Category Archives: 電的旅程

「第十章:：雷達」

        ＜微波世界 ( 3 )＞……(續上)

        從雷達發射出的微波被目標反彈時，如果目標在移動，反射的微波頻率會根據「都卜勒效應」而有變化。從這個頻率的變化中，可測出目標移動的速率及方向。在和平用途上，都卜勒雷達可用來測定車子的速度，高性能的車子裝上雷達，可以自動避免撞車。氣象雷達利用都卜勒效應，測量雨滴在空氣中的分布與轉動方向。電視上天氣預報少不了用氣象雷達畫面，顯示各地降雨的強弱及分布。很多飛機的前端都安裝了小型的氣象雷達，目的是預示前方的風暴或不穩定氣流，可讓機師改變航道，盡量減少乘客所受的顛簸。

        在二次大戰結束後，美蘇兩大陣營對峙，發生了歷時四十多年的冷戰。雷達系統的發展在其間沒有停歇過，主要目標之一，是要用雷達監視空中所有飛行物位置的瞬息變化，包括導彈及飛機。這個系統性的能力，很快被應用到民航管理上；現今空中每一架飛機的位置、航速、方向，都在地面控制員和他的電腦掌控之下，再經地面和飛機駕駛員以無線電聯絡，把空中交通管理得井井有條，保持了航空系統的安全。…… (待續)

「第十章:：雷達」

        ＜微波世界 ( 2 )＞……(續上)

        戰爭期間，雷達技術發展的一個重要方向是將波源頻率不斷提升，也就是微波的波長愈來愈短，到後期更達到了1公分以下，發展的目的是為了增加對目標的解析度，同時又可縮小天線的體積。在這個過程中，工程師發現有些波長在空氣中的測距變短了。在戰爭時，大家無暇去明白這些問題，戰爭結束後，有很多剩餘物資，包括各種在研發階段的雷達，都由政府捐給了大學，作繼續研究之用。當時很多教授在戰時都曾參加過雷達發展工作，對雷達技術都非常熟悉，回到學校後，有更寬裕的時間來做基本研究。

        不久大家發現，各種波長的微波在空氣中傳播，是一個非常複雜的現象。空氣中混雜著很多不同的氣體，除了氧及氮外，還包括水蒸氣、二氧化碳等，這些氣體都會有選擇性的吸收微波中特定的波長，這種波長和氣體分子結構中的共振能量相關。譬如說空氣潮濕，充滿了水氣，那麼水氣可吸收的微波波長，在空氣中傳送的距離就變短，因為能量都給吸收了。這個學問後來演變成「光譜學」，對現代化學和物理的研究有極大的助益；同時這技術又是現代「大氣科學」的基本工具。運用微波技術，科學家可測量空氣中各種現象，包括現時極受重視的空氣污染及排碳程度。…… (待續)

「第十章:：雷達」

        ＜微波世界 ( 1 )＞

        雷達技術因戰爭需要而誕生，在發展過程中，政府在財力、物力及人力上的投入，規模之大，在電子歷史上沒有發生過，RCA在戰前投資五千萬美元發展電視技術，比較起來就如小巫見大巫了。美國戰時對發展雷達的投入，在國防科研中僅次於發展原子彈的「曼哈頓」計畫。雷達的高速研發、量產及應用，對盟軍的勝利貢獻很大。這些新的技術及產品，在戰後也發揮了巨大的作用，戰時集組的技術團隊，在戰後電子技術高速發展時期中，更形成了人才的中堅。

        雷達成功最大的原因之一，是欒道和布特重新設計的磁控管。一個小小的磁控管，不單可發出高頻率的微波，而產生的功率可達一千瓦以上。早期做實驗時就有人發現，把香菸放在磁控管的微波出口處，很容易點著火，把濕衣服放在磁控管前，也很快就烤乾。這些應用後來發展成微波爐。隨著磁控管造價不斷降低，微波爐已是日常生活廚房裡不可缺少的設備，這大概是欒道及布特當初沒有想像到的應用。現代磁控管可把電能的40%以上轉變成微波能量，而在微波爐中，幾乎所有的能量都被食物中的水份吸收，變成熱量，所以微波爐是效率最高的爐子之一。…… (待續)

「第十章:：雷達」

        ＜精確的導航定位 ( 2 )＞續上

        1940年的鐵查德訪問團，除了雷達外，也和美國分享了狄丕的無線導航技術，因此美國「輻射實驗室」在發展雷達的同時，也發展了長距離無線電導航系統（long range navigation），稱作LORAN，後來在太平洋戰爭中起了很大的作用。從航空母艦起飛的飛機，為了減輕重量，油箱都很小，航程很短，而太平洋無邊無際，海上又很少可辨識位置的標誌，導航稍有失誤，就無法返航。在這種情況下，無線電導航更是不可缺少。戰後經過不斷的改良，演變成LORAN-C導航系統，民用飛機也大量應用；在1980年代，更演變成了利用21顆衛星星座的「全球定位系統」（global positioning system），簡稱GPS。價廉的GPS接收器，今日已裝進了車子與手機！……(完)

