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八木天线:从二战到电视科技

  • 林一平

林一平手绘之八木秀次。林一平

商用5G产品的开发有著各种新挑战,如主动式天线阵列,是令人头痛的问题。在〈右手或左手:iPhone使用者经验也有凸槌时〉一文中,提到天线摆放的重要。由于电磁波很容易受到手的吸引,如果手机天线摆放的地方是手握住的范围则会严重影响传输。现今的手机出厂前都要测试确认手不会对手机造成干扰。当我们挣扎摆放天线时,让我回忆起天线的滥觞。

2017年6月我到德国访问德勒斯登工业大学(Dresden University of Technology),看到巴豪森 (Heinrich Barkhausen)的雕像及画像。巴豪森在电机领域有重大贡献,专门研究振荡器,发明了由真空管制作的极高频振荡器,完成微波管,微波的各项应用才得以实现。

巴豪森培养一位优秀的日本学生八木秀次(Hidetsugu Yagi),他是「八木宇田天线」的共同发明者。提到无线电波的接收放大,老一辈的人都会想到「八木宇田天线」。八木在日本大学毕业后留学德国,跟随巴豪森学习,专攻发射机的共振变压器,研究如何由尖端火花放电,做为连续波(CW)振荡器。

八木秀次回到日本在东北帝国大学担任教授。该校的的讲师宇田新太郎(Shintaro Uda)在八木的帮助下,将巴豪森发明的极高频振荡器用做极高频传导研究的工具之一,设计并测试了一种「定向天线」,或称为「寄生天线」。1926年宇田将这篇论文投到日本的无线电杂志,但没多少反响。

1928年八木秀次访问美国时,将宇田的论文翻译成了英文,并在无线电工程师学会(IEEE的前身)发表,受到欧美学者瞩目。因为该篇英文论文八木署名在前,所以大家都称「八木宇田天线」(YAGI-UDA Antenna),甚至省略「宇田」,直接叫「八木天线」。

日本在1932年后将八木宇田天线投入商业应用,在飞岛(Tobishima)与山形县酒田市(Sakata)之间建立距离约40公里的官方无线电电话系统。欧洲将八木宇田天线和雷达并用,发展无线电着陆导航技术。二次世界大战时,八木宇田天线被广泛的应用于战争无线电技术,包括夜间战斗机使用的雷达。然而在日本国内,八木宇田天线并未得到应有的重视,直到日军占领新加坡时发现了英军雷达技术人员记载关于八木宇田天线的手册,日本才意识到其价值。这本手册名为「纽曼笔记」,描绘出八木宇田天线在军事雷达上的应用。当时看过这本册子的日军,无不个个愕然,啧啧称奇。

德国将八木宇田天线放在「毁灭者」轰炸机(Messerschmitt Bf 110)的机头雷达,犹如飞蛾。该轰炸机成为德国空军的夜战部队王牌主力。二次大战后美国审判日本战犯,曾很有趣的写下了注记:「在听证会中,八木教授是第一个很骄傲的承认所作所为(八木宇田天线的研究)的日本人,其它的日本人都否认其作为。」

八木秀次取得八木宇田天线专利权,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,普遍使用八木宇田天线,做为电视接收天线。而这种天线也可以用来做今日手机信号的放大器。

现为交通大学资工系终身讲座教授暨华邦电子讲座,曾任科技部次长,为ACM Fellow、IEEE Fellow、AAAS Fellow及IET Fellow。研究兴趣为物联网、行动计算及系统模拟,发展出一套物联网系统IoTtalk,广泛应用于智能农业、智能教育、智能校园等领域/场域。兴趣多元,喜好艺术、绘画、写作,遨游于科技与人文间自得其乐,著有<闪文集>、<大桥骤雨>。