【無線射頻技術(shù)】-天線的起源與發(fā)展歷史

1/1天線的起源與發(fā)展歷史

?二戰(zhàn)中屢立奇功的英國(guó)雷達(dá)天線

大家肯定都很熟識(shí)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就是一條用來放射或接收無線電訊號(hào)的長(zhǎng)導(dǎo)線。從這個(gè)名稱可以看出來，試驗(yàn)家們?cè)谶€沒有把天線發(fā)揚(yáng)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，最主要的是盼望從中可以看到天線的好玩試驗(yàn)與動(dòng)腦筋的精神，最終要簡(jiǎn)略地介紹天線的進(jìn)展歷史

一、好玩的天線創(chuàng)造史

「威爾」發(fā)覺了導(dǎo)線的妙處

我們一路回到最早期的無線電時(shí)代。在電力未創(chuàng)造以前，全部的機(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。

早期有位試驗(yàn)家，名叫「威爾」(WhitfieldWhire)，他創(chuàng)造的無線電放射機(jī)可以發(fā)出很大的火花，但訊號(hào)卻無法放射出去。實(shí)際上他創(chuàng)造的放射機(jī)是以火花放電原理產(chǎn)生的無線電。但是讓他最吶悶的是，試用了很多的方法，就是無法接收到這放射機(jī)所放射的訊號(hào)。后來是收到了，但訊號(hào)很弱。

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證電波是否可以穿過桌面，他把放射機(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)的效率好了很多，因此，他就把吊著的導(dǎo)線留在那里，從今，他就稱他的接收機(jī)為「無線電接收機(jī)」(WIRELESSSET)，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)余無線電雜志)。

?「古浪」發(fā)覺接地的好處

在這好幾年之后，有一位名叫「古浪」(GarfieldGrownd)的試驗(yàn)家發(fā)覺到，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)問題繼績(jī)探討下去。

這個(gè)問題自然對(duì)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)覺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(gè)問題：若同樣把放射機(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放射機(jī)上頭，這竟然使訊號(hào)增加了很多，同樣地，他也把這重要的發(fā)覺發(fā)表在QST雜志上。他在該文中建議，每一座業(yè)余無線電臺(tái)，都需要有「接地」(GROWND)。

「戴柏」創(chuàng)造雙偶極天線

天線的下一個(gè)主要突破是由「戴柏」(DiogenesDipole)創(chuàng)造的。

有一天，當(dāng)?shù)掀?戴柏的昵稱)走過一個(gè)游樂場(chǎng)時(shí)，發(fā)覺當(dāng)?shù)氐莫{子會(huì)員正在玩蹺蹺板，他發(fā)覺這些獅子會(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，立刻拿了一條導(dǎo)線接上機(jī)器外殼，另一條導(dǎo)線則接到放射機(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」創(chuàng)造天線的虛接地

在QST雜志上讀過WhireGrowndedBalanced-Lion-fedDipole天線專論之后，一位名叫「郝柏思」(CountHerpoise)的歐洲貴族，發(fā)覺他的臺(tái)燈不只兩條線，而是三條線，由于這國(guó)家的電力系統(tǒng)采納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。這也就促成他創(chuàng)造了「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，今日對(duì)天線有愛好者，必定知道，虛性接地是必需的，而這些「虛接地」通常也稱做COUNTERPOISE，用創(chuàng)造者的名字以資紀(jì)念。

「崔伯」首創(chuàng)較短的雙偶極天線

也在QST上讀過WhireGrowndedBalanced-Lion-fedDipole天線專論的「崔伯」(VonTrap)，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(gè)圈，好把過長(zhǎng)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」(TRAPDlPOLE)的誕生。

「尼馬奇」提出天線理論、創(chuàng)造駐波比表

從美國(guó)QST雜志發(fā)行以來，有關(guān)天線的進(jìn)展史中，最富傳奇顏色的是「尼馬奇」(MorriesNimatch)，牠的伴侶們都昵稱他為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，想知道功率放射出去約有多少，被反射回來約有多少，因而創(chuàng)造了「駐波比表」(駐波比SWR的現(xiàn)在英文正名為StandingWaveRatio。當(dāng)時(shí)是SeeWhatReturns的縮寫，意思是有多少功率被折返。)

為了紀(jì)念此為駐波比表創(chuàng)造者，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，依舊以此為基礎(chǔ)。

QST雜志依例報(bào)導(dǎo)了極為勝利的MonimatchedWhireGrowndedCountHerpoiseBalanced-Lion-fedTrapDipole天線。從上列一路進(jìn)展下來，像極了印度教的導(dǎo)師精神。

「雷頓」發(fā)覺天線匹配

后為「雷頓」(RaoulRandom)發(fā)覺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)當(dāng)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)的完整無線電系統(tǒng)，其中采納了終端加載的偶極子作為放射天線，并采納了諧振方環(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，意大利博洛尼亞討論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無線電報(bào)。開發(fā)了商用無線電，開創(chuàng)了越洋通信。

在這些初期的討論上天線獲得廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，其進(jìn)展大致可劃分為三個(gè)歷史階段。

二、天線的進(jìn)展歷史

1、線天線時(shí)期（19世紀(jì)末至20世紀(jì)30年月初）

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)來的"S'字母信開拓了無線電遠(yuǎn)距離通信的新時(shí)代。其當(dāng)時(shí)所用放射天線是從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)為是第一副有用的單極天線，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，放射波長(zhǎng)1000m。

?單錐天線

隨著20世紀(jì)初電子管的創(chuàng)造和進(jìn)展，這一時(shí)期開頭利用長(zhǎng)波進(jìn)行通信，隨后進(jìn)展到中波通信，并因電離層的發(fā)覺，1924年前后開頭了短波通信和遠(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年月初至50年月末）

二戰(zhàn)前夕，微波速調(diào)管和磁控管的創(chuàng)造，導(dǎo)致了微波雷達(dá)的消失，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(shí)期廣泛采納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，還消失了波導(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)一步得到進(jìn)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，創(chuàng)造了天線測(cè)試技術(shù)，開發(fā)了天線陣的綜合技術(shù)。

3、大進(jìn)展時(shí)期（20世紀(jì)50年月至今）

1957年人造地球衛(wèi)星上天標(biāo)志著人類進(jìn)入了開發(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)的進(jìn)展供應(yīng)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年消失了高效率的雙模喇叭饋源，1966年創(chuàng)造了波紋喇叭，1968年制成了高功率相控陣?yán)走_(dá)AN／FPS-85。1972年制成了第一批有用微帶天線，并作為火箭和導(dǎo)彈的共形天線開頭了應(yīng)用。

近年來還消失了分形天線等小型化天線形式，另一重要進(jìn)展時(shí)進(jìn)展了天線的信號(hào)處理力量，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，進(jìn)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