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聯盟成果

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臺灣電磁產學聯盟2013年第三次研發季報-寬頻天線暨射頻模擬、設計與應用

活動成果
張貼人:網站管理員公告日期:2013-10-22
 
台灣電磁產學聯盟2013 年第三次季報於九月二日假台灣大學博理館舉行,此次季報由本聯盟所屬之特別技術團隊(Special Interest Group,SIG)、同時也是國科會產學小聯盟計畫所支助的「高增益、智慧型天線產業技術聯盟」負責辦理,主辦單位尚包括了元智大學和工研院資通所共襄盛舉,協助與贊助單位則包括了台灣大學、IEEE 天線與傳播學會、IEEE 電磁相容學會、資策會、國科會等單位,與會人數超過一百三十人,反應踴躍。

本次季報的安排分成兩個層次,首先由國際電磁領域的專家來介紹國際在電磁模擬與RFID應用的發展現狀,包括來自美國俄亥俄州大學的Prof. Jin-Fa Lee 和來自義大利比薩大學的Prof. G. Manara 兩位;再由國內該領域的學研界介紹國內技術發展的現況,包括元智大學周錫增教授和工研院林弘萱與莊玉如兩位博士,兩者相互輝映、激起討論的火花。本次活動也有幸邀請到數家對於量測方面具有高度技術的廠商,並於會議休息的時間與在場與會人士有一段對於學界及業界的技術差異有數度深刻的討論。此次研發季報提供豐富的資訊,期能對台灣科技業產業升級有作助益,並提升國家競爭力。

引言-吳瑞北教授
本活動由電磁聯盟理事長吳瑞北教授介紹下開始,吳教授首先利用此機會介紹台灣電磁產學聯盟的由來、任務和未來的展望,尤其吳教授特別介紹了這幾年來台灣電磁領域的學者群策群力的合作開發了許多整合學術與產業合作的活動,希望引領未來學生學習電磁領域的興趣,更希望建立學術與產業的活動平台,使學生之學習由學校開始、能無間隙的銜接至產業發展中;而產業的發展亦能與學校的學術應用研究結合,達到學術與產業雙贏的局面,共同創造國家未來的產業願景。

本次活動由元智大學通訊工程系周錫增教授擔任主辦人,在周教授的邀請下,國際的專家學者不吝嗇地分享許多關於學術上的新發現及新觀點,主題涵蓋了電磁數值的發展與最新應用、RFID 天線系統的最新技術和傳播預測、近場聚焦輻射之天線技術、基地台應用之天線技術與寬頻振子的發展、以及寬頻無線收發機的發展趨勢與現況。這些主題反映國際發展的趨勢外,也反映了國內技術的現況,對於國內的技術發展會有很大的激勵效應,相信在此次研討會對於台灣的產業界及教育界會有一次很好的收穫。會議的進行分別由台灣科技大學的楊成發教授和工研院陳正中博士主持上、下午的議程。

專題演講-Prof. Jin-Fa, Lee: Next Generation Computer Simulations: Multi-Physics and Multi-Scale Engineering Applications
Prof. Lee 目前服務於美國俄亥俄州大學,他是目前電磁領域使用最廣的模擬軟體(HFSS)的初始作者之一,此軟體的發展持續挑戰電磁運算的瓶頸,Prof. Lee 歷年來持續支持與協助此軟體的發展,功不可沒。Prof. Lee 此次演講再次導引電磁數值模擬的發展方向,已經由傳統的純電磁現象的探討,大幅跨入多重物理現象的探討,其原因在於物質的電磁特性隨著多種物理特性而改變,如熱能對於電磁結構的變化即是一個重要的例子。尤其在RFIC 等領域的設計,其採用的設計架構通常為多層結構,每一層中有其差異的介電材質、自己的電路布局,其元件數目均相當可觀。如何利用低頻的數值方法進行模擬是一個相當大的挑戰,因此學術界之研究採用的所謂Domain Decomposition Method,其基本原理為將一個大型的問題分解為數個小的問題,分別以平行處理的方式(或其他方法)來處理,之後考慮不同問題間的相互影響與所有問題結合後的整體效應。然而在本多層問題的結構分解上屬於一個相當棘手的問題,因為不同層次之結構相鄰相當接近,其耦合的問題相當嚴重,Prof. Lee 針對這些棘手的問題提出一些重要的看法,對未來的技術發展有相當的影響。

專題演講-Prof. G. Manara: Antennas and Propagation for RFID Systems
Prof. Manara 為義大利比薩大學教授,亦為國際輻射學會(URSI Radio Science)Commission B 的主席,他在電磁領域尤其是高頻的電磁理論發展有相當貢獻,Prof. Manara 的團隊是義大利主要電磁團隊之一,近年致力於RFID 的技術發展,具備全方位的研發技術與貢獻,因此Prof. Manara本次之演講即針對RFID 的發展進行了非常詳盡的說明,尤其他以應用的角度說明天線技術發展的重點,其中相當重要的一個核心點,即是由電波傳導的角度探討天線設計的理念,此種思考邏輯最能反映天線設計最需呈現的特點,也最能滿足系統的需求,因此在本演講中Prof.Manara 特別舉出幾種天線設計的例子,這些例子的設計理念均呈現由系統觀來衍生天線的設計特性,如近距輻射之行波天線(Travelling Wave Antennas)這類具備近場距離內可以達到能量極大化的天線型態。

Prof. Manara 的團隊為了整合天線設計與電波傳播的特性,發展了電波傳導估測的軟體,此軟體可以估測在城市環境與室內環境下之電波傳導的電波分布,此對於細胞規劃有相當重要的幫助,尤其最可貴的是該軟體可以模擬一個中小型城市的整體電波傳導,此能力是相當難得的。此能力對於近來通訊領域所重視的小細胞基地站之技術發展與佈建規劃有相當的幫助,是一個功能相當強大的電磁工具。

