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4-20GHz 超寬頻低雜訊放大器設計
(2005)
胡樹一
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Hu Shu-I
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交通大學電子工程系
寬頻低雜訊放大器常用於通訊產業及科學領域.為了無線電天文學及太空科學的用途,本文作者最近設計了一個8-20GHz 的寬頻低雜訊放大器,並請美國NGST 負責製程部份.在這個新的兩年的研究提案中,低雜訊放大器的頻率範圍將擴展為4-20GHz,並請台灣當地的矽晶圓廠提供高階製程.這個研究包含三個部份:第一是電晶體模型的建立, 此部份亦含括晶片上的校準及參考面的移動,因為後二者對測量的精確度至關重要.第二部份主要是電路設計的部份,在此將進一步探究最近由作者提出的寬頻低雜訊理論, 使其能包含超寬頻的頻率範圍.其他的寬頻機制,雖不見得是低雜訊,也將重新檢視,以期對寬頻理論能有更深刻的理解.第三部份是關於電路的封裝,除了放大器外,其他高頻及直流偏壓電路也將一併處理.為了提高電路性能,亦可於此進行最後的微調. 在這個研究中,本文作者將負責電路設計以及晶片上的校準及參考面移動的數學部份.作者並將指導全職研究助理進行相關的晶片上的量測,以及顯微鏡下的精密封裝工作.作者期待學生能協助處理資料,並學習一些基本量測.除了能達成這個研究外,這樣的安排也使我們能很快的處理之後更繁雜的毫米電子電路.
HBT 電晶體小訊號Pi模型之解析式的解法
(2006)
胡樹一
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Hu Shu-I
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交通大學電子工程系
這個研究將探討如何決定HBT電晶體小訊號Pi模型, 當電晶體基極與集極之間的電容,以及基極擴散電阻, 一旦可表達為明確的數學型式, 我們期待能架構此HBT電晶體小訊號Pi模型的非數?解法. 因為目前只須多用一個測試電路來決定輸出入端的電容, 此種用解析式的方法決定HBT電晶體小訊號Pi模型, 將是一個簡潔有效的方法. 我們計劃檢視決定每一個參數時所根據的假設, 最後的結果並將與原始資料互相比較,以資確認.
利用Allan Variance量測決定寬頻低雜訊放大器的增益穩定度(I)
(2007)
胡樹一
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Hu Shu-I
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
在界定ㄧ個寬頻低雜訊放大器的特性時,散射參數及雜訊參數是相當重要的憑據.但當這個放大器是用於偵搜,太空,大氣,天文等用途時,這時候信號是深陷於背景雜訊之中,通常利用調變或擺動等方式,可將這個微弱的信號隔離出來,但調變頻率又是與放大器的增益穩定度有關.這個研究將經由Allan variance 之量測結果,來探索寬頻低雜訊放大器的增益穩定度, 並決定可能的調變頻率.因為這個電路是我們自行設計的,因此實驗的一些結論,例如如何降低相關的雜訊,及增進電路的穩定度等相關議題,可直接經由電路來驗證.在第一年,我們先利用個別電晶體來建構一個寬頻低雜訊放大器,並將Allan variance 的量測系統架好,開始進行初步的實驗. 在第二年,我們將完成一個寬頻低雜訊放大器的積體電路設計,並進行這個電路的測試.當系統逐步改善之後,我們將嘗試比較Allan variance 量測和其他雜訊量測之間的相關性,以期在這一方面建立一個比較有效的電晶體模型.
