DVB-T數位電視接收器創新設計與SOC實作---子計畫I：DVB-T攜帶型數位電視之內藏式高效能接收天線設計與實作(I)Design and Implementation of High-Performance Internal Receiving Antenna for DVB-T Portable Digital TV Set (I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

子計畫一：DVB-T 攜帶型數位電視之內藏式高效能接收天線

設計與實作(1/2)

中 華 民 國 93 年 5 月 11 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫期中成果報告

DVB-T 數位電視接收器創新設計與 SOC 實作-子計畫一：DVB-T

攜帶型數位電視之內藏式高效能接收天線設計與實作(1/2)

Design and Implementation of High-performance Internal Receiving Antenna for DVB-T Portable Digital TV Set

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC

92

－2218－E－110－002－

執行期間： 92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日

計畫主持人：

翁金輅

共同主持人：

計畫參與人員：

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)： 完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：一年後可公開查詢

執行單位：

國立中山大學電機工程學系

中 華 民 國 93

年

5 月

20

日

一、中、英文摘要及關鍵詞(keywords)： 本計畫主要是針對適用於行電視天視之接收天線進行研究與設計，在本計畫 中提出三項適用於行動電視之天線設計；第一項及第二項天線設計適用於攜帶型 電視機，此兩款天線有別於以往攜帶型電視之長直形單極天線，本設計天線可內 藏於攜帶型電視之機殼內部，使得天線不易被折損，也使得攜帶型電視機較為美 觀 、輕便；第三項天線設計為應用於筆記型電腦之接收天線，未使用時可收縮於 機殼內部，而在使用時再將天線彈出，因此本天線設計將不影響筆記型電腦之美 觀。 關鍵詞：行動電視接收天線、內藏式天線、攜帶型電視天線

This project is on the mobile TV antenna designs. Three novel antenna designs are proposed in this project. The first two designs are for portable TV sets. They are different from the conventional straight monopole antenna for their suitability to be built-in within the portable TV set. The third one is for laptop applications. It can be put away inside a laotop when the antenna is not in use, and can be pulled out of the laptop when in operation. Thus the proposed antenna will not affect the appearance of the laptop.

二、緣由與目的 天線設計為無線傳輸中極重要的一環，良好的天線功能可以大幅改善無線傳 輸的品質，同時輕便、縮小化的天線設計更可以使得無線通訊相關產品更為輕便、 美觀。以無線通訊手機為例，早期的天線設計大都使用一般長直形的單極天線， 使用上較不美觀，且不易攜帶，而隨著手機體積越作越小，天線的設計亦朝向縮 小化發展，並發展至目前天線為內藏式的無線通訊手機設計，將天線整合或內建 於無線通訊手機的機殼內部。而由於天線不外露，天線不會被意外折斷，同時亦 方便攜帶，因此預期此種內藏式天線的設計將成為無線通訊手機未來的主流。此 項計畫的目的之一，便是應用此種內藏式天線設計技術於攜帶型電視的天線設計 上。目前一般使用傳統伸縮型單極天線之攜帶式電視，電視之典型體積為高約 12 cm、寬約 7 cm、厚約 3 cm，而接收電視訊號時，單極天線必須拉長，一般而言其 長度超過40 cm。此種傳統單極天線使用時並不方便，同時由無線通訊手機天線的 設計發展過程，由長直形單極天線進展至內藏式天線的情況，我們可以預期攜帶 型電視天線的設計亦將朝向內藏式天線的設計發展。另一方面，也因應數位電視 廣播的試播，及3C 產品整合的趨勢，且筆記型電腦的使用愈來愈普及，我們可以 預期未來使用筆記型電腦接收數位電視廣播，將是未來行動電視發展的趨勢，因 此在此本計畫也將針對數位電視廣播接收天線於筆記型電腦上的應用進行研發與 設計。 不過由於電視頻道7-13 (174-216 MHz)、頻道 14-69 (470-806 MHz)及頻道 2-6 (54-88 MHz)]之操作頻率比蜂巢式無線通訊之操作頻率來得低，因此要達成攜帶型 電視天線縮小化且內藏於攜帶型電視機殼之內，其相關的設計為一大挑戰。在此 我們參考現今應用於無線通訊手機天線之相關技術[1-3]及適用於個數位助理的多

