快速傳送手機訊號
利用手機通話、收發簡訊、傳送或下載影音資料等，已讓我們的溝通方式更加多元化。小小手機為何能快速傳遞高容量的資料，而且訊號如此穩定？
文／楊嘉慧
審稿／台灣科技大學電機系副教授 馬自莊
近年來，手機通訊技術一直有重大發展，從1980年代中葉使用類比傳訊、體積大且只有收發話功能的「黑金剛」，至1990年代中葉改採數位傳輸、2G手機 出現後，手機功能的演進便一日千里，到了目前的3G手機、黑莓機，不但可以因時、因地、因人做客製化的服務設定，還能即時傳送圖像、音樂、視頻，或者上網 瀏覽、購物、多方通訊，甚至提供電話秘書功能……等。然而，不論手機做得多麼精巧，功能多麼繁複，它的運作原理與收音機或廣播電台類似，都是透過電子電 路、天線等零件接收與發送電磁波，但傳輸速度比兩者快，發射功率（單位時間發射的電磁波能量）也更低。
以高頻、短波的電磁波快速收發訊號
手機是藉由內建天線發射訊號，該處也是電磁波能量最強的地方。手機接通後，發話方的聲音或影像會先轉譯成電訊號，即變成電流於電路板流動，接著電流從電路 板進到天線端，改變天線電荷的分佈與速度，因此感應生成不斷變化的電磁波，並傳送至附近的基地台。基地台天線接收到手機發出來的電磁波後，會再將訊號轉接 傳遞至受話者的手機，並轉回成聲音或影像。
台灣科技大學電機系副教授馬自莊表示，手機接收及傳送資訊的速度比收音機及廣播電台快，原因之一是使用高頻、短波的電磁波（註），傳送資料時，單位時間內 能傳送的波數較多，即輸送資料量較大。一般調頻頻率約在100MHz（1MHz為每秒振動100萬次），波長約300公分；而台灣的手機頻率則有 900MHz或1800MHz兩種，波長分別是33與17公分。
蜂巢式通訊設計提供穩定訊號
短波雖然有助於加快手機的訊號傳輸速度，但也限制了傳輸距離。這是因為波如果遇到遠小於波長的障礙物時，可以繞射繼續前進；但若遇到的障礙物（如高樓或山 丘）遠大於波長時，則無法繞射至另一側。為了克服此難題，行動通信系統目前多採用「蜂巢式通訊系統」，即每隔數百公尺至數公里就架設一座基地台，每座基地 台只負責一小區域的訊號處理，利用高密度設置基地台來減少訊號因障礙物而消弱的問題，同時可以分攤通話承載量，而且手機也無須發射高功率的電磁波搜尋遠端 基地台，可因此降低電磁波的強度。
蜂巢式通訊系統雖然提供穩定的收訊品質，然而仍有通訊死角，例如進入電梯內，會因為電梯「車廂」四週是金屬材質，使訊號變差。馬自莊表示，金屬是一種會屏 蔽電磁波的材質，當電磁波從一個介質（空氣）到另一個介質（金屬）時，波速會改變，有一部份波會反射，形成反射波；另一部份則會穿透介質並改變行進方向， 形成折射波。電磁波穿透金屬時，還會消耗部份能量，原因是金屬為導體，電磁波會使金屬的電荷重新分配，產生感應電流，將部份能量轉變成熱能；再如現代建築 物採用的鋼筋混凝土等材料也會造成訊號減弱；而進入沒有架設基地台的長隧道，電磁波不易繞射進去，訊號也會變得不穩定。
儘管如此，由於無線科技的進展，以及電信業者針對不同地區的環境及建築物佈設基地台，通訊死角已變得越來越少，現在即使到如大型建物的底層、地下商場等地 區都能收到訊號。此外，在用戶飛速增加的現在，網路容量不斷擴增，也讓每位用戶不會因擁塞造成斷話或訊號不良，而可以無時無刻通話、上網。
註：電流方向、強度隨時間改變，就會產生電磁波。若電流變化有週期性，則可用頻率表示變化快慢，最簡單的例子是電流方向每秒改變60次的交流電，它會發出頻率為60Hz的電磁波。各種不同頻率的電磁波在真空傳播的速度等於光在真空行進的速度，為3×108m/s。
手機電磁波的規範
