手機(jī)等移動(dòng)終端產(chǎn)品的電視接收天線(xiàn)設(shè)計(jì) - 全文

自數(shù)字電視開(kāi)播以來(lái)，各種電視接收產(chǎn)品也因應(yīng)市場(chǎng)需求不斷推出，舉凡帶有動(dòng)態(tài)顯示器的各種產(chǎn)品也均將導(dǎo)入電視接收功能，其功能的導(dǎo)入將涵蓋筆記型電腦、PDA、手機(jī)、手表、相機(jī)、頭戴式顯示器等各種可攜式產(chǎn)品之中，成為繼MP3之后最為廣泛的應(yīng)用；但是其接收電視訊號(hào)的能力往往決定產(chǎn)品整合的成敗與否。而電視接收天線(xiàn)也就成為此項(xiàng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。有鑒于此，將由對(duì)于天線(xiàn)的研發(fā)提出一些有利于業(yè)界在發(fā)展可攜式電視相關(guān)產(chǎn)品時(shí)的一些想法做為參考，并期使消費(fèi)者在選購(gòu)各種電視接收產(chǎn)品時(shí)有基本的認(rèn)知。

電視天線(xiàn)的分類(lèi)

不同的接收裝置必需搭載最適合的接收天線(xiàn)，各種電視接收天線(xiàn)均有其特性及優(yōu)缺點(diǎn)；其中固定式戶(hù)外天線(xiàn)在數(shù)位電視尚未開(kāi)播之前即已普遍，有VHF、UHF、V/UHF等固定型式，由于***地區(qū)的數(shù)位電視頻道位于UHF頻段，因此消費(fèi)者只要購(gòu)買(mǎi)適合無(wú)線(xiàn)接收的數(shù)位機(jī)頂盒（STB），在屋頂架設(shè)UHF天線(xiàn)就能夠收看數(shù)位電視節(jié)目。

接收天線(xiàn)并沒(méi)有數(shù)位與類(lèi)比的區(qū)別，只有頻段的區(qū)別；而數(shù)位機(jī)頂盒（STB）則有接收有線(xiàn)（Cable）與無(wú)線(xiàn)訊號(hào)的區(qū)別，若使用接收有線(xiàn)（Cable）的數(shù)位機(jī)頂盒（STB）接收無(wú)線(xiàn)的數(shù)位電視訊號(hào)，會(huì)由于調(diào)變的方式與播送訊號(hào)的方式完全不同，其收視能力必然不良；在接收天線(xiàn)上其特性為指向性高增益天線(xiàn)，故于安裝使用時(shí)必需調(diào)整其方向面對(duì)電視訊號(hào)發(fā)射臺(tái)以取得最大增益，通常在偏遠(yuǎn)電波微弱地區(qū)還可加裝強(qiáng)波器以提升訊號(hào)振幅方便收視，因?yàn)榫哂兄赶蛐怨视谝话慵茉O(shè)固定后不再變動(dòng)，同時(shí)體積過(guò)于龐大也不適合攜帶或行動(dòng)收視。

但是此種固定式戶(hù)外天線(xiàn)其調(diào)校后的接收性能是其他類(lèi)型天線(xiàn)難以達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)，故常用于電波較為微弱的地區(qū)。強(qiáng)波放大器較適用于指向性天線(xiàn)或有線(xiàn)電視訊號(hào)的補(bǔ)強(qiáng)，才能發(fā)揮作用；若使用在全向性（無(wú)指向性）天線(xiàn)，雖然訊號(hào)是放大了，其它不必要的相同頻率雜訊電波也同時(shí)放大，反而降低了收訊能力。