頻天線設計 [4] 和相關著作書籍 [5] 中所提及的技術加以改良、設計以達成本計 畫目標。在本計畫中於攜帶型電視方面，針對適用於電視頻道7-13 (174-216 MHz) 之訊號接收，天線高度以低於 3 cm 為目標 (亦即低於傳統之長直形單極天線之 1/10 高度以下)；而在電視頻帶 14-69 (470-806 MHz)的設計天線，因為天線要在如 此低的頻率達成大於 50%的頻寬設計，在技術上有相當難度，因此在此天線設計 上高度以低於5 cm 為目標(亦即不超過傳統單極天線之 1/8 高度)，而天線之寬度及 厚度將分別少於7 cm (少於目前攜帶型電視之典型寬度)及 2 cm (少於目前攜帶型 數位電視之典型厚度)。在此種天線尺寸下，只要攜帶型電視之機殼稍微加長，天 線便可以被內建於機殼之內，達成隱藏式天線之設計。而在筆記型電腦方面的天 線設計，因為筆記型電腦上可使用的厚度相當薄，大概只有 0.5 cm，因此要將天 線內藏於筆記型電腦內部有相當的難度，因此本計畫中以平面式天線設計為目 標，如此天線在未使用時可收縮於機殼內部，而天線於使用時再將之彈出於機殼 外，因此將不影響筆記型電腦之美觀及方便性，而在此本設計天線於頻寬方面的 設計以大於目前台灣數位電視廣播試播的頻帶530-602 MHz 為目標，因為在此我 們相信當未來數位電視普及率大於傳統類比電視時，傳統類比電視於470-806 MHz 的頻帶將有可能釋出給數位電視廣播使用。 三、研究成果 天線設計(1) 本計畫中所提出的第一項天線設計為適用於類比電視頻道7-13 (174-216 MHz) 之天線設計，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，且本天線設計使用 的接地面大小為目前市售之一般攜帶型電視機的典型尺寸大小，將設計天線置於

介質基板之上方，微波基板之介電常數為4.4，尺寸選擇為 110 x 120 mm2，基板的 厚度為0.8 mm；整體天線尺寸為 110 x 20 x 20 mm3，天線設計之尺寸設定如圖1 所示。在此本天線設計，使用一條50 Ù 之微帶線饋入，此微帶線印刷於介質基板 之正面，位於基板之右邊，用來模擬實際使用時的同軸饋入線 ，微帶線寬度為1.52 mm，在本設計上饋入點位於接地面之邊緣是用以增加可用的空間而得到較長的共 振路徑；而在天線跟饋入線間有一矩形連接金屬片，高為15 mm，寬為 10 mm， 用來增加天線和接地面之間的隔離間距，增加電感量，因此連接金屬片其主要功 用為調整阻抗匹配用，而天線之饋入點位於自接地面算起高為10 mm 之位置。 圖1 攜帶型電視機尺寸設定

詳細的天線尺寸如圖2 所示，本設計天線是由一片 110 x 78 mm2之金屬片所 切割折疊而成，分別於高20 mm、40 mm、60 mm 的地方將天線彎折，將天線折成 一具有四個金屬面的四面體。在金屬片上置入三個橫向之槽縫，第一個橫向之槽 縫位於金屬片高度18 mm 的位置，自金屬片最右邊算起槽縫長為 100 mm、寬度為 4 mm；第二個橫向之槽縫位於金屬片高度 36 mm 的位置，自金屬片最左邊算起槽 縫長為100 mm、寬為 4 mm，第三個槽縫位於天線高度 58 mm 的位置，自金屬片 最右邊算起長為100 mm、寬度為 4 mm。除了橫向槽縫外，在金屬四面體的第一 金屬面上置入了八個縱向之槽縫，其中四個開口朝上，四個開口朝下；第一個槽 縫位於天線之右下方，自金屬面最右邊算起10 mm 的地方，置入一個長度 10 mm、 寬度2 mm 開口朝下之槽縫，之後每 22 mm 置入一個開口向下，長度 10 mm、寬 度2 mm 之槽縫；在第一金屬面上距離第一個縱向槽縫 10 mm 的位置，置入一個 長度10 mm、寬度 2 mm 且開口朝上之槽縫，且之後每距離 22 mm 置入一個長 10 mm 寬 2mm 之槽縫。於金屬四面體的第二金屬面上亦置入了八個縱向的槽縫，第 一個槽縫位於此金屬面之左下方，自金屬面最左邊算起10 mm 的地方，置入一個 長為10 mm、寬度為 2 mm 開口朝上之槽縫，之後每 22 mm 置入一個長為 10 mm 寬為2 mm 開口朝上之槽縫；在距離第二金屬面之第一個槽縫 10 mm 的地方置入 一個長度為10 mm、寬度為 2 mm 開口朝下之槽縫，之後每 22 mm 置入一個長度 為10 mm、寬度為 2 mm 的槽縫。本天線之第三金屬面總長為 110 mm，第四金屬 面總長為95 mm。由此可知道本天線設計置入槽縫後總長度為 600 mm 約為第一個 共振頻率的0.38 ëo。 於176-214 MHz 頻段，中心頻率為 195 MHz。若以標準單極天線共振於 0 .25 ëo之基本模態，所需的共振長度至少需要400 mm；因此為了在有限空間下可以達

