【探索13】以電波之筆描繪無線未來

圖片來源|wikipedia
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講師|臺大電機系 陳士元教授
撰文|鄭兆庭

請拿出自己的手機仔細看看,您覺得手機之所以是手機,是因為它具有哪一項功能呢?沒錯,答案很顯然的是無線通訊。即使現在人手一支的手機可以拍照、設定鬧鐘、記載行事曆……,但是其核心功能依舊是講電話或是上網。對比以往有線通訊的年代,講室內電話都得拉著一條線,今天我們拿著手機便可以在路上隨時隨地通話。利用一條看不見的「線」-電磁波,我們終於可以用無線的方式傳遞訊號。本次探索講座,由臺大電機系的陳士元教授主講,分別從電磁波的歷史、手機的發展、天線是什麼、解析柯南的「少年偵探徽章」四個面向,為大家解說無線通訊的基礎。

為充分了解天線的運作,陳教授首先回顧了電磁學的發展。雖然人類早在西元前便發現靜電和靜磁的現象,電磁學的重大突破卻要等到十七世紀以後。1600年,英國人吉爾伯特(William Gilbert)發表電磁學領域的第一本著作《論磁石》(De Magnete);1752年,美國開國元勳富蘭克林(Benjamin Franklin)做了多項電學實驗,延用至今的正電、負電也是由他所定義的。以上二人所做的是定性研究。1777年法國人庫侖(Coulomb),以精密的實驗裝置測得兩個電荷之間的作用力與其距離為平方反比關係(庫侖定律),這項實驗開啟了電磁學領域的定量研究。爾後,丹麥人厄斯特(Ørsted)和法國人安培(Ampère)建立了電生磁的相關理論;英國人法拉第(Michael Faraday)立基於此打造了電動機(馬達),並於1831年9月23日,證明了時變磁場能產生感應電流(磁生電),進而發明了發電機。上述研究由馬克士威(James Maxwell)以著名的馬克士威方程式集大成,並以此組方程式推導出電磁波的存在。1888年,德國人赫茲(Heinrich Hertz)以實驗間接證實電磁波的存在,他所使用的實驗裝置同時也是史上第一個發射天線(偶極天線)和接收天線(環形天線),這兩種天線至今仍有人使用。

1901年末,義大利工程師馬可尼(Marconi)成功進行跨大西洋的越洋無線通訊,引發世人關注,從此開始大量資源投入無線通訊領域。最初的商用手機是Motorola「黑金剛」,機身加上天線共33公分長、重800公克、售價約4000美金。這支手機現在看來笨重而昂貴,在當時可是工程上系統整合的經典之作。隨著半導體技術、電池技術、天線技術的演進,手機的尺寸也日益趨小。Nokia 6150(出現黑白液晶螢幕)、Nokia 3310(隱藏式天線)都是這股「手機比小」潮流下的產物。2003年以降,隨著3G通訊系統的出現,手機上網日漸普及,小螢幕、小鍵盤不再受到市場青睞,蘋果第一代的iPhone因觸控螢幕而成為劃時代的手機發明。現在大螢幕和高續航力的電池為市場主流,手機反而越做越大。陳教授指出,自從手機發明以來,手機構型的先小後大,猶如一條「微笑曲線」。

就手機天線而言,現在的內建天線需要考慮到許多層面。內建天線設計必須要考慮整支手機,不再像以往手機天線的交互使用。以iPhone 4為例,工程師為了手機的美觀、對稱,導致天線的設計不如預期,通訊效能低落。另外,金屬背蓋雖然提升手機的質感,卻也造成訊號的遮蔽,天線設計也需因「機」制宜。

那到底什麼是天線呢?英文的antenna有天線與觸角兩種意思,陳教授說,天線就好比是人類感知電磁波的電子眼耳。對於無線通訊領域的人來說,天線即是發射、接受電磁波的裝置。天線專家以「輻射場型」描述天線的特性。商用天線則有四個重要的參數,分別是指向性、輻射效率、增益、等效全向輻射功率(EIRP)。指向性就是天線往特定方向輻射、能量集中與否的數據,以指向性最差的球型場型為定義標準。輻射效率受到天線的材質影響,是電路端的功率和天線輻射總功率的比例。增益即指向性乘以輻射效率,是通常描述天線時所使用的參數。等效全向輻射功率是增益乘以輸出功率,現行電磁波相關規範即以EIRP作為管制標準。

有了上述天線知識以後,陳教授請大家一同思考名偵探柯南中的無線收發器「少年偵探徽章」的虛與實。依照故事設定,「少年偵探徽章」是一個輕薄短小的點對點無線通訊系統,它有兩個重要的特性是,耗電量有限以及其單極天線是向四面八方輻射。如果依照故事假設,「少年偵探徽章」是點對點通訊,則訊號可能受限於距離、建築物遮蔽,若要維持點對點通訊就必須以強大的功率發射或透過人造衛星傳輸訊號才可能達成。為兼顧耗電量和穩定通訊品質,以蜂巢式基地台為基礎的「少年偵探徽章」較為可行。另外,基地台系統還有移動性高、可跨區通訊、裝置微小化、環境適應性強、提升頻譜效率等優點。

最後,陳教授為大家解析「基地台是不是很可怕」作結。一般基地台的EIRP約在5至50瓦之間,遠小於數位電視和FM、AM廣播電台的輸出功率。由於電磁波的功率密度與距離成平方反比,經簡單計算後可知,基地台的功率密度大概只有手機(以EIRP為2瓦計)功率密度的萬分之一,因此只要收訊良好實在不需要擔心。陳教授希望大家能秉持「科學精神」,小心作判斷。

--本文整理自:104/4/11由陳士元老師在臺大應力所國際演講廳所主講之「以電波之筆描繪無線未來」演講內容>>現場全程影音

 

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