Who Invented Radar?

Door Cornell Drentea, KW7CD

———-

Wanneer we aan Radio denken, denken we meestal aan één man: Guglielmo Marconi.

Radar daarentegen is het resultaat van het werk van vele mannen.

In 1793 bestudeerde de Italiaanse wetenschapper Lazzaro Spallanzani, een professor aan de Universiteit van Padua, het vermogen van blinde vleermuizen om te navigeren met behulp van ultrageluid. Hij stelde vast dat vleermuizen goed in het donker vlogen zonder de hulp van het gezichtsvermogen. Hij ontwierp vervolgens een uniek experiment om het gebruik van de oren van de vleermuis aan te tonen en concludeerde dat een vleermuis gedesoriënteerd zou raken zonder zijn gehoor. Hij concludeerde dat de vleermuizen een continue trein van geluidspulsen produceerden en suggereerde dat de snelheid van deze pulsen toenam naarmate een vleermuis objecten naderde. Dit werd pas in 1939 bewezen toen professor Don Griffin van de Harvard Universiteit het verschijnsel bevestigde met behulp van nieuwe geluidsopnametechnieken en instrumenten die voorheen niet beschikbaar waren. Hoewel deze studies niet tot onmiddellijke conclusies leidden, dienden de concepten om de eerste radars te creëren.

Al in 1864 ontwikkelde de Britse natuurkundigeJames Clerk Maxwell een reeks vergelijkingen die het gedrag van elektromagnetische golven en de wetten van reflecties zouden bepalen. In 1886 experimenteerde de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz met vonkzenders en genereerde hij gedempte RF-golven bij een golflengte van 66 cm. Hij ontdekte toen dat de elektromagnetische golven door sommige soorten materialen konden worden doorgelaten, terwijl andere materialen ze weerkaatsten. Zo werden de nieuw ontdekte elektromagnetische golven Hertziaanse golven genoemd, naar zijn naam.

Eerdere bijdragen

Pas in 1903 stelde de Duitse ingenieurChristian Hulsmeyer een “obstakeldetector” voor schepen voor en ontwikkelde deze. Zijn experimenten bleken succesvol op een afstand van een mijl, maar resulteerden niet in een praktische radar. Radar, als anti-botsingssysteem, werd gezien als een wenselijk instrument, vooral na het succesvolle gebruik van radiocommunicatie bij de ramp met de Titanic in 1912.

Radar werd praktisch door verschillende uitvindingen die bijna samenvielen rond de eeuwwisseling van de 19e eeuw en het begin van de 20e eeuw. Ten eerste werd de voortdurende opwekking van niet-gedempte of continue radiogolven mogelijk met de uitvinding van de thermionische klep, of de Audion zoals hij werd genoemd, door Lee De Forest (de uitvinder ervan) in 1906. Dit was een uitloper van de eerdere uitvinding van de Fleming-klep in 1904, en de uitvinding van het Edison-effect in 1883.

De Audion maakte verdere ontwikkelingen in de radio-ontvangertechnologie mogelijk met de uitvinding van de superheterodyne radio-ontvanger door Edwin H. Armstrong in 1918, een uitvinding die vandaag de dag nog steeds in ons midden is. De laatste belangrijke uitvinding die uiteindelijk radar mogelijk maakte, was de vroege introductie van de oscilloscoop in 1920, die het op zijn beurt voor het eerst mogelijk maakte om tijdsintervallen tussen gebeurtenissen, en bijgevolg afstand, weer te geven op een kathodestraalbuis, een ander gevolg van de Audion. Vanaf dit punt was het slechts een kwestie van tijd voordat radar een belangrijk deel van ons leven zou gaan uitmaken.

Na 1920 was de vooruitgang op radargebied niet meer te stuiten. Serieuze beschouwingen over de mogelijkheid om afstand te bepalen via de radio werden gegeven door Marconi in 1916. Hij merkte de weerkaatsing van kortegolfs morsecode radiocommunicatiesignalen op en de mogelijkheid om deze signalen niet alleen te gebruiken om te communiceren, maar ook om via echo’s de afstand van voorwerpen te bepalen. Het was in juni 1922 in New York op het American Institute of Electrical and Radio Engineers, dat hij de realisatie van de radar verkondigde in zijn key address note. Hij voorspelde toen nieuwe types maritieme radio-apparatuur die radiogolven zou projecteren en de weerkaatsing ervan door metalen voorwerpen zou detecteren, zodat de aanwezigheid en de peiling van andere schepen in het donker of in nevel “onmiddellijk zichtbaar” zouden worden. Aanvullend werk werd in 1922 verricht door Taylor en Young van NRL die houten schepen detecteerden met behulp van continue golf RF-technieken bij een golflengte van 5 meter. In 1924 gebruikte een Britse natuurkundige, Sir Edward Victor Appleton, radio-echo’s om de hoogte van de ionosfeer te bepalen, terwijl in 1925 in de V.S. Breit en Tuve voor het eerst gepulseerde radartechnieken gebruikten om hetzelfde te doen.