為了避免手機發射太強的電磁波，許多國家都要求業者在手機上市前須做 SAR（specific absorption rate，電磁波能量吸收比值）檢測，即檢測手機輸出最大功率的電磁波時，每公斤人體所吸收的電磁波能量，各國訂定的 SAR 值上限都不超過2 w/kg，避免過強的電磁波對身體組織造成不當的熱效應。
SGS 台灣檢驗公司技術經理張正昌表示，SAR 的檢測程序是先將待測手機固定於一個假人凹槽的耳朵旁，凹槽內會盛裝模擬人體導電度的組織液，成份包含食鹽、水、糖及其他化學物質等。由於手機會根據基地 台的遠近，調整不同發射功率，因此測試時，會讓待測手機只能搜尋到一台功率非常低的基地台，迫使手機發射出最大功率；接著以一根裝有天線的探測棒伸入組織 液內，量測凹槽內每一個位置的電場強度，並找出最大值落在哪些位置，接著仔細計算這幾處的能量變化，以電腦求出單位質量生物體吸收的能量，即為 SAR 值。
除了手機電磁波設有規範，基地台發射出來的電磁波也有建議值，900MHz的電磁波功率密度值不能超過0.45mW/cm2，1800MHz則為 0.9mW/cm2。然而蜂巢式通訊設計使得基地台密佈，甚至集中在同一屋頂，是否會超過上述標準？環保署表示，根據目前抽測基地台附近的電磁波功率密度 值，尚未發現數架基地台置於同一區域會致使電磁波功率密度值超過建議值範圍的情況（註），基地台的架設也受國家通訊傳播委員會（NCC）管控，因此不易發 生超標準的情況。
註：環保署如何檢測基地台的電磁波功率密度值，以及全省各地已量測過的基地台電磁輻射資料，可上環保署網站查詢，NCC也開放免費申請檢測基地台釋放的電磁波。
延伸閱讀
《科學人‧無線生活特刊》，2004年9月出版
《世界第一簡單 電學原理》，藤瀧和弘 ，世茂出版
高三課本《物理》下冊
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【科學Easy Learn網路版‧
利用手機通話、收發簡訊、傳送或下載影音資料等，已讓我們的溝通方式更加多元化。小小手機為何能快速傳遞高容量的資料，而且訊號如此穩定？
文／楊嘉慧
審稿／台灣科技大學電機系副教授 馬自莊
近年來，手機通訊技術一直有重大發展，從1980年代中葉使用類比傳訊、體積大且只有收發話功能的「黑金剛」，至1990年代中葉改採數位傳輸、2G手機 出現後，手機功能的演進便一日千里，到了目前的3G手機、黑莓機，不但可以因時、因地、因人做客製化的服務設定，還能即時傳送圖像、音樂、視頻，或者上網 瀏覽、購物、多方通訊，甚至提供電話秘書功能……等。然而，不論手機做得多麼精巧，功能多麼繁複，它的運作原理與收音機或廣播電台類似，都是透過電子電 路、天線等零件接收與發送電磁波，但傳輸速度比兩者快，發射功率（單位時間發射的電磁波能量）也更低。
以高頻、短波的電磁波快速收發訊號
手機是藉由內建天線發射訊號，該處也是電磁波能量最強的地方。手機接通後，發話方的聲音或影像會先轉譯成電訊號，即變成電流於電路板流動，接著電流從電路 板進到天線端，改變天線電荷的分佈與速度，因此感應生成不斷變化的電磁波，並傳送至附近的基地台。基地台天線接收到手機發出來的電磁波後，會再將訊號轉接 傳遞至受話者的手機，並轉回成聲音或影像。
台灣科技大學電機系副教授馬自莊表示，手機接收及傳送資訊的速度比收音機及廣播電台快，原因之一是使用高頻、短波的電磁波（註），傳送資料時，單位時間內 能傳送的波數較多，即輸送資料量較大。一般調頻頻率約在100MHz（1MHz為每秒振動100萬次），波長約300公分；而台灣的手機頻率則有 900MHz或1800MHz兩種，波長分別是33與17公分。
蜂巢式通訊設計提供穩定訊號