成足夠的電流共振長度，由圖 2 可知道在本天線設計上置入了多數個槽縫，使得 天線在電流路徑上經過多次蜿蜒，而能有效延伸電流共振路徑；一般電流在經過 多次蜿蜒後，末端的電流都相當微弱，使得降頻的效用大打折扣，因此在此必需 加長天線之實際共振長度，在本設計上於天線之第三金屬面及第四金屬面都為簡 單的單一金屬片設計，使得天線末端結構單純，因而加強天線末端的電流強度， 亦使得天線整體之電流分佈較為均勻，因而有效的將頻率降低，並增加天線之阻 抗頻寬。 圖 3 為本天線設計之返回損失量測圖，由圖中可以知道本設計天線的共振模 態出現在200 MHz 附近，其共振模態呈現明顯且穩定的激發，並且具有良好的阻

抗匹配，於本實驗中採用3:1 電壓駐波比 (Voltage standing wave ratio, VSWR) 定義

時具有48 MHz 之阻抗頻寬，約為 24%左右，而電視天線在使用時，只需負責收訊

的功能，而不需要發射訊號，因此在本設計上採用3:1 VSWR 定義阻抗頻寬即可。

圖3 本設計天線之返回損失阻抗頻寬量測圖 由圖 3 可知道本設計天線以 3:1 VSWR 來定義時天線之阻抗頻寬足以包含類 比電視頻帶的7-13 (176-214 MHz) 頻道，可以接收無線電視訊號台灣南部地區的 第九頻道 (189-192 MHz)、第十一頻道 (198-204 MHz) 以及第十二頻道 (204-210 MHz)，即可以接收到無線電視台，台視、華視、中視三個電台。 在天線輻射場型方面，在此因受限於量測環境上無如此低頻之量測天線，故 本設計天線以模擬軟體進行輻射場型之分析，在此使用 Ansoft HFSS 高頻模擬軟 體來對本天線設計之輻射場型進行模擬分析，並且與傳統拉桿式單極天線之模擬 結果進行驗證與比較。圖 4 所示為一傳統單極天線設置於和本研究天線大小相同 之接地面上，並對該單極天線之中心頻率195 MHz 進行場型之模擬分析，由圖中 可知該單極天線的遠場輻射場型在x-z 和 y-z 平面為近似甜甜圈狀，而在 x-y 平面 為全向性輻射場型。

圖5 所示為本設計天線於中心頻率 195 MHz 之模擬場型圖，由圖中可知本設 計天線在x-z、y-z 平面上為近似甜甜圈之場型，而於 x-y 平面為全向性輻射場型； 對圖4 及圖 5 進行比較，可以發現本設計天線在 x-z 平面上 Eè之零點較不明顯， 而在y-z 平面上之 Ef有向 +y 方向稍微傾斜的現象，這可能是因為天線在電流路徑 上經過多次蜿延的結果而造成在輻射場型上的輕微變化。但是由圖 4 及圖 5 比較 可知，天線雖然經過多次的蜿蜒，但其所呈現之輻射場型特性仍然非常接近傳統 單極天線，其原因為天線在中心頻率195 MHz 左右其共振長度為 400 mm，其相對 於接地面長度要長很多，因此在此接地面特性下，天線於接地面上只具有一個電 流零點且位於接地面尾端，因此並無電流反相的情況發生，所以天線之輻射場型 為近似偶極天線之輻射場型，因此有著相當不錯之輻射特性。 圖4 傳統單極天線之輻射場型圖

圖5 本設計天線之輻射場型圖 圖 6 為本設計天線在操作頻帶內之天線增益變化情形，由圖中可知天線在 198MHz 處有最大增益值約 -3 dBi 左右，且由圖中可得知在整個操作頻帶中，增 益變化情形小於2 dBi，因此本設計天線在整個操作頻帶中增益變化的穩定性相當 不錯，所以本設計天線於頻帶內都有不錯的收訊表現。 圖6 本設計天線在頻帶內之增益變化圖