Aanvullend werk werd gedaan in de USSR in 1934. Dit resulteerde in een ruw radar systeem voor vroegtijdige waarschuwing dat tijdens WO2 werd gebruikt tegen de Duitse vliegtuigen om de steden Leningrad en Moskou te beschermen. Tegelijkertijd werd in 1934 in de V.S. octrooi verleend aan Taylor, Young en Hyland van het NRL voor een systeem voor radiodetectie van objecten en in de V.S. werd verdere belangstelling voor de ontwikkeling van radar getoond door het Naval Research Laboratory, het U.S. Army Signal Corps, RCA en AT&T Bell Laboratories. Verdere radarontwikkelingen vonden plaats in Duitsland in de jaren 1930 met Rudolf Uhnhold en de elektronicafirma Telefunken die begonnen te experimenteren met radiodetectie van schepen.

MMarconi’s eerste werk op het gebied van maritieme richtingsbepalingstechnieken hielp de weg vrij te maken voor de ontwikkeling van de eerste praktische radar in Groot-Brittannië. Dit werk wordt toegeschreven aan de Britse natuurkundige Sir Robert Watson-Watt die in februari 1935 het eerste HF-radarsysteem demonstreerde dat werkte op 6 MHz en vliegtuigen detecteerde op een afstand van 8 mijl. In september 1935 demonstreerden de Britse wetenschappers gepulseerde radar op 12 MHz . Deze detecteerde vliegtuigen op een afstand van meer dan 40 mijl, en in maart 1936 demonstreerde Groot-Brittannië de detectie van vliegtuigen op 25 MHz op een afstand van 90 mijl. Intussen experimenteerde het NRL in de V.S. met de eerste radarecho’s met pulsen van een halve microseconde bij een nog hogere frequentie, 28,3 MHz op een afstand van 2,5 mijl. Spoedig daarna werd het bereik uitgebreid tot 25 mijl.

“Chain-Home”

Pas in 1939 werd in Groot-Brittannië radar serieus overwogen voor de verdediging tegen vroegtijdige waarschuwing. Al snel werd voor het eerst een complex systeem gebouwd als praktisch hulpmiddel. De eerdere experimenten met luchtverdediging van 1935 door Sir Watson-Watt wierpen hun vruchten af en resulteerden in het eerste praktische HF-radarsysteem voor vroegtijdige waarschuwing in Engeland. Dit systeem werd “Chain-Home” genoemd.

Het systeem bestond uit vele gepulseerde radarstations, gebouwd op 350 voet hoge torens, ongeveer als een “ketting” rond de Britse eilanden om Engeland te beschermen tegen Duitse invasies vanuit de lucht. Het “Chain-Home” systeem omzoomde de gehele zuid- en oostkust van Engeland.

Hoewel dit systeem zijn doel diende, waren de HF-installaties nogal groot vanuit het oogpunt van golflengte en RF-vermogen was beperkt door de vroege buizentechnologie van die tijd, resulterend in beperkte prestaties.

Het werd onmiddellijk duidelijk dat ondanks zijn complexiteit, “Chain-Home” beperkt was in zijn prestaties. Er was iets beters nodig om de tekortkomingen van de technologie te ondervangen. Om met een hogere resolutie en verder weg te kunnen zien, waren hogere frequenties (kortere golflengten) en zendtechnieken met een hoger vermogen nodig.

De Magnetron

Het jaar was 1939. De Britse regering zag de tekortkomingen van het “Chain-Home” systeem en vroeg twee wetenschappers, professor John Randall en professor Henry Boot van het Departement Fysica van de Universiteit van Birmingham om met een krachtige microgolfbron te komen ter vervanging van de oude buizentechnologie. Slechts zes maanden later, in februari 1940, vonden de twee wetenschappers de resonante holte magnetron uit.

Deze magnetron genereerde 10 kilowatt RF vermogen bij een golflengte van 10 centimeter, ongeveer duizend maal krachtiger dan elke andere buismicrogolfbron in die tijd.

