第四章 系統整合量測與分析
4.2 完整模組電壓與量測
圖 4.2 為整體模組實測輸出電壓圖，此模組量測中，我們將提供五種不同 的變因，分別為空氣、熱水、冷水、金屬、以及人體，進行量測。首先在第一 張圖中，分別在 60 秒鐘內，每十五秒為一個單位，改變待測物體順序為攝氏 25 度室溫空氣、攝氏 85 度熱水、攝氏 10 度冷水、攝氏 25 度室溫空氣，在熱 水與冷水反應出待測物溫度較熱電壓較高，較冷電壓較低的狀況，當熱水及冷 水帶測物移開後，溫度又可以在後面回到原本初始的空氣狀態，且輸出電壓值 1500mV 左右， 3mV 經由運算放大器放大 425 倍左右加上誤差電壓 220mV 約 與量測的 1500mV 近似。表 4.1 為計算後之不同物體間量測之射頻模組熱敏感 度(thermal sensitivity)及將基頻放大器之倍率加入考量之整體斜率(slope)，由於 系統是線性的，因此不論是哪兩種間的物體所造成的熱敏感度都是近似的，此 外由圖 4.2 亦可之本身系統的擾動電壓約為 1mV，因此輸出電壓的浮動會影響 我們判別其線性度，但由表 4.1 的熱敏感度可見其具有高度的線性關係，此結 果符合我們預期，而每 10 度的溫差，在此表之斜率粗略估計約可造成 1.4mV
的
與環 出的 上下 到確 異，
同物
表
接著進一 環境溫度相 的溫度對電 下，圖4.4則 確實在兩個
，然而雜訊 物體判斷上
圖4.3 射
4.2 射頻模
一步比較人體 相同，因此在 電壓熱敏感度 則是比較3 個比較上，壓 訊擾動約為 上的困難，這
射頻模組對
模組對冷熱水
體與金屬輸 在此時人體 度得知，人 30秒內，15 壓差有預期
1mV，因此
這是未來可
對冷熱水及常
水及常溫輸
輸出電壓，由 體與金屬的溫 人與金屬當
5秒為一個
期的 1.4mV 此在溫差不 可以進行改善
常溫輸出電
輸出斜率及熱
由於金屬在室 溫差約為10
10K 的溫差
個單位，金屬 之差異，達 不夠大的情況 善的項目。
電壓圖二
熱敏感度表
室內反映出 0K，由圖4 差所造成的 屬與人體的 達到判斷金 況下，較容
表二
出的熱輻射幾
4.3 的數據推
的壓差為 1.4 的壓差，可以 金屬與人體的 容易造成兩個
幾乎 推導 4mV 以見 的差 個不
較，
由於 魚夾 線的
最後圖4.
，可以發現 於量測並非 夾走線有變 的斜率是幾
圖4.4
5將上述的
現每次量測由 非在同一時間 變化，些許的 幾乎相同的。
4 射頻模組
的幾種不同物 由於經過長 間進行，每 的雜訊改變
。
圖4.5輸出
組對人體與金 物體造成的 長時間的擾動 每次量測所造 變經過放大後
出電壓差整
金屬輸出電 的不同輸出電
動，位準在 造成之系統 後會改變其
整體比較圖 電壓圖
電壓差擺在 在每次量測皆 統雜訊會隨著 其為準，但熱
在一起進行比 皆不同，這 著外部偏壓 熱靈敏度與
比 這是 壓鱷 與曲
圖 4.7 模組整體敏感度斜率對應天線效率之變化
輸出電壓減少之成因大致可分為兩類，首先是訊號之不匹配造成之反射，
