单极及双极天线

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1、单极与双极天线雙極(dipole)和單極(monopole)天線簡介天線在今日的電子產品的角色日益重要。一方面由於無線產品越來越普及，各式的手機、GPS、藍牙耳機及週邊都會需要靈敏及內建的天線。另一方面，高速的電路如果不注意，會有意想不到的天線耦合效應而干擾其他電子產品，造成EMI或EMC的間題而影響產品的認証和量產。本文介紹最簡單且普遍的天線：雙極及單極天線(dipoleandmonopoleantenna)。簡單是因為它的數學及物理特性；普遍是因為它的設計和成本而有廣泛應用。同時雙極和單極天線所得到的結果可用於其他更複雜的天線上。雙極天線的結構和原理F

2、ig.1a草繪了一個雙極天線。基本上就是兩根金屬線指向相反方向。極性相反的電流由中間流入(出)兩根金屬線形成雙極天線。如果從電路學來看，可能難以理解電流如何流入(出)完全斷開的金屬線。這可用Fig.1b的虛擬電容(virtuecapacitance)來model及解釋。這個虛擬電容把斷路的雙極電線變為一個迴路，可以用電路理論來了解天線的特性，而不用更複雜的電磁場理論。這個虛擬電容包含了少部份的寄生電容(parasiticcapacitance)以及大部份儲存電場能量的等效電容。雙極天線的優點：不需要ground,同時也比較不受環境影響(人體等等)，常用於早

3、期類比電視的天線或外接天級(如Fig.1c用於Mio和Panasonic數位電視的外接天線）。雙極天線的缺點：所佔的空間較大，少用於小型電子產品例如手機、行動電視等。Fig.1aand1bFig.1c外接雙極天線一個簡單的類比是拍手，需要兩隻手（雙極）才能拍出聲音（電磁波）。單極天線的結構和原理故名思義單極天線只有一根金屬線，Fig.2a草繪了一個單極天線。從電磁學理論，天線能夠發射或接收RF訊號，需要有電位差(potentialdifference)，才能形成電磁波（或電流形成迴路)。因此仍要一個參考面如Fig.2a所示，通常參考面是電路板的ground

4、或機殼ground。如果沒有提供參考面，單極天線會自動找到參考面，通常是天線附近最大的導體就自動形成迴路，不一定是ground包含，甚至人體也可以。不過人體並不是很穩定的參考面，因此單極天線若是沒有很好的參考面，常常會因為人體的接近影響收訊(如FM天線)。數位電視的外接單極天線一般會有穩定的參考面，但是內建的單極天線也常常會有穩定性的問題，如Fig.2c。Fig.2b草繪了單極天線常見的參考面，可以看出單極天線只是雙極天線的變形。以拍手為例：單極天線就如同只有一隻手，必須拍在其他的物體如桌面才能發出聲音；聲音的大小和音質和物體特性有關。因此單極天線雖然簡單

5、及應用廣泛，但特性常常會受到週遭物體的影響。Fig.2aand2bFig.2c天線和EMC天線與EMC是一體兩面：EMC的目標是減少或是消除RF雜訊的發射以避免干擾。綜上所述，任何天線都源自於有兩個導體的電位差。因此，避免RFradiation的方法就在於使兩個導體有相同的電位勢，沒有差異。注意是沒有電位差，但不一定需要接地。以拍手為例，就是把雙手綁在一起，就無法拍出聲。Fig.3Fig.3草繪了一個常見的電子產品。電路板外有機殼，另有連外的傳輸線。如果傳輸線和機殼有電位差(稱為commonmodevoltage)，傳輸線就成為一個單極天線產生RF干擾，重

6、點在於避免機殼和commonmodevoltage的電位差。幾個EMC解決之道如何連接機殼和內部電路參考電位(通常為ground)非常重要。應該將circuitground和機殼ground接點儘可能接近傳輸線接入電路的位置。並注意是否提供一個良好的RF低阻抗。任何在circuitground和機殼ground之間的阻抗都會造成RF電位差而讓傳輸線變為天線。一般都是用金屬腳座或接地線做連結，並不能提供良好的RF低阻抗。另一個方法是在傳輸線和機殼之間加入RFbypass電容降低RF的電位差。只是實際上也許不容易執行。第三個方法是在傳輸線上加common-mo

7、dechoke增加common-mode的阻抗，因而減少radiationcurrent。最後，可能也是最有效的方式是直接在傳輸線上加shielding並適當的接在機殼上。雙極和單極天線的電流分佈假設我們用一個電流源,I,灌入單極天線的基部，如Fig.4a所示，頂部的電流為0.如果天線很短(小於波長的1/10)，電流的分佈接近線性，平均電流為0.5I。如果天線較長（但小於波長的1/4)，電流的分佈為sinusoidal,如Fig.4(b)所示，平均電流為0.68I。Fig.4aand4b因此，雙極和單極天線都並非均勻的radiation，底部的radiat

8、ion最大，頂部的radiation最小。比起理想的天線，短天線的