第三章 折繞饋入式 DVB 天線
3.1 折繞饋入式梳形天線
根據參考文獻，在設計小型、可攜式的數位電視天線時，往往會遇到二個 困難的問題：
1. 在極為有限的面積或體積上，要設計出涵蓋從 470MHz 至 862MHz 整個頻段 的寬頻天線(頻寬約 60%)。 傳統的對數-週期天線(log-periodic
antenna)、螺旋天線(spiral antenna)或阿基米德天線(Archimedean
3.1.1 折繞式的饋入結構
由於饋入結構是歸納於天線的一部份，所以首先要選擇省面積的饋入方式。
而眾多天線架構中，折繞式天線具有高積集度的省面積的特性，所以饋入結構採 用了折繞式的方式。
折繞式天線具有一個很明顯的特性： 由於折繞式天線是屬於共振型天線 (Resonant Antenna)，折繞的總長度愈長，發生共振的頻率點愈低。圖 3-1(a)~(d) 分別為 4 個具有不同折繞總長度的折繞式單極天線(Meandered_Line Monopole Antenna)，由圖 3-2 的 return loss 圖即可發現上述的現象。另外由於其折繞結 構的關係，金屬線段彼此之間有互相耦合的效應。而折繞式的結構在相鄰或附近 的折繞金屬線段上的電流流向常是反向而成抵消的效果，以致於其產生的共振頻 率點較低於同等長度的直線型金屬線的單極天線，而更有效得縮減面積[3][4]。
圖 3-1(a)~(d)：4 個不同長度的折繞式單極天線
圖 3-2：圖 3-1(a)~(d)所對應的 Return Loss
但也因為折繞式天線是屬於共振型天線，它的頻寬一般而言都很窄，如圖 3-2 所示，所以我們需要在架構上再做一些改變才能達到所需的寬頻。
3.1.2 折繞饋入式梳形天線
圖 3-3：折繞饋入式梳形天線的結構圖及其各項參數
圖 3-4：折繞饋入式梳形天線的實作圖
3.1.3 模擬與量測結果
圖 3-5：折繞饋入式梳形天線的 Return Loss 的模擬與量測比較圖
本論文中，使用 Agilent E5071A 量測頻率響應，HP 8530A 量測天線的場型。
由圖 3-5 可看出量測結果在整個要求的頻段(470~862MHz)都在-6dB 以下。而 圖 3-6 到圖 3-9 為此天線的輻射場型。
由於 HP 8530A 量測設備上的限制，最低的頻率點只能量測到 800MHz，所以 本論文中在 800MHz 以下所示的場型為模擬結果。
圖 3-6：XZ-Plane@860MHz 的量測與模擬場型的比較
圖 3-7：YZ-Plane@860MHz 的量測與模擬場型的比較
圖 3-8：XZ 與 YZ Plane@660MHz 的模擬場型
圖 3-9：XZ 與 YZ Plane@500MHz 的模擬場型
圖 3-10： DVB-H 天線增益的規範
圖 3-11：設計的天線與對 DVB 天線規範的增益比較
圖 3-12：設計天線的輻射效率與頻率之關係圖
圖 3-13：設計的天線在 660MHz 下的電流分佈
3.2 輻射效率的改善
在 3.1.2 節中提出的折繞式饋入梳形天線，由於分佈於折繞式金屬線上的電 流呈現抵銷的效應，導致了不佳的輻射效率，所以我們必須想辦法提升其輻射效 率才能實際應用於數位電視訊號的接收。 由圖 3-13 的電流分佈可知，在前端的 折繞式金屬線的電流分佈是較強的，所以也是主要的輻射來源。 故直觀性的想 法就是在前端的折繞式金屬線段做一些局部性架構上的改變來改善其輻射效率。
3.2.1 利用寄生元件改善輻射效率
在本小節中提出的改良方法是在折繞式金屬線段之間的空間放入一些寄生 元件(parasitic elements)，如圖 3-14 所示，圖 3-15 為其細部的尺寸參數(L 與 W 附在圖 3-14 下)，圖 3-16 為其實作圖，而表 3-2 為設計此天線所需的參數