「第十章:：雷達」

        ＜精確的導航定位 ( 1 )＞

        另一個和雷達很有關係的重要技術，在戰時也得到迅速發展，就是無線電導航。在英國華生－瓦特發展雷達的團隊裡，還有一位無線電專家，名叫狄丕（Robert Dippy）。他提出了一個概念，就是用三個或更多的高功能無線電發射站，一起同步傳送一組電波。在任何一個可接收到這些電波的地點，收到各組訊號的時間會有極小的差異，因為電波傳播的速度是光速，而每一個發射站到接收地點的距離不一樣，所以電波到達的時間也會有快慢。如果每一個發射站的位置可以預先精確知道，電波發出的時間也能極精確的控制，那麼從數學上可從每一個訊號到達的時差，推算出接收點的位置。

        這個原理講起來很簡單，但要做到精確就絕不簡單了。就在發展雷達的同時，狄丕用了很多當時頂尖的雷達和無線通訊技術，示範了無線導航的可行性。不久他的團隊發展出一個最高機密的導航系統，稱為「GEE」。在1942年底，英國空軍成功使用「GEE」作導航，第一次轟炸了德國工業城市埃森。從此在飛機上除了羅盤外，又多了一項導航機制，使得導航能更精確可靠。當時高精確度的慣性羅盤非常昂貴，只能安裝在少數飛機上，而較廉價的羅盤，準確度又不夠。有了無線電導航後，因接收器成本不高，很快就廣泛應用，到大戰後期，大多數飛機都安裝了無線電導航設備。…… (待續)

「第十章:：雷達」

        ＜最珍貴的行李 ( 2 )＞續上

        果然不出眾人所料，隨著機載雷達的服役，再加上裝有聲納追蹤功能的深水炸彈的發展，以及通訊密碼的破解，德國潛艇被大量消滅。到1942年初，在北大西洋已少見德國潛艇出沒，商船隊可通行無阻，把大量物資源源不絕的運往歐洲，做好了諾曼地登陸的準備。當時德國海軍還不完全明白潛艇失利的原因。

        除了對付潛艇外，機載雷達可用來控制高精確度的投彈轟炸，在空戰中，也能不分日夜在長距離外先發現敵蹤，讓盟軍戰機群做出更好的戰術配合，占據空中優勢。雷達對空軍非常重要，但從海軍角度來說可能更重要。在茫茫大海中，無論有濃霧或在黑夜裡，艦上的雷達可清楚的偵測出附近海域的所有船隻。幾千年來，靠水手站在桅杆上用肉眼遙望敵艦的情景，永遠消失了。艦上的雷達覆蓋範圍愈大、測程愈遠、對目標位置及速度的偵測愈精確，基本上就立於不敗之地，所以現代軍艦上都有幾十套不同的雷達，各有作用。雷達的優劣在海戰中，可能比船隻的性能更重要。……(完)

「第十章:：雷達」

        ＜最珍貴的行李 ( 1 )＞

        雖然機載雷達最基本的關鍵技術有了答案，但要盡快的發展產品及進入量產，仍是一個極大的難題，需要巨大的投資和大量的專才。英國當時全副精力都在應付歐洲戰事，根本沒有能力自身來發展這個新技術。分析結果，首相邱吉爾毅然決定，把磁控管的技術無條件和美國分享，然後一起盡快發展機載雷達共用。（當時美國還沒有參戰，理論上還是中立的。）

1940年8月26日，一個祕密的英國代表團，由國防科技高官鐵查德（Henry Tizard）領隊，帶著一個黑箱子來到了美國，箱內裝著一枚看起來平平無奇的短銅柱，上面鑽了很多孔。就是這件金屬元件，在某種程度上改變了戰爭的平衡。這箱子後來有人稱是歷史上「最珍貴的行李」。

        美國工程師很快測試了英國的共振腔磁控管，功率之高，令人吃驚。美國欣然同意和英國一起發展新的雷達。軍方很快就在麻省理工學院旁邊，建立了新的「輻射實驗室」（Radiation Lab），徵用了全國各地最優秀的科技人才。在這些人當中有電機工程師、物理教授、數學家，有些來自全國最頂尖的學府，有些來自高科技企業的研發部，人才濟濟，齊心合力，分秒必爭，從各方面著手，高速發展嶄新的高功能雷達。多個團隊分工合作發展磁控管的生產技術，設計新的天線和超靈敏的微波接收器，同時發展了新的雷達訊號處理方法。在短短的一年多時間內，就針對各種戰場上的需求，發展出了一系列的高性能雷達，包括專門偵測潛艇的機載雷達。很多企業從軍方取得訂單，開始大量生產新雷達，源源不絕的安裝到飛機上去。……(待續)

