提昇四技電子系學生衛星通訊實務能力之教育研究---微波通訊實習課程在衛星通訊之培育研究(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

微波通訊實習課程在衛星通訊之培育研究(2/3)

中 華 民 國 92 年 11 月 7 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(2/3)

An education study of practical training courses for microwave communication on

satellite communication

計畫編號：NSC 92-MOE-S-151-003-X3

執行期限：92 年 1 月 1 日至 92 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

中文摘要： 對於有線通訊的使用者族群而言，使用 接取窄頻以及寬頻的微波（或衛星）無線通 訊技術逐漸替代有線通訊的設施變成非常 有用，因此更寄望於無線迴路、無線電區域 網路的接取與其他新的短距離接取等技術 方面的微波通訊技術應用，是指日可待的。 由於數位化的無線微波通訊系統，具有一般 現代化所需的具可靠性佳、低價格通訊鏈的 特性，因此正逐漸迅速的建立起來。 本計畫探討具多頻帶微波通訊（或衛 星）的實習課程，有各種使用於泛歐式行動 系統雙頻帶微波天線元件，還有使用於工 業、科學與醫療等不用經申請許可就可使用 的三頻頻段整合的小型微波天線。結合各種 不同頻段的微波天線元件，連接前端的各個 微 波 頻 段 發 射 以 及 接 收 等 系 統 整 合 電 路 等，進行整合後的各種微波頻段參數特性的 量測與比較。計畫中，經由系統化的實習與 實務訓練課程的訓練以及其應用，提升學生 對於微波通訊系統的實務能力之培育。 關鍵詞：微波通訊、衛星通訊、市話無線迴 路接取、無線電區域網路接取 Abstract

The wireless communication technology of microwave (or satellite) will become increasingly useful for accessing narrow-bandwidth and wide-bandwidth groups of users–replacing wireline

communication. It should expect to see more microwave applications for wireless local loop (WLL), wireless local area network (WLANs), and other new short-range access technologies. Digital wireless microwave communication systems can be rapidly installed to bring modern, reliable and low-cost communication links where they are most needed.

This project discussed the laboratory courses of multi-band microwave (or satellite), which include the dual bands of microwave antenna component for global system of mobile and the triple unlicensed bands of the small integrated microwave antenna for the industrial, science and medical (ISM) bands. By using the individual combined microwave antenna components, it can be connected the front terminal to form the microwave-band transmitter and receiver system. The different parameters and characteristics of the microwave band are measured and compared. In this project, the systematic courses of the practice and real experiment training application are adopted to enhance the education study of the implementation of microwave communication system.

Keywords ： microwave communication 、

satellite communication 、 wireless local loop (WLL), wireless local area network (WLANs) 、 industrial, science and medical (ISM)

一、前言： 近幾年來，由於無線通訊、行動通訊的 技術一日千里，乃至於微波通訊與衛星通訊 相關的應用技術也蓬勃發展，各種行動通訊 系統也都陸續建立完成，藉以提供消費者對 於行動通訊之需求。由於行動通訊突破了傳 統有線通訊的地域限制，可以讓使用者不論 在任何時間、地點進行通訊，使得行動通訊 漸漸融入我們的日常生活中，成為人們不可 或缺的通訊工具之一。 二、研究目的： 因此隨著無線通訊（包括微波與衛星通 訊等）產業的蓬勃發展，加上近年來國內大 幅開放電信自由化，各大企業紛紛投入潛力 無限的無線通訊市場裡，也因此加快了無線 通訊乃至於微波與衛星通訊等產業的科技 腳步，而其中天線的研發以及射頻元件及射 頻發射與接收系統的設計與研製，更是扮演 著重要的角色。 從政府開放行動通訊業務以來，可以立 即且明顯的看到使用行動電話的人口比例 急速劇增，這象徵著個人通訊的時代已經來 臨。又由於無線語音傳輸以及行動數據與視 訊傳輸的大量需求，更使得無線通訊系統更 多元化，為了滿足使用者的大量需求，所以 新的無線傳輸系統、架構、解決方案以及使 用性更是不斷的推陳出新、日新月異，而在 各個階段中所推出的無線通訊產品，可以發 現，不論在使用的便利性上或是產品功能的 多樣化上，皆有顯著的進展，而其使用的技 術更是不可同日而語。目前較引人注目之已 發展或研發中的商業化無線通訊系統中。 三、研究方法： 若以微波通訊系統的功能性來區分的 話，大約可分為以下幾種[1,2,3]，如全球行 動通訊系統(GSM)、數位通訊系統(DCS) 、 個人通訊服務系統(PCS) 、行動通訊與固網 整合系統《第三代行動通訊系統》(IMT-2000 《3G》) 、藍芽系統(Bluetooth) 、無線區域 網路系統(WLAN、HIPERLAN) 、 環球行 動通訊系統(UMTS) 、全球衛星定位系統 (GPS) 、無線身分辨別系統(RFID)…等；此 外，由於無線通訊具有無遠弗界的特性，這 使得可上網的 WAP 手機慢慢地普及，又在 民眾的接受度提高的情況下，使得行動通訊 的商機在未來的展望是無可限量的，也因此 整個無線通訊產業隱藏著無限的展望。 早在西元 1953 年時，利用微帶線拿來 做為產生輻射之微帶天線設計的概念就已 經被提出，但由於較缺乏完善的理論分析與 應用設計，故當時並未被廣泛應用。後來到 了七十年代早期，由於印刷電路與微波集成 技術漸漸成熟，加上各種微波低損耗材質的 應用，一些不同且實用的微帶天線才陸續地 被設計出來，這些微帶天線設計都具有平面 結構、質量輕、體積小、低姿勢(low profile)、 製造容易、成本低且可與單石微波積體電路 (MMIC ： Monolithic Microwave Integrated Circuit)整合在一起的優點，並可輕易地附著 在任意表面上[4,5]。 由於平面天線相較於傳統式的三維天 線，其具有低剖面、重量輕穎、低成本及易 於與微波電路結合的特性，使得其在無線通 訊的使用上佔有極大的優勢，並且廣泛地應 用在各種用途上，大至在太空遙測、雷達陣 列、直播衛星，小至在個人行動通訊、無線 區域性網路、身份識別…等，處處皆可見到 實際應用的例子[6]。因此無線通訊產業的現 況和目前被廣泛使用的頻帶以及各頻帶的 發展遠景，也使得平面低姿勢之天線在目前 實際應用的狀況以及在各個商業無線通訊 系統頻帶其使用的發展及重要性。 四、結果與討論： 目 前 廣 泛 使 用 的 商 業 頻 段 ， 如 設 計 GSM、GPS、Bluetooth、3G、WLAN、ISM 等頻段所需的平面低姿勢之小型天線設計 上；本計畫以雙頻天線設計為主的微波通訊 微波通訊實習課程，如操作於 GSM/DCS 雙

