電磁波知多少:天線的應用

 
2014/08/07 吳美枝 | 特約文字編輯     10,803
 
大約在150年前,電磁波才剛「問世」;而人類第一次利用電磁波與天線傳遞通訊訊號,也不過是100年前的事,但電磁波和天線的應用在這百年來發展神速,已不知不覺深入我們的日常生活之中。
 
 不甚穩定的手機訊號
       
電磁波顧名思義是一種「波」,它在傳遞過程中若遇到障礙物,會和光波或聲波一樣產生「反射」、「折射」、「繞射」、「干涉」等散射現象,而「波」的傳遞表現便複雜化起來。
 
手機的訊號,屬於電磁波的「微波」頻段。這種訊號充斥在我們的生活四周,但它們不一定都直接源自於基地台;也可能是和地球表面或生活中各類建築物有關係,因為手機訊號在傳遞過程中,可能恰巧與周遭物體產生一些微妙的「散射」現象:例如,「地球表面」對於手機訊號就如同一面大鏡子,電磁波打向地表後能輕鬆反彈回環境中;此外,街上的大小建築物,對手機訊號來說,則是巨大的障礙物,電磁波碰上後會反射。所以,我們周圍其實充斥這些「直射」與「散射」的(包含反射與折射)手機訊號。
 
既然手機的訊號會藉由散射作用充斥環境中,為何會有突然「收訊不良」的情況?這就牽涉到電磁波的「干涉現象」了:環境中的手機電磁波訊號可能並不是同一來源,彼此間可能會產生「訊號疊加放大」,也可能產生「訊號抵消減小」;這種複雜的情況,就會造成環境中,有一些位置剛好是訊號完全抵消,成為沒有訊號的「盲點」(dead spot),但是在這個點的臨近周圍,收訊卻良好的奇特現象。
 
臺灣大學電機工程學系的陳士元教授打趣地說:「由於『金屬』對電磁波來說,是一個明顯的障礙物,當你用手機與別人進行通話時,若恰好經過一台車,則從車尾走到車頭時,通訊品質是可能產生變化的!收訊如果短暫不好,或許是一種自然現象,不應完全責怪電信公司。」
 
 悠遊卡、電子錢包與消失中的標籤
       
一開始,電磁波的應用主要是在通訊相關方面,而各種天線的發展,也多配合這樣的需求。但是,隨著科技發展日新月異,近幾年,電磁波的應用已朝多面向發展。
 
今天,我們到賣場採購,所有商品外包裝都會印有「條碼標籤」,這些線條包含有這個商品的各項基本資訊,譬如品名、價格等。結帳時,藉由條碼機將資訊輸入電腦,來建立購買明細;然而,當結帳人潮眾多,大量商品等待刷讀時,就很容易出現大排長龍的塞車景象。
 
這樣的景象或許在不久的未來將不再出現:商品包裝上不再印上條碼,而改貼一張藏有小型「天線」的標籤;當我們採買好所需的商品後,就將推車推過一個內藏「讀取器」的閘門,這時所有的商品將會被快速「掃描」一次,每樣商品的資訊隨即透過包裝上的「標籤天線」回傳電磁波訊號給「讀取器」,後端的電腦緊接著進行加總與列印清單等等流程。結帳過程中,不再需要人工清點不會出錯,也不會「塞車」。這是電磁波的一種應用,名為「射頻辨識系統」(RFID),目前已有知名大型賣場的倉儲管理採用此法,而我們國道電子收費裝置etag,也是這種應用的一例。
 
另一種名為「近場通訊」(NFC)的技術,也是電磁波與天線的新應用:現在大台北地區的民眾幾乎人手一張「悠遊卡」,想繳付車資?只要將「悠遊卡」靠近特定裝置前「感應」一下,即可完成支付。這種在極短距離、固定位置才能進行資訊交流的技術,就是利用感應器傳送電磁波與卡片上藏有特製天線的精密配合來達成。類似的模式,也使用於日漸流行的「電子錢包」上。
 
陳教授指出,「射頻辨識系統」(RFID)和「近場通訊」(NFC)都是利用特殊設計的天線與電磁波傳遞訊號的應用。雖然原理相似,但是巧妙各有不同,端看「應用目的」來決定設計細節。畢竟,我們都不希望每次有公車在身旁經過,皮夾裡的悠遊卡就被扣款一次吧?
 
