亞東技術學院
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資訊與通訊工程研究所
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碩士論文
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行動通訊之天線設計及
行動通訊之天線設計及
行動通訊之天線設計及
行動通訊之天線設計及 SAR
SAR
SAR
SAR 模擬分析
模擬分析
模擬分析
模擬分析
Antenna Design of Mobile Communication and
Antenna Design of Mobile Communication and
Antenna Design of Mobile Communication and
Antenna Design of Mobile Communication and Analysis of
Analysis of
Analysis of
Analysis of
SAR
SAR
SAR
SAR S
SS
Simulat
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imulation
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ion
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研
研
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究
究
究
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生
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:
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:陳晟瑋
陳晟瑋
陳晟瑋
陳晟瑋
指導教授
指導教授
指導教授
指導教授:
:
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:張道治
張道治
張道治
張道治
博士
博士
博士
博士
中
華
民
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中文摘要
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中文摘要
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近年來行動通訊蓬勃發展，許多不同的加值應用也推陳出新，本 文中針對 DECT、GSM、CDMA2000 等通訊系統來設計天線。本文採用 GEMS 電磁模擬軟體來模擬分析，GEMS 電磁模擬軟體是採用 FDTD 演 算法。 本文中 DECT 1900MHz 天線部分，分別設計兩支偶極天線，以兩 種饋入方式來加以比較。GSM 部份依照 850/900/1800/1900 四個頻段 以四種偶極天線型式，分別探討天線的寬度對天線效率的影響，以及 不同形狀對於天線特性的影響，同時與一般市售 GSM 天線之總全向性 靈敏度及總輻射功率加以比較，根據實驗結果我們所設計的天線比起 市售的天線效能要來的好。 CDMA2000 則是設計 1 支 PIFA 天線，利用不同的結構來增加頻寬， 根據量測結裡，在 CDMA2000 的工作頻段中，輻射效率約為四十個百 分比至七十五個百分比。 本文後半段主要是探討人體對天線的影響以及 SAR 模擬分析，主 要分成三個部份，第一個部份是設計一個應用在 470MHz~862MHz 的領 結型天線，並且以單天線、以及放在衣服上以及放在背包上，三種情 形來進行模擬分析天線輻射的情形，發現天線放置背包上的結果比單 天線或放在衣服上來的好。第二部分主要是模擬分析 900MHz 偶極天線在擺放人體腰部垂直 或水平時，天線輻射的情形與 SAR 的影響。根據結果顯示，當天線擺 放與人體垂直時，天線與人體的接近面積較小，天線效率受影響也較 小。 第三部份則是設計一支工作頻率為 850MHz 的偶極天線，模擬分 析人體對天線輻射情形的影響，並實際量測及 SAR 模擬分析及待測物 之溫度變化。根據結果當天線距離人體越近，對天線通訊品質及 SAR 值愈大，且在適當的距離之下，人體就像個反射板，會使得天線增益 增加，使得天線的通訊品質增加。
英文摘要
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英文摘要
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In recent years, the mobile communication has developed vigorously；therefore, many different kinds of value-added applications are being put out constantly.
The paper designed the antennas simulated by GEMS software which adopted FDTD algorithm to provide for using in three different communication systems and discussed different conditions of the antennas applying to three different communication systems.
First of all, in DECT communication system, this research used two different types of dipole antennas which were designed on basis of 1900MHz bandwidth to compare each other , and the difference between them is the way of feed-in.
Additionally, in GSM communication system, this research used four types of multi-band dipole antennas which were designed on basis of different bandwidths, including 850MHz,900MHz,1800MHz and 1900MHz to discuss how the widths of antennas impacted on the radiation efficiency of antennas and how different shapes impacted on antennas. Meanwhile, this research compared the TIS and TRP of the testing result of above mentioned multi-band dipole antennas with that of general antennas in the market, and this experimental result showed the efficiency of the antennas this research designed is much better.
Furthermore, in CDMA2000 communication system, this research designed a PIFA antenna, and this PIFA antenna took advantage of different structure to increase its bandwidth. According to the measurement, in the operating frequency of CDMA2000, the efficiency of the radiation is between forty percent and seventy-five percent.
Finally, there are three parts in the fifth chapter and it mainly simulated how human body influenced on radiation of antennas and analyzed SAR. First part is to design a bow-tie antenna whose bandwidth is from 470MHz to 862MHz to apply to DVD-T. Moreover, this part simulated and analyzed the radiation conditions by putting the bow-tie antenna on single antennas, clothes and backpacks and measuring the respective distance between these objects and human body, and the experiment showed the result of putting the bow-tie antenna on backpacks is better than putting it on antennas and clothes.
Second part is to design a dipole antenna at 900MHz to simulate and analyze the radiation conditions by putting it on the waist of human body in vertical and horizontal way. According to the result, the contact area between the antenna and human body is smaller when putting the antenna on human body in vertical way; therefore, the effect on the efficiency of the antenna is smaller.