奈米CMOS之高性能類比數位混合信號關鍵電路設計技術---子計畫三：奈米CMOS技術之60∼110-GHz射頻前端關鍵性積體電路之研究與設計
(2008)
胡樹一
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Hu Shu-I
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
應用於傳遞高品質視訊影像的家用無線網路在不久的將來將變的普及，高速以及高資料量的傳送，將使區域性的寬頻無線通訊系統的需求更為提高。因此，如何設計應用於更高操作頻段的無線傳輸系統，如60~110-GHz 之V-Band 與W-Band 之區域性無線通訊系統，將是一個重要的研究主題。隨著CMOS 製程由深次微米(deep submicron)進步到奈米(nanometer)，電晶體的最高操作頻率(ft)已超過100GHz，使用奈米CMOS 製程，設計操作頻率在60~110-GHz 之 V-Band 與W-Band 的射頻積體電路已經可望實現。本計畫將以130nm ~ 45nm之奈米CMOS技術來研究並設計操作頻率在60~110-GHz 的高頻段無線通訊收發器之前端主要電路元件。首先將以130-nm 與90-nm CMOS 製程技術，設計操作頻率於60 GHz 的V-Band 射頻前端接收器與發射器電路；延續設計 60-GHz 頻段之前端電路的知識，設計應用於W-Band 頻帶之窄頻與寬頻之射頻前端接收器與發射器之主要關鍵電路。此外，本計畫也將針對所設計的V-Band 與W-Band 射頻關鍵性電路進行低功率以及高性能的改善，使電路在高頻操作下具有高性能外，亦能具有低電壓低功率消耗的特性。此外，亦將進行前瞻性研究，以創新的觀念設計電路，期望能將各主要的前端電路元件之性能推至極限。預計完成的主要前端電路元件有：低雜訊放大器、混波器、震盪器、除頻器以及功率放大器；各元件的功能及設計考量簡述如下: 1. 低雜訊放大器 (Low-Noise Amplifier)：低雜訊放大器的目的在於提供足夠的增益以及低的雜訊指數(NF)，以降低後級電路對雜訊的影響，對整個系統的靈敏度有決定性的影響。此計畫除了針對雜訊指數的特性改善外，也將設計使其有較低的功率消耗。 2. 混波器 (Mixer)：混波器目的在將射頻訊號與本地震盪訊號相乘，使訊號頻率降至中頻或基頻；或將中頻或基頻訊號與本地振盪訊號相乘，使訊號升至為射頻訊號。設計上為了使系統的動態範圍提高，混波器需有足夠的線性度(linearity)，以提高動態區間(dynamic range)。 3. 震盪器(VCO)：震盪器目的是產生本地震盪訊號，提供混波器將訊號進行升降頻使用。設計上，震盪器需要有好的相位雜訊(phase noise)，高頻率調整範圍，以及低功率的特性。 4. 除頻器(Frequency Divider) 高頻除頻器為頻率合成器中的一個重要元件，此電路將震盪器的輸出頻率先行除頻，以使後端的電路處理較為低頻率的訊號，進而降低整體的功率消耗。此高頻除頻器在設計上，要能處理寬頻的輸入訊號，同時低功率消耗也是重要的考量。 5. 功率放大器 (Power Amplifier)：功率放大器的目的在將射頻訊號放大並驅動天線將訊號發射出去，為使訊號在傳遞時減少失真，以及降低功率消耗，功率放大器需有優良的功率效益以及好的線性度。在實現及量測驗證過此計畫中之各元件的功能後，將進一步與其他子計畫成果整合，以應用於無線通訊之收發器系統，並同時改善各電路元件的特性。預計此三年期間完成多個主要關鍵性的電路方塊，以運用於未來的57~64-GHz 頻段以及75~110-GHz 之無線通訊傳送接收機與傳送機之使用；同時，本三年型研究計畫也將整合已開發的 60-GHz 頻段之關鍵性主要電路，並實現57~64-GHz 之V-Band 寬頻無線通訊系統，並將此系統實際地應用在高速高資料量的訊息傳輸上。
特高頻關鍵元組件技術研究
(2011)
胡樹一
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Hu Shu-I
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
