lái)還出現(xiàn)了分形天線等小型化天線形式，另一重要進(jìn)展時(shí)發(fā)展了天線的信號(hào)處理能力，理論上的進(jìn)展是：創(chuàng)立了矩量法（MOM），時(shí)域有限差分法（FDTD）和幾何繞射理論（GTD）等分析方法，并已形成商用軟件。在天線測(cè)量技術(shù)方面，發(fā)展了微波暗室和近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，研制了緊縮天線測(cè)試場(chǎng)和利用射電源的測(cè)試技術(shù)，并建立了自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。

美國(guó)F-16殲擊機(jī)上AN／APG-68火控雷達(dá)的相控縫隙陣天線

GPS上的螺旋天線陣

三、未來(lái)展望

當(dāng)今，如今天線已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、廣播電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、衛(wèi)星氣象、遙感等領(lǐng)域。天線技術(shù)已具有成熟科學(xué)的許多特征，仍然是一個(gè)富有活力的技術(shù)領(lǐng)域。主要的發(fā)展方向是：多功能化（以一代多）、智能化（提供信息處理能力），小型化、集成化及高性能化（寬頻帶、高增益、低旁瓣、低交叉極化等）。