 善加利用電磁波能量的「無線傳能」
       
「無線傳能」顧名思義,就是希望以「無線」的方式來傳遞「能量」(電能),這個概念早在1920年代就已存在,但是到了近幾年才重受矚目。這個想法是:電磁波既然可承載能量進行傳遞,是否也可以取代電線,將電力「隔空傳遞」呢?
 
現在,科學家們已證實「無線充電」是可行的,只是範圍與強度仍有侷限。國際上已有幾家手機製造公司成功利用此法,為他們的手機進行充電:他們設計出一個小面積的平台裝置,只要將行動電話放置其上,便可進行充電。而「強度」問題,則牽涉到使用的安全性,畢竟要傳遞較大的電能,就需要較大功率的設備以產生較強的電磁波,相對也會造成風險。
 
另一項較新穎的概念是「能量採集」,即以「捕捉、採集」的方式,截取環境中眾多電磁波的能量,來進行充電或直接使用。由於是被動地「採集」,所以可以使用的電能是較微小的,能應用的範圍也有侷限,如無線感測器網路等。
 
陳教授說,要利用「能量採集」得來的電力,以維持運作的東西應該都不會太大,所消耗的能量也要很小。目前最有可能的應用,是在大樓結構裡埋藏「感測器」以監測其安全;由於可以隔空採集能量來自我充電,所以不再需要人力去更換電池或維護。譬如在大樓建造初期,就將感測器埋藏在建築的結構裡,日後只待裝置將偵測訊號傳送出來即可。這種微小卻又位處結構核心的監測裝置,既不用費心維持電力,又可以長期監控大樓結構的安全情況,也許是提升公共安全的隱形小幫手。
 
 聰明的「智慧型天線」系統
 
傳統上,電磁波訊號發送和接收的情形,都倚靠天線的種類來決定。現在,「智慧型天線系統」的問世,將主動地介入訊號傳遞的情形,並大幅提升效能。其運作的概念是偵測、判讀當下電磁波訊號被使用的情況,再依照系統需求,自主地調整天線的輻射方位或工作方式,使訊號運用的效能得以最佳化。
 
這種系統主要由幾個部分組成:天線(相位陣列天線)、制動元件、感測迴授、微控制器等。其中,「相位陣列天線」是以一群較小的天線單元代替單一支大天線,目的是製造類似「面波源」的效果,以取代輻射電磁場衰減較快的「點波源」,同時,改變這群小天線單元的配置還可以變換主要的輻射方向;「感測迴授」是負責獲取當下電磁波傳播情況或天線工作效能的回饋機制;「微控制器」則是如同大腦般,判讀情形與下達改善方式的指令;「制動元件」則如同神經與肌肉般去執行控制系統內各部分的行為變化。
 
這種隨時可調整訊號發送、接收方向與強度的智慧型天線系統,目前已被都會區的先進基地台所使用,除提升不少訊號運用效能外,也增進了通話的品質;另外,許多新一代的筆記型電腦中的Wi-Fi收發元件,也運用了類似概念,使得筆電在使用無線網路訊號時,即使移動位置,也不會影響收訊的情況。
 
這種系統的概念,也被積極運用在軍事雷達上:目前最先進的武器系統,能夠持續「鎖定」移動中的目標,就是依靠這種智慧型運算與控制動作的系統,透過主動、不斷地調整天線方向,可持續地追蹤目標。許多戰機或是飛彈系統都配備有這類系統,飛彈因此能在人眼視距之外進行發射,並可「射後不理」,它也會持續鎖定,自己去追蹤目標。

過去一百年,隨著電磁波理論的建立與各類天線的快速發展,其應用的範圍,從一開始的通訊相關產業,繼而廣泛、積極地擴展至各種領域,相信未來會有更多前所未見的應用陸續問世;可以確定的是,下一個一百年,電磁波與天線將持續影響、改變著我們的生活。