how human body influenced on the radiation conditions of antennas, practically measured SAR and temperature variation of objects. According to the result, when the antenna is closer to human body, the result had more influence on communication quality and SAR. In addition, when the distance is appropriate, human body is like a reflected surface and the gain and communication quality of the antenna increased.
Finally, the last chapter is to discuss and analyze the results. In addition, this research has achieved to improve communication quality and reduce influence from electromagnetic waves on human body.
致謝
致謝
致謝
致謝
在亞東的大學及研究所六年半期間，感謝張教授在我專題及碩士 班的四年半裡的諄諄教誨，從一開始什麼都不懂的專題生，經歷了去 馬來西亞立達學院遊學以及日本千葉大學交換學生，第一次參與大專 生國科會計畫，第一次的論文發表，第一次的產學合作，第一次的協 助舉辦研討會，好多好多的第一次讓我成長，好多好多的第一次讓我 體會，看著過去的回憶，心裡有著無限的感激，真的很感謝張道治教 授，以及千葉大學的伊藤教授、高橋教授及齊藤助教，感謝 PETER 學 長、炳豪學長、世宏學長、志宏學長、榮益學長、立群學長、志恒學 長、閔漢學長的指教，也感謝紀琳學姐及千慧助理的幫助與關心，感 謝資通訊技術研發中心裡的每一個人及千葉大學伊藤高橋實驗室的 每個人，感謝大鵬科技的梁效彬博士與晉文，感謝我同學裴笛、俊傑、 紹翔的幫忙，也感謝學弟們的幫助，沒有你們，就沒有今日畢業的我， 也很感謝我女朋友宜蓉以及我家人的支持，希望在未來的日子裡，希 望大家也都能順順利利、平平安安、心想事成。中英對照表
中英對照表
中英對照表
中英對照表
名稱 英文全名 中文全名
SAR Specific Absorption Rate 特定吸收率
GSM Global System for Mobile
Communications
全球行動通訊系統 WCDMA Wide band Code Division Multiple
Access
寬頻分碼多工
DECT Digital Enhanced Cordless
Telecommunications
數字增強無線電話通 訊
CDMA Code Division Multiple I Access 分碼多工存取
ICNIRP International Non-Ionizing Radiation committee
國際非游離輻射委員 會
DVB-T Digital Video Broadcasting 無線數位電視
FDTD Finite Difference Time Domain
method
時域有限差分法
TIS Total Isotropic Sensitivity 總全向性靈敏度
TRP Total Radiated Power 總輻射功率
目錄
目錄
目錄
目錄
封面內頁 簽名頁 授權書 中文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅳ 英文摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅵ 誌謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．ⅤⅢ 中英文對照表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅸ 目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅹ 圖目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．ⅩⅢ 表目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．ⅩⅩ 第一章、序論 1.1、研究動機與目的．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．1 1.2、研究內容．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．1 1.3、組織大綱．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．8 第二章 無線通訊與人體之電磁波能量吸收率(SAR) 2.1、前言．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．11 2.2、無線通訊．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．112.3、電磁波能量吸收率．．．．．． ．．．．．．．．．．．．16 第三章、
行動通訊之天線設計
3.1、行動通訊天線介紹．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 3.2、DECT 偶極天線設計 3.2.1、偶極天線設計．．．．．．．．．．．．．．．．．24 3.2.2、天線模擬與量測．．．．．．．．．．．．．．．．25 3.2.3、應用結果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 3.3、GSM 多頻天線設計 3.3.1、多頻天線設計．．．．．．．．．．．．．．．．．37 3.3.2、天線模擬與量測．．．．．．．．．．．．．．．．38 3.3.3、應用結果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40 3.4、CDMA2000 寬頻天線設計 3.4.1、PIFA 天線設計．．．．．．．．．．．．．．．．．72 3.4.2、天線模擬與量測． ．．．．．．．．．．．．．．．72 第四章、人體之電磁波能量吸收率 4.1、SAR 之量測方式 4.1.1、頻域電場量測．．．．．．．．．．．．．．．．．81 4.1.2、時域溫度量測．．．．．．．．．．．．．．．．．82 4.2、近場區域的主要能量吸收機制．．．．．．．．．．．844.3、人體模擬組織調配與量測．．．．．．．．．．．．．85 4.4、電磁輻射熱效應標準及電磁輻射吸收劑量之人體響應．88 4.5、電磁輻射對人體影響．．．．．．．．．．．．．．．90 第五章、天線輻射影響及 SAR 模擬與分析 5.1、SAR 模擬 5.1.1、偶極天線靠近圓柱型模型及 SAR 模擬分析．．．．．93 5.1.2、領結型天線靠近長方型模型模擬分析．．．．．．．102 5.2、偶極天線靠近正方型模型量測及模擬分析．．．．．．107 第六章 結論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．113 參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．115 附錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．119
圖目錄
圖目錄
圖目錄
圖目錄
圖一.Dipole Antenna 1 天線結構圖．．．．．．．．．．．．．27 圖二.Dipole Antenna 2 天線結構圖．．．．．．．．．．．．．27 圖三.Dipole Antenna 1 天線實體圖．．．．．．．．．．．．．28 圖四.Dipole Antenna 2 天線實體圖．．．．．．．．．．．．．28 圖五.安立芝37369C網路分析儀．．．．．．．．．．．．．．．29 圖六.天線反射損耗．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 圖七.SATIMO SATLAB 天線近場量測系統．．．．．．．．．．．30 圖八.天線輻射效率．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 圖九.天線最高增益．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31 圖十.H-Plane 2D場型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31 圖十一.E-Plane 2D場型．．．．．．．．．．．．．．．．．．32 圖十二.天線應用於老人照顧系統1．．．．．．．．．．．．．．32 圖十三.天線應用於老人照顧系統2．．．．．．．．．．．．．．33 圖十四.天線應用於足球裁判系統 ．．．．．．．．．．．．．．33 圖十五.待測物量測情形．．．．．．．．．．．．．．．．．．34 圖十六.天線輻射效率．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34 圖十七.天線最高增益．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35 圖十八.XZ-Cut 2D場型．．．．．．．．．．．．．．．．．．35圖十九.YZ-Cut 2D場型．．．．．．．．．．．．．．．．．．36 圖二十.XY-Cut 2D場型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36 圖二十一.Case 1 天線結構圖．．．．．．．．．．．．．．．．41 圖二十二.Case 2 天線結構圖．．．．．．．．．．．．．．．．41 圖二十三.Case 3 天線結構圖．．．．．．．．．．．．．．．．42 圖二十四.Case 4 天線結構圖．．．．．．．．．．．．．．．．42 圖二十五.Case 1天線實體圖．．．．．．．．．．．．．．．．43 圖二十六.Case 2天線實體圖．．．．．．．．．．．．．．．．43 圖二十七.Case 3天線實體圖．．．．．．．．．．．．．．．．44 圖二十八.Case 4天線實體圖．．．．．．．．．．．．．．．．44 圖二十九.Case 1的天線反射損耗．．．．．．．．．．．．．．45 圖三十.Case 2的天線反射損耗．．．．．．．．．．．．．．．45 圖三十一.Case 3 的天線反射損耗．．．．．．．．．．．．．．46 圖三十二.Case 4 的天線反射損耗．．．．．．．．．．．．．．46 圖三十三.Case 1 的天線輻射效率．．．．．．．．．．．．．．47 圖三十四.Case 2 的天線輻射效率．．．．．．．．．．．．．．47 圖三十五.Case 3 的天線輻射效率．．．．．．．．．．．．．．48 圖三十六.Case 4 的天線輻射效率．．．．．．．．．．．．．．48 圖三十七.Case 1 的天線最高增益．．．．．．．．．．．．．．49
