浅谈天线的起源

谁发明了天线?浅谈天线的起源
大家一定都很熟悉天线的英文名称一般叫做 ANTENNA；其实，它的另一个名称叫 AERIALS。所谓 AERIALS 就是一条用来发射或接收无线电讯号的长导线。从这个名称可以看出来，实验家们在还没有把天线发扬光大之前，天线原来是什么样子。
我完全没有正规的天线理论基础与专业教育，但是因为接触业余无线电而与天线结缘。下面试着以「以古鉴今」的方式来了解天线，最主要的是希望从中可以看到天线的有趣实验与动脑筋的精神，最后要简略地介绍家用电视天线的发展历史..
有趣的天线史
「威尔」发现了导线的妙处
我们一路回到最早期的无线电时代。在电力未发明以前，所有的机器都以煤油供应，例如以煤油为动力的冰箱就是很好的证明。
早期有位实验家，名叫「威尔」 (Whitfield Whire)，他发明的无线电发射机可以发出很大的火花，但讯号却无法发射出去。实际上他发明的发射机是以火花放电原理产生的无线电。但是让他最吶闷的是，试用了无数的方法，就是无法接收到这发射机所发射的讯号。后来是收到了，但讯号很弱。
为了更进一步验证电波是否可以穿过桌面，他把发射机摆在桌子底下，为了取得讯号，接收机被吊在桌子上方的天花板上，令他感到意外的是，吊着接收机的这一条导线，竟然使接收机的效率好了许多，因此，他就把吊着的导线留在那里，从此，他就称他的接收机为「无线电接收机」 (WIRELESS SET)，他并且把这一份结果整理成一份报告，发表在美国的 QST 杂志上 (世界上最早的一份业余无线电杂志 )。
「古浪」发现接地的好处
在这好几年之后，有一位名叫「古浪」 (Garfield Grownd) 的实验家发现到，供电给桌子上的台灯有两条导线，但是接收机的天线只有一条，为什么只有一条天线可以表现得那么好，因此他就针对这个问题继绩探讨下去。
这个问题自然对他困扰不已，但是事情就是如此之巧，在后来他买了一部车子后，他发现车灯也是使用一条导线而已，当然还有另一条线是接车子的外壳。这就使他想到一个问题：若同样把发射机的其中一条导线接到一个共同的接点，是不是会比较好?所以他就用了一条金属管打入地底下，并且拉出一条线接到发射机上头，这竟然使讯号增强了许多，同样地，他也把这重要的发现发表在 QST 杂志上。他在该文中建议，每一座业余无线电台，都需要有「接地」 (GROWND)。
「戴柏」发明双偶极天线
天线的下一个主要突破是由「戴柏」 (Diogenes Dipole) 发明的。
有一天，当迪普 (戴柏的昵称 ) 走过一个游乐场时，发现当地的狮子会员正在玩跷跷板，他发现这些狮子会员都很快地能保持平衡，想必其中有人运力，使跷跷板在极短的时间内保持平衡。
迪普回到家后，马上拿了一条导线接上机器外壳，另一条导线则接到发射机输出，这就成为一组新的天线。其实，此天线也就是后来大家所熟知的「双偶极」 (DIPOLE) 天线，这是为了记念戴柏，而以他的名字来命名。
「郝柏思」发明虚接地
在 QST 杂志上读过 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天线专论之后，一位名叫「郝柏思」 (Count Herpoise) 的欧洲贵族，发现他的台灯不只两条线，而是三条线，因为这国家的电力系统采用 330V，这虽很自然，但是他想到，为什么北美地区使用 220V 供电，也要有三条线。这也就促成他发明了「虚接地线」，这理论常时很少人知道，甚至有人对这理论不以为然。不过，今日对天线有兴趣者，必定知道，虚性接地是必须的，而这些「虚接地」通常也称做 COUNTERPOISE，用发明者的名字以资纪念。
「崔伯」首创较短的双偶极天线
也在 QST 上读过 Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole 天线专论的「崔伯」 (Von Trap)，由于他家空间不够大，无法架设双偶极天线，所以他沿着天线，每隔几英呎左右就绕几个圈，好把过长的部份缠绕起来，并且在缠绕的电感上并联电容，这就是「崔伯双偶极天线」 (TRAP Dipole) 的诞生。
「尼马奇」发明驻波比表
从美国 QST 杂志发行以来，有关天线的发展史中，最富传奇色彩的是「尼马奇」 (Morries Nimatch)，牠的朋友们都昵称他为 Mo。牠是第一位提出天线理论，探讨有关被馈送到长状天线的功率，有多少不会被辐射出去的物理学家。他为了彻底了解这一理论，想知道功率发射出去约有多少，被反射回来约有多少，因而发明了「驻波比表」 (驻波比 SWR 的现在英文正名为 Standing Wave Ratio。当时是 See What Returns 的缩写，意思是有多少功率被折返。)
为了纪念此为驻波比表发明者，以前曾有人把驻波比表称做 MoNimatch。至今，有关驻波比表的制作，依然以此为基础。
