子計畫一、攜帶型數位電視之隱藏式高效能接收天線設計與實作

本子計畫針對適用於電視頻道7-13 (174-216 MHz)之訊號接收的高效能之低 姿勢天線進行研製：

(1)低姿勢之折彎螺旋天線設計與實作：利用此種折彎螺旋天線可以大幅縮小天 線的尺寸，初步螺旋繞線的直徑選擇小於2 cm，其軸長選擇小於 7 cm，而整體 天線高度以低於3 cm 為目標。在此尺寸下，折彎螺旋繞線的總長度可以達到 40 cm 以上，此時在 1/4 波長操作下，折彎螺旋天線將可操作於約 200 MHz，可適 用於電視頻道7-13 (174-216 MHz)之訊號接收。另外，天線測試時，以一接地微 波基板模擬攜帶型電視機之電路板，其尺寸選擇為70 × 120 mm²，該尺寸為目前 市售一般攜帶型電視機之典型尺寸。在此研究中，不同之螺旋繞線直徑、相鄰繞 線間距、與接地面距離等等參數對天線阻抗頻寬、增益、輻射場型、輻射效率等 特性將作一詳細分析，以得到一最佳化設計。

(2)低姿勢之折彎平板金屬片天線設計與實作：利用將一狹長平板金屬片折彎後 (折彎面於側邊)置於一接地微波基板之上方，其高度亦以低於 3 cm 為目標，厚 度為2 cm，寬度少於 7 cm，此時整體金屬片可提供一較長的共振路徑，若折彎 2 或 3 次以上，天線將可操作於約 200 MHz，可適用於電視頻道 7-13 (174-216 MHz) 之訊號接收。這些設計的相關最佳化設計及實作分析將詳加研究。

(3)其他可行低姿勢天線設計與實作：考慮其他可行設計，並比較與(1)、(2)之優 缺點。

(4)理論模式建立：利用如 IE3D 及 Ansoft HFSS 電磁模擬軟體建立(1)、(2)以及(3)

中其他可行低姿勢天線之理論模式，建立一設計準則，所得理論結果並將與實驗 結果作驗證。

詳細天線設計及研究成果

本研究目的在於設計一天線可適於應用至目前市售之一般攜帶型電視機的 典型尺寸，因此在本天線設計中以工業界常用之FR4 玻璃纖維強化環氧樹脂 (Fiberglass reinforced epoxy resin) 微波基板來模擬攜帶型電視機之電路板，其介 電常數約為4.4，微波基板尺寸選擇為 110 × 120 mm²，基板的厚度為0.8 mm；

整體天線尺寸為110 × 20 × 20 mm³，如圖4.4 所示。

圖4.4: 攜帶型電視機尺寸設定

本設計欲達成之中心頻率位於198 MHz，以傳統單極天線 0.25λ₀ 之共振模 態設計時，所須電流路徑約為40 cm。在此一有限體積下，為完成天線設計目標，

共使用了三種不同的天線蜿蜒繞線設計方法，使設計天線達成良好的匹配與輻射 特性，如圖4.5 所示。第一種方法為在天線起始端採取與接地面平行蜿蜒旋繞方 式，同時在天線的第一面置入垂直接地面的槽線，第二面則置入平行於接地面的 槽線，藉以充份利用長方體之表面面積，有效延長電流路徑而能在目標頻率附近 得到良好的匹配。第二種方法為將金屬導體以接地面為中心點螺旋環繞上升，並 於末端加粗，以吸引電流，增加天線頻寬。第三種方法則在天線的每一面上設計 了兩個蜿蜒線，充份地利用其有效面積，使繞線長度達到最長，因此天線共振頻 率能向低頻延伸，符合無線電視廣播系統之需求。本天線設計中，結合了上面提 及的第一種及第三種方法，在天線之第一面及第二面採用的垂直方向之蜿蜒設計

法，而在第三面及第四面採用的是水平方向之蜿蜒設計法，產生一個中心頻率約 200 MHz 處的共振模態，此時，天線總長度為約為0.38 λ₀。

圖4.5: 三種不同的天線蜿蜒繞線設計方法

有關於本設計天線與微波基板詳細的尺寸參數如圖4.6 中所標示。在本設計 天線中，使用了印刷於微波基板正面的50 　微帶線作為饋入，微帶線上端為一 15 × 10 mm²之金屬片，天線裝設於金屬片10mm 位置處。金屬片之功能在於提 供天線與微帶線之間的阻抗匹配以及天線與接地面之間適當的隔離間距。印刷於 微波基板背面之金屬片面積為110× 90 mm²，為系統接地面。