對於低雜訊放大器及功率偵測器之間的鎊線，由前面實驗可知對整體的效能並沒 有太大的影響，另外針對轉接方面的問題，由於此模組應用在相當高的頻段，此 外我們期望整體頻寬能涵蓋 w-band 相當寬的頻帶，因此整體匹配並不容易，圖 4.8 為模擬之鎊線不同情況底下，所獲得之整體模組共軛匹配之反射損耗圖，經 此模擬發現，由於高頻效應，因此在天線與低雜訊放大器的鎊線影響整體效能較 為明顯，由圖 4.8 可視，第一種理想的鎊線情況下，整體頻寬的反射損耗較為理 想，反射量較小，當鎊線的位置偏移原本預期之位置時，如圖中 case1~case3，
可以見到整體匹配之狀況影響極大，當偏移位置時，整體匹配狀況與無匹配之情 況相距不遠，等效頻寬約縮減為原本預期之三分之一左右。
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
efficiency(%)
slope(mV/K)
Slope Between Human and Metal with The Variation of Lens Antenna Efficiency
一個 待測 的熱 值符
此外由於 個重要的成 測物(熱水)置 熱敏感度之 符合一般漸
圖
圖
於透鏡效率前 成因，因此進 置於天線1 之斜率約為0 漸進式槽孔天
圖4.9待測物
圖4.8 鎊線位
前面實驗結 進行透鏡使
0公分處，
0.51，對應圖 天線之效率
物(熱水)置於
位置對共軛
結果約為 44 使用與否之實
進行量測 圖4.7之斜 率。
於天線端十
軛匹配之影響
4％，透鏡效 實驗。圖4.
，由表4.4可 斜率圖可得到
十公分處與空 響
效率亦是影
9為不使用
可知當未透 到天線效率
空氣之電壓
影響其輸出電 用透鏡而直接 透過透鏡時整 率約為70％
壓變化圖
電壓 接將 整體
，此
4.4
反應 及 4 到的 形仍
接著將陶 應室溫特性 4.16 可視最 的金屬為三 仍屬正常誤
圖 陶瓷加熱板中 性，等效溫度 最中間黑色 三公分，預期 誤差範圍。
圖4.11
圖4.12陶
圖4.13陶瓷 中間放置一 度會較陶瓷 色部分即反映
期的空間解析
1熱陶瓷加
陶瓷攝氏一百
瓷攝氏一百度 一邊長為五公 瓷加熱板而使
映出金屬的 析度為2公
加熱板實照圖
百度一維影
度一維電壓 公分之金屬 使的圖形呈 的室溫，而黑
公分，因此 圖
影像圖
壓變化圖 屬如圖4.14，
呈現亮暗漸層 黑色部分佔
5公分金屬
，預期因為金 層，由圖 佔三格顯示偵 屬呈現3公分
金屬 4.15 偵測 分圖
至攝 屬板 顯示 差異
接著進行 攝氏 37度模 板，預期圖形 示圖形及其 異不足以完
圖
圖4.1
圖4.1 行金屬與人體
模擬人體之 形將可呈現 其電壓圖，由 完全蓋掉雜訊
圖4.14熱陶
15陶瓷攝氏
16陶瓷攝氏
體之量測，圖 之體溫之方式
現暗-亮-暗-亮 由於前面實驗
訊擾動的影
陶瓷加熱板
氏一百度與
氏一百度與 圖形以漸層 式進行成像
亮-暗交錯之 驗中得知系 影響，因此由
板及金屬片實
與金屬一維影
與金屬一維影 層的方式表示 像，並在陶瓷
之情況。圖 系統在量測人 由實驗圖中會
實照圖
影像圖
影像圖 示，利用陶 瓷加熱板中 圖4.17及圖
人體及室溫 會部分誤差
陶瓷加熱板加 中間置入一塊 圖4.18為對應 溫可判別，但 差的圖格，影
加熱 塊金 應之 但其 影響
到判判別，如第第19至第21
圖4.
圖4.1
1公分處應
17陶瓷攝氏
18陶瓷攝氏
應為淺色但實
氏37度與金
氏一百度與
實際為深色
金屬一維影
與金屬一維電 色。
影像圖
電壓圖
5.1 屏壁(shieldi
地線(GSG)