一、背景說明

第五代行動通訊系統三大特色之一即是強化之行動寬頻（Enhanced Mobile Broadband, eMBB），可提供超過10 Gbps之傳輸速度服務，要達到如此高的傳輸速度，除了載波聚合（Carrier Aggregation, CA）與數位調變波形工程技術（Waveform Engineering）之外，擴展使用頻寬是一個最直接有效的辦法，而無線頻譜之使用頻寬與其載波頻率基本上有一合理的比率值，故欲加大頻寬，就須提高載波頻率。現在各國規定的5G頻譜，大抵都是落在28 GHz與38 GHz兩個頻段，屬於毫米波的的範圍，這與以往低頻的射頻電路有很大的差異。

首先是毫米波空氣傳播的信號衰減相當大，須要巨量多輸入多輸出（Massive MIMO）天線設計改善訊號傳輸品質，是以毫米波傳收機也須要是多路的架構；而毫米波被動元件如電阻、電容、電感與傳輸線等其信號衰減也較低頻時高出許多，電路設計時互連（Interconnection）的距離越短越好以降低損耗；再者是毫米波信號源輸出功率能力與主動元件放大倍率大幅降低，使毫米波主動電路電源使用效率極低，連帶的功率散逸產生的散熱問題也是毫米波傳收機須克服的問題；最後也是最嚴重的問題，由於波長變短，元件、電路與系統裝置尺寸精度要求更嚴格，在製造／組裝時所能允許的尺寸公差變得極小，精密加工／組裝的技術要求更高，甚至以往元件焊接的焊錫量多寡所造成的寄生效應也會使電路效能受到嚴重影響。

毫米波電路由於上述的問題與限制，使得毫米波主被動元件皆相當昂貴，而量測儀器更是一般教學現場無法負擔，然而，學生若一直以紙上談兵方式學習毫米波電路技術，不僅對實際狀況完全無法體會，進入職場工作時更可能因錯誤的製作／量測數據耽誤了整體產品開發時程，造成公司重大損失，這些是工程教育單位與學者應該正視並謀求解決的。

本計畫所規劃的「毫米波電路設計與模擬」課程，擬在有限的教學預算下，盡力達到讓學生實際體會毫米波電路上述的種種特性與操作經驗。首先還是從系統層面為學生介紹下世代行動寬頻通訊系統為何提升操作頻段至毫米波來增加傳輸頻寬以及增加系統容量，此部分規劃課堂時數為3小時。接著講述毫米波主被動元件之特性、架構與設計方法，利用商用軟體ADS進行電腦模擬分析與設計，以電腦模擬讓學生了解毫米波電路對精密度的要求，此部分規劃課堂時數為24小時。為完整計，課程也包含了毫米波頻率合成器之特性、架構與設計方法，從而讓學生對整個毫米波射頻傳接機有所認識，此部分規劃課堂時數為12小時。最後以毫米波小基站射頻前端模組為例，介紹5G系統毫米波傳接機實際應用之特性、架構、規劃與設計方法，此部分規劃課堂時數為12小時。為讓學生能真切體會毫米波小基站射頻前端模組運作狀況，課程中規劃以低成本商用IC組成毫米波射頻實驗平臺，進行毫米波小基站射頻前端實驗，操作頻段設為28-GHz，透過所安排之實驗課程讓學生親自動手實作，印證所學習之理論知識。

本課程授課對象設定為大四與研究所的同學，先修預備知識包括高頻／微波電路與大型天線陣列射頻模組等，也適於在職工程人員進修5G通訊毫米波相關的專業知識技能。

二、主要達成之目標

「毫米波電路設計與模擬」課程分為四大部份，第一個部分為毫米波被動元件分析與設計，了解毫米波被動元件高損耗等物理機制及其相關知識，第二個部分是毫米波主動元件分析與設計，學習毫米波頻段主動元件增益與功率的限制，第三部分則是毫米波頻率合成分析與設計，讓學生了解毫米波信號源不論是射頻信號信號品質或輸出功率皆難以與低頻形況相比擬，而第四部份則是統合前三單元內容，以毫米波小基站射頻前端模組為例介紹5G系統毫米波傳接機實際應用之特性、架構、規劃與設計方法。授課教師可針對學生背景、程度、應用需求不同選用合適的課程單元。本課程發展內容旨在培訓相關專業人員，具體目標如下：
(1) 從系統層面瞭解5G行動寬頻通訊系統為何提升操作頻段至毫米波來增加傳輸頻寬以及增加系統容量。
(2) 瞭解毫米波主被動元件之特性、架構與設計方法。
(3) 瞭解毫米波頻率合成器之特性、架構與設計方法。
(4) 瞭解毫米波小基站射頻射頻前端模組之特性、架構、規劃與設計方法。
(5) 透過所安排之實驗課程讓學生親自動手實作，印證所學習之理論知識。

三、課程大綱

課程綱要	實驗項目
毫米波被動元件分析與設計(單元2a) 課程內容包含： 1. 5G系統毫米波通訊與射頻傳接機簡介 2. 傳輸線毫米波傳輸特性分析 3. 電阻、電容、電感毫米波特性分析 4. 毫米波共振器分析與設計 5. 毫米波濾波器分析與設計 6. 毫米波功率分配器及耦合器分析與設計	實驗內容包含： 毫米波帶通濾波器實驗(單元2e)
毫米波主動元件分析與設計(單元2b) 課程內容包含： 1. CMOS FET元件毫米波特性分析 2. GaAs HEMT元件毫米波特性分析 3. SiGe HBT元件毫米波特性分析 4. 毫米波放大器分析與設計 5. 毫米波混頻器分析與設計 6. 毫米波積體電路設計概論	實驗內容包含： 毫米波放大器實驗(單元2f)
毫米波頻率合成器分析與設計(單元2c) 課程內容包含： 1. 毫米波電壓控制振盪器分析與設計 2. 毫米波頻率除法器分析與設計 3. 毫米波倍頻器分析與設計 4. 毫米波頻率合成器系統分析與設計 5. 毫米波頻率合成器測試技術	實驗內容包含： 毫米波頻率合成器實驗(單元2g)
毫米波小基站射頻前端模組分析與設計(單元2d) 課程內容包含： 1. 毫米波小基站天線與射頻模組整合架構 2. 毫米波小基站射頻接收模組架構與分析 3. 毫米波小基站射頻發射模組架構與分析 4. 毫米波小基站射頻前端模組案例簡介	實驗內容包含： 毫米波小基站射頻前端實驗(單元2h)

四、團隊成員

主持教師：元智大學 黃建彰教授
參與教師：臺北科技大學 王紳教授
　　　　　高雄科技大學 彭康峻副教授
　　　　　元智大學 李建育助理教授