四技學生在衛星通訊實務能力提昇之教育課程設計與培育研究---射頻微波電路實作能力與模擬分析在衛星通訊培育研究(II)

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行政院國家科學委員會專題研究計畫期中進度報告

射頻微波電路實作能力與模擬分析在衛星通訊培育研究

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計畫類別：整合型計畫計畫編號： NSC92-MOE-S-151-005-X3 執行期間： 92 年 01 月 01 日至 92 年 12 月 31 日執行單位：國立高雄應用科技大學電子工程系計畫主持人：陳華明報告類型：精簡報告處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 92 年 10 月 30 日

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【四技學生在衛星通訊實務能力提昇之教育課程設計與培育研究-

射頻微波電路實作能力與模擬分析在衛星通訊培育研究(2/3】

A Study of RF Microwave Circuit Analysis and Simulation for Uplifting

Practice Ability Education

計畫類別：整合型計畫計畫編號：NSC 92-MOE-S-151-005-X3 執行期間： 92 年 01 月 01 日至 92 年 12 月 31 日計畫主持人：陳華明教授國立高雄應用科技大學光電與通訊工程研究所 一、中文摘要 在微波及衛星通訊領域中，關鍵性技術與零組件產品之研發將成為無線通訊的重點。但我國在此一領域中，都面臨相關技術研發投資不足人才短缺的問題，因此有必要進行前瞻性之教育培養，以全面性發展我國的電信產業基礎。由於微波及衛星通信系統的構成中，主要為天線、饋線系統及微波收發信機。而 RF 電路及微波電路技術為需求人數最多之技術。由於技專院校所培育出來的學生對於相關產業的發展亦為一重要的動力，因此本計劃的規劃重點將編撰一系列本土化微波電路之相關理論課程與實習教材及熟悉模擬軟體之應用；其中實驗課程內容包含 RF 電路及微波電路設計的製作與量測，並藉由電磁模擬軟體的輔助設計，以培養學生基本通訊學科的知識及實作設計能力的增強。經由此一研究與課程規劃，將可提升四技學生在衛星通訊領域的知識，達成理論與實用合一之教學目標。 二、緣由及目的 射頻微波電路學是微波工程學門中一個基本的知識，其將傳統電磁學的複雜數學簡化為傳輸線模型，在依傳輸線模型之等效電路作為計算及設計方法，因此藉由解決電路之技巧搭配電磁學之現象及特徵，即可快速解決複雜的電磁問題。微波電路之應用非常廣泛，如個人無線通訊、衛星通訊、光纖通訊之收發電路等皆需要運用此一技術。由於此一技術不斷的開發研究，並有大型之電腦輔助設計軟體來進行系統整合，未來此項技術將更加蓬勃發展，前景看漲。目前技專院校通訊課程，多數學校仍停留於早期的狀態，零散且缺乏規劃。因此為了使我國通訊科技能夠整體性提昇，急需強化在基礎建設中扮演重要角色的技專院校學生通訊技能，改善四技生之通訊教學環境，達到教育改進，培植通訊科技人才。鑒於本土化的微波電路的課程與實習教材有限[1-13]，大部分為原文教科書，不適於科技院校四技生的學習。本計劃將規劃與設計四技學生在衛星通訊的射頻微波電

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路的教學及實驗或實習環境的培育，即編撰射頻微波電路所需本土化課程及實習教材為主，並利用相關課程的微波模擬軟體輔助實驗設計，課程流程的設計與課程內容的規劃則是以理論較淺顯但強調實作及實務應用的角度來考量，並購買 Ansoft 公司的設計軟體 Designer，此一設計軟體為業界普遍採用，可以在微波電路的課程輔助設計產生莫大之效益，並期望培育高科技人才。而在此針對科技大學四技生實務能力的提昇之整合型計劃中，本子計劃為連接天線的硬體設備的設計，包含中週調變器、中週/高頻微波變頻器、高功率放大器及帶通濾波器，低雜訊放大器等。經此硬體設備及其他子計劃的軟體設備，包含訊號處理、影像及語音處理等構成一完整的通訊架構，給予學生一套完整的理論與實務能力。三、內容與結果鑒於無線通訊領域的課程流程如（圖一），因此本項計畫將分三年執行，各年度將進行的主題分別為第一年：編撰射頻微波電路理論分析與實驗設計第二年：編撰射頻通訊電路理論分析與實驗設計第三年：同時執行前二年所編撰的理論與實驗課程在未來各階段中完成資料收集、理論探討，進行教材之分析與編撰，進行實驗製作與量測，並以數值模擬軟體來驗證及分析，本年度編撰本土化的「射頻通訊電路設計」理論教材及「射頻通訊電路設計實驗」，使修課同學能了解振盪器、混頻器、調制器、功率放大器等理論基礎及實際設計、製作量測與模擬。本年度計劃為第二年，主要針對「射頻通訊電路」理論教材及「射頻通訊電路實驗」進行教材之規劃，茲完成內容如下：「射頻通訊電路」課程內容重點：