子計畫一: 本計劃係開發二種特高頻(W-頻段)90o 垂交混成器(90o quadrature hybrid)，第一種係矩形金屬波導E-平面分支波導垂交混成器，此雖已經十分成熟，但因頻率極高，所以E-平面T-接面之等效電抗必須精準估計才可能成功，本子計畫將利用3-D 電磁軟體將電路作性能之最佳化。第二種為基板整合波導Riblet 短槽垂交混成器(substrate integrated waveguide Riblet short slot quadrature hybrid)，此為最近幾年十分熱門的電路，本計畫擬將工作頻率上推至W-頻段。以上二種電路都是以能與平面電路結合做考量，第一種係E-平面電路可與子計畫三之E-平面轉換器結合，第二種基板整合波導本身便是平面電路，唯所使用之基板將選用與平面電路一致的基板。  子計畫二: 本計畫在於設計一個高階項的特高頻混頻器。我們將電路的輸入射頻選定為W-頻段中的 90-99GHz，而降下來的中頻為9-18GHz。藉由兩個乘以三的乘法器電路，將外界注入的9GHz 本地震盪器頻率，提高到81GHz，然後提供給核心混頻電路使用。因此，可使用半導體製程達到混頻階數為九的有效混頻目的。為了確保只有選定的頻率訊號會被降頻及偵測到，我們又設計了一個主動式的9-18GHz 帶通濾波器電路。  子計畫三: 由於電路微小化的趨勢，同時也因為微波及毫米波積體電路的高度發展，現今絕大多數的元件及系統是以微帶線(microstrip line)或共平面波導管(coplanar waveguide, CPW)等平面傳輸線的形式來設計。但是為了因應量測或系統整合上的需要，各種微帶線或共平面波導管至其他傳輸線或波導管的轉換器便有其必要性。在低頻率的應用上，大多採用微帶線至同軸線SMA 接頭的轉換器設計。但是一旦到了高頻率的應用上，如毫米波頻段，這種轉換器便無法使用。較常見且實用的作法是微帶線至波導管的轉換器設計。不管是高頻率或低頻率的應用，這些轉換器的設計都必須滿足低反射係數、低耗損、寬頻且功能表現穩定等要求。本計畫的目的是設計一個寬頻含蓋毫米波W 頻段(75 至110 GHz)之微帶線至波導管的轉換器，通帶之介入損失必須小於1 dB，其反射損失必須大於15 dB。過去常採用之Finline Tapers 的設計，其功能表現會受到波導管內壁之溝槽的存在而變得異常敏感且不穩定。本計畫提出下列四種依序漸進的設計，來滿足計畫規格的要求： 1. Probe + suspended line, 2. Probe + suspended line + transition + shielded microstrip line, 3. Probe + suspended line + transition + shielded microstrip line＋microstrip line, 4. Probe + suspended line + transition + shielded microstrip line＋microstrip line + transition + GCPW line. 以有限元素法(finite element method)為基礎而發展出之商用套裝軟體Ansoft—HFSS 將用來針對上述之3-D 結構的轉換器設計進行模擬，並且將製作及測試轉換器，來應證上述設計之模擬結果的真確性。
用寬頻變頻法量測電晶体的雜訊參數
(2004)
胡樹一
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Hu Shu-I
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交通大學電子工程系
一個成功的低雜訊放大器設計有賴於其組成電晶體之精確模擬, 而電晶體之信號及雜訊特性可由其小信號模型及雜訊模型來解釋. 雖然建構一個小信號模型僅需網路分析儀即可, 建構一個雜訊模型則尚需一個額外的阻抗調變系統. 為了使量測到的電晶體之四個雜訊參數達到一定的靈敏度, 這個阻抗調變系統常常需要額外的調整, 或進行全然的修改. 在作者一篇今年發表的文章中, 為了量測不同溫度下低雜訊放大器的雜訊參數, 一個全新的寬頻變頻法被提出來. 因為這個新方法既簡捷又有效率, 本研究計劃試圖將此方法運用在常溫電晶體的雜訊參數量測. 首先在系統的設置上, 一個寬頻後級放大器要先設計及封裝好. 因為是直接連接在高頻探針上, 這個放大器必須消耗非常少的能量, 否則電晶體會受到熱傳影響而改變溫度. 商業用的微波元件則用來拓展現存雜訊分析儀的頻率範圍. 在演算法方面, 將雜訊溫度直接分解成四個相同加權的新變數的方式雖然方便但卻不一定是最好的選擇. 因此在探索不同的雜訊溫度分解方式時, 變數的加權所代表的物理意義值得特別的探究. 最後, 為了增廣其用途, 傳統的阻抗調變方式, 將加入這個新的量測系統.
