一個(gè)神色緊張的年輕人走出他在加州理工學(xué)院的工程實(shí)驗(yàn)室，查看到底發(fā)生了什么事情。在這所大學(xué)附近的高壓實(shí)驗(yàn)室里，大團(tuán)大團(tuán)的電光從古怪的設(shè)備中騰躍而出。這是1931年，好萊塢的一個(gè)劇組正在拍攝波利斯•卡洛夫的電影《科學(xué)怪人》的第一部，那些電光就是現(xiàn)場的火花特效。這名嚴(yán)肅的年輕工程師喜歡電影，但當(dāng)他走回凱洛格輻射實(shí)驗(yàn)室的長凳邊坐下時(shí)，他可能還不知道，他正在研究的一種新型真空管有一天會(huì)徹底顛覆電影業(yè)，使電視臺(tái)能夠?qū)ⅰ犊茖W(xué)怪人》和無數(shù)其他電影通過衛(wèi)星發(fā)送到千家萬戶。

這個(gè)年輕人就是安德瑞•哈耶夫（Andrei Haeff），也就是“安迪（Andy）”（本文作者之一Andre Haeff的父親），而他正在研究的設(shè)備就是后來被稱為行波管的設(shè)備的雛形。這種頗為奇特的真空管是早期電信、雷達(dá)以及電視廣播系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。例如，1952年，英國廣播公司（BBC）利用該技術(shù)在英格蘭的曼徹斯特和一個(gè)廣播站（位于格拉斯哥和愛丁堡之間）間開拓了一系列微波連接，使該公司無須鋪設(shè)冗長的電纜就可以將電視節(jié)目發(fā)送到蘇格蘭。但是，在通信衛(wèi)星出現(xiàn)以后，這種輕型、低功耗的行波管才真正閃耀出光彩。現(xiàn)在，由于衛(wèi)星行波管的出現(xiàn)，人們最喜愛的所有信號(hào)——寬帶、電話和電視信號(hào)——幾乎都可以到達(dá)地球上的任何地方。

盡管行波管如此重要，但它的起源還是鮮為人知。大多數(shù)權(quán)威機(jī)構(gòu)將它的發(fā)明歸功于一個(gè)名為魯?shù)婪?bull;康夫納（Rudolf Kompfner）的奧地利建筑師，據(jù)說是他于第二次世界大戰(zhàn)期間在英國發(fā)明了行波管。事實(shí)上，有關(guān)這個(gè)課題的教材往往也趨于承認(rèn)康夫納是唯一的發(fā)明者。

不過事實(shí)上，行波管可以追溯到更早以前。它的首創(chuàng)者并不是康夫納，而是生性靦腆、認(rèn)真的安迪•哈耶夫。因此，我們有必要重新審視哈耶夫?qū)@一重要技術(shù)所作的貢獻(xiàn)，并探討他究竟是怎么被這段技術(shù)史忽略的。

故事開始于1931年的美國加州。當(dāng)時(shí)哈耶夫來到美國只有短短幾年的時(shí)間，這之前，在他的祖國俄國發(fā)生布爾什維克革命不久后，他曾于1920年隨父母和兄弟姐妹移居中國。

那時(shí)，哈耶夫剛剛在加州理工學(xué)院獲得了碩士學(xué)位，并且正在進(jìn)行研究工作，希望很快可以獲得博士學(xué)位。他的論文課題是微波電子學(xué)，在那個(gè)時(shí)代，這代表著高技術(shù)的前沿。沒有人知道如何有效地放大微波信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)真空管還無法處理這么高的頻率。

這位年輕的工程師開始研究一種真空管，高頻無線電波螺旋式環(huán)繞其中，連接著一個(gè)螺旋銅電極，而電子在平行于螺旋軸線的方向投射出一個(gè)電子束。在螺旋周圍的移動(dòng)降低了波沿著真空管軸線移動(dòng)的速度，使其與慢速電子的速度相匹配，產(chǎn)生強(qiáng)大的相互作用，從電子束中吸收能量并將波放大。哈耶夫的原型中使用兩個(gè)平行的螺旋形電極，一個(gè)電子束在其間穿梭。他在1933年10月為這個(gè)新型管申請(qǐng)他的第一個(gè)專利時(shí)，用了“行波”這個(gè)詞來指代螺旋運(yùn)動(dòng)的高頻波。他的發(fā)明成為后來的螺旋行波管的第一個(gè)實(shí)例。

