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八木天線:從二戰到電視科技

  • 林一平

林一平手繪之八木秀次。林一平

商用5G產品的開發有著各種新挑戰,如主動式天線陣列,是令人頭痛的問題。在〈右手或左手:iPhone使用者經驗也有凸槌時〉一文中,提到天線擺放的重要。由於電磁波很容易受到手的吸引,如果手機天線擺放的地方是手握住的範圍則會嚴重影響傳輸。現今的手機出廠前都要測試確認手不會對手機造成干擾。當我們掙扎擺放天線時,讓我回憶起天線的濫觴。

2017年6月我到德國訪問德勒斯登工業大學(Dresden University of Technology),看到巴豪森 (Heinrich Barkhausen)的雕像及畫像。巴豪森在電機領域有重大貢獻,專門研究振盪器,發明了由真空管制作的極高頻振盪器,完成微波管,微波的各項應用才得以實現。

巴豪森培養一位優秀的日本學生八木秀次(Hidetsugu Yagi),他是「八木宇田天線」的共同發明者。提到無線電波的接收放大,老一輩的人都會想到「八木宇田天線」。八木在日本大學畢業後留學德國,跟隨巴豪森學習,專攻發射機的共振變壓器,研究如何由尖端火花放電,做為連續波(CW)振盪器。

八木秀次回到日本在東北帝國大學擔任教授。該校的的講師宇田新太郎(Shintaro Uda)在八木的幫助下,將巴豪森發明的極高頻振盪器用做極高頻傳導研究的工具之一,設計並測試了一種「定向天線」,或稱為「寄生天線」。1926年宇田將這篇論文投到日本的無線電雜誌,但沒多少反響。

1928年八木秀次訪問美國時,將宇田的論文翻譯成了英文,並在無線電工程師學會(IEEE的前身)發表,受到歐美學者矚目。因為該篇英文論文八木署名在前,所以大家都稱「八木宇田天線」(YAGI-UDA Antenna),甚至省略「宇田」,直接叫「八木天線」。

日本在1932年後將八木宇田天線投入商業應用,在飛島(Tobishima)與山形縣酒田市(Sakata)之間建立距離約40公里的官方無線電電話系統。歐洲將八木宇田天線和雷達併用,發展無線電著陸導航技術。二次世界大戰時,八木宇田天線被廣泛的應用於戰爭無線電技術,包括夜間戰鬥機使用的雷達。然而在日本國內,八木宇田天線並未得到應有的重視,直到日軍佔領新加坡時發現了英軍雷達技術人員記載關於八木宇田天線的手冊,日本才意識到其價值。這本手冊名為「紐曼筆記」,描繪出八木宇田天線在軍事雷達上的應用。當時看過這本冊子的日軍,無不個個愕然,嘖嘖稱奇。

德國將八木宇田天線放在「毀滅者」轟炸機(Messerschmitt Bf 110)的機頭雷達,猶如飛蛾。該轟炸機成為德國空軍的夜戰部隊王牌主力。二次大戰後美國審判日本戰犯,曾很有趣的寫下了註記:「在聽證會中,八木教授是第一個很驕傲的承認所作所為(八木宇田天線的研究)的日本人,其他的日本人都否認其作為。」

八木秀次取得八木宇田天線專利權,並把這項專利讓渡給「美國無線電公司」(RCA),這使戰後發展出來的電視科技,普遍使用八木宇田天線,做為電視接收天線。而這種天線也可以用來做今日手機信號的放大器。

現為交通大學資工系終身講座教授暨華邦電子講座,曾任科技部次長,為ACM Fellow、IEEE Fellow、AAAS Fellow及IET Fellow。研究興趣為物聯網、行動計算及系統模擬,發展出一套物聯網系統IoTtalk,廣泛應用於智慧農業、智慧教育、智慧校園等領域/場域。興趣多元,喜好藝術、繪畫、寫作,遨遊於科技與人文間自得其樂,著有<閃文集>、<大橋驟雨>。