題 目：汽車防撞系統研究

組員姓名及學號：張原斌B10002117、郭長林B10002203

組 別：102A8

指 導 老 師：黃進芳 老師

一、摘要：

(一)目的：

在大學課堂中，老師曾播放有關汽車防撞系統的影片，

而我們認為這種有關生命安全的系統，在科技越趨進步的現

代與無可限量的未來中，勢必是一大趨勢。因此，為了掌握

這股科技脈動，首要就是要先了解天線的發射、接收原理，

理解了這些基本原理，才有助於日後科技進步下有關汽車防

撞系統的改變。

(二)工業應用:

天線是一種用來發射或接收無線電波或更廣泛來講電

磁波的電子器件。天線應用於廣播和電視、點對點無線電通

信、雷達和太空探索等系統。天線通常在空氣和外太空中工

作，也可以在水下運行，甚至在某些頻率下工作於土壤和岩

石之中。

從物理學上講，天線是一個或多個導體的組合，由它可

因施加的交變電壓和相關聯交變電流而產生輻射的電磁場，

或者可以將它放置在電磁場中，由於場的感應而在天線內部

產生交變電流並在其終端產生交變電壓。

預期成果:

(一)特點:

在廣播和通信中偶極天線是最簡單和最廣泛使用的一

類天線。它由兩個相同的導電元件組合而成且通常是雙側對

稱，天線的兩部分間可當作發射器或接收器。偶極天線的每

一側都會接到一個導體，而單極天線則是一側與導體連接，

另一側則接地。

(二)已完成之項目:

了解天線相關理論、原理。

二、簡介

(一)目的：

經由基本偶極天線的探討，深入了解 S 參數的圖示

與數據，有效率地找其 antenna1 與 antenna2 的有效頻寬

與中心頻率，再由實作以網路分析儀量測輻射場型，驗證實

驗結果與天線成品的理想性與分析場型的分布。本專題主要

探討 Dipole Antenna 設計、網路分析儀的天線特性量測、

2D 平面分析再到參數模擬中所量測到的頻率與天線的工作

效率互相影響與關聯。

(二)硬體規格:

偶極天線最常見的形式是兩個筆直的電線或導體置於同

一軸線上，然後饋線連接到兩個相鄰端部。偶極天線為諧振

天線，藉由電流來回不斷的流動而產生輻射。因此，偶極天

線元件的長度是由所使用的無線電波的波長而決定。最常見

的形式是半波長偶極天線，其中天線元件長度約1/4 波長，

所以整個天線的長度是半波長。

圖(1)為偶極天線示意圖。

圖 1、偶極天線示意圖

(三)軟體規格：

(a) HFSS(High Frequency Structure Simulator),

Ansoft公司推出的三維電磁仿真軟件 ,目前已被 ANSYS公司

收購;是世界上第一個商業化的三維結構電磁場模擬軟件，

業界公認的三維電磁場設計和分析的工業標準。HFSS提供了

一簡潔直觀的用戶設計界面、精確自適應的場解工具、擁有

空前電性能分析能力強大的後處理器，能計算任意形狀三維

無源結構的 S參數和全波電磁場。

HFSS軟件擁有強大的天線設計功能，它可以計算天線參量，

如增益、方向性、輻射場型圖剖面、遠場 3D圖和 3dB帶寬；

繪製極化特性，包括球形場分量、圓極化場分量、Ludwig第

三定義場分量和軸比。使用 HFSS，可以計算：1.基本電磁場

數值解和開邊界問題，近遠場輻射問題；2.端口特徵阻抗和

傳輸常數；3. S參數和相應端口阻抗的歸一化 S參數；4.

結構的本徵模或諧振解。

(四)已完成那些項目:

由於預期進度為先了解天線相關理論、原理的部分，故

在專題規格方面，還未有進度。

三、研究方法：

我們將藉由"網路分析儀"以及"HFSS"軟體來分析 Cross

dipoe 的傳輸訊號以及接收訊號的品質，再利用衰減量找其

適合的頻寬。圖(2)為偶極天線專題設計流程:

圖 2、偶極天線專題設計流程

(一)理論模式的建立:

1.偶極天線理論:

巴倫是用來平衡不平衡系統。偶極天線正常運作，雙臂

上的電流應該是相等的。然而當同軸電纜直接連接到偶極天

線時，電流將不會再相等。理論上傳輸線的電流應該是幅度

相等的流動在內導體和外導體上且中心導體連接到其中一

支 dipole arm。然而，沿外導體內側的電流有兩個路徑選項：

它可以沿著 dipole arm 或同軸電纜外導體的外側向下流動

(標記成 IC)。

在理想的情況下，此 dipole antenna 的同軸電纜外導

體外側電流應為零。在這種情況下，沿 dipole arm 流到同

軸電纜外部導體的電流，將等於另一支 dipole arm 的電流。

一個理想的天線特性，兩端的 dipolearm 所流過的電流相等

為平衡的區域。但同軸電纜的電流並不會配合理想偶極天線

的電流特性，可能沿著同軸電纜的外部，導致不平衡的操作，

這是不平衡的部分。

解決這個問題的其中一個方法就是加上巴倫。巴倫強制

不平衡傳輸線正確饋入一個平衡的元件。這將迫使IC 為零，

這種方式通常被稱為 current choke.