哈耶夫這一新型行波管的靈感來自對(duì)圣莫尼卡海灘上沖浪者的觀察，他發(fā)現(xiàn)沖浪板和波浪的速率必須匹配，沖浪者才能有效地利用波浪的能量。

哈耶夫在1932年獲得了博士學(xué)位，之后他在加州理工學(xué)院電子工程系擔(dān)任研究員，繼續(xù)從事他革命性的新型管研究。一些在行波管的起源中提到哈耶夫的故事通常都會(huì)（非常不準(zhǔn)確地）說，他忽略了行波管作為放大器的用途。事實(shí)上，當(dāng)哈耶夫?yàn)樗脑O(shè)計(jì)申請(qǐng)專利時(shí)，他強(qiáng)調(diào)了行波管的3種用途，包括作為微波信號(hào)探測器，以及“放大……非常高的無線電頻率”。因此，毫無疑問，他意識(shí)到了他的行波管有能力超越傳統(tǒng)真空管的上限放大頻率。

更重要的是，哈耶夫的新型管并不只是紙上談兵：在他提交專利申請(qǐng)前不久，他用一個(gè)行波管搭建了一個(gè)在750兆赫頻率下運(yùn)行的便攜式無線電發(fā)射器和接收器——這個(gè)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了當(dāng)時(shí)的其他無線電設(shè)備。

1934年3月，哈耶夫離開了加州理工學(xué)院，加入了新澤西州哈里森市RCA公司的研究和工程部。加州理工學(xué)院的負(fù)責(zé)人、物理學(xué)家羅伯特•A•米利肯（Robert A. Millikan）代表該學(xué)院的管理機(jī)構(gòu)授予了他發(fā)明的所有權(quán)利。哈耶夫很快以1.2萬美元的高價(jià)——約合今天的20萬美元——將行波管的專利權(quán)以及一臺(tái)可用的原型機(jī)出售給了RCA公司。后來，在1936年，RCA公司為哈耶夫的設(shè)計(jì)申請(qǐng)了第二項(xiàng)專利。但是，該公司并沒有允許哈耶夫?qū)@項(xiàng)發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)，而是希望他集中精力開發(fā)用于電視接收器的微型管和電路。

隨后，行波管被重新發(fā)現(xiàn)了不是一次，而是兩次。第一次是在1940年，RCA公司的一名天線專家尼爾斯•林頓布萊德（Nils Lindenblad）為一種改良的行波管申請(qǐng)了專利。這是在哈耶夫?qū)⑺?933年的專利權(quán)出售給RCA公司6年之后。很難想象林頓布萊德會(huì)不知道哈耶夫的早期發(fā)明：林頓布萊德的專利申請(qǐng)和RCA公司1936年對(duì)哈耶夫行波管的專利申請(qǐng)都是由RCA公司的同一個(gè)專利律師哈里•G•格羅弗（Harry G. Grover）經(jīng)手的。

林頓布萊德并不是真空管設(shè)計(jì)師，人們還不清楚他后來是如何開始研究螺旋電極的。雖然他和哈耶夫當(dāng)時(shí)都是RCA公司的雇員，但他們的實(shí)驗(yàn)室相距約100公里（約60英里），我們也沒有證據(jù)表明他們?cè)娺^面。

一個(gè)很大的可能性是，哈耶夫在加州理工學(xué)院的同事弗雷德•克羅格（Fred Kroger）可能指導(dǎo)林頓布萊德研究了哈耶夫的專利。1933年，克羅格曾幫助哈耶夫制造了用來展示行波管功能的微波發(fā)射器和接收器。而當(dāng)哈耶夫從加州搬到新澤西時(shí)，正是克羅格將行波管的原型機(jī)裝在自己的汽車后備箱里運(yùn)到了那里。他也曾參與哈耶夫?qū)CA公司進(jìn)行的那項(xiàng)利潤豐厚的專利權(quán)出售。與林頓布萊德一樣，克羅格也曾在紐約州羅基波因特的RCA通信公司工作，他們都是RCA公司早期進(jìn)軍電視廣播的關(guān)鍵人物。事實(shí)上，正是為此，林頓布萊德才重塑了行波管。