更詳細的天線尺寸參數標示於圖4.7 中。由於本設計天線之操作頻率位於 176-214 MHz 波段。若以標準單極天線共振於 0.25　之基本模態，所需之共振長 度至少要400 mm；為了在有限空間下可以達成足夠的電流共振長度，本設計不 僅採用了蜿蜒式的天線設計方法，並且在第一及第二金屬片上設置了橫向槽孔，

藉以更進一步地延伸電流路徑。其中第一、二、三金屬片之長度為110 mm，寬 度為14 mm，第四片金屬片之長度為 95 mm，寬度為 14 mm；在第一、二金屬 片上所設置之橫向槽孔的長度為10 mm，寬度為 2 mm。採此方法可得天線總長 度在600 mm 左右，約為0.38 λ₀。

圖4.6: 子計畫一所設計天線之詳細參數

圖4.7: 本設計天線之詳細參數 (二)

圖4.8 中所示為本設計天線之返回損失量測圖，其中紅色實線為量測值，而 藍色交叉實線為使用Ansoft HFSS 高頻結構模擬軟體所得之模擬值。由圖中可了 解天線返回損失的實驗量測結果大致與模擬結果相符。天線的共振模態出現在 200 MHz 附近，其共振模態呈現明顯而穩定的激發，也具有良好的阻抗匹配。

由天線量測結果可知以3:1 VSWR 定義時，天線之頻率範圍為 169-217

MHz，其頻寬為 48 MHz，可達成無線電視訊號台灣南部地區第九頻道

(186-192MHz)、第十一頻道 (198-204 MHz) 以及第十二頻道 (204-210 MHz)，

也就是台視、中視、華視三個無線電視台訊號接收所需之頻寬。

圖4.8: 本設計天線之返回損失阻抗頻寬量測圖

天線場型方面，本設計在第一階段以模擬軟體進行天線輻射場型上的分析，

在此以Ansoft HFSS 高頻結構模擬軟體來對設計天線之輻射場型進行模擬，並與 傳統單極天線模擬結果相互驗證比較。如圖4.9 中所示為一傳統單極天線設置於 和本研究天線相同大小之接地面上，並對該單極天線在中心頻率為200 MHz 模 擬而得之遠場輻射場型。由圖中可知該單極天線的遠場輻射場在 x-z 及 y-z 面為 近似甜甜圈狀，而在 x-y 面為全向性輻射場型；這個結果顯示該天線和一個位於 無窮大接地面上所計算而得之單極天線遠場輻射場的理論值具有極高的相似 性；而在圖4.10 中則為設計天線所模擬的場型圖；和圖 4.9 之天線場型比較，本 設計天線在 x-z 面上之

Ε

Ε

這可能是因為電流路徑改變，受到了曲折擾動而造成遠場輻射場上的輕微變化。

在 x-y 面則大致上是全向性的輻射場型。由圖 4.9 及圖 4.10 中比較可知，雖然設 計天線經過了多次的蜿蜒，但所呈現之輻射場型仍然非常接近傳統單極天線。

圖4.9: 傳統單極天線之輻射場型圖

圖4.10: 本設計天線之輻射場型圖

圖4.11 中為本設計在操作頻帶內之天線增益分佈情形，圖中可知在 198 MHz 處有最大增益值約 -3 dBi 左右。在整個操作頻帶中，增益變化情形小於 2 dBi，

