手机等移动终端产品的电视接收天线设计

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      自数字电视开播以来,各种电视接收产品也因应市场需求不断推出,举凡带有动态显示器的各种产品也均将导入电视接收功能,其功能的导入将涵盖笔记型电脑、PDA、手机、手表、相机、头戴式显示器等各种可携式产品之中,成为继MP3之后最为广泛的应用;但是其接收电视讯号的能力往往决定产品整合的成败与否。而电视接收天线也就成为此项应用的关键技术。有鉴于此,将由对于天线的研发提出一些有利于业界在发展可携式电视相关产品时的一些想法做为参考,并期使消费者在选购各种电视接收产品时有基本的认知。

电视天线的分类

    不同的接收装置必需搭载最适合的接收天线,各种电视接收天线均有其特性及优缺点;其中固定式户外天线在数位电视尚未开播之前即已普遍,有VHF、UHF、V/UHF等固定型式,由于台湾地区的数位电视频道位于UHF频段,因此消费者只要购买适合无线接收的数位机顶盒(STB),在屋顶架设UHF天线就能够收看数位电视节目。

    接收天线并没有数位与类比的区别,只有频段的区别;而数位机顶盒(STB)则有接收有线(Cable)与无线讯号的区别,若使用接收有线(Cable)的数位机顶盒(STB)接收无线的数位电视讯号,会由于调变的方式与播送讯号的方式完全不同,其收视能力必然不良;在接收天线上其特性为指向性高增益天线,故于安装使用时必需调整其方向面对电视讯号发射台以取得最大增益,通常在偏远电波微弱地区还可加装强波器以提升讯号振幅方便收视,因为具有指向性故于一般架设固定后不再变动,同时体积过于庞大也不适合携带或行动收视。

    但是此种固定式户外天线其调校后的接收性能是其他类型天线难以达到的优点,故常用于电波较为微弱的地区。强波放大器较适用于指向性天线或有线电视讯号的补强,才能发挥作用;若使用在全向性(无指向性)天线,虽然讯号是放大了,其它不必要的相同频率杂讯电波也同时放大,反而降低了收讯能力。

    固定式室内天线与固定式行动接收天线,也就是一般常见安装于车上或贴在车窗玻璃及室内各型天线,此类型天线式样繁多,其中也有具备强波放大器于一体的产品,主要特色为体积比固定式户外天线较小便于安装,固定的延长线除了提供天线与接收机的阻抗匹配也让消费者可以依使用场所置放于最佳的收讯位置,而称为固定式是因为一旦安装于室内或车上的最佳位置后,不适于经常变动位置来接收电视讯号,也由于体积重量及放大器的功耗、配线安装等更不适合携带使用。

    此类型天线的收讯能力虽不及固定式户外天线,但由于方便安装调整,故也常使用于电波不算差的环境使用。另外值得一提的是在移动接收能力,无线电波传输速度远大于交通工具的移动速度,况且无线电波也无法知道接收端所在位置,因此其移动接收能力应为与环境相容能力较有直接关系,例如室内、户外、车体内、车体外的接收环境都完全不同就会影响到收讯能力。因此消费者要使用此类型天线必须先考量使用场所环境或车体结构等因素才能发挥应有效能。

    可携式行动接收天线就是一种可以便于携带或与可携式产品于一体的接收天线,也就是让可携式产品可以走到哪看到哪的电视接收天线。要在可携式产品上接收电视讯号其天线必须小型化设计或是内建隐藏式天线;由于频率波长的关系,要将半波长25公分(600MHz)的天线缩小至数公分方便携带的接收天线,以及要将窄频天线(如手机天线)设计为可以大范围接收的宽频天线,目前在全世界都还是技术瓶颈,但是在国外已有采用「分集式接收技术」(Diversity Reception)。

    它的原理是在可携式产品上配置两种不同的天线,以同时对电视讯号进行接收,然后采用讯号品质较好的那个。例如三洋电机应用手机原有的伸缩式天线(Whip Antenna),再搭配耳机线的「耳机天线」,由于有两个位置接收电视讯号,即便是一个天线因多重路径干扰(Multipath Interference)等原因,还可以使用另一个天线来接收讯号,因此用来稳定接收电视讯号,不过这种方式较为耗电,它的电视调谐器模组的耗电量需要250mW;而且其伸缩式天线拉出后产生的指向性与操作性及其他不用耳机线的可携式产品上应用极为困难。

    而要设计出一款实用的可携式行动接收天线,笔者认为有几个观念要先突破,第一个就是可携式产品也是接收天线本体的一部分,因此天线的设计与可携式产品的结构设计有着密不可分的关系。第二个就是可携式产品所使用的接收元件与布置也有先天上的决定关系,因此在元件的选用配置上必须考虑其影响的接受效能。第三由于可携式产品接收电视讯号是看整体表现,而非单一零组件的表现特性,因此传统使用单一零组件的评估方式完全不适用。第四由于是看整体表现,因此其测试方法也与传统天线的测试方式截然不同,消费者需要的是整体表现效果,而非亮丽的数据资料。