表 1 為本設計天線與傳統拉桿式單極天線於各種不同長度下經由高頻模擬軟 體所計算出的天線阻抗頻寬、增益及輻射效率等輻射特性之比較。在此將傳統拉 桿式單極天線的長度分別設定為10、20、30 及 40 cm，由表中可知，傳統拉桿式 單極天線至少需將天線長度拉長至 30 cm 才能得到較佳之 6 dB 返回損失阻抗頻 寬；而在增益方面，傳統拉桿式單極天線在天線長度為30 cm 及 40 cm 時，天線 的最大增益值皆為1.84 dBi，而在天線長度為 10 cm 及 20 cm 時，最大的天線增益 值開始呈現下降的趨勢，分別下降至1.8 和 -0.7 dBi。為了量測天線在非共振長度 下增益的效能表現，表中也記錄了傳統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。由表中可以看出傳統拉桿 式單極天線之增益值在天線長度為40 cm 時為 1.4 dBi，而天線長度 10 cm 時增益 則為-9.27 dBi，其增益變化量為 10.62 dB，因此增益之變化量相當大，由此可知傳 統拉桿式單極天線要將天線長度拉長至一定長度才能接收到訊號。而由表中可知 道本內藏式電視天線設計，具有固定之頻寬，於頻帶範圍內最大增益值為-3 dBi， 在200 MHz 之共振頻率下，增益為-3.1 dBi，與相同長度 (10 cm) 的傳統拉桿式單 極天線相比，增益特性大幅提昇了6 dB，在輻射效率方面也由 10.7%增加至 75%。 表1 內藏式電視天線與傳統單極在不同長度下天線特性之比較表 單極天線 長度(cm) 中心頻率 (MHz) 6 dB 返回 損失頻寬 (MHz) 最大增益 (dBi) 增益 @200 MHz (dBi) 輻射效率@ 200 MHz (% ) 40 230 37 1.84 @270° 1.4 97.0 30 283 52 1.84 @ 90° -2.2 79.0 20 350 ---- 1.80 @270° -6.3 35.4 10 > 350 ---- -0.70 @ 90° -9.3 10.7 內 藏 式 電 視 天 線 ~ 200 48 -3.16 @180° -3.1 75.0

由表中可以知道傳統拉桿式單極天線於使用時若天線長度縮短時其增益變 差，這是由於在天線長度縮短時，其阻抗頻寬變窄，因而使得傳統拉桿式單極天 線在阻抗頻寬範圍內並不包含電視頻帶，因此電視頻帶所需的頻段並不匹配，因 此使得天線於需要的頻率內輻射效率變差，而造成傳統拉桿式單極天線於天線長 度縮短時其增益值偏低；而本設計天線因為具有較佳之頻寬特性，因此於電視頻 帶所需的頻寬範圍內，匹配都相當不錯，所以本設計天線於頻帶範圍內輻射效率 方面變化也就較為穩定，因此本設計天線具有較穩定之增益變化。 由以上研究結果可以知道，本設計天線之尺寸僅有 110 x 20 x 20 mm3，因此 本設計天線可輕易的內藏於攜帶型電視當中；且其阻抗頻寬以3:1 VSWR 定義時， 頻寬範圍為169-217 MHz 之，具有 48 MHz 之阻抗頻寬，可以操作於無線電視第 七至第十三頻道 (174-216 MHz) 。而本設計天線於頻帶內的場型在水平方向皆為 全向性的輻射場型因此在接收上較不易產生死角，且其於頻帶內都具有相當不錯 的輻射效率，因此本設計天線於頻帶的增益表現都相當不錯，故本設計天線於收 訊上具有相當不錯的表現。且本設計製作上相當簡便，可以直接由金屬片切割， 折彎成形，故其製作成本也較為低廉。 天線設計(2) 本計畫中所提出的第二項天線設計，可以用來接收傳統類比電視頻道 14-69 (470-806 MHz) 及目前台灣數位電視廣播試播頻帶 530-602 MHz；在此本天線設計 和第一款天線設計同樣應用於市面上常見的攜帶型電視，所以在此我們和上一款 天線設計相同，在天線設計上使用工業界常用之 FR4 微波基板來模擬攜帶型電視 機之電路板，其介電常數為4.4，微波基板的尺寸選擇為 110 x 120 mm2，基板的厚

