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車載天線整車場型量測技術
車輛中心 技術服務處 張建隆 / 吳汶榮
時代的進步帶動個人行動通訊需求的快速成長,也使無線通訊的產業及技術蓬勃發展,相關
產品及技術不斷地應用到生活中各層面,車輛上的行動通訊需求亦是。近年車輛科技的發展,也
著重於車載娛樂及智慧控制等功能強化及品質的提升,對此相關之無線通訊應用需求 如圖 1 所
示。
過去從 50 年代開始,車輛上僅有收音機所使用的桿型天線 ( 圖 2a),相較於現在的天線技術
發展及不同功能的需求,且為提升車輛外型的美觀及流線造型降低風阻等原因,天線設計不斷地
朝著效能提升及縮小化的方向前進 ( 圖 2 b/2c)。
▲圖 1 資料來源:Karsten Ropers, Fuba Automotive Electronics,車輛中心 (ARTC) 整理
應用於車輛上常見的無線通訊技術
▲圖 2:車載天線形式 資料來源:網路蒐集,ARTC 整理
a. 桿型天線 b. 印刷式 AM/FM 天線 c. 鯊魚鰭天線
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壹、天線場型量測
天線場型是用來判斷天線效能的重要因
素之一,天線安裝時通常建議先以電腦模擬,
搭配天線安裝後進行實際效能評估以確立安裝
位置。以往的天線量測主要為天線的垂直極化
與水平極化兩個方向的訊號,在固定天線高度
下,旋轉待測物後而獲得量測圖,( 即為 2D
曲線圖,如圖 3)。依分別量測到的天線場型
資料推估天線的方向性,搭配模擬軟體模擬
出的 3D 場型圖進行評估後獲得最佳的安裝位
置,然後再利用評估的結果將天線安裝到產品
進行實際效能測試。由於實測僅垂直與水平兩
個方向的結果,對於不同方向的場型沒有實測
數據與模擬結果進行比對,最後還是只能透過
不斷嘗試安裝各個不同位置 (Try & Error) 的
方式來蒐集資訊,以得到最佳的安裝位置。
為完整評估整體行動產品天線效能,
1984 年 由 Motorola、Nokia、Siemens 和
Sony 等手機大廠,結合軟體公司 Qualcomm
與 Cingular Wireless、Verizon Wireless 等
無線設備廠商,以及儀器商 ETS-Lindgren
共同成立美國行動通訊暨網際網路協會
▲圖 3:2D 天線場型量測資料範例 資料來源:Cisco Systems, Inc.,ARTC 整理
隨著天線的小型化或隱藏化,天線的尺寸已不再與傳統式設計般那麼有「存在感」,在遙控
器、GPS 導航、DVB-T( 數位電視 )、AM/FM 天線及其它手機通訊等產品上,不難發現天線的使
用情形已遍布於環境四周之電子產品上,這也意味著行動化產品之天線使用環境更加複雜,通訊
效果容易受到影響,例如天線發射或欲接收的訊號被人體阻擋或吸收、周遭的屏蔽物增加、天線
間的交互影響及車體造成的隔離或反射等,都是嚴重影響天線的場型及效能的因素,因此除了天
線性能的設計,安裝位置也需審慎評估,以下就天線效能評估的做法進行說明。
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(Cellular Telecommunications &. Internet
Association, CTIA) 之非營利性質國際會員組
織;透過該組織技術專家所制訂的OTA (Over
The Air) 測試計畫,為評估手機及無線通訊裝
置整體通訊品質的一套標準,其主要著重在天
線傳輸性能與接收性能的評估。
天線場型量測需於全電波暗室 (Fully
Anechoic Chamber) 中進行,以防止測試
期間受到任何干擾或訊號反射的影響;參考
OTA 測試計畫中提到常使用的兩種測試天線
的方法說明如下:
一、 圓 錐 截 切 測 試 法 (Conical Cut Test Method)
利 用「 分 散 軸 系 統 (Distributed-Axis
System)」的配置方式,將待測件保持固定在
旋轉桌上,量測天線放置在 θ 角旋轉的起始
位置上,θ 角從 0° ~180°開始進行步階掃
描,每當天線位置移動一個 θ 角,待測件在
φ軸平面做 360°旋轉,依此步驟不斷重複,
直至量測結束;詳細的配置及相對位置 如圖
4 所示。
此系統需要的空間較大,且需安裝於大
型的電波暗室 (Anechoic chamber) 中方能
執行,適用於量測大型的待測物以及較低的頻
段,也由於系統屬於固定式的設備,無法隨著
待測物大小來靈活的調整系統的規模大小,且
