行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
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
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC91-2218-E-110-002-執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學電機工程學系(所) 計畫主持人： 翁金輅 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中
華
民
國 92 年 8 月 1 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
單晶片封裝系統數位電視多重標準接收器設計與實作-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
Design and Implementation of Low-pr ofile or Built-in High-per for mance Receiving Antenna for Por table Digital TV Set
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC
91
－2218－E－110－002－
執行期間： 91 年 8 月 1 日至 92 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：可立即公開查詢
執行單位：
國立中山大學電機工程學系
一、中、英文摘要及關鍵詞(keywor ds)： 本計畫主要在於研製高效能之低姿勢創新天線設計，適用於電視頻道 7-13 (174-216 MHz)來取代目前傳統之長直形單極天線，天線高度以低於 3 cm 為目標 (低於傳統之長直形單極天線之 1/10 高度以下)，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，使得攜帶型電視更為輕便、美觀。 關鍵詞：低姿勢天線、內建式天線、攜帶型電視天線
This project is for the design and implementation of low-profile,
high-performance portable TV receiving antennas for channels 7-13 (174-216 MHz)
to replace the conventional straight monopole receiving antenna. The antenna size
will be limited to be less than 3 cm in height (less than 10% of the required length of
the straight monopole antenna), 7 cm in width (about the width of the portable TV)
and 2 mm in thickness (less than the thickness of the portable TV). With such
compact dimensions, the proposed antenna is suitable to be installed or built-in within
the portable TV case; that is, a concealed antenna can be obtained, which can make
the portable TV set more compact and light weight.
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、短小。以無線通訊手機為例，早期的天線設計大都使用長直形的單極天線， 這使得手機不方便攜帶，而隨著手機體積越作越小，天線的設計亦朝向縮小化發 展，並發展至目前的無外露式天線的無線通訊手機，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，便是將應用此種內藏式天線的設計技術於攜帶式電視的天線設計上。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，吾人可以預期攜帶式電 視天線的設計亦將朝向內藏式天線的設計發展。 不過由於電視頻道[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 成攜帶式電視天線縮小化進而適合內藏於攜帶式電視機殼之內，其相關的設計為 一大挑戰。我們將考慮運用現有應用於無線通訊手機天線之相關技術[1-13]及開 發新的技術來達成。在本計畫中主要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。詳細的研究方法於(三)中說明。
三、研究方法及成果 本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 1 所示。 圖 1 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 2 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 2 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 3 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 Ω 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 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 0.25λ0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 3 本設計天線之詳細參數 (一) 圖 5 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 5 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 6 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 7 中則為設計天線所模擬的場型圖；和圖 6 之天線場型比較，本設計天線在 x-z 面上之 Eθ零點較不明顯，在 y-z 面上之 Eφ有向+y 方向傾斜的現像，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 6 及圖 7 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 7 本設計天線之輻射場型圖 圖 8 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。 表 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%。 圖 8 本設計天線在頻帶之增益變化圖 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 1.8 @270° 1.3 97 30 283 52 1.8 @ 90° 0.3 79 20 350 ---- 1.8 @270° -3.3 35.4 10 > 350 ---- -0.7 @ 90° -9.3 10.7 內 藏 式 電 視 天 線 ~ 200 48 -3.16 @180 ° -4.0 86 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 為了驗證內藏式電視天線實際接收訊號的效能，在本計畫中使用了一組電視 訊號強度接收儀 (TV Field Strength Meter) ，將天線安裝至此接收儀上作實測。
儀器設置情形如圖 9 所示，由於電視訊號強度接收儀之輸入端阻抗為 75 Ω，而 天線輸出端為 50 Ω，因此在連接時須設計一阻抗匹配電路，以使該設計天線能 與量測儀器能夠達成阻抗匹配。阻抗匹配電路為一階 L 形電路，計算並調整 L 形電路上之電容量及電感量即可得到轉換電路所需之頻帶寬。 圖 9 本設計天線之實測裝置配置圖 圖 10 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。 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 11 所示，利用網路分析儀觀察 電路是否在 50 Ω 處達成匹配。圖 12 及圖 13 為本電路之返回損失圖及史密斯圖 (Smith chart)，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。 Impedance matching circuit, converting 50 Ω to 75 Ω
TV field strength m eter Built-in TV antenna
圖 10 L 形阻抗轉換電路示意圖
圖 11 L 形阻抗轉換電路加上一 75Ω 之終端電阻
75 Ω terminal load
圖 12 L 形阻抗轉換電路配合 75Ω 終端負載所量得之返回損失圖 將本設計天線透過 L 形阻抗轉換電路，使用電視訊號強度接收儀接收無線 電視訊號之實測數據如表 2。分別列出第九、十一及十二頻道之視訊強度、音訊 強度及視訊／音訊隔離度。測試時，由於第九及第十二頻道訊號較為微弱，在不 加上訊號放大器之情形下無法接收到訊號，以 “*” 表示之，而括號內量測值為 經由接上一般市售之訊號放大器所得之值，視訊及音訊強度均有提昇。
頻道
視訊強度
(dB
µV) 音訊強度 (dBµV) 分離度 (dB)
9 (台視)
* (
~ 50
)
* (
~ 37
)
* (
13
)
11 (中視)
~ 38 (
~ 45
)
~ 37 (
~ 40
)
1 (
5
)
12 (華視)
* (
~ 41
)
* (
~ 36
)
* (
7
)
表 2 本設計天線接收各無線電視台之訊號強度 本研究中也在同一收訊地點測試了市售電視天線的量測數據，以比較本設計 天線與市售之單極天線的差異性。典型的市售天線如圖 14 所示，該天線內部並 含有一個 25 dB 之訊號放大器；將天線之伸縮長度設定於 110 mm 時，其訊號接 收強度如表 3 中所示。由表中可知在具有訊號放大器之情形下，本設計天線的視 訊強度和市售天線的所接收之強度差異約為 1-6 dB 之間，音訊強度之差異約在3-12 dB 之間。 圖 14 市售單極天線實體圖
頻道
視訊強度
(dB
µV) 音訊強度 (dBµV) 分離度 (dB)
9 (台視)
~ 51
~ 40
11
11 (中視)
~ 56
~ 52
4
12 (華視)
~ 38
~ 37
1
表 3 市售單極天線接收各無線電視台之訊號強度 四、結論及討論 綜合以上量測結果可知，本內藏式電視天線之尺寸僅有 110 × 20 × 20 mm3 ，天線總長度僅有傳統單極天線的四分之一；操作頻帶為 169-217 MHz， 以 3:1 VSWR 定義時具有 48 MHz 的阻抗頻寬，可在無線電視第七至第十三頻道 (174-216 MHz) 範圍內操作。同時本設計天線在水平方向也具備了全向性的輻射 場型，它的最佳增益約為 -4 dBi；操作在 200 MHz 頻率時和相同長度的單極天 Dual-rod antennas, operating in VHF band Disk-like antenna, operating in UHF band線 (10 cm) 比較，天線增益提昇了約 5 dBi，輻射效率提昇約 20%。本設計天線 可直接由金屬線切割、折彎成形，量產時具備了低製作成本的優勢，由其是天線 體積的縮小化，非常適合於掌上型電視使用。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。
五、參考文獻
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