這顯示本設計在整個操作頻帶中增益穩定性不錯。

圖4.11: 本設計天線在頻帶之增益變化圖

表4.1 為本設計天線與拉桿式單極天線在各種不同長度下經由軟體模擬計算 出的頻寬、增益及輻射效率比較。單極天線長度的設定分別為10、20、30 及 40 公分，由表可知，拉桿式天線至少要為30 公分左右，才會得到較佳的 6 dB 返回 損失阻抗頻寬，而其增益的比較上，在30 及 40 公分時，單極天線的最大增益值 皆為1.84 dBi；而在 10 及 20 公分時，最大增益值則開始下降，分別為 1.8 和 -0.89 dBi。為了量測天線在非共振長度下增益的表現情形，表中也記錄了拉桿式單極 天線於不同長度下，在相同之共振頻率 (在本模擬中設定為 200 MHz) 所得到之 增益。可以看出增益值由在40 cm 時所得到的 1.35 dBi 下降至在 10 cm 時所得到 的 -9.27 dBi，增益變化量為 10.62 dB，下降的幅度相當大。可由此得知，一般 傳統拉桿式單極天線在縮短情形下無法有效地接收訊號。和傳統單極天線比較之 下，在本內藏式電視天線的設計中，最大增益為 -3.16 dBi ，在 200 MHz 之共 振頻率下，也得到 -4 dBi 的增益；與相同長度 (10 cm) 的單極天線相比，增益 特性大幅提昇了約5 dBi，輻射效率也由 67% 提昇至 86%。

單極天線

Built-in TV antenna

TV field strength meter

Impedance matching circuit,

圖4.12: 本設計天線之實測裝置配置圖

圖4.13 為一階 L 形阻抗轉換電路之示意圖，在最左端部份為 50 Ω SMA 端 子，透過50 Ω 微帶線和一表面黏著型電容相接，再由一表面黏著型電感並聯接 地。右端部份為75 Ω 微帶線，連接至75 Ω 之 F 形端子，經由 F 形端子轉 BNC

端子輸出至電視訊號強度接收儀進行測試。經由計算可得電容約為7 pF，而電感 約為27 nH。

圖4.13: L 形阻抗轉換電路示意圖

實際使用L 形阻抗轉換電路之前，需先行測試其是否可以正常工作。測試 方法是將L 形阻抗轉換電路先接上75 Ω 終端電阻，如圖 4.14 所示，利用網路分 析儀觀察電路是否在50 Ω 處達成匹配。圖 4.15 為本電路之返回損失圖，由圖中 可知L 形阻抗轉換電路在 200 MHz 附近具有極高的頻帶寬及良好的匹配特性。

圖4.14: L 形阻抗轉換電路加上一 75Ω 之終端電阻

Impedance matching circuit

75 Ω terminal load

圖4.15: L 形阻抗轉換電路配合75Ω 終端負載所量得之返回損失圖

5.2. 子計畫二、數位電視射頻調諧器之研製與單晶片封裝系統技術之實現

應用於數位電視廣播射頻調諧器需要面臨相當嚴苛的規格要求，工作頻段需 橫跨 VHF/UHF 頻帶涵蓋從 50 至 860 MHz 如此寬廣的頻率範圍，其對應的無 線環境乃相當惡劣，訊號於接收時容易因幾種時變因素的影響而衰頹，這包括了 多重路徑效應、頻段內諸多干擾訊號源、接收訊號強弱受環境及氣候影響經常不 穩定、過渡期間與傳統類比電視廣播共存時彼此所衍生的嚴重干擾問題等。

在研讀有關於數位電視系統時之相關規範[24]-[31]時，發現系統對射頻規範 亦有相當嚴格之規劃。其中系統會依不同接收模態而對接收機設計要求從 2 dB 至 26 dB 之載波雜訊比值 (C/N)。根據 [26] 規劃建議，在所有操作頻帶上，取 五個不同 C/N 值，分別為 2 dB、8 dB、14 dB、20 dB 及 26 dB，在建議接收 機雜訊指數為 5 dB 的條件下，接收機最小輸入訊號功率(即俗稱之靈敏度) 以及 在 75 歐姆阻抗系統下所對應之最小輸入訊號電壓如表 4.2 所示。由表可知，5

在研讀有關於數位電視系統時之相關規範[24]-[31]時，發現系統對射頻規範 亦有相當嚴格之規劃。其中系統會依不同接收模態而對接收機設計要求從 2 dB 至 26 dB 之載波雜訊比值 (C/N)。根據 [26] 規劃建議，在所有操作頻帶上，取 五個不同 C/N 值，分別為 2 dB、8 dB、14 dB、20 dB 及 26 dB，在建議接收 機雜訊指數為 5 dB 的條件下，接收機最小輸入訊號功率(即俗稱之靈敏度) 以及 在 75 歐姆阻抗系統下所對應之最小輸入訊號電壓如表 4.2 所示。由表可知，5