固定式室內(nèi)天線(xiàn)與固定式行動(dòng)接收天線(xiàn)，也就是一般常見(jiàn)安裝于車(chē)上或貼在車(chē)窗玻璃及室內(nèi)各型天線(xiàn)，此類(lèi)型天線(xiàn)式樣繁多，其中也有具備強(qiáng)波放大器于一體的產(chǎn)品，主要特色為體積比固定式戶(hù)外天線(xiàn)較小便于安裝，固定的延長(zhǎng)線(xiàn)除了提供天線(xiàn)與接收機(jī)的阻抗匹配也讓消費(fèi)者可以依使用場(chǎng)所置放于最佳的收訊位置，而稱(chēng)為固定式是因?yàn)橐坏┌惭b于室內(nèi)或車(chē)上的最佳位置后，不適于經(jīng)常變動(dòng)位置來(lái)接收電視訊號(hào)，也由于體積重量及放大器的功耗、配線(xiàn)安裝等更不適合攜帶使用。

此類(lèi)型天線(xiàn)的收訊能力雖不及固定式戶(hù)外天線(xiàn)，但由于方便安裝調(diào)整，故也常使用于電波不算差的環(huán)境使用。另外值得一提的是在移動(dòng)接收能力，無(wú)線(xiàn)電波傳輸速度遠(yuǎn)大于交通工具的移動(dòng)速度，況且無(wú)線(xiàn)電波也無(wú)法知道接收端所在位置，因此其移動(dòng)接收能力應(yīng)為與環(huán)境相容能力較有直接關(guān)系，例如室內(nèi)、戶(hù)外、車(chē)體內(nèi)、車(chē)體外的接收環(huán)境都完全不同就會(huì)影響到收訊能力。因此消費(fèi)者要使用此類(lèi)型天線(xiàn)必須先考量使用場(chǎng)所環(huán)境或車(chē)體結(jié)構(gòu)等因素才能發(fā)揮應(yīng)有效能。

可攜式行動(dòng)接收天線(xiàn)就是一種可以便于攜帶或與可攜式產(chǎn)品于一體的接收天線(xiàn)，也就是讓可攜式產(chǎn)品可以走到哪看到哪的電視接收天線(xiàn)。要在可攜式產(chǎn)品上接收電視訊號(hào)其天線(xiàn)必須小型化設(shè)計(jì)或是內(nèi)建隱藏式天線(xiàn)；由于頻率波長(zhǎng)的關(guān)系，要將半波長(zhǎng)25公分（600MHz）的天線(xiàn)縮小至數(shù)公分方便攜帶的接收天線(xiàn)，以及要將窄頻天線(xiàn)（如手機(jī)天線(xiàn)）設(shè)計(jì)為可以大范圍接收的寬頻天線(xiàn)，目前在全世界都還是技術(shù)瓶頸，但是在國(guó)外已有采用「分集式接收技術(shù)」（Diversity Reception）。

它的原理是在可攜式產(chǎn)品上配置兩種不同的天線(xiàn)，以同時(shí)對(duì)電視訊號(hào)進(jìn)行接收，然后采用訊號(hào)品質(zhì)較好的那個(gè)。例如三洋電機(jī)應(yīng)用手機(jī)原有的伸縮式天線(xiàn)（Whip Antenna），再搭配耳機(jī)線(xiàn)的「耳機(jī)天線(xiàn)」，由于有兩個(gè)位置接收電視訊號(hào)，即便是一個(gè)天線(xiàn)因多重路徑干擾（Multipath Interference）等原因，還可以使用另一個(gè)天線(xiàn)來(lái)接收訊號(hào)，因此用來(lái)穩(wěn)定接收電視訊號(hào)，不過(guò)這種方式較為耗電，它的電視調(diào)諧器模組的耗電量需要250mW；而且其伸縮式天線(xiàn)拉出后產(chǎn)生的指向性與操作性及其他不用耳機(jī)線(xiàn)的可攜式產(chǎn)品上應(yīng)用極為困難。

而要設(shè)計(jì)出一款實(shí)用的可攜式行動(dòng)接收天線(xiàn)，筆者認(rèn)為有幾個(gè)觀念要先突破，第一個(gè)就是可攜式產(chǎn)品也是接收天線(xiàn)本體的一部分，因此天線(xiàn)的設(shè)計(jì)與可攜式產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著密不可分的關(guān)系。第二個(gè)就是可攜式產(chǎn)品所使用的接收元件與布置也有先天上的決定關(guān)系，因此在元件的選用配置上必須考慮其影響的接受效能。第三由于可攜式產(chǎn)品接收電視訊號(hào)是看整體表現(xiàn)，而非單一零組件的表現(xiàn)特性，因此傳統(tǒng)使用單一零組件的評(píng)估方式完全不適用。第四由于是看整體表現(xiàn)，因此其測(cè)試方法也與傳統(tǒng)天線(xiàn)的測(cè)試方式截然不同，消費(fèi)者需要的是整體表現(xiàn)效果，而非亮麗的數(shù)據(jù)資料。

