UHF antenna

UHF低功率小型天線的設計要點?        前言?        談天線?        天線格調?        天線的特性?        鞭狀天線?        短鞭狀天線?        平面螺旋天線前言 最近有幾個小型的無線電網路系統正在發展當中，比較有名氣的包括有藍芽系統(Blue-Tooth)及Home RF等，這些都是微功率的通訊系統，自然也會大量牽涉到選用的天線系統。另外，不論是保全或者是汽車遙控等其它民生用途，也應用到許多的微功率無線電通訊。還有許多其它像是影音傳輸等消費性電子產品，也應用到不少的微功率無線電系統。在這些應用當中，最為普遍的首推ISM波段(註1)的應用，因為依照國際電訊聯盟(ITU)的規範，使用ISM波段不需要申請執照，也就是該波段是屬於開放性的，因此這裡也就以ISM波段應用的天線為例子來做說明，其中使用最普遍的頻率是434MHz及916MHz(註2)。一般開放性資料庫當中，有關UHF小型天線的資料非常有限。對於微功率無線電通訊相關產品而言，天線的品質非常重要，因為它主宰了有效的通訊距離，因此天線的選用與設計是非常重要的。此類產品的設計中，於天線設計方面，除了成本考量外，還必須要選對天線的種類，才能達到最好的成本/性能比。除此之外，與發射機及接收機的匹配與調諧也非常重要，為了要有最佳的整體性能，設計者自然要懂得天線的工作原理，以及應用時的一些重要考慮因素。本文最主要的目的是希望能夠協助此類天線的非專業設計者，能夠從有限的基本知識中，以很有效率的方式，完成最佳的天線設計。在未進入主題之前，先以淺顯的方式來介紹早期天線發展的歷史，雖然這是以業餘無線電的眼光及角度去看的，但是早期無線電的發展與業餘無線電的發展，幾乎是可以畫上等號的，因此，這實際上也可以說是無線電天線的發展史。一門失落的藝術-正本清源談天線 如果你是一位資深的業餘無線電愛好者，那麼我想你一定也熟悉天線（Antenna）的另一個名稱，叫做Aerial，所謂Aerials就是指一條條用來發射或接收無線電訊號的長導線；當然這是指高科技人員在還沒將它們發揚光大，並稱它們為天線之前的情況。一群無線電盤古開天的無線電家們，經常利用各種導線來測試他們所發明或改良的無線電機器，一般情況下是雜訊橫飛，更慘的是導線融化，再不然呢就是真空管燒了一大堆，或者是保險絲燒了一大片。 我完全沒有正規的天線理論基礎與這方面的學府教育，所以決定用“以古鑑今”的方式來了解天線。當然最主要的是，我打算介紹幾種原先被認為不可能實現的天線，但實際上使用如常，那其中的奧秘自然值得探討。天線的發展歷史■        Whire無意中發現了天線 我們一路回到最早期的無線電發展，在電力未發明以前，所有的機器大都是以煤油供應動力。最早期的一個實驗家名叫懷爾(Whire)，他發明的無線電發射機可以發出很大的火花，實際上他發明的就是以火花放電原理，來產生無線電波的火花放電發射機。但是在實驗過程當中讓他最納悶的是，試用了無數的方法，就是無法很清楚地接收到這部火花發射機所發射出來的訊號。後來有個用來印證電波是不是會受一般有形物阻擋的試驗，試驗過程中他就把發射機擺在桌子底下，為了想取得訊號，於是把接收機用一條導線吊在天花板上，就這樣用來驗證電波是否可以穿透實驗桌面。而令他感到意外的是，吊接收機的這條導線，竟然使接收機的效率好了許多，因此他就把吊著的導線留在那裡，從此便稱他的接收機為無線電接收機(Wireless Set)，他並且把這一份結果整理成報告發表於QST雜誌(註3)上。 ■        Grownd發現接地的妙用 在Whire發現天線的雛形之後好幾年，另一位名叫Grownd的發現到，供電給桌子上的檯燈有兩條導線，但是接收機的天線只有一條，為什麼只有一條天線可以做得那麼好，因此他就針對這個問題繼續探討下去。 這個問題讓Grownd困擾不已，但是事情就是如此之巧，就在不久後他買了一部車子，且發現車燈也是使用一條導線而已，當然還有另一條線是接車子的外殼。這促使他想到一個問題，那就是：若同樣把發射機的其中一條導線接到一個共同的接點上，是不是會比較好?