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陣列天線

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陣列天線/波束成形 高頻毫米波雷達又精又遠

毫米波雷達(mmWave Radar)在車用感測器領域已占有一席之地,一方面由於歐洲電信標準協會(ETSI)和美國聯邦傳播委員會(FCC)制定的頻譜規則和標準已禁止新產品使用24GHz超寬頻段,另一方面車用感測器也要求更精準的感測解析度,因此,高頻(77~79GHz)毫米波雷達開始快速發展。為提升高頻毫米波雷達精度,工研院資通所技術副組長陳文江指出,透過陣列天線與波束成形(Beam Forming)技術可以讓毫米波雷達更精準、傳輸距離更遠。 工研院資通所新興無線應用技術組組長丁邦安表示,毫米波雷達在車用感測方面的應用最初是因為先進駕駛輔助系統(ADAS)的興起,後來才進入了自駕車發展的領域。但是自駕車感測器要模仿的器官就是人眼,而人眼是一個非常偉大的器官,要用機械替代如此精密的感官有相當大的挑戰。因各種車用感測器如光達(LiDAR)、毫米波雷達、攝影機等分別有技術上的優劣勢,目前感測融合技術互補乃是車用感測器主流趨勢。 但丁邦安也提到,感測融合也有其困難,由於感測器數量多種類又不同,資訊量當然就跟著增加。資訊量大的情況下,若是不同感測器的感測結果產生矛盾,要如何判斷將是一大挑戰。以現在的技術來說,正確的感測和運算可以達到辨識物體的能力,但在車用領域同時也要求短時間做出正確的判斷,過於複雜的演算法和大量的感測器也會讓成本變得高不可攀。因此,丁邦安認為短時間內,毫米波雷達的主要舞台還是在ADAS和主動安全的領域。 針對高頻毫米波雷達如何提升精準度,陳文江進一步說明,理論上頻率越高傳輸距離是越短的,因為高頻會有衰減的問題,而77~79GHz的衰減至少是24GHz的九倍以上。而之所以會選擇高頻毫米波雷達是因為高頻的波長短,波長短就可以掃描得更精細,因此解析度就會比較高。 為了解決高頻訊號衰減的問題,可以透過陣列天線的方式讓傳輸距離提升、掃描範圍變廣。藉由開關天線改變使用天線個數的方式控制波束,即波束成形技術,集中波束便能使傳輸距離變遠,寬波束可以進行短距離大角度範圍的掃描。在IC發射功率固定的狀況之下,藉由波束控制即可以調整訊號傳輸距離。且由於高頻的天線可以做得較小,而且可直接印在PCB板上再拉到IC上做成小模組,因此增加陣列天線的成本並不會太高。 丁邦安總結道,車用對於安全性的要求非常高,萬中不能有一失,高頻毫米波雷達要在車用領域普及會遇到最大的困難在於道路實測與成本。目前藉由提升運算量、增加天線數量、提高雷達頻率都可以讓解析度與辨識度提升,技術方面和理論已足夠成熟,但是成本將會高到難以接受。在安全與成本的拉鋸之下,高頻毫米波雷達用於自駕車仍有一段路要走。但是可以肯定的是高頻毫米波雷達在車用領域取代低頻毫米波雷達將只是時間的問題。
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專訪安矽思產品管理總監Larry Williams 模擬工具加速5G應用開發

安矽思(Ansys)產品管理總監Larry Williams表示,行動通訊技術以往的應用情境相對單純,不是人與人之間的語音、文字通訊,就是行動寬頻上網。但5G將是一種和蒸汽機、引擎類似的通用技術(General Purpose Technology),除了要繼續支援現有的行動應用外,還要承載V2X通訊、物聯網等新的應用服務。 為了滿足更多樣化的應用情境,5G標準導入了許多新的射頻通訊技術,例如MU-MIMO、更複雜的天線陣列甚至毫米波(mmWave)等。這些新技術不是讓系統設計變得更為複雜,就是要採用全新的設計架構。例如毫米波通訊,由於線路損失太大,因此天線必定要整合到射頻前端的封裝裡,亦即AiP封裝。 因此,要確保5G通訊設備跟相關元件成功開發,周延的模擬必不可少。唯有透過模擬工具,才能在產品設計階段早期發現可能產生的問題,進而提出因應對策。目前Ansys在5G設計模擬方面,已經推出眾多解決方案,從晶片設計、封裝到基地台等級的訊號涵蓋模擬工具,Ansys都能提供。目的是要讓使用者盡可能減少在原型開發跟實地測試上所需投入的資源,並盡可能涵蓋各式各樣的應用情境。 事實上,從整個無線通訊產業的發展軌跡來看,模擬所扮演的角色只會越來越重要。沒有完善的模擬,工程師無法建立精確的模型,後面的應用開發就只能靠嘗試錯誤的方法來摸索,這是非常耗時又昂貴的過程。 RF CMOS就是一個典型案例,在相關元件的行為模型建立起來之前,RF CMOS的應用發展極為緩慢,但隨著模擬工具日趨完善,工程師對RF CMOS的行為特性掌握度更高,才促成今天RF CMOS元件廣泛應用的局面。 安矽思(Ansys)產品管理總監Larry Williams認為,在5G應用發展的過程中,模擬工具會扮演十分關鍵的角色。  
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