提供研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)參考的相關(guān)技術(shù)

相對(duì)于波長(zhǎng)在電氣特性上非常小的天線(xiàn)而言，輻射電阻會(huì)變得非常低，要達(dá)到諧振的Q值將很高，因此要獲得的可用頻寬比例會(huì)非常窄。在很多情況下，天線(xiàn)必須比半波長(zhǎng)偶極天線(xiàn)（doublet）小很多，除了必須直接連結(jié)接收器端子外，甚至需要安裝成隱藏內(nèi)建式天線(xiàn)，由于其本身的條件上將無(wú)法諧振，此為近場(chǎng)天線(xiàn)（接收器本身電場(chǎng)／幅射場(chǎng)）等于磁場(chǎng)（感應(yīng)場(chǎng)區(qū)域范圍內(nèi)工作的天線(xiàn)）的首要問(wèn)題。

其他技術(shù)涵蓋了接收機(jī)靈敏性、多重訊號(hào)過(guò)載、相位雜訊、選擇性和多工徑干擾等等。而且還需要克服移動(dòng)接收時(shí)的多重反射與都普勒效應(yīng)，天線(xiàn)還必須小于5公分或內(nèi)建天線(xiàn)。

在低頻電路中，電磁波的波長(zhǎng)與其所使用的電路元件的尺寸相比，是一過(guò)非常微小的量，故可將元件或電路視為集中于一點(diǎn)，因此一般稱(chēng)之為集總元件或電路（Lumped components or circuits），所以可以直接使用克希荷夫電流和電壓定律進(jìn)行電路分析工作。但在微波電路中，因微波的波長(zhǎng)很短，故必須將元件視為散布元件（distributed components）來(lái)處理，因?yàn)榇祟?lèi)元件所有元件參數(shù)，如其等效的R、L、C、G電路參數(shù)，在元件內(nèi)部的位置不同而會(huì)有不同的數(shù)值。一般必需將之當(dāng)作四維（三維空間加一維時(shí)間）電磁場(chǎng)的問(wèn)題來(lái)探討，才能得到完整的分析。

但是求解電磁場(chǎng)問(wèn)題是一件極困難且費(fèi)時(shí)的理論計(jì)算工作，即使是一個(gè)很簡(jiǎn)單且極具對(duì)稱(chēng)性的微波結(jié)構(gòu)，目前快速的超級(jí)電腦也須經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，才能得到精確的結(jié)果。若微波結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些的電磁場(chǎng)問(wèn)題，幾乎不可能得到正確的解，只能得到近似解。

在低頻集總電路中連接各元件間導(dǎo)線(xiàn)，不需要顧慮導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)短，及其是否具有任何R、L、C、G效應(yīng)，甚至不必理會(huì)導(dǎo)線(xiàn)和元件之間是否阻抗匹配（impedence matching）等等問(wèn)題，僅需將其視為一個(gè)沒(méi)有任何作用，沒(méi)有任何信號(hào)衰減的短路電路連結(jié)點(diǎn)（lossless connecting node）。但是在射頻及微波電路中，導(dǎo)線(xiàn)本身會(huì)因來(lái)自材料和結(jié)構(gòu)所造成的電阻、電感、電容、和電導(dǎo)等效應(yīng)存在，且這些參數(shù)是工作頻率的函數(shù)。所以在進(jìn)行電路分析時(shí)，不能將之僅視為一個(gè)無(wú)損耗的節(jié)點(diǎn)，而必需將之視為一個(gè)含有與頻率相關(guān)等效電路參數(shù)的元件。此外，其連接導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)短和粗細(xì)不僅影導(dǎo)線(xiàn)本身的特性阻抗（characteristic impedance）值，也會(huì)影響與其相連結(jié)的元件間阻抗匹配的與否問(wèn)題。

