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超乎電線：天線演進並調適以滿足嚴峻的無線要求

作者： Bill Schweber 2021-12-21

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天線真的是很神奇的裝置。不僅兼具神奇且神秘的特質，在無線通訊世界中更是絕對必要的物件。自從海因里希‧赫茲在 1880 年代首次使用火花放電器 (一種粗糙的天線類型)，在桌面上以無線能量的形式傳送訊號以來，天線的設計和實作，對於無線裝置及其支援的通訊鏈路而言，就一直是成功與否的關鍵 (圖 1)。

圖 1：此為赫茲用來探索神秘現象時所用之配置的現代化版本，我們現在已經知道此現象其實就是透過無線電磁場傳遞功率。(圖片來源： Lesics Engineers Pvt.Ltd.)

所以天線到底有何作用？從物理與功率的觀點來看，天線其實是電路的電氣功率 (以伏特和安培呈現)，以及自由空間電磁場 (以馬克斯威爾方程式呈現) 之間的傳感器。我們將在之後的部落格文章中進一步探討天線的物理層面，但現在，只要知道其展現相互性並且與方向無關就足夠了，因為天線能將電氣功率從電路輻射到自由空間，並且還可以擷取環境電磁功率，並將其傳遞到電路。

天線可以是非常單純的一段電線，或採用多種元素、精心設計的幾何排列，以及繁複互連的極其複雜配置。天線的尺寸從幾毫米一路到佔地數十英畝的巨大陣列都有，而且尺寸是左右頻率，功率和其他必要性能特徵的因素之一，其支援之系統的空間限制也必須納入考量。

與所有元件一樣，天線一開始會由幾個頂級參數分類，接著再由諸多次要參數細分。當然，在某些應用中，次要屬性可能也非常重要。主要的相關屬性包括：

工作頻率：天線可達到有用效能時所處的頻率或頻段中心。
頻寬：天線可運作的頻譜寬度，及屬於單頻段或多頻段設計。
效率：可輻射或擷取電磁能量的能力。
輻射：在 360° 水平面 (方位角) 與垂直面 (仰角) 的模式 (圖 2)。

圖 2：在天線的諸多相關屬性中，方位角與仰角輻射模式需納入考量。(圖片來源： VCEguide)

在這些因素之間，並沒有方法可以簡單地加以評斷其優劣。舉例而言，有些應用需要更多頻寬，但其他應用需要的頻寬則較少，以盡可能滿足應用的需求。

理想的天線看起來可能只是在工作頻率上運作的單純電阻式負載 (通常為 50 或 75 Ω)，但絕大多數真實的天線在阻抗上也有反作用的成分在。此外，驅動天線的發射器輸出 (或連接到天線的接收器) 則有其本身的反作用非電阻性阻抗。在這兩個情況加總下，通常需要對這些阻抗進行匹配。

與您想的不一樣，「匹配阻抗」不代表這些阻抗相等。相反地，這是指來源阻抗與負載阻抗是彼此的共軛複數，此情況會導致兩者之間達到最大功率傳輸。與天線一樣，也有數不盡的配置、組成與技術可實作阻抗轉換，以便達到匹配，包括使用離散式被動元件在內 (圖 3)

圖 3：此代表性的平衡不平衡轉換器電路採用電容與電阻，針對具有電阻式與電感式阻抗成分的天線提供阻抗匹配。(圖片來源：ResearchGate)

針對發射器對天線的鏈路，目標在於盡可能讓電壓駐波比 (VSWR) 接近一致，也就是功率有效率傳輸，且沒有功率是從來源反射而來。

別害怕

由於天線的類型與配置幾乎無窮盡，整個主題可能令人望而生畏。但其實只要記住一個基本要點：幾乎所有的天線都是由兩種基礎模塊中的一種而建造。分別是的單構件「非平衡」單極天線，搭配真實 (或虛擬) 接地面，且具有長電線或鞭型設計的特色 (圖 4)，還有平衡式非接地的偶極天線 (圖 5)。這些基本構件通常會單獨使用，但也會搭配使用，來組成更大且更複雜的天線配置。

圖 4：長電線或鞭型天線配置屬於採用接地面 (在此指車頂；圖左) 的單構件設計；天線圖可看出其簡易性 (圖右)。(圖片來源： Lihong Electronic; Electronics Notes)

圖 5：基本的偶極配置是平衡對稱式天線，且無接地基準 (左)，如圖所示 (右)。(圖片來源： TCARES.net; Tutorials Point)

平衡不平衡轉換器必要時可在不平衡接地電路與平衡未接地偶極之間進行電氣轉換，還可以轉換阻抗 (以 Ω 為單位)，以便在來源／接收器和天線之間達到電阻匹配 (圖 6)。

圖 6：此被動式平衡不平衡轉換器會將 50 Ω 不平衡阻抗轉換成 300 Ω 平衡阻抗。(圖片來源：Pinterest)

應用的頻率、複雜性與靈活性日益發展，天線系統也要跟著演進。舉例而言，5G 存取點就採用相位陣列排列的多重天線，因此個別天線構件都可受到其饋線的移相而驅動；此革命性技術起源於軍用雷達，因此可取代整個天線組件的機械式活動。

其他天線則採用小型介電陶瓷諧振器，屬於小型化的晶片級天線搭配金屬化接地面。仍有些天線採用最終產品的印刷電路板當作接地面 (單端) 或偶極天線構件。

面對天線的複雜性與其可能的配置時，您要如何挑選適合應用的呢？首先要從天線的上千種尺寸與效能屬性開始，皆有現成或標準的目錄品項可供挑選。這些天線會提供詳盡的規格書，可展現其在真實世界中經過測試的效能與特性。

若需要新型的天線設計來滿足獨特的尺寸、頻率或效能屬性要求，現代化的模擬與建模工具是非常強大的工具。這些電磁場求解器可針對幾乎各種天線配置的電場與磁場效能進行建模 (圖 7)。

圖 7：進階電磁場建模工具可量化評估簡易與複雜型天線配置的效能。(圖片來源： Altair Engineering, Inc.)

這些工具有足夠的精細度可將真實世界中的天線問題納入考量，例如構件末端的電磁場「邊緣」效應及其非零厚度。甚至可針對鄰近元件與表面的效應進行建模，包括無法避免的寄生效應。

通常來說，這些建模程式可進行分析但無法建構，但有些則可提供替代選項與改裝建議，協助設計出必要的天線。研究人員也逐漸在程式中添加人工智慧 (AI)，以便發明、探索與分析更多可能的配置，以便符合指定的效能目標。甚至可在挑選最終設計的過程中，進行必要的權衡。

結論

天線可以是設計中最簡單的要件也可以是最精細且最多樣化的要件，端視應用與優先項目而定。在工作頻率逐漸提高且頻譜更加擁擠的現實設計情況下，天線必須更多功能且更加優異，還得克服新的限制與越來越高難度的優先考量，同時也要權衡其眾多效能參數與能力。我們之後將更深入探討，記得關注。

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