2.平衡-不平衡轉換器:

當用於不平衡饋線（如同軸電纜）傳輸中，屏蔽電纜的

一端與偶極天線就會產生生輻射。這可能導致射頻電流輻射

到饋線附近的其他電子設備，從而導致射頻干擾。此外因為

天線的輻射更貼近地面，其輻射（和接收）模式可能會因此

失真不對稱，因此效率也沒有很好。

在更高的頻率，其偶極天線的長度變得明顯短於饋線同

軸電纜的直徑題。為了防止平衡與不平衡連接當中產生的問

題，偶極天線可在同軸電纜和天線之間饋送平衡-不平衡轉

換器，這樣可以把由同軸電纜饋入的不平衡訊號轉換到一個

平衡的對稱信號給偶極天線。以下為幾種常用balun 結構:

(1) Current balun: 由兩組類似變壓器的偶合線圈所組成

(2) Coax balun:同軸電纜巴倫是一個符合成本效益的方法，

消除饋線輻射，但缺點是工作頻率窄。

(3) Sleeve balun 使用一個λ / 4 長的金屬管，窄頻帶，

適合用於高頻天線。

(二)硬體製作(詳細尺寸):

本章節為詳盡列出此次專題之天線尺寸。圖(3.1)(a)上

小圖為巴倫偶極天線俯視圖，天線總長度為 120mm、天線寬

度為 3mm，其中天線為印刷電路板，天線臂間距為 2mm。圖

(3.1)(b)為巴倫偶極天線側視圖，橘色部份為印刷電路板，

長度為 73.5mm，並且與同軸電纜外導體連接，為 balun 結

構，同軸電纜長 100mm。圖(3.1)(c)為巴倫偶極天線部分放

大圖，天線間距2 mm，中心導體與 balun 結構距離約2.7mm，

balun 寬度約 3mm。圖(3.1)為尺寸手繪稿 1

圖 3.1、尺寸手繪稿 1

圖(3.2)(a)為偶極天線 2 側視圖，板材為 FR4 板，長

度為 100mm、高度為 48mm、天線寬度為 3mm，且於下端中間

饋入，上端 FR4 有挖槽以與圖(3.2)(b)圖結合，由於上端挖

槽，故天線 2 長度比天線 1長度約短 3mm 左右。圖(3.2)(b)

為偶極天線 1 側視圖，板材為 FR4板，長度為 100mm、高度

為 48mm、天線寬度為 3mm，且於下端中間饋入，饋入旁邊合

適距離有挖槽以與圖(3.2)(a)結合。圖(3.2)(c)為巴倫偶極

天線中間的 FR4 板，板長與板寬皆為 150mm，且為雙面印刷

電路板，正面與反面的雙偶極天線擺放相對位置正交，且皆

置於中心。圖(3.2)為尺寸手繪稿 2

圖 3.2、尺寸手繪稿 2

圖(3.3)巴倫偶極天線俯視部分放大圖，同軸電纜內導體與

外導體的絕緣物質為 Teflon，且 balun 接於天線半寬處。

圖(3.3)為尺寸手繪稿 3

圖 3.3、尺寸手繪稿 3

(三)軟體發展:

1.目的：

藉由網路分析儀以及 HFSS 軟體 分析 Cross dipoe 的

port1與 port2 的傳輸訊號以及接收訊號的品質做為探討，

利用衰減量找其適合的頻寬。

2.原理：

S11 表示在 port 1 量反射損失(return loss)，主要是

觀測發送端看到多大的的訊號反射成份；值越接近 0 越好，

表示傳遞過程反射(reflection) 越小， 也稱為輸入反射係

數(Input ReflectionCoefficient)。本專題中實際可接受

之 S11 為取-10dB 以下。

S12 表示訊號從 port 2 傳遞到 port 1 過程的饋入損

失(insertionloss)，主要是觀測接收端的訊號剩多少；由

於本專題是實做雙偶極天線，理想上是希望兩天線在工作時

不會互擾，實際可接受之 S12 為取-30dB 以下，表示傳遞過

程損失，也稱為順向穿透係數(Forward Transmission

Coefficient)。

S21 表示訊號從 port 1 傳遞到 port 2 過程的饋入損

失(insertionloss)，主要是觀測接收端的訊號剩多少，本

專題中 S12 與 S21 的數值接相同。

S22 表示在 port 2 量反射損失(return loss)，主要是

觀測發送端看到多大的的訊號反射成份。由於本專題中是量

測雙偶極天線的散射參數(Scattering parameters )，無加

balun 兩支偶極天線的結構大致相同，有加 balun 的兩支偶

極天線結構完全一樣，故 S11與 S22 會有明顯的相似或相同

處。

四、討論：

目前正進行了解天線相關理論、原理的部分，相較在預

期進度方面，稍許落後。在研究方面，遭遇對程式不了解的

問題，預期尋求老師或學長的幫助。

五、時間進度表：

表(一): 預定進度甘梯圖

六、參考資料：

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna

[2] N. N. Rao, Elements of Engineering Electromagnetics,

Sixth Edition,2004.