於是他就用了一條金屬管打入地底下，並拉出一條線接到發射機上頭，這竟然使訊號增強了許多，同樣地他也把這重要的發現發表在QST雜誌上，於該文中建議每一座無線電台都需要有接地(Grownd)。 ■ 蹺蹺板延伸出來的Diople 在天線發展史上，接下來一個主要的突破，是由Diople發明。有天當DIP(Diople的暱稱)走過一個遊樂場時，發現當地的獅子會員正在玩蹺蹺板，他發現這些獅子會員都很快地能保持平衡，這想必其中有人運力，使蹺蹺板在極短的時間內保持平衡。  DIP回到家後，馬上拿了一條導線接到機器外殼上頭，另一條導線則接發射機輸出，這就成為一組嶄新的天線，其實此天線就是後來所稱的DIOPLE天線，是為了記念Diople，而以他的名字來命名。 ■ 檯燈聯想出來的虛接地  在QST上讀過Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole天線之後，一位名叫Count Herpoise的歐洲貴族，他發現自己的檯燈不只兩條線，而是三條線，因為這國家的電力系統是330V，這雖然很正常，但是他想到為什麼北美地區也要有三條線。這也就促成他發明了虛接地線，而此理論當時很少人知道，甚至有人不以為然。 不過今日對天線有興趣者，必定知道，虛性接地是必須的，而這些虛接地通常也稱做Counterpoise，用發明者的名字來稱呼它以資紀念。另外也在QST上讀過Whire Grownded Balanced-Lion-fed Dipole天線的Von Trap，由於他家空間不夠大，所以沿著天線每隔幾英呎左右繞幾個圈，好把過長的部份纏繞起來，並且在纏繞的電感上並聯電容，這也就是崔伯雙偶極(TRAP Dipole)天線的誕生。  從美國QST雜誌發行有史以來，寫過有關天線發展史的，我全讀遍了(註4)。其中最富傳奇色彩的是物理學家Morries Nimatch，他的朋友們都暱稱他做Mo，他是第一位提出天線理論，有關饋送到長條天線的功率，有些不會被輻射出去。他為了徹底了解這一理論，有關功率發射出去的有多少，以及被反射回來的有多少，而發明了駐波比錶（駐波比現在英文正名為Standing Wave Ratio;而當時SWR是See What Returns的縮寫，意思是有多少功率被折返）。為了紀念駐波比錶發明者，以前曾有人把駐波比錶稱做MoNimatch。  很多有關簡易的駐波比錶製作，從早期的文章中不難找出來做參考。當然懶惰的現代人，到店裡掏出腰包，便可以把一個價昂但很精美的駐波比錶帶回家。  QST照例報告了極為成功的Monimatched Whire Grownded Count Herpoise Balanced-Lion-fed Trap Dipole天線。這一系列的發展下來，很像印度教的導師精神。最後一位承襲者是Raoul Random，他發現蹺蹺板上兩端物體互異，但是調整距離也可以達到平衡。從前文一系列發展下來，我們可歸納出以下幾點總結： ※ 無線電機器，有一條導線接著之後，性能便好的不得了，這導線就稱為天線(Aerial)。 ※ 如果把上述無線電機器的外殼接地，那性能就更妙。 ※ 若天線旁有些巧妙的附屬安排，則無線電機器的接收，簡直妙不可言。 ※ 從無線電機器後端拉出去的天線，若是拉開，使呈電力呈現平衡狀態是最好的。※ 平不平衡可以由簡易的駐波比錶測量出來。 ※ 可以把天線體部份長度纏繞成電感狀，使天線體變短，同時也能引出一些電容來。※ 天線的平衡與否，不必看天線在形體上是否對稱。  以比較輕鬆的角度看完天線的早期發展歷史，下面就要進入正式的主題，低功率小型天線的設計要點。基本的天線格調與工作原理  天線是個看似很專業的名詞，其實天線的基本原理並不複雜，天線可以是任何的導線或者是導體，此一導線或導體可以通過脈衝或者是交流訊號電流。這一電流通過導線或者是導體時，會產生電場及磁場，而這些電磁場就與通過導線的電流節奏一樣，假如在旁邊有另一導線通過這電磁場，便會感應出電流，而此電流就與另一條產生電磁場的導線上之電流一樣，只是電流規模會小很多。假如產生電磁場的導線很長，比如長到大約一個波長左右，那麼由這導線所產生出的電磁場輻射，就可延伸達到很遠的距離。 