大型電波暗室的建置成本也較一般電波暗室來
得高。
二、 大圓截切測試法 (Great Circle Cut Test Method)
透 過「 複 合 軸 系 統 (Combined-Axis
System)」的配置方式,將天線保持在固定位
置,而待測物則固定於轉桌上的測試夾具。將
待測件保持固定在旋轉桌上,量測天線放置在
▲圖 4 :分散軸系統 (Distributed-Axis System) 配置型式 資料來源:CTIA Test Plan of OTA Performance
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θ 角旋轉的起始位置上,θ 角從 0° ~180°
開始進行步階掃描,每當天線位置移動一個
θ 角,待測件在 φ 軸平面做 360°旋轉,依
此步驟不斷重複,直至量測結束;詳細的配置
及相對位置 如圖 5 所示。
此系統設備的安裝較圓錐截切測試法輕巧
方便,量測距離易隨著所需測試頻段來進行調
整,但此測試平台的待測物較不適用於大型物
品;因此,此系統適用於量測頻段較高且為手
持式或較小型的待測物。大圓截切測試法的優
點在於不需太大的安裝空間,相對的建置成本
也大幅的降低,所以目前普遍受到業界青睞。
貳、車輛中心車載天線整車場型量測系統
就天線安裝於整車效能評估而言,倘若能
以上述所提之量測技術,直接量測天線安裝後
的場型,並以球座標 X, Y, Z 三軸(即車載天
線整車場型量測)方式呈現整車天線場型 ( 圖
6),將可使開發人員以最有效率的方式進行天
線效能評估及調整。
為提供國內車輛產業界更完整且全面的整
車量測服務,車輛中心 (ARTC) 採用分散軸系
統與整車 10 米電波暗室整合 ( 圖 7),利用大
型轉桌搭配天線臂,參考上述之圓錐截切測試
法,建立量測車輛上的車載天線整車天線場型
量測技術。
▲圖 5 :複合軸系統 (Combined-Axis System) 配置型式 資料來源:CTIA Test Plan of OTA Performance
▲圖 6 :3D 天線場型量測資料範例
資料來源:COMSOL Inc.,ARTC 整理
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▲圖 7 :ARTC 車載天線整車場型量測系統
▲圖 9:ARTC 車載天線整車場型實際量測圖
▲圖 8 :ARTC 車載天線整車場型量測示意圖
目前 ARTC 建立之車載天線整車場型量
測系統,考量車載天線安裝在車輛上,且車輛
於道路上行駛時,未像手持通訊產品有倒置使
用之情形,完整量測車輛上半球體之車載天線
場型,已能實際滿足車輛車載天線通訊之使用
條件。
此量測系統之量測過程係藉由天線臂角度
調整進行,在維持天線臂角度的狀態下,控制
轉桌使車輛旋轉 360°,同時透過量測儀器送
出一發射訊號至車輛車載天線,再由天線臂上
接收天線接收訊號,並記錄此一輪的數據,接
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著逐次天線臂角度增加並重複上述流程,直到
天線臂移至 90°後即完成整體車載天線場型
量測 ( 圖 8)。
最後,彙整電腦所紀錄下之量測數據,匯
入圖形軟體,天線場型則以 3D 圖形的方式呈
現 ( 圖 9),讓客戶能直覺觀察並掌握車載天線
位置與天線之場型關聯性,有助於客戶後續進
行車載天線之特性評估及場型調整,以符合實
際使用需求。
參、結論
車載無線通訊應用越來越廣泛,舉凡車輛
上現有使用天線的產品,如:GPS、Keyless
系統、收音機、數位電視及各項車聯網相關產
品,能強化天線收發效率與選用天線適當的安
裝位置,進而提升整體產品通訊品質與效能,
亦是整車通訊效能課題上的重點之一。藉由
ARTC 的車載天線整車場型量測技術,有助於
我們跳脫以 2D 量測結果 ( 數值高低 ) 來評估
的方式,走向更直覺式的 3D 量測資料 ( 數值
高低、位置角度 ) 方法,使開發者對於自家產
品在通訊效能上的優勢與缺點能一目了然。
國內對於天線安裝在整車上之性能評估所
需之大型量測平台,尚無任何能量可支援,故
ARTC 在既有整車 EMC 量測平台上擴充相對
量測設備與技術建置,可補足國內車輛產業之
量測技術空缺。此整車天線場型量測系統,將
協助車載天線製造商與整車廠在開發階段時,
評估並了解其無線通訊產品之天線現況與相關
資訊,以及考量當車載天線因安裝於車體後無
法得到預期效果之偵錯應用,藉此量測系統獲
得相關參考資訊,進而改善整車車載天線之效
率與性能優化,提供客戶更完整之車輛整車測
試服務。