度為0.8 mm；整體天線尺寸為 110 x 30 x 20 mm3，天線設計如圖7 所示。天線表 面黏著於介質基板上，位於接地面之上方。而在此為了方便製作，使用了50 Ù 的 微帶線來模擬實際應用時的同軸傳輸線，微帶線印刷於介質基板上，位於基板之 正中間，微帶線寬度為1.52 mm。本天線設計由一片 85 x 110 mm2之金屬片切割、 彎折而成，如圖 8 所示為金屬片之初始結構圖，金屬片上有兩條彎折線，第一條 彎折線位於高45 mm 的位置，第二條彎折線位於高度 65 mm 的地置，沿兩彎折線 將天線折成一具有三個金屬面之矩形。詳細之天線設計如圖如圖 9 所示，天線之 第一金屬面為一近似等腰三角形，第二金屬面及第三金屬面皆為一110 x 20 mm2 之矩形。於圖 8 之金屬片中心至兩邊截去一對互相對稱於金屬片中心的直角三角 形，直角三角形之底為55 mm 高為 40 mm，直角三角形之直角為原第一金屬面之 直角，截去一對直角三角形後使得天線之第一金屬面近似一等腰三角形；於等腰 三角形之斜邊置入兩個橫向之槽縫，第一個槽縫長為11 mm、寬為 2 mm，位於自 等腰三角形之頂點算起高為5 mm 的位置；第二個槽縫長為 22 mm、寬為 2 mm， 位於自等腰三角形之頂點算起高為12 mm 的位置。 圖7 攜帶型電視機尺寸設定

圖8 本設計天線之初始金屬片結構 圖9 本設計天線詳細參數圖 本天線設計其基本原理為超寬頻天線之結構，使用簡單之單一金屬片結構， 使得天線之電流分佈較為均勻，因而可以獲得較佳的頻寬特性；且本設計天線之 結構較為簡單，因此使得天線電流路徑較為單純，所以具有較佳之輻射效率，所 以在天線增益上也具有不錯的表現；而在天線上加入截角是為了調整阻抗匹配， 這是因為天線和接地面過於接近，會形成電容量，使得天線之阻抗特性偏離50 Ù ， 故藉由調整此截角之大小，可使得天線得到較佳之匹配值；將天線彎折是為了縮 小天線所佔面積，但是天線設計上不可有太多之彎折，因為天線每經過一次彎折 其頻率將會向上漂移，因此必須在縮小面積和頻率漂移之間取得一最佳之設計

值；天線上置入槽縫的目的是為了降頻，置入適當之槽縫大小和槽縫數目可以使 得天線具有較低之共振頻率，但是天線設計上每置入一個槽縫將使得天線之電流 分佈較不均勻，因而使得天線之頻寬縮小，因此在本設計上只置入兩個槽縫，且 位於饋入點附近，這是因為於饋入點附近天線電流分佈較強如圖10 所示為天線未 置入槽縫前之電流分怖圖，故在槽縫位置選擇上具有一最佳位置。本天線設計之 電流路徑經過槽縫及彎折後，總電流共振路徑長度為113 mm 近似於第一個操作模 態之0.25 ë0。 圖10 未置入槽縫前天線電流分佈圖 圖11 為本天線設計之返回損失量測圖，其中紅色實線為實際量測值，而藍色 交叉實線為使用AnsoftHFSS 高頻模擬軟體所得之模擬值。由圖中可知天線返回損 失的實驗值與模擬結果相近，因此模擬結果具有相當之參考價值。天線的第一個

共振模態出現在600 MHz 附近，其共振模態呈現明顯且穩定的激發，並具有良好 的阻抗匹配及相當大的頻寬，於本實驗中採用3:1 VSWR 定義時具有 720 MHz ~ 83%之阻抗頻寬，因此本天線設計可以接收傳統類比電視頻帶 470-806 MHz 或是 數位電視廣播目前開播的頻段，且若是未來數位電視廣播正式開播後若需要更大 的操作頻寬，本設計天線仍然具有足夠的頻寬可供電視頻帶的使用。 圖11 本設計天線之返回損失圖 因為本設計天線之操作頻寬相當大，為了證明天線於整個電視頻帶內之場型 特性相當穩定，在此我們使用模擬軟體來計算操作頻帶內三個頻率點之場型，圖 12-14 分別為天線操作在 470、638、806 MHz 之輻射場型。由圖 12-14 可知道天線 於頻帶內相對於接地面特性，於 x-z、y-z 平面均呈現甜甜圈狀之輻射場型，而天 線於x-y 平面為近似全向性輻射場型。由圖 12-14 可知道本設計天線於整個操作頻 帶內之場型變化相當穩定。比較圖12-14 之 x-y 平面輻射場型，可以發現本設計天 線之輻射場型愈往高頻，其輻射能量會愈往 ± y 方向集中，這是由於本天線設計 於 ± x 方向具有路徑差，因而使得天線於 ± x 方向之輻射能量產生破壞性干涉而 具有相消的效果，而造成天線於 ± x 方向之輻射能量較± y 方向為弱，因為頻率愈