頻段的平面天線設計與實習[7]。 此外結合各系統頻帶的天線設計，如可 操作於 GSM/DCS/PCS 行動通訊系統上，同 時結合熱門的 3G 頻帶及 WLAN 2.4GHz (2400 ~ 2484 MHz)無線區域網路的多頻帶 之的平面低姿勢之小型天線結構設計與實 習，在 ISM 頻帶上，利用 ISM 頻段免費、 免 持 照 的 好 處 ， 因 此 計 畫 中 更 包 括 結 合 2.4、5.2 以及 5.8GHz 三頻帶的平面天線設 計與研製實習[8]。 本計畫微波通訊實習的進行，以專題製 作課程為基礎，循序漸進的分階段首先以進 行天線微波元件參數測量，其次再整合各種 不同頻段的微波發射以及接收等系統整合 電路等。如（圖一）、（圖二）、（圖三） 與（圖四）所示，分別為雙頻帶低姿勢之天 線、不同型式之小型天線、微帶天線與 SMA 座與微波發射以及接收設計系統。經由系列 化微波通訊實習課程，建構成不同頻段應用 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，如 下所述： (1)可操作於 GSM 以及 DCS 的雙頻帶平面 低姿勢之天線設計，量測各項天線參數 與特性。 (2)應用於 GSM/DCS/PCS/UMTS/Bluetooth 的多頻帶平面低姿勢之小型天線設計。 其結構是以能整合目前常用在行動通訊 與無線網路系統為構想，考慮利用堆疊 金屬片開發的新型平面低姿勢之小型天 線設計，研製其相關天線的特性。 (3)研製設計應用於 PCS、3G、WLAN 以及 HIPERLAN 多頻帶之超寬頻平面低姿勢 之小型天線，比較其天線設計結構之可 行性。 (4)應用於 WLAN/HIPERLAN 操作在 2.4/5.2 GHz 雙頻帶的無線網路平面低姿勢之小 型天線。 (5)設計應用於 WLAN/HIPERLAN/ISM 操 作在 2.4/5.2/5.8 GHz 的三頻帶平面低姿 勢之天線設計。 五、成果自評： 無論是先進國家或落後地區，電信是 各國的基本建設，尤其是開發中的亞洲國 家，電信建設更是經濟開發的先決條件，而 傳統有線埋管舖網不但費時，成本高昂，更 緩不濟急，因此數位微波系統以其無線傳輸 的特點，不僅架設方便，成本低廉、安全可 靠，能在很短的時間內架構通訊網路，解決 許多『溝通』的問題。 近年來政府為配合經濟成長，力促高 科技產業發展，各種通訊業務，諸如：行動 通訊、無線通訊、微波通訊與衛星通訊等的 發展與應用正迅速且蓬勃的發展。因此可預 期未來適合設計在無線行動通訊之平面低 姿勢之小型天線，在實際應用上佔有非常重 要的角色，進而在提升無線行動通訊和無線 網路之天線的科技研究上有其正面之重要 性。 本計畫預期可藉以從事參與的實務研 究實習中，除培養學生對於微波通訊天線元 件以及發射與接收模組系統實務研究，預期 學生可獲得良好的相關實務訓練與經驗，尤 其是學生畢業後，對於國家目前在無線通 訊、微波通訊與衛星通訊的人才需求與產業 提昇，以及高科技研發上，將有很大的幫 助。 當前產業人力在整合行動通訊和無線 通訊、微波通訊與衛星通訊之應用及發展的 開發研究人力與工程人才方面，其需求量非 常大。因此與其專業相關之電子、通訊與資 訊等領域方面的個別專業，以及系統整合方 面的研究、開發、應用發展等為未來之所 需。本計畫的實施深具其重大的義意及責 任，除提供在行動通訊和無線等微波之應用 性培育研究為目標，更可以配合當前產業人 力在此方面的發展。

參考文獻：

[1] FCC 98-309, 1998 “Memorandum Opinion and Order and Third Notice of Proposed Rulemaking and Order”, November 19.

[2] 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”, , IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 49(6), Part: 1, pp.1107 –1112.

[3] 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.

[4] 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. [5] 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. [6] Gary S. Rogers and John Edwards, 2003, “An Introduction to Wireless Technology”, Prentice Hall. [7]育英科技有限公司編著，2001, “射頻電路 設計實習”，滄浪書局。 [8]育英科技編著，2002, “通訊電子技術與 實習”，全華科技圖書公司。 （圖一）雙頻帶低姿勢之天線 （圖三）微帶天線與 SMA 座 （圖二）不同型式之小型天線 （圖四）微波發射以及接收設計系統