適用於W波段共焦面影像陣列天線的微波及毫米波前級關鍵零組件設計(I)
(2012)
胡樹一
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Hu Shu-I
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
在這個研究計畫中，我們將進行微波及毫米波前級之零組件的設計，以利於W波段共焦面影像陣列的開發。電路部分包含了W波段低雜訊放大器，功率放大器，毫米波及微波寬頻混頻器，主動式功率等分器，可調低通濾波器；以及在收發機陣列中必須的其他電路，例如：電壓控制震盪器，及相位調整器。此外我們還會探討韋瓦第天線及圓形號角天線，並發展適用於共焦面陣列天線的影像演算法。我們預計在一年半的時間內完成零組件的設計，之後專注於共焦面陣列的初步實現，及相關數學運算的發展。此研究對於生醫影像技術的進展將大有裨益；並將嘉惠未來車用雷達的發展，更進一步降低能源消耗；也有利於長距離寬頻無線通訊的研發。當然，對於科學量測儀器及偵測搜尋方面未來的影響也不容小覷。目前所提的計畫，部分是奠基於以前所做的相關研究。誠然，我們之前所設計的電路多數沒有這麼高頻；即便是在毫米波段，整體功能上還有很大的改進空間。所以，我們期待這個研究計畫能強化及整合主動及被動電路，並根據系統晶片的設計原則，將頻率一舉提高到W波段。經由關鍵零組件的設計及共焦面影像陣列的初步驗證，兩年的時間當使我們爾後面對大型天線陣列時更有把握。我們將再尋求生醫或其他領域的專門意見，進行跨領域的合作。
適用於自動導航車輛之避碰及輕型無人飛機安全降落系統的高整合度W頻帶雷達(I)
(2014)
胡樹
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Hu Shu-I
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
雷達電子防護關鍵技術研究---總計畫
(2009)
胡樹一
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Hu Shu-I
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國立交通大學電子工程學系及電子研究所
進行之研究方法與個人專長：本人專長為射頻，微波，及毫米波電路設計及量測。此 14GHz 功率放大器之第一級電路為一個高增益中功率的微波積體電路，因此0dBm 的輸入訊號可被放大至20dBm 以上。接下來依序串接多個單一功率電晶體(例如東芝的功率電晶體)，使最後輸出功率可達20W。因為在固定偏壓情況下這些電晶體的功率增益多隨著環境溫度的增加而降低，因此必須設計一個溫度回授機制，適時自動調整電晶體的偏壓狀態，使其增益盡可能穩定。當然,在極大功率的狀況下，隨著溫度升高而增加偏壓電流的這種方式，有可能造成電晶體的進一步升溫，而造成正回授的情形。為了預防這種情形，勢必酌量降低電晶體的偏壓的溫度補償。此時，剩餘的功率增益變化可由第二層回授機制來消除。這裡我們在電路的前緣，加上一個可變衰減器。當溫度升高時，此衰減器的衰減量會降低，因而容許更多的信號流入。是以雖然功率放大器的增益雖有降低，最後的輸出信號之功率可藉此維持一定。當然，也可經由偵測輸出功率的方式，來控制此衰減器的衰減量。這樣，藉著自動調整電晶體的偏壓狀態，及衰減器的衰減量，可使功率放大器輸出為最穩。這裡溫度的偵測是靠功能類似一個(齊納)二極體的積體電路來達成(可由國家半導體購得，其反向偏壓的溫度係數為 10mV/K)。功率的偵測，及信號的衰減，則各有適當的二極體以專司其職。而偏壓電路及電晶體周圍的高頻被動電路的設計，務必使電晶體遠離振盪。此項研究牽涉到微波電路，元件物理，類比控制電路，熱力學，及金屬機械加工。