Vem uppfann Radar?

av Cornell Drentea, KW7CD

———-

När vi tänker på radio tänker vi oftast på en man: Guglielmo Marconi.

Radar är däremot ett resultat av många mäns arbete.

I 1793 studerade den italienske vetenskapsmannen Lazzaro Spallanzani, professor vid universitetet i Padua, blinda fladdermössens förmåga att navigera med hjälp av ultraljud. Han observerade att fladdermöss flög bra i mörkret utan hjälp av synen. Han utformade sedan ett unikt experiment för att demonstrera användningen av fladdermusens öron och drog slutsatsen att en fladdermus skulle bli desorienterad utan sin hörsel. Han drog slutsatsen att fladdermössen producerade ett kontinuerligt tåg av ljudpulser och föreslog att hastigheten på dessa pulser ökade när fladdermössen närmade sig föremål. Detta bevisades inte förrän 1939 när professor Don Griffin vid Harvard University bekräftade fenomenet med hjälp av nya ljudinspelningstekniker och instrument som inte tidigare varit tillgängliga. Även om dessa studier inte resulterade i några omedelbara slutsatser, tjänade begreppen till att skapa de första radarerna.

Sedan 1864 utvecklade den brittiske fysikern James Clerk Maxwell en uppsättning ekvationer som skulle styra elektromagnetiska vågors beteende och lagarna för reflektioner. År 1886 experimenterade den tyske fysikernHeinrich Hertz med gnistsändare och genererade dämpade RF-vågor med en våglängd på 66 cm. Han upptäckte sedan att de elektromagnetiska vågorna kunde överföras genom vissa typer av material medan andra material reflekterade dem. Därför fick de nyupptäckta elektromagnetiska vågorna namnet Hertzska vågor, efter hans namn.

Första bidrag

Det var inte förrän 1903 som den tyske ingenjörenChristian Hulsmeyer föreslog och utvecklade en ”hinderdetektor” för fartyg. Hans experiment visade sig vara framgångsrika på ett avstånd av en mil, men resulterade inte i en praktisk radar. Radar, som ett system för att förhindra kollisioner, var ett önskvärt verktyg, särskilt efter den framgångsrika användningen av radiokommunikation vid Titanic-katastrofen 1912.

Radar blev praktiskt användbar på grund av flera uppfinningar som ägde rum nästan samtidigt vid sekelskiftet mellan 1800-talet och början av 1900-talet. För det första blev det möjligt att generera kontinuerliga radiovågor utan dämpning eller kontinuerliga radiovågor i och med uppfinningen av termionventilen, eller Audion som den kallades, av Lee De Forest (dess uppfinnare) 1906. Detta var en avknoppning av den tidigare uppfinningen av Fleming-ventilen 1904 och Edison-effekten 1883.

Audion möjliggjorde ytterligare utveckling av radiomottagartekniken genom Edwin H. Armstrongs uppfinning av den superheterodyniska radiomottagaren 1918, en uppfinning som finns kvar än i dag. Den sista stora uppfinningen som slutligen gjorde radar möjlig var den tidiga introduktionen av oscilloskopet 1920, som i sin tur för första gången gjorde det möjligt att visa tidsintervall mellan händelser, och därmed avstånd, på ett katodstrålerör, en annan följd av Audion. Från denna tidpunkt var det bara en tidsfråga innan radar skulle bli en stor del av vårt liv.

Efter 1920 var framstegen inom radar överhängande. Seriösa överväganden om möjligheten att bestämma avstånd med hjälp av radio gjordes av Marconi 1916. Han noterade reflektionen av kortvågiga radiokommunikationssignaler med morsekod och möjligheten att använda dessa signaler inte bara för att kommunicera, utan också för att bestämma avståndet till objekt via ekon. Det var i juni 1922 i New York vid American Institute of Electrical and Radio Engineers som han i sitt huvudanförande förklarade att han hade förverkligat radarn. Han förutspådde då nya typer av marina radioapparater som skulle projicera radiovågor och upptäcka deras reflektioner från metallföremål för att ”omedelbart avslöja” andra fartygs närvaro och bäring i mörker eller dimma. Ytterligare arbete utfördes 1922 av Taylor och Young vid NRL som upptäckte träfartyg med hjälp av radioteknik med kontinuerlig våg vid en våglängd på 5 meter. År 1924 använde en brittisk fysiker, Sir Edward Victor Appleton, radioekon för att bestämma jonosfärens höjd, medan Breit och Tuve 1925 i USA för första gången använde sig av pulsad radarteknik för att göra samma sak.