短波雖然有助於加快手機的訊號傳輸速度，但也限制了傳輸距離。這是因為波如果遇到遠小於波長的障礙物時，可以繞射繼續前進；但若遇到的障礙物（如高樓或山 丘）遠大於波長時，則無法繞射至另一側。為了克服此難題，行動通信系統目前多採用「蜂巢式通訊系統」，即每隔數百公尺至數公里就架設一座基地台，每座基地 台只負責一小區域的訊號處理，利用高密度設置基地台來減少訊號因障礙物而消弱的問題，同時可以分攤通話承載量，而且手機也無須發射高功率的電磁波搜尋遠端 基地台，可因此降低電磁波的強度。
蜂巢式通訊系統雖然提供穩定的收訊品質，然而仍有通訊死角，例如進入電梯內，會因為電梯「車廂」四週是金屬材質，使訊號變差。馬自莊表示，金屬是一種會屏 蔽電磁波的材質，當電磁波從一個介質（空氣）到另一個介質（金屬）時，波速會改變，有一部份波會反射，形成反射波；另一部份則會穿透介質並改變行進方向， 形成折射波。電磁波穿透金屬時，還會消耗部份能量，原因是金屬為導體，電磁波會使金屬的電荷重新分配，產生感應電流，將部份能量轉變成熱能；再如現代建築 物採用的鋼筋混凝土等材料也會造成訊號減弱；而進入沒有架設基地台的長隧道，電磁波不易繞射進去，訊號也會變得不穩定。
儘管如此，由於無線科技的進展，以及電信業者針對不同地區的環境及建築物佈設基地台，通訊死角已變得越來越少，現在即使到如大型建物的底層、地下商場等地 區都能收到訊號。此外，在用戶飛速增加的現在，網路容量不斷擴增，也讓每位用戶不會因擁塞造成斷話或訊號不良，而可以無時無刻通話、上網。
註：電流方向、強度隨時間改變，就會產生電磁波。若電流變化有週期性，則可用頻率表示變化快慢，最簡單的例子是電流方向每秒改變60次的交流電，它會發出頻率為60Hz的電磁波。各種不同頻率的電磁波在真空傳播的速度等於光在真空行進的速度，為3×108m/s。
手機電磁波的規範
為了避免手機發射太強的電磁波，許多國家都要求業者在手機上市前須做 SAR（specific absorption rate，電磁波能量吸收比值）檢測，即檢測手機輸出最大功率的電磁波時，每公斤人體所吸收的電磁波能量，各國訂定的 SAR 值上限都不超過2 w/kg，避免過強的電磁波對身體組織造成不當的熱效應。
SGS 台灣檢驗公司技術經理張正昌表示，SAR 的檢測程序是先將待測手機固定於一個假人凹槽的耳朵旁，凹槽內會盛裝模擬人體導電度的組織液，成份包含食鹽、水、糖及其他化學物質等。由於手機會根據基地 台的遠近，調整不同發射功率，因此測試時，會讓待測手機只能搜尋到一台功率非常低的基地台，迫使手機發射出最大功率；接著以一根裝有天線的探測棒伸入組織 液內，量測凹槽內每一個位置的電場強度，並找出最大值落在哪些位置，接著仔細計算這幾處的能量變化，以電腦求出單位質量生物體吸收的能量，即為 SAR 值。
除了手機電磁波設有規範，基地台發射出來的電磁波也有建議值，900MHz的電磁波功率密度值不能超過0.45mW/cm2，1800MHz則為 0.9mW/cm2。然而蜂巢式通訊設計使得基地台密佈，甚至集中在同一屋頂，是否會超過上述標準？環保署表示，根據目前抽測基地台附近的電磁波功率密度 值，尚未發現數架基地台置於同一區域會致使電磁波功率密度值超過建議值範圍的情況（註），基地台的架設也受國家通訊傳播委員會（NCC）管控，因此不易發 生超標準的情況。
註：環保署如何檢測基地台的電磁波功率密度值，以及全省各地已量測過的基地台電磁輻射資料，可上環保署網站查詢，NCC也開放免費申請檢測基地台釋放的電磁波。
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