前言
射頻積體電路(Radio-Frequency Integrated Circuit)是處理高頻無線訊號的晶片總稱。由於組成一個可以實用的無線系統包含大量射頻積體電路,而高頻運作的晶片,除晶片內部各個電路之間在設計階段有高頻寄生效應互相影響效能,在晶片運作時亦會有大量的信號干擾; 因此,射頻超大型積體電路是一個實用性與技術性都很高的研究主題。依此為主軸,本實驗室的研究範圍從射頻電路設計運作的理論開始,自行開發部分大型射頻電路設計與驗證的設計方法,並依此開發與設計數種產業需要之技術。於下列針對本實驗室開發的雷達技術與無線傳電技術進行簡單敘述:
微小化相位陣列雷達技術
雷達為電子作戰中最主要的儀器,而以相位陣列基礎之雷達系統可大幅提升效能,因此其技術設計及製造能力立判電子作戰能力高下。使用半導體微小化主動式電子掃描系統,可大幅提高其可攜性及匿蹤性,增加作戰優勢。由於台灣半導體製造業位居全球龍頭,使用台灣半導技術所製作之微小化雷達系統,利國利民又符合台灣產業之際競爭優勢,並能擺脫國防先進技術採購困境;其重要性由此可見。
微小化主動式電子掃描雷達系統包含發射器與接收器,陣列微波接收器運作原理如上圖,接收器透過ㄧ維或二陣列天線排列,相位接受器不同接收單元將依照不同位置進行相位補償。由於入射角度的不同,使得單元接收訊號擁有相位差。每一個陣列器的主要任務係補償入射角度造成相差,並於後進行信號疊加即可輸出端獲得電子波束成形 (Array Beam Forming)而達到提升訊號雜訊比 (Signal to Noise Ratio)及降低電子干擾 (Jammer)的功能。
相位陣列發射器則與接收運作方式相反,如下圖發射器單元透過相移器依照發射器位置不同,設定不同發射器單元的訊號相位差,使得信號於所欲傳送之方向達到同調,因而可於天線陣列遠場達到發射之波束成形,並大幅提升等效全向輻功率 (Equivalent Isotropically Radiated Power) 。
本團隊替中山科學研究院建構一8×8相位陣列模組系統如下圖,以模組為基礎組裝成一個大型的陣列,雖然相位陣列單元個數很多,但由於採用電路積體化技術,使得總雷達半徑尺寸小於30公分,可方便裝載於空間有限的載體。並將數年內量產使用於台灣自製的防空飛彈上面,提升台灣的防空飛彈偵測效能。
遠距無線傳電技術
目前的無線充電技術主要分為兩大類,使用共振式磁場耦合的近場無線充電技術以及使用電磁波傳導的遠場無線充電技術。現行的研究市場主要以近場無線充電技術為主,原因在於其電路運作頻率較低,主動及被動元件損耗少而可以達到較高的功率轉換效率,技術門檻相對較低也較好實作,在許多高功耗產品上有其優勢。然而,電磁耦合的近場無線充電不可或缺的元件是大型的線圈(>5cm)進行耦合,以達到無線傳輸,因此違反植入式電子元件應用中最首要的考量:體積,此外採用共振式磁場耦合在距離增加效率會驟減,增加使用上的不便性。
相反的,使用電磁波傳導的遠場無線充電技術元件的操作頻率較高,所以接收器的尺寸能夠大幅縮小至毫米至厘米(1mm~1cm)等級,其面積甚小於近場充電的線圈面積,因此更適合應用於植入式電子元件中,直接與現行植入式電子元件進行整合。而由於電磁波運作頻率較高,發射器搭配波束成型技術可以將電磁波能量進行定點或多點聚焦降低能量損耗。然而,隨著頻率的上升,無線功率轉換器電路中不可避免的寄生電容對訊號的影響也隨著大幅增加,使得傳統架構操作在高頻時功率轉換效率低落。因此,不論接收器或發射器相對技術門檻很高。但我們研究團隊成功克服了數個關鍵問題,並提出同相閘級增強轉換器架構(In-phase Gate-Boosting Rectifier)大幅提升CMOS高頻能量轉換器之轉換效率。下圖顯示為一CMOS遠距無線充電發射器與接收器原形。