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客製化天線全方位整合服務   【作者： 王啟岳】   2009年05月13日 星期三

瀏覽人次：【8244】 市面上超過80％的通訊天線應用是按照客製化的規格設計與製造，其背後完美的製程組合則需兼顧材料科學、生產製程、及無線電頻率（RF）模擬等專業領域慎密的評估與考量。評估每一種不同的可能性與組合是極為重要的一環，這也是為何一個全面性整合服務對於天線設計如此重要。 典型的天線製造商通常傾向特別以一或兩種材料來生產天線。這畫地自限的作法，意謂著材料科學與製程的最佳組合尚未被充份討論與實現。因此，只要能推出全新的服務模式結合所有可行的材料與生產技術，將可大幅縮短從天線設計到原型（prototyping） 階段的時程。 《圖一　低溫共燒多層陶瓷（LTCC）孔支援天線微型化》 材料科學 成功的客製化天線來自於材料科學。用來製作天線的材料除了卑金屬體外，還包含磁性材料、陶瓷、與其他共燒材料等。對於特殊應用的客製化天線而言，選擇正確適當的材料是非常關鍵的步驟。 一般低頻應用規格，如13.56MHz頻段的無線射頻識別系統（RFID），通常會使用FR4與磁性材料。而以高頻的應用來說，2.4GHz頻段的藍牙、無線區域網絡（WLAN）或超寬頻（UWB）等介於3.1GHz～10.6GHz區間頻段的產品，基於低耗損特性的需要，多以使用陶瓷材料為主。精密陶瓷也可使用於製作全球定位系統（GPS）天線，如同通訊裝置（GSM）會使用多種好處的可塑性（Flexible）PCB板一樣。 雖然藉由需要的頻率與預期的應用範圍可以作為選用可行的天線材料的參考，但這並不是絕對正確的答案與結論。舉例來說，低頻的AM/FM天線可以在某些應用上使用經濟實惠的卑金屬來生產；共燒磁性材料與陶瓷的組合也可以用在特殊的應用上，因為惟有透過共燒的製程，才能將天線的尺寸，在不犧牲效能的前提下，縮小至符合手機或行動裝置所要求的尺寸。 《圖三　3D模擬顯示測量的準確性範例之二》

製程技術

天線生產製造的技術不斷推陳出新，傳統製程在客製化天線設計的領域仍占有一席之地；新製程則是著重提供更優越的產品性能與微型化的表現。

舉例來說，相對較新穎的低溫共燒陶瓷（LTCC）技術製程，用來燒結高導電性的材料與陶瓷材料，能使無線電頻率訊號的損耗最小化。傳統製程，像是高溫的陶瓷燒結經改善提昇後，得以用於生產出世界上體積最小的10mmx4mm尺寸GPS陶瓷天線。這超微型的天線所要求的高密度，完全仰賴在電路板上能夠打造一條細如髮絲，直徑小於100微米通道的技術來達成。

此一新製程的推出也代表著如微型化電阻、聯結電容、嵌入式電感與濾波器等被動元件皆可被整合於客製化的天線模組上。對於高頻率子系統日漸成長的需求，驅動著製造商進行製程上的改革。其豐碩的結果已展現在高階微型同軸電纜、微型連接器以及無線電（RF）晶片內建被動元件等的發展上。

《圖四　RF模擬科技能探索天線對於人體的影響》

高頻頻率模擬

一旦經評估選定要使用的材料特性及製程後，就可以進行模擬設計天線應達到的理想效能。

不同於傳統二維（two-dimensional）天線輻射模型的量測，Maxwell微分方程式（Maxwell differential equations）提供更一致和精密的三維輻射模型量測。這精密的模擬利用矩量法（Method of Moment；MOM）、有限時域差分法（Finite-Differential Time-Domain；FDTD）或有限元素法（Finite-Element Method；FEM） 等演算規則計算出S參數、頻寬、天線間的隔離度、與天線特性。當這些基本參數建立之後，即可以進一步分析評估天線的表面電流與遠端性能如天線模式、效能、增益值等。各種可能會發生的情境也可以事前模擬，例如材料的改變、生產過程最佳化、特殊環境的保護諸如金屬屏蔽效果或對人體效應等。

接下來，運用內部設置的電波暗房（Anechoic Chamber），測量一系列設計相關參數的範圍值。電波暗房可以測量天線增益與輻射效能等被動特性、主動特性如有效總輻射功率（Total Radiated Power；TRP）、全向靈敏度（Total Isotropic Sensitivity；TIS）等以及計算實際應用時的電磁干擾（Electromagnetic Interference；EMI） 。透過這些精確的測量來作為設計調整的參考，以達到效能最佳化。

《圖五　電波暗房進行測試》

客製化天線全方位整合服務

有鑑於通訊協定的快速演進，廠商們無不面臨在更短的時間內要提供高度整合客製化天線的龐大壓力。例如客製化天線全方位整合服務（The Antenna Total Solutions），即能夠將客製化陶瓷天線的製程，從設計概念到原型階段大幅縮短至10個工作天，而金屬天線則是縮短至2個工作天內完成。這種服務的推出，必須在被動元件領域累積對材料技術的豐富經驗以及對製程的專精，結合天線設計、材料科學、生產製程及無線射頻模擬等各個領域的專業，整合匯集在每一顆客製化天線的研發製造中。

---本文由Yageo國巨電子公司提供；作者王啟岳為國巨電子客製化天線專家；目前國巨的天線整合服務已成功推出近百個獲專利認證的天線設計，並被市場廣泛使用在筆記型電腦、手機、smart phones、PDAs和導航裝置等應用上---