     提供研发相关产品时参考的相关技术

    相对于波长在电气特性上非常小的天线而言,辐射电阻会变得非常低,要达到谐振的Q值将很高,因此要获得的可用频宽比例会非常窄。在很多情况下,天线必须比半波长偶极天线(doublet)小很多,除了必须直接连结接收器端子外,甚至需要安装成隐藏内建式天线,由于其本身的条件上将无法谐振,此为近场天线(接收器本身电场/幅射场)等于磁场(感应场区域范围内工作的天线)的首要问题。

    其他技术涵盖了接收机灵敏性、多重讯号过载、相位杂讯、选择性和多工径干扰等等。而且还需要克服移动接收时的多重反射与都普勒效应,天线还必须小于5公分或内建天线。

    在低频电路中,电磁波的波长与其所使用的电路元件的尺寸相比,是一过非常微小的量,故可将元件或电路视为集中于一点,因此一般称之为集总元件或电路(Lumped components or circuits),所以可以直接使用克希荷夫电流和电压定律进行电路分析工作。但在微波电路中,因微波的波长很短,故必须将元件视为散布元件(distributed components)来处理,因为此类元件所有元件参数,如其等效的R、L、C、G电路参数,在元件内部的位置不同而会有不同的数值。一般必需将之当作四维(三维空间加一维时间)电磁场的问题来探讨,才能得到完整的分析。

    但是求解电磁场问题是一件极困难且费时的理论计算工作,即使是一个很简单且极具对称性的微波结构,目前快速的超级电脑也须经过相当长的计算时间,才能得到精确的结果。若微波结构稍微复杂些的电磁场问题,几乎不可能得到正确的解,只能得到近似解。

    在低频集总电路中连接各元件间导线,不需要顾虑导线的长短,及其是否具有任何R、L、C、G效应,甚至不必理会导线和元件之间是否阻抗匹配(impedence matching)等等问题,仅需将其视为一个没有任何作用,没有任何信号衰减的短路电路连结点(lossless connecting node)。但是在射频及微波电路中,导线本身会因来自材料和结构所造成的电阻、电感、电容、和电导等效应存在,且这些参数是工作频率的函数。所以在进行电路分析时,不能将之仅视为一个无损耗的节点,而必需将之视为一个含有与频率相关等效电路参数的元件。此外,其连接导线的长短和粗细不仅影导线本身的特性阻抗(characteristic impedance)值,也会影响与其相连结的元件间阻抗匹配的与否问题。

    集肤效应:使用的材料的频散效应与等效电阻随频率变化有关,所产生的金属表层效应(skin effect)也会影响电波的通道衰减。

    绝缘材料会感应出并联式的寄生电容效应(shunt parasitic capacitance),此种电容性电抗值(容抗XC=1/ωC)会随着频率增加而变小。连接的引线(Connecting leads)会感应出串联式电感效应(Series inductance),此种电感性电抗(感抗XL=ωL),会随着频率增加而变大。这两项感应效应,均会改变原有的等效阻抗值(Equivalent impedance)。因此在元件的布置必须经过特别的设计和处理,以减少不必要的寄生电抗。

     抗雨衰能力,即电磁波传播行径受空气中水气、氧分子、雨雪、云雾、冰刨等不同的大气分子,会有不同程度的吸收作用,这些吸收作用会衰减电磁波在大气中传送的能量,因此在接收端的设计要能够由周围电场感应出所需要的电磁波能量,以减低气候因素的影响(通常频率高影响就愈明显)。

抗干扰的特性(本体干扰与外在干扰)

    本体干扰源于接收器本身,也就是一般所量测的EMC、EMI等参数。而外在干扰则源于大自然与其它人为制造出来的杂讯源,如太阳风暴到马达运转,及附近的电波发射站等,并且这两种干扰也会彼此互动,极容易触发产生更强的辐射干扰效应(过载),甚至使接收器工作停摆。

    空场效应(场型中凹陷下去,辐射功率极小之处),当反射波由反射面向上辐射时相位反转,到达天线与直接辐射波互相抵销,造成能量衰减,而反转相位会依反射面性质而有不同的空场效应,而天线的高度位置,也会如天线场型波瓣因不同长度而有分裂的空场出现,所以天线的高度尺寸也要避免其辐射场正好落在空场内。元件长度对于信号的延迟效应,虽然振幅不变,但会产生相位偏移。

    由于UHF为超高频范围0.3~3GHZ,电波传播路径以直线传输最为理想,但传输距离受限,如要扩大电波涵盖区域(频率愈高,距离愈短),则必须建立许多中继站来填补电波死角区域。由于手机上的行动电视接收受微小天线限制,因此更需要增大发射功率,或者在网路内装设更多中继器。

结论

    可携式行动接收天线是各种可携式产品在接收电视讯号最为重要的先进技术,若没有这种技术,所有可携式产品接收电视讯号只会是一种未实现的理想产品,而最先拥有这种技术的厂商也将拥有市场的无限商机。