圖1 基本的四分之一波長鞭狀天線最簡單的天線就是鞭狀天線(WHIP)，參看圖1所示。所謂的鞭狀天線指的就是一根長四分之一波長的導管或導線站立在接地面上，最普遍的例子就是汽車上用的天線，以及做為廣播接收天線、市民波段天線、及業餘無線電用天線，甚至是大哥大的天線。鞭狀天線的發展可以追朔到1890年代，當時馬可尼進行無線電波實驗，使用的就是鞭狀天線，當時馬可尼希望能夠印證無線電波可傳遞到很遠的地方。  為了達成這個理想，他把一根天線延伸得很長，而且高聳在地面上，因為當時試驗用的頻率很低，波長相當長，所以天線的長度也就很長，馬可尼於當時得到一個結論，就是天線離地面越遠，接收的效果越好。  天線與其它電子零件一樣，最少也要有兩個接線端點，鞭狀天線也不例外，除了天線主體外，接地面就是其中的一個接線端，也許是所謂的接地面並不明顯，它可能是線路板的接地銅箔，甚至可能只是乾電池的負端。  由鞭狀天線主體及接地面才能組成一個完整的天線，因為天線必須要透過主天線體與接地面之間才能建立起電磁場，這樣有了交流訊號的通路，才能算是完整的電路。標準的接地面必須要延伸出四分之一波長以上，在環境或空間不允許之下，接地面可能會較小，這雖然照樣可以正常運作，但是性能會有很大的折扣。 四分之一波長鞭狀天線的尺寸並不小，對於1MHz的AM廣播波段而言，四分之一波長大約是75公尺左右，但是對於FM廣播波段而言，比如是100MHz，則四分之一波長大約是75公分，這種四分之一波長的尺寸會隨著頻率的上升而逐漸縮小。例如頻率到了1000MHz，四分之一波長就只剩下7.5公分，如果以公分為單位的話，四分之一波長就是以7500去除以頻率(MHz)。但這算出來的長度只是一個參考基準點，因為實際應用時，天線長度可能需要長一些，也可能需要短一點。如天線主體肥胖時，可能就要短一些，或者不是從天線底端做饋送點，可能要短一些；至於天線體所擺放的接地面太小時，那麼天線體可能就要適度地加長了。  天線的長度要從靠近真正的接地面算起，或者從發射機的輸出阜算起。如果有這麼一只鞭狀天線裝在盒子內，而且採用一般的接線連接到發射機，那麼從發射機到天線盒之間的接線也會成為天線體的一部份。  為了確保天線可以正常調諧工作，採用外接天線時，記得要使用同軸纜線來連接天線，對於一般的雙面線路板，可以使用一面接地板另一面佈置銅箔線的方式來模擬同軸纜線。之所以強調要採用同軸纜線，一方面是為了要確保天線的正常運作，另一方面也可確保訊號在傳輸過程當中，會有最小的損失。同時更要注意天線體不能太靠近接地面，否則會變成傳輸線而不是天線體。天線的特性  ?        增益 如果天線的輻射效率太差，我們就稱這只天線的增益很低。天線的增益是以一只參考天線為基準而進行比較的增益值，例如四分之一波長鞭狀天線以及偶極天線(Dipole)，就是一般測量天線增益時的主要參考天線。偶極天線其實與四分之一波長鞭狀天線是堂兄弟，把四分之一波長鞭狀天線所站立的接地面改成另一個天線體，就是所謂的偶極天線。  如果一只天線所拾取或輻射的強度比偶極天線低了6dB，我們就稱這只天線的增益是-6dBd 。那麼這樣的一只天線可以達到的距離或範圍就只有偶極天線所及的一半，因為一般小型天線的效率都比偶極天線差，因此小型天線的增益大多是負值。  ?        輻射圖案 輻射如果從側面來，或者是與天線體呈直角，就會有最佳的效果。因此對於垂直的四分之一鞭狀天線而言，除了從正上方來的方向外，都會有不錯的接收效果。所以以輻射圖案來說，四分之一波長鞭狀天線可以說無指向性，但是對於從天線體兩端點方向過來的，會有很大的盲點(Null)，或者說是有最小的訊號感度。  對於並不是標準的四分之一波長鞭狀天線，如天線體有些許彎曲，那麼這些大盲點很可能就會消失，對於天線的性能，如果能掌握住輻射圖案，我們就可以避免在通訊的有效領域範圍內出現大盲點。  ?        極化對於同一通訊系統內的另一方，天線有同樣的極化格式非常重要，也就是說通訊的雙方，要有相同的極化格式。例如水平極化天線碰到垂直極化天線就會顯得不靈光，一般的現實環境裡頭，可能因為極大的金屬物或接地面造成電波反射，而使得極化改變。  