圖三十八.Case 2 的天線最高增益．．．．．．．．．．．．．．49 圖三十九.Case 3 的天線最高增益．．．．．．．．．．．．．．50 圖四十.Case 4 的天線最高增益．．．．．．．．．．．．．．．50 圖四十一.Case 1 在850MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．51 圖四十二.Case 1 在900MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．51 圖四十三.Case 1 在1800MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．52 圖四十四.Case 1 在1900MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．52 圖四十五.Case 1 在850MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．53 圖四十六.Case 1 在900MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．53 圖四十七.Case 1 在1800MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．54 圖四十八.Case 1 在1900MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．54 圖四十九.Case 2 在850MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．55 圖五十.Case 2 在900MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．．55 圖五十一.Case 2 在1800MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．56 圖五十二.Case 2 在1900MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．56 圖五十三.Case 2 在850MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．57 圖五十四.Case 2 在900MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．57 圖五十五.Case 2 在1800MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．58 圖五十六.Case 2 在1900MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．58
圖五十七.Case 3 在850MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．59 圖五十八.Case 3 在900MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．59 圖五十九.Case 3 在1800MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．60 圖六十.Case 3 在1900MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．．60 圖六十一.Case 3 在850MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．61 圖六十二.Case 3 在900MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．61 圖六十三.Case 3 在1800MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．62 圖六十四.Case 3 在1900MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．62 圖六十五.Case 4 在850MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．63 圖六十六.Case 4 在900MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．63 圖六十七.Case 4 在1800MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．64 圖六十八.Case 4 在1900MHz的H-plane輻射場型．．．．．．．．64 圖六十九.Case 4 在850MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．65 圖七十.Case 4 在900MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．．65 圖七十一.Case 4 在1800MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．66 圖七十二.Case 4 在1900MHz的E-plane輻射場型．．．．．．．．66 圖七十三. 天線應用於老人照顧系統1．．．．．．．．．．．．67 圖七十四. 天線應用於老人照顧系統2．．．．．．．．．．．．67 圖七十五. 天線應用於老人照顧系統3．．．．．．．．．．．．68
圖七十六. 天線應用於老人照顧系統4．．．．．．．．．．．．68 圖七十七. 天線與產品結合．．．．．．．．．．．．．．．．．69 圖七十八.三支天線於GSM 850 TRP比較．．．．．．．．．．．．69 圖七十九.三支天線於GSM 850 TIS比較．．．．．．．．．．．．70 圖八十.三支天線於GSM 900 TRP比較．．．．．．．．．．．．．70 圖八十一.三支天線於GSM 900 TIS比較．．．．．．．．．．．．71 圖八十二.三支天線於GSM 1800 TRP比較．．．．．．．．．．．71 圖八十三.三支天線於GSM 1800 TIS比較．．．．．．．．．．．72 圖八十四.三支天線於GSM 1900 TRP 比較．．．．．．．．．．．72 圖八十五.三支天線於GSM 1900 TIS比較．．．．．．．．．．．73 圖八十六.PIFA 天線結構圖．．．．．．．．．．．．．．．．75 圖八十七.PIFA天線實體圖．．．．．．．．．．．．．．．．．76 圖八十八.天線反射損耗．．．．．．．．．．．．．．．．．．76 圖八十九. 天線輻射效率．．．．．．．．．．．．．．．．．．77 圖九十. 天線最高增益．．．．．．．．．．．．．．．．．．．77 圖九十一.天線於900MHz的XZ平面場型．．．．．．．．．．．．78 圖九十二. 天線於1900MHz的XZ平面場型．．．．．．．．．．．78 圖九十三. 天線於900MHz的YZ平面場型．．．．．．．．．．．．79 圖九十四. 天線於1900MHz的YZ平面場型．．．．．．．．．．．79
圖九十五. 天線於900MHz的XY平面場型．．．．．．．．．．．．80 圖九十六. 天線於1900MHz的XY平面場型．．．．．．．．．．．80 圖九十七.頻域型SAR量測系統．．．．．．．．．．．．．．．．82 圖九十八 . 時域型SAR量測系統．．．．．．．．．．．．．．．83 圖九十九. 人體腰部組織液調配．．．．．．．．．．．．．．．86 圖一百.介電係數與導電率量測系統．．．．．．．．．．．．．87 圖一百零一.人體腰部模型介電係數及導電率量測值．．．．．．87 圖一百零二.領結型天線變化圖．．．．．．．．．．．．．．．95 圖一百零三.人體模型與領結型天線結構圖．．．．．．．．．．95 圖一百零四.領結型天線與人體模型之反射損耗．．．．．．．．96 圖一百零五.領結型天線與人體模型之輻射效率．．．．．．．．96 圖一百零六.領結型天線與人體模型之最高增益．．．．．．．． 97 圖一百零七.領結型天線與人體模型於470MHz的XZ平面場型．．． 97 圖一百零八.領結型天線與人體模型於470MHz的YZ平面場型．．． 98 圖一百零九.領結型天線與人體模型於470MHz的XY平面場型．．． 98 圖一百一十.領結型天線與人體模型於680MHz的XZ平面場型．．． 99 圖一百一十一.領結型天線與人體模型於680MHz的YZ平面場型．． 99 圖一百一十二.領結型天線與人體模型於680MHz的XY平面場型．．100 圖一百一十三.領結型天線與人體模型於860MHz的XZ平面場型．．100
