行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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微波通訊實習課程在衛星通訊之培育研究(1/3)
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計畫類別：□個別型計畫
█整合型計畫
計畫編號：NSC 91-MOE-S-151-003-X3
執行期間：91 年 1 月 1 日至 91 年 12 月 31 日
計畫主持人：詹 正 義
執行單位：國立高雄應用科技大學電子系
中
華
民
國九十一年十月三十一日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
微波通訊實習課程在衛星通訊之培育研究(1/3)
An education study of practical training courses for microwave communication on
satellite communication
計畫編號：NSC 91-MOE-S-151-003-X3
執行期限：90 年 1 月 1 日至 91 年 12 月 31 日
主 持 人：詹 正 義 國立高雄應用科技大學電子系
E-Mail: jyjan @cc.kuas.edu.tw
一、中文摘要： 許多微波（或衛星）通訊的鏈結，主 要是用於支援行動通訊以及個人通訊系統 的場合，而微波通訊技術在存取個別用途使 用者以及窄頻、寬頻群組時，將逐漸的變為 十分有用。微波（或衛星）通訊在新的應用 方面，漸漸的由產業界用途上的產物，逐漸 的移轉到更趨近於朝向個別用途使用者方 面，它也極具廣大市場上的需求。這些比較 小範圍的使用市場，將特別的適合於更高的 微波頻帶，它是使用於更小的天線尺寸、較 大的頻率再使用以及比較寬的有效頻寬，這 些方面提供許多的優點。 本 計 畫 探 討 一 個 具 綜 合 性 的 實 習 課 程，涵蓋有微波傳送器、接收器、微波元件 以及號角型天線，並且透過語音、聲音、寬 頻、電視、視訊等調變信號，透過光纖介面 做數位資料的脈碼調變以及多工訊號，形成 微波通訊系統的鏈結。由於微波通訊系統可 以快速的安裝藉以達到現代的、可靠的以及 低價格的通訊鏈結，同時也是現今最主要的 需求。在本計畫中，我們藉由探討微波通訊 在 實 驗訓 練 課程 的 解 決 方 案以 及 其 應 用 上，具體的透過微波通訊網路在各種不同型 式資料傳輸訊號的存取應用及使用，提升學 生對於微波通訊的實務能力。 關鍵詞：微波通訊、衛星通訊、個人通訊系 統、脈碼調變 Abstr act
Many microwave (or satellite) communication links have adopted mainly in support of cellular and personal communication systems (PCS) sites. Microwave communication technology will become increasingly useful for accessing individual users and narrow- and medium-bandwidth groups. The new applications of the microwave (or satellite) communication will tend to move the microwave industry closer to the individual user and closer to the mass market. These short-range access markets will be particularly suitable for higher microwave frequency bands–where the smaller antenna size, greater frequency reuse, and wider available bandwidths provide major advantages.
This project describes an overview of a comprehensive laboratory course which covers microwave transmitters, receivers, microwave components, and horn antennas. The microwave communication system forms a microwave link for communication by using voice, audio, wideband, television, video modulating signals via optics fiber interface for digital data pulse code modulation (PCM) and multiplexing signals. Microwave communication systems can be rapidly installed to bring modern, reliable and low-cost communication links where they are most needed. In this project, we discuss an education study of the microwave
communication which based on the applications of our solution of the laboratory training courses. We describe the application and implementation of microwave communication system that allows different type data transmission signals access through microwave network.