QST 杂志依例报导了极为成功的 Monimatched Whire Grownded Count Herpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole 天线。从上列一路发展下来，像极了印度教的导师精神。
最后一位承袭者是「雷顿」 (Raoul Random)，他发现跷跷板上两端物体互异，但是调整距离也可以达到平衡，天线应该也可以像这样，以人工方式调整，达到平衡 (匹配 )。
从上面的一系列发展下来，下面对天线的发展有个总结：
无线电机器．有一条导线接着之后，性能好的不得了，这导线就称为天线 (Aerial)。 ——威尔 (WHIRE)
如果把上述无线电机器的外壳接地．那性能就更妙。 ——古浪 (GROWND)
如果天线旁有些巧妙的导线安排，则无线电机器的接收，简直妙不可言。——郝柏思 (COUNT HERPOISE)
从无线电机器拉出去的天线，若是两条一字拉开．使电力呈平衡状是最好的。——戴柏 (DIPOLE)
天线是否平衡，可以由简易的驻波比表测量出来。——尼马奇 (NIMATCH)
在双偶极天线能上，可以把部份长度缠绕成电感状，使天线能变短。 ——崔柏 (TRAP)
天线是否平衡，不必光看天线在形体上是否对称，可以设法人工调整。——雷顿 (RANDOM
「八木-宇田」(YAGI-UDA)天线
谈到无线电通讯，以它的发展史来看，无线电科学的发展是一项集体的创作，而不是个人的发明。所以至今我们也没有听说过，无线电是谁发明的。举几个简单的例子，我们说「莫耳斯」 (Morse) 发明了电报 (Telegraph)；「贝尔」 (Bell) 首创电话 (Telephone)；而无线电报 (Wireless Telegraph) 则是「马可尼」 (Marconi) 优先使用。但是无线电的发展却是在几乎同一时间，由分布在世界各个不同角落的专家的集体创作。
「八木 - 宇田天线」早被广泛应用，对无线电有兴趣者，没有人不熟悉。家用电视的接收天线、商用的通讯系统都广泛使用着它。早期又称「定向天线」，或叫「寄生天线」，后来才叫作「八木 - 宇田天线」，不过，习惯上，一般很少人这样称呼，大家还是一直称作「八木天线」。这是由日木两位科学家「八木秀次」 (Hidetsugu Yagi) 教授及「宇田新太郎」 (Shintaro Uda) 讲师所发明，他们是早期的电力工程专家，他们的研究主题是想找出比较理想的方法，好让短波振荡器的讯号可以有效地辐射出去。
「八木」先生，是至今全世界的业余无线电家及无线电通讯专家还常挂在嘴边的名字，可以说耳熟能详。「八木」于 1886 年 1 月 28 日诞生于日本大阪。在这之前 2 年，德国科学家「赫芝」 (Heinrich Hertz) 才刚开始做电磁波的产生、发射、及检波方面的试验。90 年之后，世界上不论是多大的「寄生天线」，无不以「八木天线」来称呼。
「八木」小时候对文艺的兴趣远超过科学，但是自从接触了物理学及深入了解一些物理现象后，便对科学逐渐感兴趣。他进入东京皇家大学 (现今的东京大学 )就读；24 岁时，取得工程学位。之后任教于 SENDAI 高工，执鞭四载之后，取得教育部奖学金，负岌欧洲，游学深造。也因有此因缘际遇，得以接触当时正在欧洲发展中的一些重要的无线电科学实验。
「八木」先在德国习艺，专研发射机的共振变压器，与「巴豪森」 (Heinrich Barkhausen) 共事，研究如何由尖端火花放电，来作为 CW 振荡器。「巴豪森」是专门研究振荡器的，后来他也发明了由真空管制作的极高频振荡器，这振荡器也是后来「宇田」拿来做极高频传导研究的工具之一。
1914 年爆发第 - 次世界大战，「八木」的研究工作也被迫中断，于是他离开德国，转往英国。也因为这战事，才得以和「佛来明」 (J.A.Fleming) 在伦敦共事；当时，「佛来明」已经发明真空二极管，而且它已被应用在无线电讯号的检波上。
与「佛莱明」共事两年之后，「八木」又转往美国，在哈佛大学与「皮尔斯」 (Jeorge W. Pierce) 共事，当时「皮尔斯」专长于晶体检波，他也是有名的「皮尔斯振荡器」发明者。在美期间，「八木」加入了「无线电工程学会」 (Institute of Radio Engineers)，它是现今 IEEE 的前身，也因此，「八木」在回到日本后，还能取得在美国的学报上发表研究成果的快捷方式。
在美期间，「八木」以英文为文，发表了两篇研究报告。一篇是讨论有关他最拿手的共振变压器线路；另一篇则是比较使用交流与直流电源，以不同的火花放电方式，所产生的无线电报的音调。
「八木」的学生-「宇田」
「八木」的一位學生叫「字田」，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」开始研究天线，他首先测量环状天线的辐射图案，由于追根究底的实验精神，他想改善天线的指向性，因此把一个共振频率梢低的寄生组件，摆在环状天线附近，接着把环状改成直条状寄生组件，摆的数目越多，测得的讯号也越强。这听来是不是很熟悉?这就是「八木 - 宇田天线」的由来。