幾年之內(nèi)，行波管又被第三次發(fā)現(xiàn)——這次是在英國的伯明翰大學(xué)。1940年，物理學(xué)家們?cè)谝粋€(gè)由英國海軍部設(shè)立的特殊實(shí)驗(yàn)室里開發(fā)了一種產(chǎn)生微波的強(qiáng)大真空管：多腔磁控管。據(jù)說，磁控管對(duì)第二次世界大戰(zhàn)進(jìn)程的影響要比其他任何一個(gè)發(fā)明都大，因?yàn)樗菢?gòu)建功能強(qiáng)大、精準(zhǔn)的小型雷達(dá)裝置的關(guān)鍵，它結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，可以安裝到飛機(jī)上。

當(dāng)1941年康夫納加入該實(shí)驗(yàn)室后，他白天研究磁控管和速調(diào)管（另一種用于放大微波的真空管），而在晚上進(jìn)行自己的發(fā)明，包括一種行波管放大器。康夫納在伯明翰實(shí)驗(yàn)室完成了他的第一個(gè)行波管，自己動(dòng)手在車床上纏繞了長長的銅螺旋。結(jié)果還是不錯(cuò)的，1944年6月，英國海軍部代表他提出了專利申請(qǐng)。

在1946年《無線世界》（Wireless World）的一篇文章中，康夫納描述了成為未來商用版原型的行波管。不過，他的行波管在本質(zhì)上與林頓布萊德不太知名的設(shè)計(jì)并沒有什么不同，而諷刺的是，林頓布萊德的行波管在1942年10月就被授予了美國專利，而此時(shí)，康夫納還正在重新發(fā)現(xiàn)行波管。

雖然康夫納在《無線世界》的文章中描述的行波管與哈耶夫的行波管利用了基本相同的原理，但它相比哈耶夫的設(shè)計(jì)還是有了顯著改進(jìn)，其中電子束的運(yùn)動(dòng)范圍更靠近螺旋圓周。與林頓布萊德的早期設(shè)計(jì)一樣，康夫納采用了哈耶夫在進(jìn)行開創(chuàng)性工作時(shí)還沒有的精密電子槍，使電子束在螺旋內(nèi)部沿著中心軸行進(jìn)。這種方法帶來了更高的放大率，因?yàn)樗昧瞬煌奈锢碓?mdash;—調(diào)速和電子群聚。

這些現(xiàn)象在20世紀(jì)30年代的下半葉才被發(fā)現(xiàn)并研究——最初是由奧斯卡•海爾（Oskar Heil）和艾格尼絲•阿森耶娃-海爾（Agnes Arsenjewa-Heil）夫妻二人進(jìn)行的——他們使林頓布萊德和康夫納的設(shè)計(jì)成為可能。事實(shí)上，哈耶夫借由他1939年發(fā)明的感應(yīng)輸出管，成為了利用這些原理的第一批人之一（見本文最后章節(jié)：《哈耶夫的其他真空管》）。

康夫納在1964年出版的一本名為《行波管的發(fā)明》（The Invention of theTraveling Wave Tube）的30頁的小冊(cè)子里講述了他行波管的早期設(shè)計(jì)。在這本小冊(cè)子里，康夫納透露，使用螺旋電極的重要想法并不是他自己的。在試圖設(shè)計(jì)一種高頻示波器時(shí)，他意識(shí)到——就像之前的哈耶夫一樣——如果一個(gè)電場可以從光速降低到電子束的速度，那么電場就可以與電子束進(jìn)行交互作用。但是康夫納并不知道實(shí)現(xiàn)速度降低的方法?？捣蚣{說，1942年9月，他在伯明翰與其他真空管專家討論了他的高頻示波器，“有人建議使用螺旋”。

康夫納首先用電子束在螺旋外運(yùn)行的行波管進(jìn)行嘗試，就像哈耶夫在10年前做的那樣，即所謂的偏轉(zhuǎn)型行波管。但直到1943年4月，康夫納才產(chǎn)生了與林頓布萊德同樣的想法——用一個(gè)精準(zhǔn)的電子槍將電子束射向螺旋的中心。同年11月，康夫納表示，這種方法使放大增強(qiáng)了。

康夫納撰寫了大量關(guān)于他“發(fā)現(xiàn)”行波管的情況，多數(shù)見于1964年那本小冊(cè)子里。但在這大量的著作中，他從來沒有提到過哈耶夫的早期工作——而于1953年授予康夫納行波管設(shè)計(jì)的美國專利確實(shí)引用了哈耶夫以往的專利。