Keywor ds ： microwave communication 、
satellite communication 、 personal communication systems (PCS) 、 pulse code modulation (PCM) 二、緣由與目的： 由於第一位發現且深入研究微波領域 的先驅是 Mr. H. Herts，在 1894 年他過世 之前，他的研究已經涵蓋到 500MHz 的領域 了。在 1894-1904 年間，此一研究的領域就 已經迅速的達到 75GHz 的頻率，1904 之後 的二十年之內更是擴展到 150GHz，而微波 頻率的波段範圍介於無線電通訊的頻率頻 譜以及光學的頻率頻譜的起始點。 隨著軍事頻道管制的解除，以微波頻率 為主的無線通訊，正逐漸進入日常生活中， 最明顯的例子，如行動電話與衛星直播節 目，未來更朝向所謂的個人通訊網路 (PCN: Personal Communication Network)或個人通 訊 服 務 (PCS: Personal Communication Service)的目標邁進，冀望每個人能隨時與 世界上任一地方的另一人做語言與數據通 訊，使通訊變得更加迅速而方便。而過去以 軍事／太空用途為主的微波元件與電路將 逐漸轉趨向民生商業化與普及化，因此可預 知高頻通訊的微波頻帶的市場的需求將是 無可限量。 近幾年來，由於”無線通訊” 觀念的實 用化及其規模的擴大，使得通訊產業產生一 個革命性的突破發展。“無線通訊”的發展不 僅對原有之電腦、資訊產業造成衝擊, 也激 發了新產業的形成。對產業的影響包括通訊 系統、手機及龐大的通訊服務市場,因此, 需 要大量的微波高頻電路元件所組成之零組 件, 也因此形成適用於微波電路所應該具 有之材料---砷化鎵(GaAs)元件之磊晶片 的需求大增，微波通訊結合半導體材料的應 用發展技術勢所難免。 本計畫基於上述理由及目標，有必要 增進學生在微波通訊方面的知識且透過一 系列的實務性實習課程之實施與訓練，藉以 提昇學生在微波通訊方面的實務應用能力。 微波通訊系統可以說在現代無線通訊 系統快速發展及廣泛應用需求下，該相關產 業的實際應用與未來發展極具潛力與競爭 力。該領域可以提供快速安裝、高可靠性的 使用、應用及發展等相關技術，勢必為明日 之發展主流。因此在本計畫中，我們藉由探 討微波通訊在實務訓練課程的解決方案以 及其相關應用技術上，具體的結合微波通訊 網路在各種不同型式資料傳輸訊號的存取 應用實務能力，因此在計畫的實施上，頗具 方便性、實用性等目標。 三、結果與討論： 在 同 步 衛 星 通 訊 系 統 （ Synchronous Satellite Communication）中，信號由地面發 射站發射而上鏈(Uplink)至衛星，經由衛星 內部之轉頻器(Transponder)放大後，再下鏈 (Downlink)至另一個地面接收站。衛星常用 之上鏈頻率為 6GHZ 而下鏈用的頻段為 4GHZ，由於整個微波通訊頻段範圍中，處 於該較低頻段中的 C 頻段(4GHz-8GHz)的 頻 率 使用 範 圍大 部 份 用 來 做為 衛 星 通 訊 上、下鍊，因而衛星通訊的微波頻段則急速 的增長到 X 頻段(8GHz-12.5GHz) 使用範 圍。 計 畫 的 實 施 由 於 考 慮 到 實 用 性 的 觀 點，因此選擇現今在衛星通訊中使用微波 （或衛星）通訊鏈結方面的衛星定位系統 (GPS: Global Positioning System)頻段，以及
應用於 ISM(Industrial Science Medical)頻段 的微波通訊發射與接收電路實驗為主体，由 於它是使用於更小的天線尺寸而有大的頻 率再使用以及比較寬的有效頻寬實習，因此 在計畫的實施上比較容易。 本年度計畫之實施重點，在於將實習課 程結合應用於專題實務的實施，進行微波天 線元件以及微波射頻電路系統之微波實習 內容。各個實習課程分兩大階段實施，首先 讓 學 生 瞭 解 衛 星 定 位 系 統 頻 段 (1575.42MHz)微波天線元件，進行微波天線 頻率、波長以及頻寬等之量測，其次瞭解微 波系統中的微波射頻電路 ISM 頻段收、發 電路結構特性，讓學生熟悉其電路結構方塊 系統為主要目標。 計畫的進行，以專題製作課程為基礎， 循序漸進的分階段首先以之實際製作天線 進行微波元件實習測量，其次再整合微波射 頻電路等應用環境的教育研究實習，藉以提 昇學生對於微波通訊元件與電路系統整合 之實務能力。 本計畫本年度完成的工作項目如下： (a)微波天線元件： 衛星定位系統頻段(1575.42MHz)微波 天線元件之製作，分別探討及比較微帶線 (Microstrip line)與微帶圈(Microstrip ring)諧 振器之介電係數以及自我諧振頻率。進行 L、T 與π等型式匹配網路之設計。
