大型陣列天線設計

一、背景說明

無線通訊系統中,天線做為收發機與傳播環境的中介點,具有轉換電壓電流與電磁場訊號,以及改變電磁波在空間中分佈的功能。因此隨著各式新穎的無線通訊規格及設備開發,天線元件的功能益發顯得重要。天線為了滿足各種系統的需求,不僅形式漸趨多變,其效能要求亦屢屢逼近理論分析的物理極限。因應未來無線通訊應用更多樣化與嚴苛的天線需求,在天線領域需要有深入且廣泛研究投入,以產出創新的學理與技術研發成果。

國內無線通訊產業中,具有大量的消費行動無線通訊產品開發需求,其裝置與天線有需要整合多種無線系統的趨勢。由於裝置有便於攜帶、美觀及小體積的需求,天線因此必須在有限空間內實現多頻、超寬頻或是多天線架構的設計,並且需更進一步整合其他電路,以達到高效能或多功能的規格。由於行動裝置天線深具產業價值,目前在學術界或產業界都有許多相關的研發工作進行中。

除此之外,無線通訊領域中也有更多新式的應用出現,例如:無線傳能系統利用射頻傳遞能量,高畫質影音系統利用無線通訊傳輸大頻寬的數位影音資訊,醫療設備使用射頻訊號實現與體內植入式裝置傳輸感測資訊與指令等不同應用。針對多樣化的系統與電波傳播空間特性,其天線設計應有不同的考量,甚至天線可能為系統的設計主體。針對日趨多樣化的無線設備,設計可對應其需求的天線勢必是重要的研究議題,必須深入研究,並且能有所創新,方能紮實的提昇國際競爭力。而陣列天線設計在雷達、衛星通訊、微波鏈路與無線通訊基地台等應用之天線,往往需要較高的天線指向性及增益,以達到增加通訊距離的目的,因此常採用天線陣列的設計來實現。然而陣列天線饋入網路會隨著元件天線數目增加而提升複雜度及其耗損,因此如何減少饋入網路的耗損、提出新穎的饋入架構或是設計新的元件天線型式都是重要的研究方向。其中高增益陣列天線設計於陣列天線面積效益提升、陣列天線旁坡束抑制、陣列天線之饋入網路設計、頻率掃描陣列天線、圓極化或多極化的陣列天線設計、可波束切換或掃描的陣列天線設計…等均為當今行動寬頻產業熱門的研究發展主題。目前台灣的4G LTE行動通訊產業正如火如荼的發展中而且下個世代5 G系統亦積極研發當中,所以不論是在行動寬頻產業或是學界對於高增益陣列天線該領域的人才需求若渴,因此更顯現出本課程的重要性。本課程教材之教學對象為大學部高年級及碩士班學生且修習過基礎電磁及電波相關課程。

二、主要達成之目標
  •  以模組化的結構構建高增益陣列天線的核心技術與應用發展所需要的課程模組,該課程可依一般大學、科技大學的屬性進行重組而形成一個完整的課程。
  •  聚焦陣列天線在實務上的應用,讓學生有一個系統性的了解陣列天線的基本智能,由基礎的觀念、應用的範疇為起始點,以技術發展所需的技能為本,讓學生了解各個組成的元素,達到基本技能的培養,模組化的課程有利於學生區隔技術發展的方向,依各課程模組的內涵進行深入學習。
  • 希望導入產業的實務經驗,各模組課程希望由產業講師擔任主要的授課工作,而由課程的教授協助理論部分的補充,猶如傳統教學教學中,教師為主、業師為輔的翻轉教學,讓實務來帶領理論基礎的建構。
  • 以跨校植入的方式,建構基本的課程群,此參與之夥伴學校均為天線領域有一定的基礎,容易建構成特色學群,進而吸引他校產生聚落的效應。

 

三、課程大綱
課程綱要 實驗項目
行動通訊概論與細胞規劃

(a)無線通訊的世代

(b)從2G到3G之路

(c)第一代 (1G , First Generation): 1G –AMPS 及早期行動通訊系統

(d)第二代 (2G , Second generation): 2G–GSM, 2G–IS-95 (窄頻CDMA)