對於極化不同的天線，最大差別可以達到20dBd ，例如水平極化訊號以垂直天線做接收，訊號損失可以高達20 dBd。而圓形極化以水平或垂直天線做接收，也會有數dB的損失。而在衛星廣播領域內，甚至是相同頻率，可以採用不同極化方式發射而成為兩個頻道，例如相同頻率以左旋及右旋分別成為兩個不同節目訊號。  ?        阻抗 關於通訊系統當中一個很重要的考慮要素，就是發射機(或接收機)與天線之間的功率轉換效率如何。如果發射機的天線調諧線路是設計成50歐姆負載，當然就要採用50歐姆的天線系統。但如果是標準接地面上的四分之一波長鞭狀天線之饋送點阻抗是35歐姆，這雖然與50歐姆不符，但也算很接近。  但是四分之一波長鞭狀天線的饋送點阻抗，會因為物體接近或者是天線體傾斜等因素，使得饋送點阻抗產生急劇變化。例如鞭狀天線體如果傾斜45度角，饋送點阻抗會降低到20歐姆或更低，如果傾斜更接近地面，則饋送點阻抗甚至會低於10歐姆，這就造成電壓駐波比可以高昇到5:1，如此阻抗不匹配所造成的損失可以高達2.6 dB 。殘段天線 (或以線路板結構為基礎的鞭狀天線)  四分之一波長鞭狀天線，可利用線路板上的銅箔來設計在線路板上，而且這種做法會隨著頻率的升高而顯得經濟實惠。例如在工作頻率達到800MHz以上時，以線路板設計天線就很實用。至於頻率太低時，恐怕就不是很實用，因為頻率低天線長度太長，可能會使天線要拐幾個彎。 一般而言，四分之一波長鞭狀天線以線路板設計時，天線的實際長度可能會比演算出來的長度小10%到20%之間，這就要視線路板的設計與使用的材質及厚度而定。一般情況下，以小15%進行設計就可以了，如果性能不是很理想，再視實際情況做調整。假如操作使用的場合是有手提情況時，通常會更短些，這才能補償因為手靠近天線所造成的影響。  對於916MHz而言，四分之一波長鞭狀天線的長度正常是80毫米，但是為了補償手靠近天線的效應，天線長度就減為57毫米。至於實際設計時，記得要讓天線遠離其它電子線路或者是接地面，至少要6毫米以上，因為太靠近天線體的銅箔，可能會被天線誤當為接地面，或成為天線接地面的一部份，使得這些銅箔會引起一些射頻訊號的流竄。參看圖2是製作在線路板上的四分之一波長鞭狀天線例子，整塊線路板的大小及接地面大小並沒有很嚴格的限制，這樣的天線輻射圖案並沒有方向性。參看圖3所示，其增益大小約在-8 dBd到-12 dBd 之間，如果線路板是水平擺放，則電波就是水平極化。  假如天線體沒有和接地面呈平行狀態，則天線的增益會高一些，但是高增益的後果就是會出現盲點，此時會在天線體兩端延伸出去的方向出現盲點。假如線路板是垂直擺放的，則電波就會成為垂直極化波，天線體若是垂直擺放在接地面上，則天線就不會有方向性，其增益會是-8dBd左右。 小型(短)鞭狀天線 鞭狀天線可不一定非要是四分之一波長不可，另一種不同型式的鞭狀天線稱之為短鞭狀天線。通常一根垂直的地面天線，其饋送點會呈現出電容性，為了彌補這電容性，可以採用電感來去除它。因此縮短了的鞭狀天線，在靠近接地面端就必須要使用電感來去除電容性，這裡的電感可以讓天線體本身纏繞呈線出來。  這類的短鞭狀天線，與全長的鞭狀天線性能相接近。為了不要讓縮短的鞭狀天線性能惡化太大，通常會從接地面下手，把接地面加以調整，以便適合縮短的鞭狀天線。通常縮短的鞭狀天線會比全長的鞭狀天線增益低約3到4dBd。縮短的鞭狀天線參看圖4，其輻射圖案參看圖5。 圖2 設計在線不板上的鞭狀天線                               圖3 圖2線路板天線的輻射圖案 圖4 典型的短鞭狀天線                                                  圖5 圖4天線的輻射圖案線路板上的短鞭狀天線  前文介紹的短鞭狀天線，它的好處就是可以直接以線路板的形式來設計，至於接近饋送點的電感，可以利用SMD型式的電感來做。如果天線體很接近接地面甚至是與接地面平行，則天線的饋送點阻抗會很低，大約會只有10歐姆左右，但是如果把手會接近線路板的因素考慮進去的話，則天線的饋送點阻抗會明顯地上升。 