專題演講-元智大學周錫增教授: Near-Field Focused Antennas: From Theoretical Analysis toward Implementation
本研討會的第二部分由國內的專家擔綱闡述國內技術發展的現況,首先登場的是元智大學周錫增教授,周教授同時為IEEE 天線與傳播學會台北分會的主席,在高增益天線技術有長久及深厚的研究。周教授在此次的技術演講中提出一種特別天線設計的技術概念,即由一個定義的使用域來定義天線設計的規格,具體的例子如人體通訊、RFID、ETC、行車管理等,此類應用其通訊的需求均可以定義一個使用的空間區塊,而且此區塊的空間不大、又深受鄰近結構物可能造成的干擾之苦。因此,周教授提出了所謂「近場聚焦天線」的設計概念,其設計的目標為在通訊使用區產生一個最適當的電波分布,而在區塊外其電波的分布為最低值,周教授指出:此種將電波侷限與框架在使用區之天線設計即為所謂的「近場聚焦天線」的設計理念。周教授談到天線設計時使用了高增益天線(物理尺寸較大的天線型態,如碟型天線等),此種天線型態與一般傳統的應用的邏輯迴異,傳統中高增益天線係使用於遠距的通訊傳播,然此處卻用於近距通訊,其思考邏輯相當新穎,周教授特別利用了傳統的偶極天線來討論此現象,依其報告中呈現,小型的天線其輻射電波的傳播具備快速發散的特性,此現象隨頻率升高而呈更嚴重的發散特性,而此問題可由高增益天線的技術來解決。

周教授在高增益天線技術與在近場輻射聚焦的研究相當廣泛與深入。他分別由透鏡天線、碟型天線、陣列天線、反射陣列天線等優異的天線型態介紹產生近場輻射聚焦的設計方法,周教授亦同時舉出數種天線設計的例子,經由電磁模擬與天線輻射量測來說明其產生的天線特性,內容相當精采與受到肯定。

專題演講-工研院資通所林弘萱博士: Wide-Band Resonators for Base-Station
由於行動通訊網絡日趨熱絡,需求也越高越嚴格,因此有需要發展出適用於各個頻段、規格、有個別需求的天線。來自於工研院的林弘萱博士特別針對基地台天線的規格切入,討論其演進過程及未來的發展趨勢,尤其由一個被動的天線型態逐步轉變為主動天線型態、乃至於所謂的智慧型天線。而這些天線的發展共同點與困難點均為所謂「寬頻天線」的發展,這個寬頻的需求在第四代(4G)行動通訊的發展中尤其重要,因為4G 的頻率分布相當分散,故在天線設計時需要兼顧這些頻帶的需求。

林博士也談到如何利用雙極化天線、乃至於多天線架構來實現(MIMO)增加通訊通道與降低干擾的天線使用方法。尤其在基地台天線的設計中使用了雙極化天線,藉由兩個呈現正交的天線結構來形成,使得通訊需求量大的情況下,基地台天線在一個架構上得以擁有雙極化的目的,甚至後來發明的MIMO 系統,也能夠藉由雙極化來達成。

而在此次研討會上林博士有提到多種寬頻天線,而Wideband planar electric dipole 有40% 的頻寬效益,但其天線增益和場形不夠好。Aperturecoupled patch 的天線有低成本的特性,但其頻寬較窄。Tapered slot antenna 有寬頻的優點,但是他的體積較為龐大較占空間。而在此次演講中有提到應用介電材質的圓錐狀樣式(DielectricExtended Tapered)來提高天線之指向性,使波束集中,若是需要高增益需求頻寬的情形,也可以採用將這兩者結合。

專題演講-工研院資通所莊玉如博士: The Development Trend and Current Technology of Wideband Wireless Transceivers
莊玉如博士亦服務於工研院,因此在射頻元件的技術發展上有深厚的心得與經驗。她首先指出行動通訊發展的重要趨勢,從以前的GSM 手機時代到現在的智慧型手機時代,可以預見的是:隨著功能增加,頻帶的使用也增加,整合的重要性與日俱增。因此在射頻收發機的設計上,系統的整合必然是一個重要的議題與技術核心,尤其從2G 到現在即將邁入4G 的時代,資料傳輸速度與機動性已不可同日而語。但收發機的發展面臨到在各個國家多頻帶互相交織,與行動電話在國際漫遊的挑戰。尤其在產業的發展上如何能在技術領先之餘而同時保持快速的上市;或當產生一個新的頻帶,如何快速發展一個新的收發機,此時放大器等元件與天線必須同時更新;亦或一個可程式控制的演算法可以同時使用於不同的標準裡,那將有助於縮短產品製造的流程,並且可以快速地上市。相對地,基頻的IC 變得可程式化,但多頻帶多標準會面臨諸多挑戰。

莊博士亦談到,頻譜的使用率仰賴SDR(軟體無線電)或CR 值,目的是減低干擾下增加頻譜使用率,未來具備SDR 能力的基地台將會使通訊的應用變得更加彈性。在射頻元件的發展上,莊博士提出了許多的挑戰,如前端濾波器具備整合性低、高造價的缺點,其技術仍是新興的科技。除此之外,諸如低頻諧振議題、阻隔器議題(需要好的線性度與相位雜訊)、收發機系統IM2議題、STD、TB 議題等,均是未來需要深入探討與研究的課題,例如消除功率放大器的非線性效應及如何與相位同步等。
 
最後修改時間:2013-10-22 PM 11:30

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