Utvidare arbete utfördes i Sovjetunionen 1934. Detta resulterade i ett grovt radar för tidig varning som användes under andra världskriget mot de tyska flygplanen för att skydda städerna Leningrad och Moskva. Det var samtidigt, 1934, som ett patent beviljades i USA till Taylor, Young och Hyland vid NRL för ett system för att upptäcka föremål via radio och ytterligare intresse för radarutveckling visades i USA av Naval Research Laboratory, U.S. Army Signal Corps, RCA och AT&T Bell Laboratories. Ytterligare radarutveckling ägde rum i Tyskland på 1930-talet medRudolf uhnhold och elektronikföretaget Telefunken som började experimentera med radiodetektering av fartyg.

MMarconis inledande arbete med maritima pejlningstekniker bidrog till att bana väg för utvecklingen av den första praktiska radarn i Storbritannien. Detta arbete har tillskrivits den brittiske fysikern Sir Robert Watson-Watt som i februari 1935 demonstrerade det första HF-radarsystemet som fungerade vid 6 MHz och upptäckte flygplan på ett avstånd av 8 miles. I september 1935 demonstrerade de brittiska forskarna pulserande radar vid 12 MHz . Detta upptäckte flygplan på ett avstånd på mer än 40 miles, och i mars 1936 demonstrerade Storbritannien upptäckt av flygplan på 25 MHz på ett avstånd på 90 miles. Under tiden experimenterade NRL i USA med de första radarekona med pulser på en halv mikrosekund med en ännu högre frekvens, 28,3 MHz på ett avstånd av 2,5 miles. Kort därefter utökades räckvidden till 25 miles.

”Chain-Home”

Det var först 1939 som radar på allvar övervägdes för försvaret av tidig varning i Storbritannien. Ett komplext system byggdes snabbt för första gången som ett praktiskt verktyg. Sir Watson-Watts tidigare experiment med luftförsvar från 1935 gav resultat, vilket resulterade i det första praktiska HF-radarsystemet för tidig varning i England. Detta kallades ”Chain-Home.”

Systemet bestod av många pulsade radarstationer som byggdes på 350 fot höga torn ungefär som en ”kedja” runt de brittiska öarna för att skydda England mot tyska luftinvasioner. ”Chain-Home”-systemet kantar hela Englands syd- och östkust.

Och även om detta system tjänade sitt syfte var HF-installationerna ganska stora ur våglängdssynpunkt och HF-effekten begränsades av den tidiga rörtekniken på den tiden, vilket resulterade i begränsad prestanda.

Det blev genast uppenbart att ”Chain-Home”, trots sin komplexitet, var begränsat i sin prestanda. Något bättre behövdes för att övervinna teknikens brister. För att kunna se med högre upplösning och på längre avstånd behövdes högre frekvenser (kortare våglängder) och sändningsteknik med högre effekt.

Magnetronen

Året var 1939. Den brittiska regeringen såg bristerna i ”Chain-Home”-systemet och bad två forskare, professor John Randall och professor Henry Boot vid institutionen för fysik vid Birminghams universitet, att ta fram en kraftfull mikrovågskälla som skulle ersätta den gamla rörtekniken. Bara sex månader senare, i februari 1940, uppfann de två vetenskapsmännen magnetronen med resonanskavitet.

Denna magnetron genererade 10 kilowatt högfrekvenseffekt vid 10 centimeters våglängd, vilket var ungefär tusen gånger kraftfullare än någon annan mikrovågskälla med rör vid den tiden.