高路徑差愈大，因此在 x-y 平面的輻射場型表現上頻率愈高此現像也就愈趨於明 顯；也因為天線之輻射場型於高頻時能量較往± y 方向集中，因此於高頻時指向性 較高，所以在高頻時天線之增益較低頻時為高。不過由模擬場型圖中可以知道本 天線設計於操作頻帶內，在水平面的輻射場型大致為全向性輻射場型。 圖12 本設計天線操作於 470 MHz 之模擬場型圖 圖13 本設計天線操作於 638 MHz 之模擬場型圖

圖14 本設計天線操作於 806 MHz 之模擬場型圖 由圖12-14 可以知道本設計天線於電視頻道 14-69 (470-806 MHz)的場型變化 都相當穩定，在此對其場型特性作一簡單的說明；在操作頻帶的806 MHz 全波長 為375 mm，而本設計天線所使用之接地面大小為 90 mm，因此接地面長度相對於 頻率470、638、806 MHz 而言，其長度都不超過此三個頻率點的的 1/4 波長，所 以在接地面上只出現一個電流零點，且位於接地面尾端，如圖15 所示，因此於接 地面上的電流流向為一致的，並不會有電流反向的情況發生，所以不會造成在遠 場的場量有對消的效應發生。因此若在此所使用的接地面大小為180 mm，其相對 於806 MHz 而言，接地面長度為近似 1/2 波長，此時接地面原先的電流零點會位 於接地面中間，而於接地面尾端則有逐漸出現新電流零點的趨勢，如圖16 所示， 由於接地面中間具有一電流零點，會使得電流出現反相，此情況下會於遠場造成 破壞性的干涉，造成場型表現上於x-z、y-z 平面上 Eè有凹陷，如圖17 所示。所以 因為一般市售的攜帶型電視其接地面大小相對於電視頻帶波長而言皆不超過 1/4

波長，所以於頻帶內都具有不錯的場型表現。 圖15 本設計於操作頻帶內天線接地面電流分佈圖 圖16 接地面長度加長至 180 mm 時 806 MHz 之電流分佈圖 f = 638 MHz f =806 MHz f = 806 MHz f = 470 MHz

圖17 接地面長度加長至 180 mm 時 f = 806 MHz 之場型圖

圖18 為天線於操作頻帶內的增益變化圖，由圖中，可以知道天線於操作頻帶

內增益變化相當穩定；因為本天線設計結構上相當簡單，使得天線之電流路徑單 純，於頻帶內輻射效率都相當不錯，因此本天線設計具有不錯的增益表現。

本項天線設計，可以應用於電視頻帶特高頻頻段，除了可以操作於傳統類比 電視頻道，亦可應用在近來開播的數位電視廣播的頻帶，且本天線設計可使用金 屬片直接彎折、切割而成，因此其製程相當簡單，成本低廉。因為天線設計上結 構相當簡單，使得電流路徑較為單純，相對的具有不錯的輻射效率，故於增益上 具有相當不錯的表現，再加上本設計天線於頻帶內的輻射場型在水平方向皆為全 向性，因此在收訊時可減少接收不良之角度，而使得本天線設計於訊號接收上有 不錯的表現。 天線設計(3) 本計畫中所提出的第三項天線設計是針對筆記型電腦所進行研發的天線設 計，本設計天線可置於筆記型電腦之液晶螢幕上方，在此是採用平面式的架構， 因此天線於不使用時可以內藏於筆記型電腦內部，如圖19 所示，而不影響筆記型 電腦之美觀；於筆記型電腦中置入適當的彈跳開關，可以在欲接收電視訊號時再 將天線彈出，而將天線外露於筆記型電腦之外部，如圖20 所示。 圖19 本設計天線未使用時之示意圖