(e)第2.5代 (2.5 G): 2.5G–GPRS 與 WAP 通訊協定

(f)第三代 (3G , Third Generation): 2G/2.5G網路如何升級到3G網路、3G –WCDMA、3G–cdma2000

(g)從 1G 到 3G 看行動通訊系統之演進

(h)4G概述: 4G的網路遠景, 4G相關功能目標, 4G之核心技術

(i)第一代到第四代的基本技術參數

(j)細胞規劃: 蜂巢式網路的概念、無線電波干擾、頻率重複使用

、增進系統容量、改善通訊品質、多重存取

 

2.4GHz及5.8GHz 1×2陣列天線實作與場型量測
通訊傳播通道概論、估計與量測

一、MIMO通訊傳播特性

(1)多輸入多輸出系統簡介

(2)無線通道之特性及其參數

(3)波束形成、空間分集和空間多工傳輸技術

第一年(後6個月):

二、MIMO天線系統效能

(1) 天線之基礎介紹與設計

(2) 提升隔離度之去耦合架構設計

(3) 天線間耦合對於通道容量影響

(4) 通道量測系統及量測結果分析

2.4GHz及5.8GHz 1×2陣列天線實作與場型量測
MIMO的基本原理及應用(Massive MIMO)

(a)    MIMO 技術簡介:

(1)   傳輸模型

(2)   MIMO是甚麼?

(3)   LTE中的MIMO 模型

(4)   MIMO的系統容量

(5)   為何選擇MIMO技術

(b)   MIMO基本原理:

(1)   MIMO 系統模型圖

(2)   MIMO原理

(3)   空間複用

(4)   發射分集

(5)   空間發射分集

(6)   空頻發射分集

(7)   循環延遲發射分集

(8)   接收分集

(9)   MIMO 關鍵技術: 層映射、預編碼

(c) MIMO在LTE的應用

(1) LTE中的MIMO模式

(2)MIMO模式的應用

(3)發射分集的應用場景

(4)空間複用的應用場景

(5)波束成型的應用場景

(d) Massive MIMO:

(1) Massive MIMO的定義

(2)Multi user vs Single user

(3) Massive MIMO的潛力

(4)TDD OR FDD

(5) Massive MIMO的限制

(6) Massive MIMO的研發問題

(7) Massive MIMO的Channel

(8) Massive MIMO的coding

2.4GHz及5.8GHz 1×2陣列天線實作與場型量測
陣列天線基本原理(含分析與合成)

(1)   Array: linear, planar and circular

(2)   Antenna synthesis and continuous sources

(3)   Periodic Arrays

(4)   Aperiodic Arrays

 

2.4GHz及5.8GHz 1×2陣列天線實作與場型量測
陣列天線的數值模擬技術

(1)數值電磁模擬技術基本介紹

陣列天線電磁特性基本介紹

使用MATLAB執行陣列天線場型模擬

(2)電磁模擬軟體HFSS介紹

使用HFSS執行陣列天線電磁模擬

使用HFSS分析陣列天線電磁特性

(3)電磁模擬軟體CST介紹

使用CST執行陣列天線電磁模擬

使用CST分析陣列天線電磁特性

 

2.4GHz及5.8GHz 1×4陣列天線實作與場型量測
天線量測技術與量測方法

(1)   Basics of Electromagnetic Radiation Field, Antenna Qualification Methodologies & Qualification Range Solutions

(2)   Advanced Gain Qualification Methodologies & Test Range Solutions

(3)   Antenna Test Range Measurement Operation Practices of Available Planar/Cylindrical/Spherical Near Field Scanning or Far Field Modes of Antenna Measurement Operations

2.4GHz及5.8GHz 1×4陣列天線實作與場型量測
天線設計之實作與實驗

(1)理論與設計

(2)機構設計與實作

(3)量測驗證

 

2.4GHz及5.8GHz 1×4陣列天線實作與場型量測

 

四、團隊成員

主持教師:周錫增

參與教師:林丁丙、段世中、盧公瑜、陳飛宇
     
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