圖一百一十四.領結型天線與人體模型於860MHz的YZ平面場型．．101 圖一百一十五.領結型天線與人體模型於860MHz的XY平面場型．．101 圖一百一十六.天線及人體模型結構圖．．．．．．．．．．．．103 圖一百一十七.天線及人體模型之反射損耗．．．．．．．．．．103 圖一百一十八.天線及人體模型之輻射效率．．．．．．．．．．104 圖一百一十九.天線及人體模型之最高增益．．．．．．．．．．104 圖一百二十.天線及人體模型之E-Plane場型．．．．．．．．．．105 圖一百二十一.天線及人體模型之H-Plane場型．．．．．．．．．105 圖一百二十二.天線及人體模型之特殊吸收率分析．．．．．．．106 圖一百二十三.天線及人體模型示意圖．．．．．．．．．．．．108 圖一百二十四.天線及人體模型之反射損耗．．．．．．．．．．109 圖一百二十五.天線及人體模型之輻射效率．．．．．．．．．．109 圖一百二十六.天線及人體模型之最高增益．．．．．．．．．．110 圖一百二十七.天線及人體模型之E-Plane場型．．．．．．．．．110 圖一百二十八.天線及人體模型之H-Plane場型．．．．．．．．．111 圖一百二十九.天線及人體模型之SAR分析．．．．．．．．．．．111 圖一百三十.天線及人體模型之溫度變化．．．．．．．．．．．112
表目錄
表目錄
表目錄
表目錄
表一 .SAR 國際規範．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．85 表二 .SAR 國際法規．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．86 表三.人體組織液調配．．．．．．．．．．．．．．．．．．．88 表四.不同頻率穿透人體皮膚之深度亦隨之變化．．．．．．．．94 表五.SAR 限值的規範以及平均重量規範．．．．．．．．．．．95 表六.各種通訊系統所打出的輸出功率以及 SAR 值．．．．．．．95第一章
第一章
第一章
第一章
序論
序論
序論
序論
1.1
1.1
1.1
1.1、
、
、研究動機與目的
、
研究動機與目的
研究動機與目的
研究動機與目的
現今科技發達，無線科技已成為生活不可或缺的一環，根據不同 的通訊協定以及不同產品的需求，衍生出多種不同形式的天線，又因 近年健康意識高漲，人們對於電磁波對人的影響也越來越重視，所以 如何設計出高品質且對人體影響較小的通訊產品，是每個通訊產品的 目標，本文中使用 GEMS 電磁模擬軟體採用 FDTD 演算法[1]-[5]，針 對 DECT，GSM CDMA2000、無線數位電視等應用，來設計各式不同的 天線，並且在本文中，模擬並分析偶極天線於不同情形之輻射情形及 對人體的影響，探討其物理現象以及 SAR 的影響。
1.2
1.2
1.2
1.2、
、
、研究內容
、
研究內容
研究內容
研究內容
天線設計 天線設計 天線設計 天線設計 天線是用來一種用來發射或接收電磁波的電子元件。天線應用十 分廣泛，於手機及對講機、廣播和電視、點對點通信、雷達和太空探 索等系統。天線通常在空氣中工作，也可以在水下或是人體內輻射， 甚至在某些頻率下工作於土壤和岩石之中。 從物理學上講，天線是一個或多個導體的組合，由它可因施加的 交流電壓和相關聯交流電流而產生輻射的電磁場，或者可以將它放置
在電磁場中，由於場的感應而在天線內部產生感應電流並在其末端產 生交流電壓。 簡單的來分類可以把天線分為全向天線（如手機天線）及指向性 天線（如基地台天線） 在自由空間內，天線能向各個方向輻射能量，但是特定的架構會 使天線所輻射的能量在某個方向上集中，獲得較大指向性，而其它方 向的能量輻射則較小。 通過增加附加導體棒或線圈並改變其長度、間距和方位（或者改 變天線波束方向），可以製造出擁有既定特性的天線，如一般家中屋 頂常用的八木天線。「天線陣列」或「天線陣」是指相當數量的有源 天線共用源或負載來產生定向的天線輻射方向圖。天線的空間關係通 常也會影響其指向性。「有源單元」是指此天線單元的能量輸出由該 單元內部的能量源所決定（而不是僅由通過電路的信號能量）或者該 單元能量輸出的能量源由信號輸入所控制。「天線饋入線」是在信號 源和有源天線之間傳輸信號能量的傳導裝置（如傳輸線或同軸電纜 線）。 而「諧振頻率」和「電諧振」與天線的電長度相關。電長度通常 是電線物理長度乘以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線 的長度通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調諧，並在此諧振頻
率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數（尤其是輻射方向圖和 阻抗）隨頻率而變，所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數的 中心頻率相近。 天線可以在與目標波長成分數關係的長度所對應的頻率下諧 振。一些天線設計有多個諧振頻率，另一些則在很寬的頻帶上相對有 效。最常見的寬頻天線是對數周期天線，但它的增益相對於窄頻帶天 線則要小很多。 反射係數 反射係數 反射係數 反射係數 反射係數是電磁學裡的一個名詞，定義為電磁波入射量與反射量 的比值。 反射係數可以表為負載阻抗 ZL 與輸入端阻抗 ZS 的關係式： (1.1) 由於阻抗可能為複數，因此反射係數也會為一複數，通常我們會 將此複數值（型如 r+jx）改為用相量（型如|Γ|∠θ）來表示。 |Γ|的值會介在在-1（負載短路，ZL=0）到+1（負載開路，ZL=∞） 之間，而當|Γ|為 0 時即表示阻抗匹配。 反射係數可以表示為歸一化負載阻抗形式：
(1.2) 其中 (1.3) 反射損耗(Return Loss) (1.4) 反射損耗是反射能量與入射能量比的dB 表示形式，值為正值， 用來表示被反射回去的能量損失大小，可以與電壓駐波比互相轉換。 電壓 電壓 電壓
電壓駐波比駐波比駐波比駐波比(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio)(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio)(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) (VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) 電壓駐波比(VSWR) 定義如下： (1.5) VSWR 變化範圍為 1 到正∞。 由於實務上系統的反射係數Γ並不容易得知，因此我們可以藉由 駐波比計將 VSWR 參數量出，並利用上列關係式反推得到該系統的反 射係數絕對值|Γ|： (1.6)
增益 增益 增益 增益 「增益」指天線最強輻射方向的天線輻射場型圖強度與參考天線 的強度之比取 dB 值。如果參考天線是全向性天線，增益的單位為 dBi(reference the isotropic antenna)。比如，偶極天線的增益為 2.14dBi 。偶極天線也常用作參考天線（完美全向參考天線無法製 造），這種情況下天線的增益以 dBd(reference the dipole antenna) 為單位。
天線增益就是天線輻射效率乘與指向性[6][7]，如式(1.7)所 示，天線與有效面積的關係式如式(1.8)所示。
(
)
4 radiation intensity 4(
,)
4(
,)
(
)
G , ,
total input power
g total g rad in total U U D P P π θ φ π θ φ π θ φ η θ φ η × = = = = (1.7)
(
)
(
)
2 , , 4 r eff G A θ φ λ θ φ π = (1.8) U:輻射強度 in P :輸入功率 rad P :輻射功率 total η :總輻射效率 g D :指向性 eff A :天線有效面積 λ:波長的能量。如果天線在一些方向上增益為正，由於天線的能量守恆，它 在其他方向上的增益則為負。因此，天線所能達到的增益要在天線的 覆蓋範圍和它的增益之間達到平衡。例如，高指向性天線的增益很 大，但覆蓋範圍卻很窄，所以它必須精確地指向某個方向；而手機天 線由於需要向各個方向輻射，它的增益就不需要太高。 頻寬 頻寬 頻寬 頻寬 天線的頻寬是指它有效工作的頻率範圍，通常以其諧振頻率為中 心。天線頻寬可以通過以下多種技術增大，如使用較粗的金屬線，使 用金屬「網籠」來近似更粗的金屬線，尖端變細的天線元件（如饋電 喇叭中），寬頻的領結型天線也是使用輻射路徑漸寬的方式來增加工 作頻寬，以及多天線集成的單一部件，使用特性阻抗來選擇正確的天 線。小型天線通常使用方便，但在頻寬、尺寸和效率上有著不可避免 的限制。 輻射場型圖 輻射場型圖 輻射場型圖 輻射場型圖 半波長偶極天線增益（dBi）輻射方向圖是天線發射或接受相對 場強度的圖形描述。由於天線向三維空間輻射，需要數個圖形來描 述，一般常使用 XZ、YZ、XY 三個切面，並依照垂直水平極化來加以
分析結果，或以球座標或是直角座標方式來表示座標，除此之外也常 用 E-plane 及 H-plane 兩個面來分析天線輻射場型。 TRP TRP TRP TRP
TRP(Total Radiated Power)主要量測行動電話發射於空間中的 功率。量測時除了在低中高三個頻道下做測試外，還會在自由空間， 與模擬人頭所示。兩種不同型式擺設下進行測試。取樣以 θ=15° (θ =0° 至θ=165°)與 ψ=15° (ψ=0° 至ψ=360° ) 為取樣間隔總共量 測 12*24=288 個不同位置、不同極化方向的數值。 當θ=0°時的 TRP 值為 0(sin0°=0)因此實際測試時只要量測紀錄 11*24=264 個不同位置、不同極化方向，紀錄所量測的數值。並做以 下公式的處理即可得知於整各空間與分佈於±45°與±30°的 TRP。 一般來說，TRP 的能量愈大，通話品質不容易受到環境雜訊干擾。 1 1 1 0 [ ( , ) ( , )]sin 2 N M i j i j i j TRP EiRP EiRP i NM θ φ π θ φ θ φ θ − − = = =
∑ ∑
+ (1.9) EIRP:有效全向性輻射功率 N=θ軸的採樣點數目 M=ψ軸的採樣點數目 TIS TIS TIS TIS測時除了在低中高三個頻道下做測試外 。還會在自由空間與模 擬人頭所示兩種不同型式擺設下進行測試。測試取樣以 θ=30°(θ=0 °至θ=150° )與ψ=30° (ψ=0°至ψ=360° )為取樣間隔總共量測 6*12=72 個點的數值。但由下列公式得知 =0° 時的 TIS 值為 0 (sin 0 ° =0)因此實際測試時只要量測紀錄 5*12=60 個不同位置、不同極化 方向，紀錄所量測的數值。並做以公式的處理即可得知於整各空間與 分佈於±45°與±30°的 TIS。 1 1 , 1 0 2 1 1 [ ( ) ( )]sin N M i j i j i j j NM TIS EISθ EISφ π θ φ θ φ θ − − = = = +