集膚效應(yīng)：使用的材料的頻散效應(yīng)與等效電阻隨頻率變化有關(guān)，所產(chǎn)生的金屬表層效應(yīng)（skin effect）也會(huì)影響電波的通道衰減。

絕緣材料會(huì)感應(yīng)出并聯(lián)式的寄生電容效應(yīng)（shunt parasitic capacitance），此種電容性電抗值（容抗XC＝1/ωC）會(huì)隨著頻率增加而變小。連接的引線(xiàn)（Connecting leads）會(huì)感應(yīng)出串聯(lián)式電感效應(yīng)（Series inductance），此種電感性電抗（感抗XL＝ωL），會(huì)隨著頻率增加而變大。這兩項(xiàng)感應(yīng)效應(yīng)，均會(huì)改變?cè)械牡刃ё杩怪担‥quivalent impedance）。因此在元件的布置必須經(jīng)過(guò)特別的設(shè)計(jì)和處理，以減少不必要的寄生電抗。

抗雨衰能力，即電磁波傳播行徑受空氣中水氣、氧分子、雨雪、云霧、冰刨等不同的大氣分子，會(huì)有不同程度的吸收作用，這些吸收作用會(huì)衰減電磁波在大氣中傳送的能量，因此在接收端的設(shè)計(jì)要能夠由周?chē)妶?chǎng)感應(yīng)出所需要的電磁波能量，以減低氣候因素的影響（通常頻率高影響就愈明顯）。

抗干擾的特性（本體干擾與外在干擾）

本體干擾源于接收器本身，也就是一般所量測(cè)的EMC、EMI等參數(shù)。而外在干擾則源于大自然與其它人為制造出來(lái)的雜訊源，如太陽(yáng)風(fēng)暴到馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，及附近的電波發(fā)射站等，并且這兩種干擾也會(huì)彼此互動(dòng)，極容易觸發(fā)產(chǎn)生更強(qiáng)的輻射干擾效應(yīng)（過(guò)載），甚至使接收器工作停擺。

空?qǐng)鲂?yīng)（場(chǎng)型中凹陷下去，輻射功率極小之處），當(dāng)反射波由反射面向上輻射時(shí)相位反轉(zhuǎn)，到達(dá)天線(xiàn)與直接輻射波互相抵銷(xiāo)，造成能量衰減，而反轉(zhuǎn)相位會(huì)依反射面性質(zhì)而有不同的空?qǐng)鲂?yīng)，而天線(xiàn)的高度位置，也會(huì)如天線(xiàn)場(chǎng)型波瓣因不同長(zhǎng)度而有分裂的空?qǐng)龀霈F(xiàn)，所以天線(xiàn)的高度尺寸也要避免其輻射場(chǎng)正好落在空?qǐng)鰞?nèi)。元件長(zhǎng)度對(duì)于信號(hào)的延遲效應(yīng)，雖然振幅不變，但會(huì)產(chǎn)生相位偏移。

由于UHF為超高頻范圍0.3～3GHZ，電波傳播路徑以直線(xiàn)傳輸最為理想，但傳輸距離受限，如要擴(kuò)大電波涵蓋區(qū)域（頻率愈高，距離愈短），則必須建立許多中繼站來(lái)填補(bǔ)電波死角區(qū)域。由于手機(jī)上的行動(dòng)電視接收受微小天線(xiàn)限制，因此更需要增大發(fā)射功率，或者在網(wǎng)路內(nèi)裝設(shè)更多中繼器。

結(jié)論

可攜式行動(dòng)接收天線(xiàn)是各種可攜式產(chǎn)品在接收電視訊號(hào)最為重要的先進(jìn)技術(shù)，若沒(méi)有這種技術(shù)，所有可攜式產(chǎn)品接收電視訊號(hào)只會(huì)是一種未實(shí)現(xiàn)的理想產(chǎn)品，而最先擁有這種技術(shù)的廠商也將擁有市場(chǎng)的無(wú)限商機(jī)。