Men magnetronen var en nyckfull apparat att tillverka, och Storbritannien insåg snabbt att dess industri, som redan var strypt av de tyska flygattackerna, var oförmögen att tillverka magnetroner i de mängder som krävdes för att tillverka nya och bättre radarsystem. Det stod klart att magnetronens mångsidighet skulle kunna ge flygplanen en aldrig tidigare skådad förmåga att se de tyska ubåtsperiskoperna till havs och stridsvagnarna på land. Magnetronen kunde verkligen revolutionera radartekniken.

Britanien stod inför sina mest desperata timmar. Bomber föll varje natt över Liverpool och London och en nazistisk invasion var nära förestående. Med sina begränsade resurser fullt sysselsatta fattade Storbritanniens premiärminister Winston Churchill snabbt ett beslut om att skicka magnetronuppfinningen till USA, där enorma industriella resurser fanns lättillgängliga för att tillverka den.

Med knapp nöd undkom de tyska bomberna och seglade från Liverpool, och den första magnetronen korsade i hemlighet Atlanten i september 1940 ombord på det kanadensiska linjeskeppet Duchess of Richmond. Detta var ett mycket hemligt uppdrag som utfördes av Sir Henry Tizard, rektor för Imperial College of Science and Technology och ordförande för den brittiska regeringens viktigaste vetenskapliga kommitté för luftförsvar. Denna historiska händelse är känd som Tizard-uppdraget.

Den brittiska magnetronen anländer till Raytheon

Duchess of Richmond anlände lugnt till Newfound Land’s Cape Race och Halifax hamn på morgonen den 6 september 1940. Härifrån gick den dyrbara lasten till Washington D.C. via järnväg. Under de följande dagarna träffade Tizard amerikanska regeringstjänstemän, däribland marinminister Franklin Knox och FDR.

Slutligt träffade Tizard sin tekniska amerikanska motsvarighet, dr. Vannevar Bush en forskare vid MIT och även medgrundare av American Appliance Company även känt som Raytheon (ett namn som betyder Gudarnas ljus), en stor etablerad elektroniktillverkare i USA.

Det är vid denna tidpunkt som Raytheon ger sig in i magnetronindustrins verksamhet. Ett möte arrangerades snabbt mellan Tizard och Percy L. Spencer, Raytheons chefsingenjör. Spencer var en briljant självständig ingenjör och en ivrig radioamatör med en praktisk känsla för vad som kan åstadkommas. Han lyssnade noga på de tillverkningsproblem som britterna beskrev och bad att få ta med sig magnetronen hem över helgen för att leka med den i sin hammarstuga. Tillståndet beviljades och Spencer kom med radikala förändringar och prestandaförbättringar som gjorde magnetronen tillverkningsbar för första gången. Ett kontrakt tilldelades omedelbart Raytheon för en liten mängd magnetroner och i slutet av andra världskriget tillverkade Raytheon över 80 % av alla magnetroner i USA.

Dock tack vare Percy Spencer hittade magnetronen sin väg in i mikrovågsugnen. År 1945 upptäckte Spencer en smältande chokladkaka i sin skjortficka när han stod framför en magnetrondriven radar. Han insåg omedelbart värdet av denna upptäckt. Uppfinnaren Spencer, som fick över 120 patent under sin livstid, såg magnetronens praktiska tillämpning i köket och höll genast en påse majsfrön bredvid den magnetrondrivna radarsändaren och fick popcorn. Raytheon utvecklade och marknadsförde den första mikrovågsugnen med magnetron 1954. Den var känd som 1161 Radar Range. Den var 1,5 meter hög och vägde 750 pund. Till en början användes den endast av lyxrestauranger och oceanliners, men 1967 tillverkade Raytheons Amana-division den första mikrovågsugnen för hushållskök. I dag finns magnetronen i varje kök. De flesta magnetroner tillverkas idag i Japan eller Kina.

Från starten 1922 som American Appliance Company till en nystart 1925 som Raytheon (Light of Gods), till uppfinningen av likriktarröret (kallat Raytheon) som gjorde det möjligt för radiomottagare att drivas med växelström utan att behöva ett batteri, till den första styrda missilen, till rymddatorerna som möjliggjorde de historiska månresorna, till dagens närvaro inom alla aspekter av radio och radar har Raytheon varit en obestridd global ledare inom RF-teknik.