有趣的天線發(fā)明史

二戰(zhàn)中屢立奇功的英國雷達天線

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(fā)射或接收無線電訊號的長導(dǎo)線。從這個名稱可以看出來，實驗家們在還沒有把天線發(fā)揚光大之前，天線原來是什么樣子。

下面試著以「以古鑒今」的方式來了解天線，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，最后要簡略地介紹天線的發(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線電時代。在電力未發(fā)明以前，所有的機器都以煤油供應(yīng)，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(fā)明的無線電發(fā)射機可以發(fā)出很大的火花，但訊號卻無法發(fā)射出去。實際上他發(fā)明的發(fā)射機是以火花放電原理產(chǎn)生的無線電。但是讓他最吶悶的是，試用了無數(shù)的方法，就是無法接收到這發(fā)射機所發(fā)射的訊號。后來是收到了，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(fā)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(dǎo)線，竟然使接收機的效率好了許多，因此，他就把吊著的導(dǎo)線留在那里，從此，他就稱他的接收機為「無線電接收機」 (WIRELESS SET)，他并且把這一份結(jié)果整理成一份報告，發(fā)表在美國的 QST 雜志上 (世界上最早的一份業(yè)余無線電雜志 )。

「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) 的實驗家發(fā)現(xiàn)到，供電給桌子上的臺燈有兩條導(dǎo)線，但是接收機的天線只有一條，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，在后來他買了一部車子后，他發(fā)現(xiàn)車燈也是使用一條導(dǎo)線而已，當(dāng)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(fā)射機的其中一條導(dǎo)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，并且拉出一條線接到發(fā)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(fā)現(xiàn)發(fā)表在 QST 雜志上。他在該文中建議，每一座業(yè)余無線電臺，都需要有「接地」 (GROWND)。

「戴柏」發(fā)明雙偶極天線

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

有一天，當(dāng)?shù)掀?(戴柏的昵稱 ) 走過一個游樂場時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐莫{子會員正在玩蹺蹺板，他發(fā)現(xiàn)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(nèi)保持平衡。

迪普回到家后，馬上拿了一條導(dǎo)線接上機器外殼，另一條導(dǎo)線則接到發(fā)射機輸出，這就成為一組新的天線。其實，此天線也就是后來大家所熟知的「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(fā)明天線的虛接地

在 QST 雜志上讀過 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)他的臺燈不只兩條線，而是三條線，因為這國家的電力系統(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(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 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圈，好把過長的部份纏繞起來，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 QST 雜志發(fā)行以來，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)被饋送到長狀天線的功率，有多少不會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)時是 See What Returns 的縮寫，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，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)整距離也可以達到平衡，天線應(yīng)該也可以像這樣，以人工方式調(diào)整，達到平衡 (匹配 )。

「赫茲」建立第一個天線系統(tǒng)

1865年德國物理學(xué)家赫茲Hertz (1857-1894, 37歲)建立了第一個天線系統(tǒng)，當(dāng)時的裝配設(shè)備如今可描述為工作在米波波長的完整無線電系統(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」開創(chuàng)商用無線電、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，為較長波長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無線電報。開發(fā)了商用無線電，開創(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歷史階段。

二、天線的發(fā)展歷史

1、線天線時期（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康泛爾半島發(fā)來的“S”字母信開辟了無線電遠距離通信的新時代。其當(dāng)時所用發(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)，可認為是第一副實用的單極天線，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，這一時期開頭利用長波進行通信，隨后發(fā)展到中波通信，并因電離層的發(fā)現(xiàn)，1924年前后開始了短波通信和遠程廣播。這一時期也建立了線天線的基本理論。

2、面天線時期（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)致了微波雷達的出現(xiàn)，厘米波得以普及，無線電頻譜才得到更為充分的利用。這一時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)進一步得到發(fā)展、提高。這時期建立了口徑天線和基本理論，如幾何光學(xué)、口徑場法等，發(fā)明了天線測試技術(shù)，開發(fā)了天線陣的綜合技術(shù)。

3、大發(fā)展時期（20世紀(jì)50年代至今）

1957年人造地球衛(wèi)星上天標(biāo)志著人類進入了開發(fā)宇宙的新時代，也對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，電子計算機、微電子技術(shù)和現(xiàn)代材料的進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，美國制成了用于精密跟蹤雷達AN／FPS-16的單脈沖天線，達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_AN／FPS-85。1972年制成了第一批實用微帶天線，并作為火箭和導(dǎo)彈的共形天線開始了應(yīng)用。

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

美國F-16殲擊機上AN／APG-68火控雷達的相控縫隙陣天線

GPS上的螺旋天線陣

三、未來展望

當(dāng)今，如今天線已廣泛應(yīng)用于移動通信、廣播電視、雷達、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）。