使用如（圖一）之 SMA R/A 印刷電路 板 型 式 實 体 插 座 (SMA R/A JACK PCB receptacle)與（圖二）實体尺寸後，分別進 行幾種樣本微波天線元件之頻率範圍、中心 頻率、頻寬、頻寬百分比(%)、AR 頻寬以 及 AR 頻寬百分比(%)等之測量，其結果如 (表一)參數量測值所示。 (b)微波射頻發射電路： 熟悉 ISM 頻段之微波射頻發射電路結 構特性，包括基本鎖相迴路之頻率合成器 (Frequency synthesizer) 、 頻 率 調 變 器 (Frequency modulator)之頻率調變頻寬、前 置放大器之雜訊指數、功率放大器之平坦度 等參數特性。 (c)微波射頻接收電路： 瞭解 ISM 頻段之微波射頻接收電路的 結構特性，計有低雜訊放大器(LNA: Low noise amplifier)之放大器雜訊指數、帶通濾 波器(BPF: Band pass filter)之頻率響應、混 頻器之轉換增益、振盪器之可調頻寬、中頻 放大器之選擇性以及頻率解調器之解調等 參數特性。 四、成果自評： 本計畫之實施是將實習課程融入專題 實務當中，以專題實務為主，以實習課程為 輔。在提昇學生的微波通訊元件以及射頻接 收電路系統實習實務能力之增進方面，獲致 下列具体成果： (1)使學生建立以微波天線元件設計、 製作與測量之實務能力，進而探討微波通訊 射頻系列前端發射、接收模組電路結構相關 實習為基礎，達到整合教學為目標導向。除 瞭解各參數所代表之意義外，將微波理論與 實務互相結合，達相輔相成之效。 (2)由於近幾年來微波通訊觀念的實用 化及其規模的擴大，使得微波通訊產業產生 一個革命性的突破發展。因此學生可以藉由 此計畫，進一步使用到射頻通訊測量儀器， 如頻譜分析儀、網路分析儀等，獲得微波射 頻通訊相關測量知識。 (3)微 波 通 訊 的 發 展不僅對 原 有 之 電 腦、資訊產業造成衝擊, 也激發了新產業的 形成。本計畫之實施，除可以培育微波通訊 領域及相關高頻技術人力之養成，進而培養 微波通訊應用及整合的人才，並達到產學合 作為目標，拉近學術與產業界之距離。對產 業的影響包括通訊系統、手機及龐大的微波 通訊服務市場等。
五、參考文獻
[1] Barataud, D.; Campovecchio, M.; Nebus, J.-M., 2001 “Optimum design of very high-efficiency microwave power amplifiers based on time-domain harmonic load-pull measurements”, Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on , vol. 49(6), Part: 1, pp.1107 –1112.
[2] Pedro, J.C.; Carvalho, N.B., 2001 “A novel nonlinear distortion characterisation standard for RF and microwave communication systems”, Engineering Science and Education Journal , vol. 10(3), pp.113 –119.
[3] Pappert, S.A.; Sun, C.K.; Orazi, R.J.; Weiner, T.E., 2000 “Microwave fiber
optic links for shipboard antenna applications”, Proceedings. IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology, pp. 345 –348. [4] Fiedziuszko, S.J., 2000 “Applications of
MEMS in communication satellites”, 13th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications. 2000. MIKON-2000, vol.3, pp. 201 –211. [5] David J.Goodman,1997, “Wireless
Personal Communication Systems”, Addison-Wesley. [6] 潘大和著，1999, “實用衛星電視接收工 程”，全華科技圖書公司。 [7] 呂學士編著，2000, “微波半導體電路”， 全華科技圖書公司。 （圖一）PCB 型式之 SMA 實体插座 （圖二）PCB 型式之 SMA 實体尺寸 Sample # GPS#1 GPS#2 GPS#3 GPS#4 頻率範圍(MHz) 1537.5-1594.5 1533-1591 1533-1588 1531-1590 中心頻率(MHz) 1566 1562 1560.5 1560.5 頻寬(MHz) 57 58 55 59 頻寬(%) 3.64 3.71 3.52 3.78 AR 頻寬(MHz) 19 19.33 18.33 19.67 AR 頻寬(%) 1.21 1.24 1.17 1.26 (表一)參數量測值