值。
這些寄生元件非常靠近折繞式金屬線段，之間的空隙只有 0.5mm，且也是位 於電流分佈最強的位置，所以這些寄生元件與折繞式金屬線段之間的具有強烈的 耦合效應，使的這些寄生元件也成了輻射體而達到了改善輻射效率的目的。 另 外在折繞式金屬線段的後端有幾段是較密集的，其目的是彌補為了放置寄生元件 而拉大空隙造成的總折繞長度不夠導致整個頻段的偏高。雖然較密集的折繞式金 屬線段對電流分佈有較強的抵銷效應，但是其位於接近末端的位置，電流強度已 經沒有前端接近 SMA 接頭的部份來的強，所以其造成的輻射抵銷效應也就相對的 沒有那麼強烈了。
圖 3-14：改良天線的結構圖
圖 3-15：改良天線的結構參數
L1 56mm S3 6.97mm
L2 35mm S4 1.03mm
L3 36mm S5 1.5mm
L4 36.18mm W1 1.53mm
L5 50mm W2 3mm
L6 52.02mm h 6.5mm
L7 55.5mm W 60mm
S1 4mm L 120mm
S2 8.06mm
表 3-2：改良天線的尺寸參數表
(a)正面
(b)背面
圖 3-16：改良天線的實作圖
3.2.2 模擬與量測結果
圖 3-17 為模擬與量測的 Return Loss 比較圖，實測的結果是約在 480MHz 開 始低於-6dB。圖 3-18 至圖 3-21 為其模擬與量測的場型。由圖 3-22 可知整個頻 段(470MHz 至 862MHz)都滿足 DVB 天線的增益規範且增益平坦度(Gain flatness) 在 3dBi 的變化以內。圖 3-23 為其輻射效率與頻率的關係圖，與圖 3-12 比較可 看出輻射效率明顯得改善許多。
圖 3-17：改良天線的 Return Loss 的模擬與量測比較圖
圖 3-18：XZ-Plane@860MHz 的量測與模擬場型的比較
圖 3-19：YZ-Plane@860MHz 的量測與模擬場型的比較
圖 3-20：XZ 與 YZ Plane@660MHz 的模擬場型
圖 3-21：XZ 與 YZ Plane@500MHz 的模擬場型
圖 3-22：改良天線與對 DVB 天線規範的增益比較
圖 3-23：改良天線的輻射效率與頻率之關係圖
3.3 另一種寬頻負載形式的 DVB 天線
圖 3-25：天線的結構參數
(a)正面
(b)背面
圖 3-26：天線的實作圖
W1 1.53mm L9 42mm
開始低於-6dB，而在約 720MHz~780MHz 稍微高至-5.5dB。圖 3-28 至圖 3-31 為其 模擬與量測的場型。由圖 3-32 可知整個頻段(470MHz 至 862MHz)都滿足 DVB 天線 的增益規範且增益平坦度(Gain flatness)在 4dBi 的變化以內。圖 3-33 為其有 無 vias 的輻射效率比較圖，比較可知加入 vias 後的輻射效率在 400MHz~530MHz 約是沒有加鉚釘的 2 倍，對較低頻段的輻射效率有明顯的改善。圖 3-27：天線的 Return Loss 的模擬與量測比較圖
圖 3-28：XZ-Plane@860MHz 的量測與模擬場型的比較
圖 3-29：YZ-Plane@860MHz 的量測與模擬場型的比較
圖 3-30：XZ 與 YZ Plane@660MHz 的模擬場型
圖 3-31：XZ 與 YZ Plane@500MHz 的模擬場型
圖 3-32：設計的天線與對 DVB 天線規範之增益比較
圖 3-33：設計天線的輻射效率與同架構下無 vias 的比較圖