圖20 本設計天線使用時之示意圖 在此本實驗採用一個200 x 250 mm2之矩形金屬面來模擬液晶螢幕之系統電 路板，如圖21 所示。本設計天線是直接使用一條 50 Ù 之同軸覽線作為饋入。由 圖21 中可以知道本設計天線是由一 30 x 110 mm2之金屬片所切割而成，於金屬 片之左、右兩邊高為20 mm 的位置至天線長邊的中心點截去一對直角三角型， 此直角三角型之長邊即為天線之斜邊，使天線之形狀為近似一等腰三角形，此近 似等腰三角形的頂點角度為140o；並於天線上置入三個寬為2 mm 之橫向槽縫， 且遭縫與遭縫之間的距離為2.5 mm，詳細之天線尺寸如圖 22 所示，天線之第一 個槽縫位於自頂點算起，高度為4 mm 之位置，開口向左，長度為 21 mm；天線 的第二個槽縫位於自頂點算點高度為 8.5 mm 的位置，開口向右長度為 39.6 mm；天線的第三個槽縫位於自頂點算起高度 13 mm 之位置，開口向左，長度為 53.8 mm。

圖21 本設計天線之尺寸設定 圖22 本設計天線之詳細天線尺寸 圖23 為本設計天線之返回損失量測與模擬結果，紅色實線部份為天線之實 際量測結果，交插實線部份為模擬結果，由圖中可以看出模擬與實驗結果所包含 之阻抗頻寬及匹配程度皆非常相似。本設計天線以3:1 VSWR 定義時，其頻帶範 圍為453-793 MHz，具有 340 MHz 之阻抗頻寬，足以包含目前台灣之數位電視 廣播試播頻帶530-602 MHz，且未來若數位電視廣播需要更寬的頻寬，本設計天 線仍具有足夠的頻寬可供使用；由圖中可發現本天線設計之阻抗頻寬較上一款天 線設計為小，這是由於本天線設計較上一款天線設計上多置入了一個槽縫，因此 於天線上的電流分佈相較下就沒那麼均勻，所以天線在阻抗頻寬上的表現也就較

上一款天線設計為差；而本設計天線在置入三個槽縫後，使其總電流共振路徑近 似於124 mm，接近於 600 MHz 之 0.25 ë0，因此天線之共振模態於600 MHz 左 右呈現穩定而明顯的激發。 圖23 本設計天線之返回損失圖 由圖23 中可以發現本設計天線於頻寬範圍裡的最低頻率為 453 MHz，較第 二款天線設計的最低頻率值為低，且本設計天線所佔的面積又比第二款天線設計 之所佔之面積還小，這是因為本設計天線應用於筆記型電腦上，具有較大之系統 接地面，再加上本設計天線位於系統接地面之邊緣，因此於接地面上的等效電流 路徑較長，如圖24 所示為本設計天線之電流流向圖，由圖中可看出本天線應用 於筆記型電腦時具有較大的迴流路徑，因而使得本設計天線容易達成降頻的目 的，故本設計天線可在較小的面積底下達成天線設計。

圖24 本設計天線之電流流向圖 圖25 至圖 27 分別為本設計天線於 470 MHz、620 MHz 及 770 MHz 之輻射 場型的2D 及 3D 模擬圖。由圖 25 中可以發現本設計天線在頻率 470 MHz 時於 x-z 平面非標準之甜甜圈場型，這是由於天線置於接地面之邊緣，因此於接地面 上的電流流向非對稱，如圖24 所示，受到此曲折擾動而造成場型上的變化，且 此現在愈往高頻愈明顯，因而造成本設計天線於638、770 MHz 時在 x-y 平面不 再是全向性輻射場型，而偏向一某特定方向，且因為電視頻帶之波長相對於接地 面之寬度而言相當長，因此接地面對場型無法形成反射體的效果，而使得天線之 輻射場型有被往接地面導引的現象；且觀察770 MHz 之場型表現，可以發覺天 線在x-z、y-z 平面上 Eè有新的凹點出現，這是由於接地面長度相對於770 MHz

圖 24 本設計天線之電流流向圖 圖 25 至圖 27 分別為本設計天線於 470 MHz、620 MHz 及 770 MHz 之輻射場 型的 2D 及 3D 模擬圖。由圖 25 中可以發現本設計天線在頻率 470 MHz 時於 x-z 平面非標準之甜甜圈場型，這是由於天線置於接地面之邊緣，因此於接地面上的 電流流向非對稱，如圖 24 所示，受到此曲折擾動而造成場型上的變化，且此現 在愈往高頻愈明顯，因而造成本設計天線於 638、770 MHz 時在 x-y 平面不再是 全向性輻射場型，而偏向一某特定方向，且因為電視頻帶之波長相對於接地面之 寬度而言相當長，因此接地面對場型無法形成反射體的效果，而使得天線之輻射 場型有被往接地面導引的現象；且觀察 770 MHz 之場型表現，可以發覺天線在 x-z、y-z 平面上 Eè有新的凹點出現，這是由於接地面長度相對於 770 MHz 而言已

