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(III)

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(3/3)

中 華 民 國 94 年 3 月 11 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(3/3)

An education study of practical training courses for microwave communication on

satellite communication

計畫編號：NSC 93-2516-S-151-006-X3

執行期限：93 年 1 月 1 日至 93 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 一 個 具 綜 合 性 的 實 習 課 程，涵蓋有微波傳送器、接收器以及微波元 件，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。計畫中，設計以一個以50Ω微帶線 饋入，並達成阻抗匹配的單極微波天線射頻 模組，完成整合性微波通訊實習課程，採用 CC1000 單晶片極低功率和低電壓的射頻傳 送接收器，也可以做為其整合發展系統導引 工具。經由系統化的實習與實務訓練課程的 訓練以及其應用，提升學生對於整合性微波 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 describes an overview of a comprehensive laboratory course which covers microwave transmitters, receivers, and microwave components. 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. This project provided to design the 50 ohms microstrip line for the impedance matched of printed monopole antenna of RF module. The combined comprehensive laboratory course of microwave communication system can be adopted for the single-chip RF transceiver of very low power and very low voltage. It is suited for the guided tool of the integrated development system. 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), RF transceiver 一、前言： 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 發射與接收系統模組的設計與研製，更是扮 演著重要的角色。 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。 二、研究目的： 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。 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。 三、研究方法： 對於圓形微帶及印刷式單極天線的設 計，是採用了 FR4 為基板之電路板，厚度 為1.6 mm，介電常數εr = 4.4，50 歐姆微帶 線的寬度Wf = 3 mm，輻射金屬線高度 h = 37 mm，並將接地面設為有限接地面，如(圖 一) 圓形微帶天線和(圖二) 印刷式單極天 線所示。本設計之天線，採用 FR4 電路板, 厚度為1.6 mm，介電係數= 4.4(1+j0.0245)， 並將接地面設為有限接地面。其中 FR4 電 路 板 長 寬 為 75x75 mm2 ， 圓 型 半 徑 為 26mm2 饋入點為中心下方 11 mm，其軟體 應用設計之實驗操作步驟如下所述： (1) 由安裝程式的位置找到 並開啟它。 (2) 在 “Zeland Program Manager” 視窗中

找到 _{此 Icon，或由 IE3D 下拉選} 單中，點取 ”Mgrid” 進入繪圖。 (3) 設定電路板參數，先點選 No1 然後設定 值如(圖三) 電路板參數設定。 (4) 開 始 畫 圖 ， 從 “Entity” 中 選 取 “Rectange” 在 h = 0mm 建立一個 75x75 mm2的ground plane。 (5) 從 “Entity” 中選取“Circle”畫一圓形， 半徑為 26 中心點為(37.5,37.5)，高度 1.6mm。 (6) 從 ”Entity”選取“Probe-Feed to Patch”， 填妥視窗中所有數值，天線饋入點在 (x,y) = ( 37.5,26.5) SMA 接 頭 半 徑 0.65mm。 (7) 從 “process“ 下 拉 選 單 中 ， 選 取 “Set Simulation”進行模擬將頻率設為“0 ~ 4 GHz”， Setup Freq 為間距設”401”並按 下”Enter”鍵,之後按”OK”。 (8) 在 ”Display Selection” 視 窗 中 ， 點 選 “dB[S(1,1)]”，使其方格中出現勾號，並 按下 “OK”鑑。 (9) 此 時 可 看 出 dB 值 ， 如 1.6GHz 為 -29.1dB。

(10) 由 (9) 找 到 中 心 頻 頻 , 並 回 到 (7) ， 將 Adaptive Intelli-fit “disable” ， 且 點 選 “Current Distribution File “ 以 及”Radiation Pattern File”，並將頻頻設 為1.6GHz，並按下“Enter “重新模擬， 如(圖四)幅射場型之取得所示。

(11) 選取模擬後所得到之“*.pat “檔，並 在”Display” 下 拉 取 選 單 中 點 取 ”2D Pattern…..”選項。

(12) 在 Plot Style 選擇”Polar Polt”並分別點 選 Phi= 0 及 Phi=90 度時的“E-theta” 及”E-phi”，使其方格內出現勾號，在按 下 ” OK” 鍵，即可畫出圓形天線之輻 射場型。 利用上述的實驗步驟，可以設計出微波通訊 所需的圓形微帶天線及印刷式單極天線。 經 由 實 際 天 線 的 饋 入 射 頻 傳 送 接 收 器，利用Chipcon公司的CC1000射頻模組， 它 是 一 顆 相 當 低 耗 電 之 晶 片RF Data Transceiver，基於Chipcon's Smart RF技術， 可工作在ISM/SRD頻段（300〜1000MHz）。 其中，接收Pin端為低雜訊放大器(LNA)、混 頻器(Mixer)、中頻放大器(10.7MHz)、與場 強 訊 號RSSI 輸 出 ， FSK 解 調 器 ， 控 制 器 (Control)。而發射Pin端為可程式控制器之功 率放大器(PA)，收發開關，除頻器等單元。 CC1000是採用鎖相迴路技術，發射頻 率是透過內部的頻率合成器來配置的，適合 應用跳頻協議，一般可配出10或20個頻點， 該晶片靈敏度為－109dBm，並可自動校 準 ， 可 編 程 輸 出 功 率 為 － 20dBm 〜 +10dBm，通信速率可達78.6Kbps。在接收 模式下，CC1000可看成是一個道統的超外 差(Super-heterodyne)低中頻接收器。在發送 模式下，壓控振器（VCO）輸出的信號直 接送入功率放大器（PA）。射頻輸出是透 過加在DIO腳上的數據進行控制的，稱為移 頻鍵控（FSK）。這種內部T/R切換電路使 天線的連接和匹配設計更容易。 利用CC1000-SmartRF Studio 來設計射 頻系統，其實驗步驟如下所述： (1) 設定crystal頻率及準確度參數，先點選 X-tal和X-tal accuracy，然後設定值如(圖 五) 設定crystal頻率及準確度參數。 (2) 點 選 ”RF freq.” 將 頻 率 設 為 “868.3 MHz”，此用來設定發射與接收頻率參數 值。

(3) 在freq. separation 和 Data rate視窗中， 點選進行分離頻率設為“0 ~ 65 kHz”及 資料速率設為“0.6 ~ 76.8 kBaud”。 (4) 設定 RF output power 為1dBm。 (5) 從“IF/RSSI“下拉選單中，選取是否安裝 外部的 IF 或 RSSI。 (6) 從“Mode“選取發射或接收模式之後，在 按下 ”Update device” 鍵，即可完成微 波系統發射及接收，如(圖六) 微波系統 發射及接收設定。 四、結果與討論： 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。經由系列化微波通訊實習課程，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。 五、成果自評： 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微波發 射以及接收模組等系統整合電路，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，培養學生對於微波通訊天線元件 以及RF 單晶片(CC1000)射頻收發模組系統 整合實務研究，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。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，獲致下列具體成果： (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。 (2) 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) 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。 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.

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[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

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（圖三）電路板參數設定 （圖四）幅射場型之取得 （圖五）設定crystal 頻率及準確度參數 （圖六）微波系統發射及接收設定 （圖一）圓形微帶天線 Wf （圖二）印刷式單極天線