De magnetron was echter een grillig apparaat om te fabriceren, en Groot-Brittannië realiseerde zich al snel het onvermogen van zijn industrie, al gewurgd door de Duitse luchtaanvallen, om magnetrons te fabriceren in de hoeveelheden die nodig waren om nieuwe en betere radarsystemen te produceren. Het was duidelijk dat de veelzijdigheid van de magnetron vliegtuigen kon voorzien van ongekende mogelijkheden om Duitse U-boot periscopen op zee en tanks op het land te zien. De magnetron zou een ware revolutie betekenen voor de radartechnologie.

Britannië stond voor zijn meest wanhopige uren. Elke nacht vielen er bommen boven Liverpool en Londen en een nazi-invasie was op handen. De Britse premier Winston Churchill besloot snel, met zijn beperkte middelen, de uitvinding Magnetron naar de Verenigde Staten te sturen, waar enorme industriële hulpbronnen beschikbaar waren om het te produceren.

Nauwelijks ontsnapt aan de Duitse bommen en varend vanuit Liverpool, stak de eerste magnetron in september 1940 in het geheim de Atlantische Oceaan over aan boord van het Canadese lijnschip Duchess of Richmond. Dit was een uiterst geheime missie onder leiding van Sir Henry Tizard, rector van het Imperial College of Science and Technology en voorzitter van het belangrijkste wetenschappelijke comité van de Britse regering voor luchtverdediging. Deze historische gebeurtenis staat bekend als de Tizard Missie.

De Britse Magnetron arriveert bij Raytheon

De Hertogin van Richmond arriveerde rustig in de Cape Race van Newfound Land en de haven van Halifax op de ochtend van 6 september 1940. Van hieruit vertrok de kostbare lading per spoor naar Washington, D.C. De volgende dagen ontmoette Tizard Amerikaanse regeringsfunctionarissen, waaronder de minister van Marine Franklin Knox en FDR.

Ten slotte ontmoette Tizard zijn technische Amerikaanse tegenhanger, dr. Vannevar Bush een wetenschapper aan het MIT en tevens medeoprichter van de American Appliance Company ook bekend als Raytheon (een naam die Licht der Goden betekent), een grote gevestigde elektronicafabrikant in de V.S..

Het is op dit punt dat Raytheon in de magnetron industrie business stapt. Er werd snel een ontmoeting geregeld tussen Tizard en Percy L. Spencer, Raytheon’s hoofdingenieur. Spencer was een briljante selfmade ingenieur en een fervent radioamateur met een praktisch gevoel voor wat kan worden bereikt. Hij luisterde aandachtig naar de fabricageproblemen die de Britten beschreven, en vroeg of hij de magnetron in het weekend mee naar huis mocht nemen om er in zijn radiohut mee te spelen. De toestemming werd verleend en Spencer kwam met radicale veranderingen en prestatieverbeteringen die de magnetron voor het eerst maakbaar maakten. Er werd onmiddellijk een contract gegund aan Raytheon voor een kleine hoeveelheid magnetrons en tegen het einde van WO II produceerde Raytheon meer dan 80% van alle magnetrons in de VS.

Ook vond de Magnetron, dankzij Percy Spencer, zijn weg naar de microgolfoven. In 1945 ontdekte Spencer een smeltende chocoladereep in zijn borstzak terwijl hij voor een door een magnetron aangedreven radar stond. Hij realiseerde zich onmiddellijk de waarde van deze ontdekking. Uitvinder Spencer, die in zijn leven meer dan 120 patenten verwierf, zag de praktische toepassing van de magnetron in de keuken en hield onmiddellijk een zak maïszaden naast de door een magnetron aangedreven radarzender en kreeg popcorn. Raytheon ontwikkelde en bracht in 1954 de eerste magnetronoven ooit op de markt die gebruik maakte van de magnetron. Het stond bekend als de 1161 Radar Range. Hij was 2 meter hoog en woog 750 pond. Aanvankelijk werd hij alleen gebruikt door luxe restaurants en oceaanstomers, maar in 1967 produceerde de Amana-divisie van Raytheon de eerste huishoudelijke magnetron. Tegenwoordig is de magnetron in elke keuken te vinden. De meeste magnetrons worden tegenwoordig in Japan of China geproduceerd.

Van de oprichting in 1922 als de American Appliance Company tot het nieuwe begin in 1925 als Raytheon (Licht van Goden), tot de uitvinding van de gelijkrichterbuis (genaamd de Raytheon) waardoor radio-ontvangers op wisselstroom konden werken zonder een batterij nodig te hebben, tot de eerste geleide raket, tot ruimtecomputers die de historische maanreizen mogelijk maakten, tot de aanwezigheid van vandaag in elk aspect van de radio en radar, Raytheon is een onbetwiste wereldwijde leider van RF-technologie geweest.