「第十章：雷達」

＜千里眼 ( 3 )＞……續上

        欒道及布特的時間不多，因為每日每夜無數的盟國貨輪葬身北大西洋海底。從1939年11月開始，他們盡快做了必要的計算，完成新的設計。為了節省時間，就用實驗室中完成將近一半的普通磁控管加以改裝。幾個星期後，新設計的磁控管完成了。在1940年2月21日第一次測試時，難以想像的事發生了──新磁控管輸出的功率竟然達600瓦特，比以前的最高紀錄多了整整100倍！這種巨大的技術跳躍，在科技發展史上不多見，充分顯示了在發展一個新科技時，如能對基本物理原理有徹底的瞭解，再加上出色的設計，就有可能釋放出這個技術的巨大潛力。

        幾星期後，再經過仔細微調，一個可放在掌上的磁控管竟然可發出1,000瓦以上的持續性微波功率，甚至10,000瓦高峰的脈衝式微波。機載雷達微波的功率如能達到這個程度，已可有效偵測方圓11公里海面上露出的潛望鏡。

        磁控管當時還有一個基本技術問題，不容易在短期內解決，就是發出的頻率不穩定。但欒道及布特想到了一個聰敏而取巧的辦法，就是不停的測試磁控管所發出的微波頻率，然後用「反饋」方式自動即時調節接收器的頻率，來沖銷差距。欒道及布特及時做了實驗，充分證明了可行性。在1940年7月，用新的共振腔磁控管組成的微波雷達示範裝置完成了，在第一次試驗時，就可偵測到16公里外公路上的腳踏車，功能遠遠超過了低頻雷達。整個微波雷達發展計畫，由始至終只用了不到九個月，進展速度之快，只有在極端緊迫的戰爭期間才會發生。……(完)

「第十章：雷達」

＜千里眼 ( 2 )＞……續上

        1940年秋夏間，不列顛空戰已近尾聲，但戰事仍緊，尤其是德國的潛艇神出鬼沒，襲擊盟軍在北大西洋的運輸船隊，屢屢得手，給歐洲戰場的補給線造成了巨大的困難。對此大家有一個想法：是否可把高解析度的雷達裝到飛機上去？如果可以的話，那麼潛艇在茫茫大海中就日夜都無所遁形了。只要一露出水面，哪怕只是潛望鏡，也會被盤旋在附近上空的偵察機發現。但要發展機載雷達，技術上必須要有所突破，尤其是需要一個可產生高功率的微波能源，這樣才可縮小雷達體積，裝在飛機上。

        共實前一年冬天，英國已經動員了國防科技研究機構及各大學的物理、電機教授，一起苦思良策，發展微波雷達。其中伯明罕大學教授欒道（John Randall）和他的研究生布特（Henry Boot）重新評估了當時所有已知的微波能源基本技術，包括「磁控管」及「調速管」，這些原理都源出於真空管中電子束與電磁場的交互作用。但這些器件在當時最高只能產生5到6瓦特的高頻率微波，頻率是夠高了，但功率遠遠不足。欒道及布特再細讀了馬克士威及赫茲對電磁波的著作，他們的結論是磁控管的設計大有改進空間，尤其是可加入「共振腔」（resonant cavity）效果。……(待續)

「第十章：雷達」

＜千里眼 ( 1 )＞

        英國政府在1937年批准了華生－瓦特的建議，開始建造一個高度機密的雷達系統，代號Chain Home (家鏈)，專門用來遙測德國飛機的入侵。雷達的設計牽涉到很多技術，要探測遠距離的物件，發射出去的無線電波功率必須很高，因為只有一小部分訊號會反射回來，而且這訊號要走來回路程，消耗及散射的程度很大，為此，接收器的靈敏度也很重要。另一個條件是無線電波的頻率必須很高（波長很短），這樣才能用較小的天線，而同時又能對目標有高的解析度。這種高頻率的電磁波統稱「微波」（microwave），比一般無線通訊電磁波的頻率要高10倍以上。但是在1930年代，根本沒有可發出高功率的微波技術。

        華生－瓦特退而求其次，就用高功率真空三極管技術，發出頻率較低的無線電波，當作雷達的波源，基本上借用了無線電通訊技術。因為所用電磁波頻率低，他把雷達的天線做得很大，高達75至105公尺。Chain Home這個系統可偵測到110公里外在歐陸上空集結的德國飛機。雖然解析度很低，無法知道德國軍機的精確數目或入侵方向，但能提早探知敵機到來的時間及大概方向，這已給英國皇家空軍提供了極大的幫助，英國空軍可以逸待勞，在選定的地點夾擊來犯的德機，以少勝多。Chain Home雷達這套千里眼在1940年的不列顛空戰中，為英國空軍的勝利立下了汗馬功勞。……(待續)