∑ ∑
(1.10) EIS:有效全向性靈敏度1.
1.
1.
1.3
3
3
3、
、
、組織大綱
、
組織大綱
組織大綱
組織大綱
第 一章 是 序 論 ，簡 要 說 明 本 論 文 中 所 設 計 於 DECT 、 GSM 、 CDMA2000，無線數位電視等應用之天線，和天線於不同擺放情形對於 人體腹部之影響，以及人體對於天線之傳輸品質之影響，第二章是無 線通訊天線與人體之電磁波能量吸收率(SAR)，在本章節中分別對 DECT、GSM、WCDMA2000、無線數位電視、做出基本的介紹，並且對於 SAR 的規範以及定義介紹。 第三章是天線設計，一共分三大部分來設計天線，三大部份分別份分別設計兩種偶極天線模擬量測分析，並且實際量測天線使用足球 裁判系統中輻射情形，並且量測天線放置於待測物中且佩戴於人體時 的輻射情形。 第二部份 GSM 的部份，在頻段 850/900/1800/1900 部份設計四種 多頻天線並模擬量測分析，分別是以多頻天線加上不同的結構如三角 型或方形，以及不同的天線線寬下的輻射情形，並且分析比較，並且 與市售的兩支天線的 TIS 和 TRP 做比較，第三部份 CDMA2000 部份， 在頻段 824MHz~849MHz/869MHz~894MHz/1850MHz~1910MHz/1930MHz~ 1990MHz /2010MHz~2025MHz 部份設計一支 PIFA 天線，模擬及實作出 成品，並且量測分析。 第四章是人體之電磁波能量吸收率，根據頻域電場量測與時域溫 度量測兩種情形，對於 SAR 的部份做出介紹，並且對於近場區域的主 要能量吸收機制做出以及人體模擬組織調配與量測作出分析介紹，並 且對探討電磁輻射熱效應標準及電磁輻射吸收劑量之人體響應，探討 電磁波對人體的影響以及如何減少電磁波的危害。 第五章是通訊品質量測及 SAR 模擬與分析，在本文中分別探討電 磁波對於通訊品質及人體的影響，主要分成三個部份，第一部分模擬 數位電視頻段 470MHz~862MHz 之領結型衣服天線對人體(長方體模型) 之影響，分別以單天線以及放置衣服上以及放置背包上三種情形來模
擬。 第二部分設計了一支工作於 900MHz 的偶極天線來模擬手機垂直 或水平情形擺放於人體腰部(圓柱型模型)時對人體以及通訊品質的 影響，以及模擬不同擺放方式的情況下，天線對於人體以及對於通訊 品質的影響，第三部份於 850MHz 偶極天線以單天線、距離人體 5mm 以及 50mm 三種情形對於通訊品質及人體的影響，作出模擬與量測比 較，模擬並實測在與人體不同距離的情況下，天線對於人體以及對於 通訊品質的影響。 第六章是結果探討，探討不同天線用於無線通訊系統的影響及天 線於不同擺放方式對於通訊品質及人體的影響，天線於不同距離對於 通訊品質及人體的影響，並且爲本文之研究結果做總結。
第二章
第二章
第二章
第二章
無線通訊天線與
無線通訊天線與
無線通訊天線與人體之電磁波能量吸收率
無線通訊天線與
人體之電磁波能量吸收率
人體之電磁波能量吸收率(
人體之電磁波能量吸收率
(SAR
(
(
SAR
SAR
SAR)
)
)
)
2.1
2.1
2.1
2.1、
、
、前言
、
前言
前言
前言
ㄧ般天線設計要考慮到的地方很多，不論是材質、工作頻率或結 構。同樣的天線在不同的環境裡會有不同的結果，也因為這樣，所以 使得天線設計上所要注意的地方，也增加了許多。人們在使用手機會 通訊產品的時候，電磁波對人體所產生的影響，也是不可忽略的，能 從生活習慣中有效的減少電磁波的危害，是我們很重要的研究課題。2.2
2.2
2.2
2.2、
、
、無線通訊
、
無線通訊
無線通訊
無線通訊
無線通訊也就是不經過導線的方式來達動通訊的目的，一般常用 電磁波或紅外線等方式來傳撥，對於常見無線通訊傳撥，有 DECT、 GSM、WCDMA、WIFI、WiMAX…等。 GSM GSM GSM GSMGSM（Global System for Mobile Communications）是目前應用 最為廣泛的行動電話標準。全球超過 200 個國家和地區超過 20 億人 正在使用 GSM，台灣目前所使用的頻段為 GSM900 MHz 與 GSM1800MHz 兩個區段，在歐、亞、非、大洋洲及少數中南美洲國家，也都是採用
900、1800 頻段，美國則是採用 GSM850 與 GSM1900，而美洲多數國家 採用 1900 頻段，少數國家則採用 850 頻率。 ㄧ 般 GSM 四 頻 手 機 的 工 作 頻 段 為 824MHz~894MHz/890MHz~ 960MHz/1710MHz~1890/1850~1990MHz，以便手機在不同的國家也能使 用。 GSM標準的廣泛使用使得在行動電話運營商之間簽署「漫遊協定」 後用戶的國際漫遊變得很平常。GSM 較其它以前的標準最大的不同是 他的信息和語音通道都是數位的，因此 GSM 被看作是第二代（2G）行 動電話系統。GSM 標準當前由 3GPP 組織負責制定和維護。 從用戶觀點出發， GSM 的主要優勢在於提供更高的數位語音質 量和替代呼叫的低成本的新選擇（比如簡訊）。從網路運營商角度看 來，其優勢是能夠部署來自不同廠商的設備，因為 GSM 作為開放標準 提供了更容易的互操作性。而且，標準就允許網路運營商提供漫遊服 務，用戶就可以在全球使用他們的行動電話了。 GSM 系統在無線介面上採用分時多工技術（TDMA），語音或數據 訊號採用高斯最小頻移鍵控（GMSK）方式進行調變。通道編碼主要採 用摺積碼。每個 GSM 載頻的頻寬為 200KHz，在時間上以 4.615ms(更 準確的說是 60/13ms）為一幀，每一幀又順序劃分為 8 個時槽。時槽 是 GSM無線介面上資源的最小單位。
作為 GSM 系統數據傳輸性能提升的 EDGE(2.5G)系統， 調變方式 採用了效率更高的 8 進制相移鍵控（8PSK）。開發中的 EDGE 演進技術 則將採用 32 或 16 進制正交振幅調變（32 或 16QAM），每載頻的數據 傳輸能力可接近 1Mbps。 GSM 上下行訊號為分頻雙工，上下行訊號採用不同的頻率， 但 對於不同的頻點，上下行頻率之間保持固定的間隔。 GSM網路一共有 4 種不同的細胞單元尺寸：宏細胞，微細胞，微 微細胞和傘細胞。覆蓋面積因不同的環境而不同。宏細胞可以被看作 那種基站天線安裝在天線桿或者建築物頂上那種。微細胞則是那些天 線高度低於平均建築高度的那些，一般用於市區內。微微細胞則是那 種很小的細胞只覆蓋幾十米的範圍，主要用於室內。傘細胞則是用於 覆蓋更小的細胞網的盲區，填補細胞之間的訊號空白區域。 細胞半徑範圍根據天線高度、增益和傳播條件可以從百米以下到 數十公里。GSM 規範設計的最大小區半徑，一般情況下為 35 公里。 如果採用擴展細胞的技術，則可以達到 120 公里以上，適用於一 些傳播條件極好的情況。 GSM還支持室內覆蓋，通過功率分配器可以把室外天線的功率分 配到室內天線分布系統上。這是一種典型的配置方案，用於滿足室內 高密度通話要求，在購物中心和機場十分常見。然而這並不是必須
的，因為室內覆蓋也可以通過無線訊號穿越建築物來實現，只是這樣 可以提高訊號質量減少干擾和回聲。 WCDMA WCDMA WCDMA WCDMA
WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access 寬頻分碼多 工）是一種 3G 蜂巢式網路。WCDMA 使用的部分協議與 2G GSM 標準一 致。 具體一點來說，WCDMA 是一種利用分碼多工復用（或者 CDMA 通 用 復用技術，不是指 CDMA 標準）方法的寬頻展頻 3G 行動通訊空中 介面 歷史上，歐洲電信標準委員會（ETSI）在 GSM 之後就開始研究 其 3G 標準，其中有幾種備選方案是基於直接序列展頻分碼多工的， 而日本的第三代研究也是使用寬頻分碼多工技術的，其後，以二者為 主導進行融合，在 3GPP 組織中發展成了第三代行動通訊系統 UMTS， 並提交給國際電信聯盟（ITU）。 國際電信聯盟最終接受 WCDMA 作為 IMT-2000 3G 標準的一部分， WCDMA 使用的工作頻段為，BandⅠ:1920MHz~2170MHz、BandⅡ:1850MHz ~1990MHz、BandⅢ:1710MHz~1880MHz、BandⅣ:1710MHz~2155MHz、Band Ⅴ:824MHz~894MHz、BandⅥ:830MHz~885MHz、。
CDMA2000 CDMA2000 CDMA2000 CDMA2000
CDMA2000 即為 CDMA2000 1×EV，是一種 3G 移動通信標準。分兩 個階段：CDMA2000 1×EV-DO（Data Only），採用話音分離的信道傳輸 數據，和 CDMA2000 1×EV-DV（Date and Voice），即數據信道於話音 信道合一。
CDMA2000 也稱為 CDMA Multi-Carrier，由美國高通北美公司為 主導提出，摩托羅拉、Lucent 和後來加入的韓國三星都有參與，韓 國現在成為該標準的主導者。這套系統是從窄頻 CDMA One 數字標準 衍生出來的，可以從原有的 CDMA One 結構直接升級到 3G，建設成本 低廉。但目前使用 CDMA 的地區只有日、韓和北美， 所以 CDMA2000 的支持者不如 W-CDMA 多，CDMA2000 與 WCDMA 不兼容。
CDMA2000 常 使 用 的 頻 段 為 824MHz ~849MHz/869MHz~894MHz /1850MHz~1910MHz/1930MHz~1990MHz/2010MHz~2025MHz。 DECT DECT DECT DECT
數 字 增 強 無 線 電 話 通 訊 （ Digital Enhanced Cordless Telecommunications）是一種廣泛使用的歐洲無線電話通訊標準。 1992 年歐洲電信標準協會（ETSI）發布 DECT 規範，本來命名為 CT3，
但是由於 CT3 已被註冊。DECT 大大改進 CT2 的缺點，採用 TDMA（Time Division Multiple Access）技術，使用小範圍、超高頻、低功率方 式在高密度用戶區域提供服務，可同時與 12 部手持同時通話，目前 是歐洲無線電話標準，也因其低功率的優點，DECT 常使用在老人照 護系統，DECT 的工作頻率於歐洲為 1880 MHz ~1900 MHz，美國為 1900MHz~1930 MHz。 日本將 DECT 修改成為 PHS，此標準廣泛應用於中國大陸。
2.
2.
2.