「宇田」的天线实验，也从环状的天线组件改成双偶极，把双偶极天线及寄生组件以垂直方式摆放。紧接着，「宇田」做各种不同条件变量下对天线指向性影响的深入分析，包括了：寄生组件的长度、寄生组件的彼此间距、各种不同的寄生组件形状、接收天线的架高、发射天线的架高、及导向组件的数目等。
「宇田」的实验方法非常简单，他利用标准的双偶极天线，加装晶体检波器，并利用一只电流表来记录讯号的强度。他把实验结果记录下来，利用图绘的方式把它表达出来，你看了一定很眼熟是不是?因为在大多数的天线工程学上，至今依然采用类似的图案方式来描绘指向天线，参看图 1。
「宇田，也从中发现，当反射组件是波长的一半，且与辐射组件保持四分之一波长的距离时，天线的增益最佳，要保持这种状况，在加入导向组件时，导向组件的长度，要比半波长少百分之十的长度，与辐射组件的距离约三分之一波长左右最理想。
「宇田」的研究成果，最初发表在日本 1926 年二月的「皇家学院」学术刊物 (日本学士院记事； Proceedings of the Imperial Academy of Japan) 上，该文名为「尖锐指向的电波投射装置」 (Projector of the sharpest beam of electric waves)，文中详细讨论了垂直双偶极定向天线的理论。第二篇的研究报告，只有「宇田」俱名，发表在日本 1926 年三月份的「日本电力工程学刊」 (The Journal of the IEE of Japan) 上。名为：「短波定向发射」，详细描述「宇田」的研究成果，他把三只定向天线的最佳尺吋安排，用在发射时，称为「三角共生反射器」 (Trigonal Reflector)。用在接收时，称为「三角共生集波器」 (Triginal Collector)。
「宇田」对三角共生反射器的描述如下：『如果能有一反射组件与导向组件，与辐射组件前后一字排开时，这天线的指向性会大大地提高』。接着他建议，若是这三角共生反射器，与一群名为「波管」 (Wave Canals) 的导向组件并用，又可以增加这天线的指向性，他把这天线命名为「电波投射装置」 (Wave Projrctor)。
「八木」为这装置取得专利权，并把这项专利让渡给「美国无线电公司」 (RCA)，这使战后发展出来的电视科技，普遍使用了「八木天线」，作为电视接收天线。
「八木 - 宇田天线」于 1932 年在日本正式投入商业应用范围。在飞岛 (TOBISHIMA) 与山形县酒田市 (SAKATA) 之间的官方无线电线路正式启用，两地距离约有 40 公里，这利用了 2 公尺到 1O 公尺之间的频率，在两地建立了无线电电话业务。而新泻市与佐渡之岛问，约 50 公里远的通讯也随之建立。而远在欧洲，也正利用「八木 - 宇田」天线，与雷达并用，发展无线电着陆导航技艺。
「八木-宇田」天线发迹于日本，应用于欧美
第二次世界大战后的电视发展，大量采用了「八木 - 宇田」天线，这才奠立了八木 - 宇田天线的商业应用基础。1951 年，「八木」教授加入了日本官方制定电视标准的委员会，成为杰出的顾问。「八木天线公司」也在此时成立，「八木」先生任总裁，「八木 - 宇田」天线也成为世界上广用的电视接收天线。
从第二次世界大战时，在新加坡发现的一本手册，名为「纽曼笔记」，参看图 4，可以看出来这一现象，就是「八木 - 宇田天线」已被应用在军事上。当时在新加坡看过这本册子的日军，无不个个愕然。从该册子看来，「八木 - 宇田天线」已被应用在雷达上。由于日不战败后，民生物资缺乏，设备也被毁坏，一切技术及研究那陷入停顿状态。
英军占领新加坡，宣称百年不破。那知，常时正值锐不可当的日军，不到三个月就把新加坡拿下。也因为这个机缘，从当时纽曼军部队的雷达手之中，拿到了这份「纽曼笔记」，这册子当中就有 YAGl ARRAY 的记载，
结语
「八木」先生家中保存的三十年研究档案资料，及他个人的图书室，都毁于 194s 年四月的束京大炮轰。「八木」退休之后，成为东北大学及大阪大学的名誉教授。不过「八木」依然极为活跃，他身为「八木天线公司」的特别顾问，也是日本电视广播公司、东京电力快铁、及各种科学单位与政府部门的顾问，他曾获得日本天皇的日本一等文化勋章。
第二次世界大战结束后，「宇田」继续研究「八木 - 宇田天线」，并且在 1954 年与 Y.Mushiake 合着了一本名为「八木 - 宇田天线」的教科书，直到 1960 年从东京大学退休为止。在 1950 年代，「宇田」一直研究着导波管。在 1955 到 1958 年之间，曾赴印度，为了联合国文教科技组织 (UNESCO) 的微波通讯计划工作。
主要参考数据：
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. 「纽曼笔记」与「八木-宇田天线」，by 佐藤 源贞
9. 回顾五十年，by 宇田 新太郎，神奈川
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