以十分之一波長的銅箔為天線主體，假如把手靠近的因素一並考慮，則天線的電容抗會接近150歐姆，對於434MHz而言，這就需要大約47毫微亨利(nH)的電感，來去除由約長70毫米的銅箔所造成的電容性電抗。參看圖6及圖7所示，就是典型線路板上的短鞭狀天線，工作頻率分別是434MHz及916MHz。 這種天線的輻射圖案大致上沒有很明顯的指向性，大概會在沿天線體的方向上產生一個並不很深的盲點，至於極化方面，大抵上是沿著線路板邊的方向，這種天線並沒有很嚴格的調整要求，不論是負載電感值有稍微的誤差或者是天線體長度不很精確，對於天線的性能並沒有很大的影響。 以圖6及圖7的例子來說，沿著板邊方向的增益大約是-12.5 dBd到-14dBd之間，至於盲點方向上的增益深度大約在-26dB左右，這與一般小型天線做比較，產生的指向性並不明顯，況且手靠近時會減緩盲點的深度，使指向性更不明顯。  在這個設計當中，最重要的是要保持低阻抗損身，所以要選用適當寬度的銅箔，以及適合的負載電感。實際裝配時，可以調整這裡的負載電感，使得天線的效能最好，天線體如果可以加長，自然可以降低負載電感值，也就可以提昇天線增益。但是有時為了避免天線體與其它電子線路混雜在一起，反而有必要縮短天線體及增加負載電感值。圖8是圖7天線的輻射圖案。  圖6 線路板上的短鞭狀天線實例  圖7 線路板上的短鞭狀天線實例 圖8 圖7天線的輻射圖案平面螺旋天線 除了加裝負載電感之外，另外一種縮短鞭狀天線的方法，就是把天線在同一平面上以螺旋的方式纏繞起來。這種方式也同樣適用於製作在線路板上，對於製作在線路板上的螺旋天線而言，其銅箔的總長度會比四分之一波長稍微短了一些，這種天線並不一定需要一個實質的接地面在它的下方或旁邊，但是天線擺放的位置必須要有夠明朗的空間，不能有任何的穿插阻隔。例如要在約20毫米×40毫米的空間中，以瘦小的銅箔沿著螺旋的方式走完約15毫米的長度，這就形成一只434MHz的平面螺旋天線。 參看圖9所示，此天線的增益及阻抗與接地面息息相關。圖中所示的434MHz螺旋天線例子，其接地面的面積大約只有17平方公分左右，其天線增益最大值是-10.5dBd ，而盲點方向的增益則是-24 dBd，其輻射圖請參看圖11。參看圖10所示是另一只916MHz的螺旋天線，但是其接地面長就達到四分之一波長，這只天線的最大增益是-5dBd，這就足以印證接地面與螺旋天線性能之間的關係。這只天線的輻射極化並非圓形，而是與長板邊平行的極化，也就是說，線路板長邊是垂直擺放，則就是垂直極化，而且沒有指向性。但是這只天線的缺點，就是會受到手靠近的影響，而使得天線無法在指定的工作頻率上產生諧振，因此這種天線也就不適合用於手持的遙控類應用上。彈簧(線圈)天線 此天線與前述的螺旋天線相類似，只是螺旋天線是在同一平面上，而彈簧天線就像是一只空心的線圈般。這種天線通常由長度是標準鞭狀天線長度2到3倍左右的繞線所構成，這些線就纏繞成空心線圈般。至於纏繞圈數，則與線徑大小、纏繞的直徑大小、以及圈距大小等有關。 這樣的天線必須要調整到與工作頻率呈現諧振狀態，而且可以由纏繞的圈距之壓縮與拉開來調整諧振頻率。如果纏繞是採用密繞的方式，那麼繞成的線圈長度必須要小於十分之一波長，這類天線有很尖銳的調諧點，所以必須要小心的調整。此天線的實數阻抗值小於20歐姆，而且這阻值與天線纏繞的直徑大小以及和接地面的相關位置有關。以434MHz天線為例子，使用22號漆包線纏繞在6毫米直徑上14圈，在諧振時，天線的長度小於25毫米，對於纏繞成線圈狀的天線，其性能與接地面所形成的近接效應(PROXIMITY)息息相關。當天線與接地面靠近而且呈現平行狀態時，最大的增益值是-18dBd，參看圖12所示，如果天線不是與接地面平行，而是呈現出垂直狀態，則如圖13所示，天線的增益會上升到 -5.5dBd，但是此時的指向性就會很明顯，同時也出現了很深的盲點。使用這種天線的缺點及有待克服的是機構性問題，以及體型過於龐大的問題，這種天線很容易因為手接近而使工作的諧振頻率跑掉，因此對於手持類的產品也不適合採用此種天線。

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