第一章 簡介 1-1 前言
近幾年來，隨著經濟的快速發展，機動車輛已成為國民生活上移動之主要交 通工具，也成為實現富裕之社會環境、發展經濟活動、文化活動中不可或缺之現 代社會產物。然而，在機動車輛數目快速增長的同時，相伴而來的有交通事故與 車禍傷亡人數增加等問題，因此世界許多先進國家與各大車廠都將車輛的安全問 題看成是重要的民生課題，並積極地尋求如何將先進的科技運用在車輛上以提昇 車輛行駛時的安全性能，以求能夠減少事故以及傷亡的發生。
先進車輛控制與安全系統是達成全智慧型運輸系統功能之重要且不可或缺的部 分。並由於是車裝設備，未來之市場需求將不可限量。在此車裝系統中，「汽車 防撞雷達」（Collision Avoidance Radar , CAR）為其核心組件之一。汽車防撞雷達 的目的在輔助人類感測能力的不足，主要是利用先進的通訊、控制與資訊科技，
偵測車輛週遭的動態狀況，如其他車輛、行人、或路上障礙物的相對位置、速度 與加速度等訊息，並適時通知駕駛人採取必要措施（如加速、減速或保持車道 等），以防止發生撞擊，增進車輛駕駛的安全性與舒適度。
在側邊防撞系統方面，由於後視鏡和側視鏡有角度上的盲點(Blind-spots)，
使得駕駛人在變換車道時無法正確地判斷變換車道的安全性，駕駛人往往會短暫 地轉移前視的注意力到汽車側後方去確定是否有危險性。除此之外，下雨天和夜 晚時能見度變差，降低了後視鏡和側視鏡的功能。為了提高行車的安全性，有多 種感測系統可用來輔助駕駛人在汽車盲點上做安全的判斷，如利用聲波（超音 波）、光波（可見光、雷射光、紅外線）、影像處理、或微波／毫米波技術等，然 而何種技術較適合發展側視防撞雷達則主要決定於實際使用時的環境狀況。此雷 達必須能在各種常見的天候狀況，包括雨天、下雪天及起霧的天氣下有效工作。
同時當雷達表面因天候環境的影響而有水氣、薄冰凝結、甚或沙塵、污泥覆蓋時，
其功能不能驟降，必須還能維持一定的水平。表 1.1 描述了各系統的優缺點[1.1]，
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超音波在測距和測速上較其他系統差，實現整個系統所需要的體積較其他系統 大，此外空氣介質對聲波有很大的影響，所以超音波抗天候環境的能力較弱，紅 外線及雷射光雖然在某種程度上能穿透霧氣及水氣，但當雷達表面有積塵時，穿 透能力將大受影響；可見光受天候的影響更是明顯。微/毫米波技術則可滿足上 述需求，一方面因其對雨滴、霧氣、沙塵的穿透力較紅外線、雷射光及可見光強，
另一方面因其頻率高、波長短，因此雷達體積小。在價錢成本方面，在技術和製 程進步下必定可以克服現在成本過高的問題，所以雷達是各系統中較適合用來做 汽車防撞的系統。
Ultrasonic Infra-red Video Radar
Range × ˇˇ ˇˇ ˇˇ
Range Accuracy and Resolution ˇ ˇ ˇ ˇˇ Angular Accuracy and Resolution Multisenso
r
Multibeam ˇˇ ˇ
Static/Dynamic Detection ˇ ˇˇ ˇˇ ˇ Object Range Rate/Velocity ×× ˇˇ ˇ ˇˇ Object Size/Extent Estimate ×× ˇˇ ˇˇ ˇ
Obscuration ˇ ×× ×× ˇˇ
Size/Packaging × ˇ ˇ ˇ
Cost ˇ ˇ ˇ ×
Technology maturity ˇ ˇ ˇ ˇ 表 1.1.1 感測系統的比較（×：poor ˇ:good）
汽車防撞雷達的設計主要包括電路與天線兩部分，目前各先進國家所發展的 汽車防撞系統多採用近毫米波或毫米波頻段，如 24 GHz、38 GHz、60 GHz、77 GHz 及 94 GHz 等，做為雷達感測器的訊號頻段。電路部分包含主動電路和被動 電路。主動電路如振盪器和混波器，而被動電路如耦合器及濾波器等。毫米波技