1. Network Analysis---S-Parameter and Signal Flow Graph 2. Transistors at Radio Frequency

3. High Gain Amplifiers 4. Noise Theory

5. Low-Noise Amplifiers 6. Broadband Amplifiers 7. High Power Amplifiers 8. Oscillators

9. Microwave Mixers 10. Microwave Multiplier

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1. 高頻放大器的設計製作與測量 2. 本地振盪器的設計製作與測量 3. 混頻器設計製作與測量 4. 中頻解調電路設計製作與測量 5. 低雜訊放大器的設計製作與測量 6. 接收電路整合測試本項實驗包含蝕刻印刷電路板、模擬軟體(Linecalc、Libra、AutoCad R14、Designer) 操作、網路分析儀使用、訊號產生器使用、阻抗分析儀使用及頻譜分析儀操作。附圖，（圖二）至（圖四）為部分模擬電路及量測的結果。四、討論本計劃所編撰之教材，以四技生為主要對象，除了在校內可以開課之外，對於工業界之工程人員，易適合提供回流教育之學習機會，使修課同學了解微波工程及微帶被動元件的基本理論、也藉由射頻微波電路實驗課之分析與模擬使同學能由實際設計、製作及量測更了解微帶被動元件的特性，也因此訓練使熟悉網路分析儀、頻譜分析儀、阻抗分析、信號產生器的操作及量測等實作經驗。相信修過此課程的同學在未來的研究或工作上將表現更優異。對於學生由於熟悉商業用之高頻模擬軟體，畢業後馬上可進入職場大展長才。 五、參考文獻

[1] Kai Chang, “ Microwave Solid-State Circuits and Applications,” Wiley Lnterscience publishing, 1994.

[2] David M. Pozar, “ Microwave Engineering,” Addison Wesley,1990.

[3] Guillermo Gonzalez, “Microwave Transistor Amplifiers: Analysis and Design,” Prentice Hall Inc., 1984.

[4] Chris Bowick, “ RF Circuit Design,” Howard W. Sams Co. Inc., 1982.

[5] Jack Smith, “ Modern Communication Circuits,” Mcgraw-Hill Book Company, 1986.

[6] Peter Vizmuller, “ RF Design Guid: Systems, Circuits, and Equations,” Artech House, Inc., 1995.

[7] Reinhold Ludwig and Pavel Bretchko, “ RF Circuit Design : Theory and Applications,” Prentice Hall Inc., 2000.

[8] 曹士林著，微波電路原理與實驗，全威圖書公司，台灣，1998. [9] 育英科技編著，射頻電路設計實習，滄海書局，台灣，2001. [10] 袁杰編著，高頻電路分析與設計，全威圖書公司，台灣，1996. [11] 袁帝文、王岳華編著，高頻電路設計，高立圖書公司，台灣，1997. [12] 賈志靜編著，高頻電路分析與設計，全華圖書公司，台灣，1997. [13] 張盛富、戴明鳳編著，無線通訊射頻被動電路設計，全華圖書公司，台灣，1996.

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電磁學工程數學電子電路暨實習射頻通訊電路實驗射頻通訊電路設計微帶天線實驗微帶天線射頻微波電路實驗電磁理論數值電磁學射頻微波電路天線工程電磁波

(圖一)無線通訊領域的課程流程圖

(a) 共射級低雜訊放大器 (b) 共射級電感串聯回授低雜訊放大器

(圖二) 低雜訊放大器線路圖

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