雖然康夫納對(duì)于哈耶夫早期的行波管閉口不提，但他還是強(qiáng)調(diào)了哈耶夫在調(diào)速和電子群聚工作方面的重要貢獻(xiàn)。1949年，康夫納在表示了海爾和阿森耶娃-海爾的早期嘗試“并沒有真正成功”之后，他接著說道：“然后，在幾個(gè)月（1938-年~1939年間）的時(shí)間里，美國研究人員發(fā)表了一系列論文，特別是哈耶夫、哈恩（William Hahn）和梅特卡夫（George Metcalf）、瓦里安兄弟（Russell Varian和Sigurd Varian）、漢森（William Webster Hansen）和韋伯斯特（David Webster），這改變了整個(gè)局面。”

哈耶夫生性謙虛，不愿自吹自擂。雖然對(duì)于自己早期的貢獻(xiàn)被忽視一事不怎么高興，但他并沒有公開表示抗議。不過他在1950年左右撰寫的一生工作總結(jié)中寫道：“我饒有興趣地注意到，最近公布的被稱為‘行波管’的‘革命性’設(shè)備是以我在我的專利中首先陳述的原理為基礎(chǔ)的，專利號(hào)為2064469和2233126，它們描述了行波管的基本理念。”但除此之外，他沒有做任何將自己與這個(gè)非凡的設(shè)備聯(lián)系起來的事，在約翰•皮爾斯將行波管的理念帶到RCA公司的競爭對(duì)手——貝爾實(shí)驗(yàn)室之后，也就是1944年他在英國遇到康夫納之后不久，行波管就變得極為重要了。1951年，康夫納自己也作為皮爾斯的門生加入了貝爾實(shí)驗(yàn)室。

皮爾斯是一名工程師，他最有名的事跡也許是在1948年發(fā)明了“晶體管”這個(gè)詞，后來他晉升為貝爾實(shí)驗(yàn)室的執(zhí)行董事。他與哈耶夫關(guān)系十分密切，在20世紀(jì)50年代初，他有一次還曾在哈耶夫的家里用餐。盡管如此，皮爾斯仍然無情地推銷康夫納——以及間接地推銷貝爾實(shí)驗(yàn)室——對(duì)于該專利的優(yōu)先權(quán)。他在1956年寫道：“關(guān)于行波管的來源，我只會(huì)說，它是在二戰(zhàn)期間由奧地利建筑師魯?shù)婪?bull;康夫納在英國發(fā)明的，他一直想成為一名物理學(xué)家。”

皮爾斯1950年出版的權(quán)威教科書《行波管》（Traveling-Wave Tubes）一書中并沒有提及哈耶夫的貢獻(xiàn)。而在歐洲，一本于1951年出版的法國教科書卻介紹了哈耶夫在行波管方面的早期工作。10年后，皮爾斯在一封信中告訴哈耶夫，他計(jì)劃撰寫一篇有關(guān)微波管發(fā)展歷史的文章，將涉及到哈耶夫“在1935年左右對(duì)行波與電子束的利用”。但是直到皮爾斯2002年去世，他都沒有撰寫一篇文章修正歷史。而且，只有少數(shù)一些專家意識(shí)到了哈耶夫早期工作的重要性，比如馬里蘭大學(xué)的維克多•格拉納茨坦（Victor Granatstein）在2000年寫道，哈耶夫“對(duì)于螺旋行波管的發(fā)展作出了不可或缺的貢獻(xiàn)”，并指出，利用螺旋將高頻波的速度降到與電子束同速這一“關(guān)鍵”想法“是在安德瑞•哈耶夫的專利中首次出現(xiàn)的”。

在1941年，哈耶夫離開RCA公司，去了美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室研究雷達(dá)；1950年，他又加入了加州卡爾弗城快速擴(kuò)張的休斯飛機(jī)公司的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室。在那里，他建立并領(lǐng)導(dǎo)了休斯電子管實(shí)驗(yàn)室，并最終成為了休斯公司的副總裁兼研發(fā)總監(jiān)。哈耶夫的實(shí)驗(yàn)室迅速開始開發(fā)行波管的高級(jí)版。