2.3
3
3
3、
、
、電磁波能量吸收率
、
電磁波能量吸收率
電磁波能量吸收率
電磁波能量吸收率
SAR 定義之英文全名為Specific Absorption Rate，即單位時間 內，單位質量所吸收的電磁波能量[8]，單位為W/kg 或μW/g；亦指 一般電磁輻射環境中(該設備與人保持在20 公分以內距離)，生物體 所吸收的電磁波能量對該生物體單位質量之比值稱之。 d dW d dW SAR= = dt d dt ρdV ｍ (2.1) dW ：電磁能增加率(W); dm ：質量(Kg)； P ：電磁功率(瓦特)；
dV ：體積(m3 ); ρ ：組織密度(kg/m) 依據國際非游離輻射委員會對於時變的電場、磁場以及電磁場曝 露限值發佈指導準則(最高至300 GHz)[9]，其主要目的在於制定各類 標準，限制電磁場曝露，防止各種不利於健康的影響。不良的健康影 響可以造成曝露個體及其後代的健康受到可以監測到的損害,但生物 效應或許有可能會對健康産生不利影響。準則中將之分成了基本限制 值及參考位準兩類的標準： 第一類是基本限制值，也就是直接依據設定的健康效應而制定之 曝露於時變的電場、磁場和電磁場曝露的限值。根據各種場之頻率的 不同，用以指定此類限制值的物理量包括電流密度(JJJJ)、比吸收率(SAR) 以及功率密度(SSSS)。能夠隨時測量那些在曝露個體身體之外或於空氣 中的功率密度。 第二類是參考位準，這些參考位準特別用以評估實際的曝露情 況，進而確定是否可能超出基本限制值。部份參考位準亦透過相關的 基本限制值進行確定，其限制值採用量測與計算而得之。某些位準則 根據感覺以及曝露於電磁場(EMF)之中産生的不利之間接效果而定。 參考位準的物理量包括電場強度(E)、磁場強度(H)、磁通量密度(B)、
功率密度(S)以及肢體電流(IL)。基於感覺與其他間接效果的物理量 包括接觸電流(IC)以及脈衝場中的比吸收能(SA)。在任何特定的曝露 情況下，這些物理量的量測值或計算值都可與相對應的參考等級進行 比較，符合參考位準可以保證符合相關的基本限制值。 輻射影響限制是以確定的健康效應爲基礎的，並被稱爲「基本限 制」。依據頻率，EMF 輻射基本限制的物理量爲電流密度、SAR 和功 率密度。而輻射參考位準是用於與物理量測量值作進行對比的，符合 這些指南規定的參考位準可確保符合基本限制值。 如果測量值比參考位準高，這並不一定意味著超過了必要的基本 限值，但需要進行更詳細的分析以便評估遵循基本限制值情況。人體 和試驗性動物對EMF 輻射的生物效應和健康效應的資料匱乏，以致於 無法爲整個頻率範圍和各種頻率調製模式的安全係數確定相關標準 提供可靠基礎。此外，有些安全係數的不確定性是由於缺乏劑量度量 單位相關知識導致的。 在確定高頻場安全係數時考慮了「在惡劣環境條件(高溫等)或高 活性水平下EMF 輻射的影響」及「某些具高潛在熱敏感度者，如：體 弱人士、老人、嬰兒、小孩、生病或服藥影響了抗熱能力的人」等之 變數。在制定高頻場參考位準標準時，則對「不同人以及不同方向對 電磁能量的吸收的不同」及「入射場反射、聚焦和散射可導致高頻能
量定位吸收增強」等額外因素加以考慮。 不同頻率範圍的基本輻射限制值的制定[9]-[13]，應用下列之根 據： 在1Hz－10MHz頻率範圍內，基本限制值主要是電流密度，以防止 對神經系統功能造成影響。在100kHz－10GHz頻率範圍內，基本限制 值主要是SAR，以防止全身發熱和局部組織過熱。 在100kHz－10MHz頻率範圍內，基本限制值主要是電流密度和 SAR。在10－300GHz頻率範圍內，基本限制值主要是功率密度，以防 止身體表面組織或附近組織過熱。 於數Hz 到1kHz 的頻率範圍內，對於超過100mA/m2 的感應電流 密度而言，中樞神經系統興奮性劇烈變化以及其他劇烈效應(比如： 視覺誘發電位顛倒)的閥值被超越。出於上述安全考慮，對於4Hz ~ 1kHz 的頻率範圍而言，「職業曝露」應限制爲感應電流密度低於 10mA/m2 的場，即安全係數爲10。對於公共限制而言，採用額外的安 全係數5，基本輻射限制爲2mA/m2。對於4Hz以下及1kHz 以上的頻率 而言，感應電流密度基本限制逐漸提高，同時與這些頻率範圍相關的 神經刺激閥值也相對的提高。而在10MHz 到數GHz 的頻率範圍內，可 確定生物健康效應與身體溫度升高超過1度的反應是一致的。 在一般環境條件下，人體曝露於全身比吸收率(SAR 值)大約爲
4W/kg 的場中，約30 分鐘即可導致這種幅度的升溫。因此，0.4W/kg 被選擇作爲可爲職業曝露提供足夠保護的限制值。「公衆曝露」採用 了係數為5 的安全係數，其平均全身比吸收率則爲0.08W/kg。 一般人群考量採用更低的基本限制值，主要為依其年齡和健康狀 況可能與工人不同的情況考慮。，在低頻率範圍內，目前十分缺乏資 料可將瞬間電流與健康效應加以連結。因此ICNIRP 建議「瞬間或短 期峰值場産生的電流密度限值應被視爲瞬間值，而不應按照時間進行 平均」。 一般而言，SAR 的種類有二：一為全身平均，SAR，其定義為每 單位時間傳送至身體的總功率除以總質量。全身SAR值代表了任何方 位及外型的平均空間峰值；由於全身平均SAR值不需內部SAR 分佈資 料就能以實驗測得，故待測物的外型太複雜或空間變異度太大時，量 測待測物的全身SAR 值為一有效的方法。另一方面，人體中SAR 值變 化大的某些部位，如頭部、軀幹及肢體末端也需要特別注意，此種SAR 即為局部SAR 值，為小區域SAR 之參考值；局部SAR值主要應用於估 計小型輻射裝置（如行動電話）之值。全身SAR 值與局部SAR 值皆能 表現出射頻吸收的量測特性，當輻射所產生的熱極小時，也可用來量 測內部場強度。
第三章
第三章
第三章
第三章、
、
、天線設計
、
天線設計
天線設計
天線設計
3.1
3.1
3.1
3.1、
、
、行動通訊天線介紹
、
行動通訊天線介紹
行動通訊天線介紹
行動通訊天線介紹
現代科技進步，行動通訊對於人們也越來越重要，對於行動通訊 產品，通訊品質以及小型化，是非常重要的，為達到這樣的目的，各 式各樣小型化天線的設計也推陳出新，但根據不同的需求也會有不一 樣的設計，常用的行動通訊天線，有以下三種.3.1.
3.1.
3.1.
3.1.1.
1.
1.半波長
1.
半波長
半波長偶
半波長
偶
偶極天線
偶
極天線
極天線
極天線
半波長偶極天線是許多天線的基礎，也是測量天線增益和輻射功 率密度時常用的參考標準天線，諧振頻率上，偶極天線長度大約為半 波長，實際長度大約為 0.475~0.478 倍波長，天線中央端點的電壓為 最小值，電流為最大值，對於無損耗的半波長偶極天線輻射電阻為 73+j42.5Ω，但隨著天線長度直徑比的不同，通常介於 60Ω 到 73Ω 之間，對於偶極天線而言，線徑越大天線的頻寬就越寬，也因為這樣 許多測試用的標準天線的線徑特別大。 半波長偶極天線等實際天線的輻射特性多少都有些方向性，因為 電源愧入有方向性的原因，所以理想的全向輻射體是不存在的。 半波長偶極天線的最高增益為 2.15dBi，故其垂直於天線軸方向 的輻射功率密度會比全向性輻射體高出 2.15dB，天線軸方向則完全沒有輻射功率。半波長偶極天線會產生線性極化，其電場方向則與天 線軸平行，磁場方向則與電場方向垂直。
3.1.
3.1.
3.1.
3.1.2.
2.
2.四分之
2.