經超過 1/2 波長，而在接地面上有新的電流零點出現，而造成電流反向，進而在

遠場形成破壞性干涉，使得 Eè在 x-z、y-z 上有新的凹點出現。

(a)

(b)

(a)

(b)

(a)

(b)

圖 28 為本天線設計之增益變化圖，由圖中可發現本設計天線之增益變化介 於 1.3-2.5 dBi 之內，本設計之增益變化較第二款天線設計之增益變化為劇烈，且 增益值較高，這是由於本設計於頻帶內之場型表現上變化較劇烈，也因此指向性 較高，故具有較高之增益值，不過由圖中可發現本設計天線於頻帶內之增益變化 小於 2 dB，因此算是相當穩定。 圖 28 本設計天線之增益變化圖 本款天線設計是針對數位電視廣播頻帶所設計，因此本設計天線以 3:1 VSWR 來定義頻帶範圍為 453-793 MHz，因此足以包含目前數位電視廣播的頻 帶，且本設計天線於增益上的表現相當不錯，唯一美中不足的是本天線在設計上 考量了現在的筆記型電腦，於液晶螢幕上方通常都有內建無線區域網路(Wireless LAN, WLAN) 天線，因此本設計天線置於筆記型電腦之邊緣，所以造成接地面 上的電流分佈不對稱，而使得本設計天線於場型表現上較不完美，所以在場型改 善方面將是本設計天線未來的一大改進目標。

三、結論及討論 本計畫中所提出的三項天線設計其結構都相當簡單，可以使用單一金屬片切 割彎折而成，因此其成本低廉，製作簡便，又加上使用空氣介質，所以於輻射效 率的表現上也較佳。且於本計畫中所提出的三款天線設計皆可內藏於機殼內部， 因此行動電視在攜帶時將較為方便，且天線不會像傳統長直形單極天線一樣容易 折斷，行動電視也將較為美觀。 本計畫中所提出的第一項天線設計於接收類比電視頻道 174-216 MHz 頻帶時，與 傳統單極天線比較之下具有不錯之收訊能力，因此本設計天線雖然會使得攜帶式 電視體積略為加大，但是在攜帶、美觀考量上都較使用傳統長直型單極天線之攜 帶型電視為佳。於計畫中所設計的第二項天線設計具相當大的阻抗頻寬，因此可 運用於傳統類比電視頻帶 470-806 MHz 或是數位電視廣播頻帶，且其場型表現上 於水平面為全向性場型，因此具有相當好的接收能力。而在本計畫中所設計的第 三項天線設計是應用於筆記型電腦，其主要是針對數位電視廣播頻帶所設計，本 設計天線具有不錯的阻抗頻寬表現；但是本設計天線於於水平方向非全向性輻射 場型，因此在本天線設計上尚有改良之空間，因此未來將針對天線之場型方面進 行改善，進而使得天線可在阻抗頻寬及輻射場型上皆具有不錯的表現。另外，由 本項計畫的執行，對於參與計畫人員，也獲得許多微波天線應用於可攜式電視的 實作技術及研究經驗。

四、參考文獻

[1] H. C. Tung, C. Y. Fang and K. L. Wong, “Dual-band inverted-L monopole antenna for GSM/DCS mobile phone,” in 2002 IEEE Antennas Propagat. Soc. Int. Symp.

Dig., vol. 3, pp. 30-33.

[2] H. C. Tung, C. Y. Fang and K. L. Wong, “An inverted-L monopole antenna loaded with a meandered wire for GSM/DCS dual-band mobile phones,” Microwave Opt.

Technol. Lett., vol. 33, pp. 212-214, 2002.

[3] S. H. Yeh, C. Y. Fang and K. L. Wong, “PIFA-monopole internal mobile phone antenna for GSM/DCS/PCS triple-band operations,” Microwave Opt. Technol.

Lett., vol. 35, pp. 217-219, 2002.

[4] C. C. Lin, H. C. Tung, H. T. Chen and K. L. Wong, “A folded metal-plate monopole antenna for multiband operation of a PDA phone,” Microwave Opt. Technol. Lett., vol. 39, pp. 135-138, 2003.

[5] K. L. Wong, Planar Antennas for Wireless Communications, Wiley, New York, 2003.