一、背景說明
在次一代無線通訊系統中(含5G及Beyond 5G)，以陣列天線為主的高增益天線被視為解決電磁傳播損耗與覆蓋的核心技術，源於行動連結及覆蓋的需求，陣列天線必須利用波束成形電路來架構高增益的天線輻射，其波束的特性攸關數個影響通訊品質的因素，包括前述的天線增益來弭補傳播損耗外，旁波束與交叉極化量以攸關通訊抗干擾的能力，尤其通訊系統如何提供足夠的電磁波能量，均依賴於波束成形電路的技術。
在波束成形電路的建構上，依據通訊系統的操作模式，有多元的發展，包括提供通訊覆蓋式的操作模式、標榜智慧型通訊操作的動態波束成形，此類更區分為類比波束成形與數位波束成形；有聚焦頻率重複使用的多波束線設計，亦有Sector化的天線設計。依據實現的難易度，尤其在高低頻的製程侷限，而會有不同的波束電路的實現模式。更有主動式與被動式的波束成形電路之區隔。
本課程聚焦於波束成形電路的各個主題的教學，由基本的波束成形的基本理論開始，逐步建構可應用於產業實務技術發展的技術環節，波束成形的各個元件及其特性介紹、類比與數位波型電路的技術、單波束/多波束/智慧型動態波束成形電路的發展，讓學生得以系統性的了解波束成形電路的基本原理與設計程序與方法。具此技術之人才目前為產業亟須的研發人力資源。
二、主要達成之目標
- 以模組化的結構建構高增益陣列天線波束成形的核心技術、與技術產業應用發展所需要的課程模組，該課程技術內涵可應用於行動通訊、物聯網、無線生醫、衛星通訊、國防科技等產業。
- 由系統元件組成切入，介紹波束成形電路的組成元件；元件的特性原理；習用之波束成形電路的型態與系統。讓學生有一個系統性的了解陣列天線波束成形電路的基本智能，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，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。
- 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。
- 進一步讓學生了解智慧型通訊的基本觀念，作為未來導入大數據與AI進入通訊系統時，智慧型天線的因應與設計傾向。
三、課程大綱
| 課程綱要 |
實驗項目 |
| 波束成形的基本原理含系統架構。(含與MIMO及波束追蹤的關係)
(1) 波束成形的基本背景
(2) 波束成形的應用及與MIMO及智慧型天線的關係。
(3) 電流分佈:離散與連續分佈之關係
(4) 波束成形的基本方法:
l Schelkunoff Polynomial Mrthod
l 傅立葉轉換法
l Woodward-Lawson Method
l 契比雪夫分佈法
l 泰勒線分佈法 |
(1)以陣列因子為基礎的數值實驗操作，來呈現各個分佈下的天線輻射場型
(2)基本天線單元的設計與模擬 |
| 陣列天線波束成形數值技術與軟體發展。
(1)陣列天線設計常用的軟體介紹。
(2)陣列因子的軟體建構。
(3)陣列因子最佳化的數值演算法介紹。
(4)軟體建構的程序與輔助天線設計 |
(3)撰寫數值軟體來實現各項輻射波型需求的程式
(4)將數值運算的天線參數植入陣列天線模擬軟體來觀察天線的輻射波型。
(數值實驗) |
| 波束成形核心被動元件的特性。
(1) 相移器的特性與種類
(2) 功率分配器的介紹
(3) Hybrid耦合器
(4) Hybrid循環器
(5) 阻抗匹配的基本知識 |
分佈式波束成形電路的設計與實驗。(八個天線單元) |
| 習用波束成形電路(2):主動式波束成形電路設計。
(1) 主動式波束成形電路的系統觀
(2) 主動式波束成形電路的基本元件介紹
(3) 主動式波束成形電路的波束控制與介面橋接
(4) 主動式波束成形電路的實驗規劃 |
以分佈式的波束成形電路整合相移器來實現主動式波束成形電路的概念。 |
| 習用波束成形電路(3):被動電路式波束成形電路設計:
(1) 以DFT為核心的波束成形電路基本理論
(2) 波束垂直正交化的基本原理
(3) 巴特勒矩陣的基本原理與特性
(4) Blass 矩陣的基本原理與特性 |
實現Sub-6GHz的2/3天線單元之巴特勒矩陣 |
| 以數位訊號處理方式實現數位波束成形。
(1) 數位訊號處理的基本原理
(2) 各種習用數位訊號處理的演算法:
ü Matrix Pencil
ü MUSIC
ü 其他
(3) MIMO與數位波束成形的關係與差異
(4) 數位訊號處理的波束追蹤與方位辨識。 |
在毫米波頻段以數值方式實現巴特勒矩陣及羅曼透鏡。 |
| 天線波束成形量測技術與量測方法(含波束校正)。
(1)量測系統的基本原理介紹
(2)波束成形電路的量測。
(3)陣列天線的量測方法介紹。
(4)陣列天線的校正方法介紹。 |
以實務操作的方式來量測前述發展的各項波束成形電路與天線整合後的各項特性。 |
四、團隊成員
主持教師：段世中
參與教師：周錫增、張家宏