四分之
四分之ㄧ
四分之
ㄧ
ㄧ波長單極天線
ㄧ
波長單極天線
波長單極天線
波長單極天線
半波長偶極天線的體積在許多通訊產品顯得太大。要解決這個問 題可把無限大的接地面取代偶極天線的一臂，此時因受到鏡像作用的 影響，接地面上方的輻射場型將不會改變。這種結構稱為單極天線， 由於單極天線的輻射功率會集中在接地面上方，故天線增益將比偶極 天線高出 3dB。 多數應用都無法提供很大的接地面，因此單極天線會以數個開路 的 1/4波長金屬短柱(stub)取代不可能實現的無限大接地面，這些短 柱稱為地網(counterpoise)。 若將前述設計進一步簡化成只用 1 個短柱，所得到的結構就很像 是折彎的偶極天線。設計單極天線時，輻射體應儘量垂直於接地短柱 (ground stub)或接地面。在靠近饋入點的位置折彎天線可減少輻射 電阻和天線效率。 理想的 1/4 波長單極天線會有線性極化，電場向量則會延著天線 軸的方向。如果接地面不對稱，極化方向就會朝著面積較大的接地面 傾斜，但仍會維持線性極化。理想 1/4 波長單極天線的輻射電阻等於雙極天線的一半，也就是 36.5+j21.25，隨著天線長度直徑比的不同，通常介於 30Ω 到 36.5Ω 之間。 天線長度有時會受到空間限制，就算在允許範圍內儘量加長天 線，但整個結構仍可能小於 1/4 波長。長度小於 1/4 波長的單極天線 仍算是一種 1/4 波長單極天線，只是其工作頻率會低於諧振頻率。
3.1.
3.1.
3.1.
3.1.3.
3.
3.P
3.
P
PIFA
P
IFA
IFA 天線
IFA
天線
天線
天線
隨著無線通訊的蓬勃發展，許多的通訊產品均趨於小型化，天 線因此要求體積要小及內嵌式架構，以符合美觀。 PIFA天線其傳統結構包括了一個平面矩形金屬片、較大的接地平 面、短路金屬板以及傳輸線饋入點。 PIFA 天線相較於倒 F 型天線等單極天線，其發射結構較寬，使 其頻寬加大，且PIFA 天線可改變平板上的幾何外型，達到雙頻甚至 三頻以上的效果，這樣的天線設計在支援多頻的天線內藏式行動電話 中相當普遍。
3.2
3.2
3.2
3.2、
、
、DECT
、
DECT
DECT 偶極天線
DECT
偶極天線
偶極天線
偶極天線
DECT 是一種廣泛使用的無線電話通訊標準，他的工作頻率在 1880~1990MHz，常使用在短距離傳輸，在本研究中，針對遠距照護系 統及足球裁判對講機設計高輻射效率全向性天線，已達到高頻、低功 率、高效率等目的。
3.
3.
3.
3.2
2
2
2.
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.1
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1
1、
1
、
、
、偶極天線設計
偶極天線設計
偶極天線設計
偶極天線設計
本文中為老人照顧系統以及足球裁判機設計 PCB 版式半波長偶 極天線，工作頻率為 DECT 1880MHz~1930MHz，場型為全向性，天線 長度大約為二分之ㄧ波長，天線依照饋入方式不同而分為兩種，分別 為 Dipole Antenna1 和 Dipole Antenna2，樣式如圖一、圖二，天線 板材使用 0.6mm 的玻璃纖維板，介電係數為 4.4 正切損耗為 0.027， 天線尺寸為 5.5mmX1mmX0.6mm，饋入端使用 50 歐姆阻抗的 IPAX 線饋 入，圖三、圖四為天線實體圖。3.
3.
3.
3.2
2
2
2.
.
.2
.
2
2、
2
、
、
、天線模擬與量測
天線模擬與量測
天線模擬與量測
天線模擬與量測
本文使用安立芝 37369C 網路分析儀(如圖五所示)量測反射損 耗，網路分析儀可量測工作頻段為 40MHz~40GHz，天線的其反射損耗 如圖六所示，兩支天線模擬的結果與量測結果非常的接近，唯有 Dipole antenna 1 量測結果與模擬結果差異較大，有可能是因為焊 接誤差的原因，但整體而言在 1880MHz ~1930MHz 的部份都有在-10dB 以下，使用 SATIMO SATLAB 天線近場量測系統(如圖七所示)來量測， SATIMO SATLAB 天線近場量測系統可量測頻率為 800MHz~18GHz，可量 測最大待測物為 45 公分，使用 29 支雙極化偶極天線來進行量測，可 以有效減少量測時間，天線的輻射效率如圖八所示，量測的結果比起 模擬大約低了十個本分比，應該是系統誤差以及 IPAX 線的損耗所引 起，最高增益如圖九所示，由這張圖可以清楚的看到兩支天線模擬與 量測的結果都非常相近，天線場型如圖十、圖十一所示，圖十二為 H-Plane 的場型，量測與模擬的結果都是非常相似的圓形，圖十三為 E-Plane 的場型，兩支天線模擬的結果都是很漂亮的八字形，但量測 結果場型有所變化，應該是因為 IPAX 擺放的位置的影響，因為 IPAX 的外導體是一層金屬，容易反射電磁波，對天線輻射場型會有些許的 影響，圖十四、圖十五為天線應用於老人照護系統中使用情形，圖十 六為天線應用於足球裁判系統使用，比較兩種天線可以發現改變饋入的方式對於天線性能影響並不大，但是卻可以減少天線的大小使天線 寬度從 10mm 縮小至 8 mm，並使電源饋入更加容易。
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、應用結果
應用結果
應用結果
應用結果
本天線應用於足球裁判派系統開發測試中，配合人體模型量測來 模擬足球裁判對講機實際使用時天線輻射之情形，圖十七為量測情 形，將對講機貼在人體模型上，人體模型為 20 公分 X20 公分 X20 公 分之正方體，對獎機與人體距離為 1 公分，模擬對講機在人的腰部時 輻射的情型，圖十八為反射損耗，可以看到工作頻率並沒有太大的改 變，圖十九為天線效率，天線效率只剩下 30 個百分比，比起單天線 整整少了 50 個百分比，原因是因為能量被人體所吸收，使得天線效 率下降，圖二十為最高增益，最高增益跟單單只有天線差異不大，大 約是在 2dBi~3dBi，原因是因為有部分的能量也受到人體模型反射始 使得天線指向性變高，在天線指向性變高但效率卻變低的情況下，使 得天線最高增益變化不大。圖一. Dipole Antenna 1 天線結構圖
圖三. Dipole Antenna 1 天線實體圖
圖五. 安立芝 37369C 網路分析儀 F r e q u e n c y ( M H z ) 5 0 0 7 5 0 1 0 0 0 1 2 5 0 1 5 0 0 1 7 5 0 2 0 0 0 2 2 5 0 2 5 0 0 2 7 5 0 3 0 0 0 d B -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 0 D ip o le A n te n n a 1 (S im u la te ) D ip o le A n te n n a 1 (M e a s u re m e n t) D ip o le A n te n n a 2 (S im lu a te ) D ip o le A n te n n a 2 (M e a s u re m e n t)
圖七. SATIMO SATLAB 天線近場量測系統 F re q u e n c y (M H z ) 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 2 1 0 0 2 2 0 0 2 3 0 0 2 4 0 0 2 5 0 0 E ff ic ie n c y 0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 D ip o le A n te n n a 1 ( S im u la te ) D ip o le A n te n n a 1 ( M e a s u r e m e n t) D ip o le A n te n n a 2 ( S im u la te ) D ip o le A n te n n a 2 ( M e a s u r e m e n t) 圖八. 天線輻射效率
F r e q u e n c y ( M H z ) 1 5 0 0 1 6 0 0 1 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 2 1 0 0 2 2 0 0 2 3 0 0 2 4 0 0 2 5 0 0 G a in (d B i) - 2 0 - 1 8 - 1 6 - 1 4 - 1 2 - 1 0 - 8 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 D ip o le A n t e n n a 1 ( S im u la t e ) D ip o le A n t e n n a 1 ( M e a s u r e m e n t ) D ip o le A n t e n n a 2 ( S im u la t e ) D ip o le A n t e n n a 2 ( M e a s u r e m e n t ) 圖九. 天線最高增益 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Dipole Antenna1(Simulate) Dipole Antenna1(Measurement) Dipole Antenna2(Simulate) Dipole Antenna2(Measurement) 圖十.H-Plane 2D 場型
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Dipole Antenna1(Simulate) Dipole Antenna1(Measurement) Dipole Antenna2(Simulate) Dipole Antenna2(Measurement) 圖十一. E-Plane 2D 場型
圖十三. 天線應用於老人照顧系統 2
圖十五. 待測物量測情形 Frequency(MHz) 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 E ff ic ie n c y 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Dipole Antenna 1
Frequency(MHz) 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 d B i -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 Dipole Antenna 1 圖十七. 天線最高增益 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Dipole Antenna 1
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Dipole Antenna 1 圖十九. YZ-Cut 2D 場型 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Dipole Antenna 1
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GSM 多頻天線設計
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多頻天線設計
多頻天線設計
多頻天線設計
GSM 通訊系統常用頻段為 850/900/1800/1900，根據不同國家使 用頻率有所不同，臺灣一般使用 900/1800，美國一般使用 850/1900， GSM 一般常使用在手機上，在本文中所設計的天線主要用在遠距照護 系統中，居家安全系統，而學生也針對多頻段、全向性場型、體積小 以及高輻射效率等條件來設計 GSM 天線。3.