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術在最近發展快速，早期因為元件的限制（早期沒有現在如此質優的 HEMT），
主要的毫米波元件及次系統大都使用金屬波導(metallic wave-guide)來製作，因為 金屬波導有最低的耗損，其製作的元件特性遠優於其他各種平面式傳輸線(planar type transmission line)。近來則因為半導體元件技術的進步，使得毫米波單一主動 元件（如 HEMT、HBT 等）及毫米波單晶積體電路(millimeter-wave monolithic integrated circuit，MMIC)均有相當優異的性能。但如何將各個電路組成一完整的 系統或次系統，以及如何和其他的元件如天線、濾波器、及循環器等做介面整合 則仍是一個重要的研究課題。雖然有不少人提倡單晶系統(system on chip)的觀 念，但此觀念即使在較低的微波頻段仍然離實際尚遠，在毫米波頻段更是不易。
以目前最優技術(state of the art)而言仍是將各個單一電路用平面式傳輸線或 金屬波導連結成一個系統或次系統模組。
使用多層(multi- layer)結構及高溫共燒陶瓷(high temperature co- fire ceramic) 技術，是最近製作毫米波收發射頻模組非常熱門的技術。但是其牽涉到的製程技 術問題相當多，例如介電層厚度的控制、介電常數值的控制等，在在都需要大量 的工程技術人員及昂貴的設備才可能達成。另一種方式則是使用單層微波薄膜技 術製作毫米波射頻模組，相對的製程技術上的困難度較多層技術低，而其成功的 可能性也較高，是最值得發展的技術。在這些已發表的文獻之中，都是使用個別 的毫米波單晶積體電路，再用這種微波薄膜電路（又稱做 MIC 電路）相互連接，
其連接的傳輸線多半是微帶線或共平面波導(CPW)。而對於毫米波單晶積體電 路，則有製作成覆晶形式(flip chip)，以得到較好的高頻特性者，此種覆晶形式燒 結後電路收縮的控制等等雖可以降低連線電感，但是因為單晶積體電路與 MIC 基板之間只相隔了覆晶接腳(flip chip bump)的高度，導致 MIC 基板與單晶積體電 路之間會有耦合出現，嚴重者甚至會破壞單晶積體電路的特性。
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1-2 雷達系統的性能要求
圖 1.2.1 感測區域（灰階部分）示意圖
側視雷達系統最簡單概念是當一個或多個“有危險性的”目標出現在感測 區域時，如圖 1.2.1 所示，系統會傳達一個警告訊息給駕駛人。警告機制可用多 種方式來實現，如：在側視鏡旁或儀表板上裝置警告燈、裝置一發聲機在車上等，
當汽車的方向燈開啟且又有“危險性的”目標在感測區域時，系統將會觸發這些 警告裝置來警告駕駛人。感測區域的形狀和雷達裝置在汽車的位置決定於汽車的 大小和外型以達到最有效率地涵蓋汽車盲點。
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1-3 論文摘要
本論文主要目的為研製連續波雷達系統中的功能方塊，包括 12GHz 放大 器，12GHz 倍頻至 24GHz 之倍頻器，24GHz 之漏波天線，以及整個雷達系統方 塊之整合。
論文共四章，第一章為簡介防撞雷達在現代運輸系統的重要地位及雷達的系 統架構，第二章介紹放大器，倍頻器，天線設計過程中會用到的基礎理論並加以 整理，包括放大器設計原理和穩定度的考慮，倍頻器的架構與工作原理，天線的 原理，第三章敘述以上功能方塊的軟體模擬、實作及量測結果，第四章為討論及 未來的工作重點。
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轉導功率增益(Transducer power gain):
L 操作功率增益(Operating power gain):
L p
IN
G P
= P = 可用功率增益(Available power gain):
AVN