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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 (dipole andmonopole antenna)。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 Fig. 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 (virtue capacitance) 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 (parasitic capacitance) 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. 1a and 1b Fig. 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 (potential difference)，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 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及應用廣泛，但特性常常會受到週遭物體的影響。 Fig. 2a and 2b Fig. 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 RF radiation 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. 3 Fig. 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 common mode voltage)，傳輸線就成為一個單極天線產生 RF 干擾，重點在於避免機殼和 common mode voltage 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 circuit ground 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 circuit ground 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 RF bypass 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-mode choke 增加 common-mode 的阻抗，因而減少 radiation current。 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