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多頻天線設計
多頻天線設計
本文所設計之多頻偶極天線工作頻段為 824MHz~960MHz 以及 1710MHz~1990MHz，天線長度約為二分之ㄧ波長，天線板材使用 0.6mm 的玻璃纖維板，介電係數為 4.4 正切損耗為 0.027，直接將 GSM 的四 個工作頻率包覆在內。 本文中以四種 GSM 頻段多頻天線分析比較，分別為 CASE1、 CASE2、CASE3、CASE4 四支天線的天線尺寸圖，如圖二十一、圖二十 二、圖二十三、圖二十四，CASE1 為基本的多頻偶極天線，CASE2 和 CASE3 為領結式的多頻偶極天線，其中的差異在於線徑的寬度為 1.5mm 以及 1.2mm，分別比較其影響，CASE4 為方塊式的多頻偶極天 線，主要與 CASE2 比較其影響，CASE1、CASE2、CASE3、CASE4 四支 天線的天線實體圖，如圖二十五、圖二十六、圖二十七、圖二十八所示，天線的饋入方式是使用 IPAX 線饋入。
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天線模擬與量測
本文使用安立芝 37369C 向量網路分析儀量測反射損耗，其反射損 耗如圖二十九、圖三十、圖三十一、圖三十二所示，從圖中可以很清 楚的看到四支天線的工作頻率都有落在 GSM850/900/1800/1900，量 測與模擬的結果十分接近，但 Case1 因天線結構的原因使得頻寬顯得 較小，天線輻射效率是使用 SATIMO SATLAB 天線近場量測系統來量 測，輻射效率如圖三十三、圖三十四、圖三十五、圖三十六所示，從 圖中可以發現 Case3 效率明顯較低，原因是為了其線徑較細，面積也 相對較小，所以效率也因此受到影響、因實作誤差及版材誤差所以天 線工作頻段都越往低頻偏、最高增益如圖三十七、圖三十八、圖三十 九、圖四十所示，在所需要的頻率上最高增益大約都有-1dBi~2dBi 之間，，CASE3 天線因效率稍低，所以最高增益也稍微低了一點，CASE1 於 850/900/1800/1900MHz 之 H-plane 天線場型如圖四十一、圖四十 二、圖四十三、圖四十四所示，場型為圓形，模擬與實測之結果都十 分的接近，CASE1 於 850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz 之 E-plane 天線場型如圖四十五、圖四十六、圖四十七、圖四十八所示，場型為 八字型，模擬與實測之結果都十分的接近，CASE2 於 850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz 之 H-plane 天線場型如圖四十九、圖五十、圖五 十一、圖五十二所示，場型為圓形，模擬與實測之結果都十分的接近， CASE2 於 850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz 之 E-plane 天線場型 如圖五十三、圖五十四、圖五十五、圖五十六所示，場型為八字型， 模 擬 與 實 測 之 結 果 都 十 分 的 接 近 ， CASE3 於 850MHz 、 900MHz 、 1800MHz、1900MHz 之 H-plane 天線場型如圖五十七、圖五十八、圖 五十九、圖六十所示，場型為圓形，實測之場型有稍微偏，是因為量 測時受到 IPAX 線擺放方式的影響，CASE3 於 850MHz、900MHz、 1800MHz、1900MHz 之 E-plane 天線場型如圖六十一、圖六十二、圖 六十三、圖六十四所示，場型為八字型，實測之結果在某些角度與模 擬差異較大，，CASE4 於 850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz 之 H- plane 天線場型如圖六十五、圖六十六、圖六十七、圖六十八所示，場型為 圓形，模擬與實測之結果都十分的接近，CASE4 於 850MHz、900MHz、 1800MHz、1900MHz 之 E-plane 天線場型如圖六十九、圖七十、圖七 十一、圖七十二所示，場型為八字型，模擬與實測之結果都十分的接 近，圖七十三、圖七十四、圖七十五、圖七十六為天線應用於老人照 護系統中使用。
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、應用結果
應用結果
應用結果
應用結果
本文中將四組天線中的 CASE2 天線放在產品中，如圖七十七所 示，並與市面上所販售的兩支不同廠牌的天線做比較，天線應用於 GSM 850 通訊系統的總全向性靈敏度及總輻射功率，如圖七十八、七 十九所示，天線應用於 GSM900 通訊系統的總全向性靈敏度及總輻射 功率，如圖八十、八十一所示，天線應用於 GSM1800 通訊系統的總全 向性靈敏度及總輻射功率，如圖八十二、八十三所示，天線應用於 GSM 1900 通訊系統的總全向性靈敏度及總輻射功率，如圖八十四、 八十五所示，整體而言我們所設計出來的天線比起市售的兩支天線來 的好，總全向性靈敏度及總輻射功率較高，天線的頻寬也相對的較 寬，市售的兩支天線因為頻寬較窄所以在某些頻段的總全向性靈敏度 及總輻射功率較差。圖二十五. Case 1 天線實體圖
圖二十七.Case 3 天線實體圖
Frequency(MHz) 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 d B -25 -20 -15 -10 -5 0 S11(Simulation) S11(Measurement) 圖二十九. Case 1 的天線反射損耗 Frequency(M H z) 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 d B -25 -20 -15 -10 -5 0 S 11(S im ulation) S 11(M easurem ent)
Frequency(MHz) 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 d B -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 S11(Simulation) S11(Measurement) 圖三十一.Case 3 的天線反射損耗 Frequency(MHz) 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 d B -25 -20 -15 -10 -5 0 S11(Simulation) S11(Measurement)
Frequency(M H z) 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 E ff ic ie n c y 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 E fficiency(S im ulation) E fficiency(M easurem ent)
圖三十三.Case 1 的天線輻射效率 Frequency(MHz) 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 E ff ic ie n c y 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Efficiency(Simulation) Efficiency(Measurement)
Frequency(M Hz) 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 E ff ic ie n c y 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Efficiency(Sim ulation) Efficiency(M easurem ent)
圖三十五.Case 3 的天線輻射效率 Frequency(MHz) 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 E ff ic ie n c y 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Efficiency(Simulation) Efficiency(Measurement) 圖三十六.Case 4 的天線輻射效率
Frequency(MHz) 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 d B i -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Gain(Simulation) Gain(Measurement) 圖三十七.Case 1 的天線最高增益 Frequency(MHz) 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 d B i -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Gain(Sim ulation) Gain(Measurement)
Frequency(MHz) 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 d B i -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Gain(Simulation) Gain(Measurement) 圖三十九.Case 3 的天線最高增益 Frequency(MHz) 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 d B i -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Gain(Simulation) Gain(Measurement)