隨著衛(wèi)星通信成為廣播電視工程師研究的新前沿，1957年10月發(fā)射的俄羅斯人造衛(wèi)星給了哈耶夫更多的動(dòng)力。貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出發(fā)射一個(gè)軌道中繼站，利用一個(gè)基于地面站的網(wǎng)絡(luò)來連續(xù)追蹤它在空中的移動(dòng)。在1945年的一期《無線世界》中，科幻作家阿瑟•C•克拉克（Arthur C. Clarke）曾描述過把通信衛(wèi)星置于固定軌道上的想法，這樣就不會(huì)產(chǎn)生追蹤相對(duì)地球表面運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星時(shí)遇到的那些問題了。當(dāng)休斯公司的工程師哈羅德•羅森（Harold Rosen）建議公司開發(fā)這樣一種靜止衛(wèi)星時(shí)，他的許多同事都持懷疑態(tài)度，但哈耶夫說服了總經(jīng)理勞倫斯•海蘭（Lawrence Hyland），他認(rèn)為相比貝爾實(shí)驗(yàn)室的方案，靜止衛(wèi)星方案是更好的方案。

哈耶夫成立了一個(gè)特別工作組，研究商業(yè)衛(wèi)星通信的問題。1959年10月，這個(gè)特別工作組建議休斯公司繼續(xù)以閃電般的速度“在嚴(yán)密的安全措施下……進(jìn)行重大太空計(jì)劃”。這樣做的目的是要在大西洋上方的一個(gè)近似地球靜止軌道上安裝一個(gè)簡單的寬帶中繼衛(wèi)星。

該特別工作組進(jìn)一步倡導(dǎo)開發(fā)一種輕巧、高效的特別行波管，其重量約為1磅——大約是休斯公司標(biāo)準(zhǔn)版本的二十分之一。這種行波管將成為“提議的衛(wèi)星電子系統(tǒng)的心臟”，在衛(wèi)星將收到的信號(hào)以不同的頻率中繼回地球之前對(duì)其進(jìn)行放大。

休斯公司的Syncom衛(wèi)星成為世界上第一顆地球同步通信衛(wèi)星，于1963年成功進(jìn)入軌道。這次發(fā)射只是NASA贊助的一次測試，但它很快帶來了第一個(gè)商用通信衛(wèi)星，即1965年進(jìn)入軌道的、基于Syncom的“晨鳥（Early Bird）”衛(wèi)星，也被稱為Intelsat I。“晨鳥”的成功最終使休斯公司在后來的許多年里主導(dǎo)了通信衛(wèi)星制造。

當(dāng)這個(gè)由哈耶夫在二十多歲時(shí)開創(chuàng)、卻又很少與他的名字相關(guān)聯(lián)的設(shè)備成功搭載了人類的聲音穿越宇宙空間時(shí)，他一定會(huì)感到驕傲——還有萬千感慨吧。

哈耶夫的其他真空管

這名多產(chǎn)的工程師

幾十年來一直在進(jìn)行發(fā)明。

除了他的行波管以及他對(duì)軍事雷達(dá)和電子戰(zhàn)的廣泛貢獻(xiàn)，安德瑞•哈耶夫還發(fā)明了一系列重要的真空管，包括兩種富有創(chuàng)造性的放大器——電子波和吸收壁放大管。他還有一項(xiàng)突破也是一種放大器，稱為感應(yīng)輸出管（IOT，原型見上圖），這一發(fā)明使得RCA公司在1939年開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了電視廣播，在紐約市帝國大廈的頂部架設(shè)了發(fā)射器，并在紐約長島沿線設(shè)立了一系列中繼站。

哈耶夫?qū)τ?jì)算的貢獻(xiàn)包括他的電腦顯示器雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)和他在圖形和文本顯示上的早期工作。是他第一個(gè)發(fā)現(xiàn)了維持屏幕顯示內(nèi)容的方法，使屏幕內(nèi)容不只顯示一兩秒鐘。

哈耶夫還預(yù)見了虛擬現(xiàn)實(shí)的一些方面，早在1964年，他就發(fā)明了一種激光設(shè)備，用于掃描藝術(shù)品、建筑、博物館珍寶以及其他三維物品，以便技術(shù)人員可以對(duì)它們進(jìn)行虛擬重建。不過，行波管仍然是他所有發(fā)明中最偉大的。

作者：Jack Copeland, Andre A.Haeff