無線通訊技術的演進
成大電機系教授洪茂峰

一、前言
近年來，無線通訊的產品，例如:手機、PDA 、無線上綱縛，已經完全融入人們的日常生活之中，而且帶給人們無限的便利。另一方面，在近期由於無線數位電視(Digital TV)的開播以及全球定位系統(global position system, GPS)的成熟，導致汽車市場上亦掀起一股無線通訊的熱潮，更有汽車供應商將車用數位電視以及GPS列為標準配備。更近一步，政府也預計在2010 年前回收傳統的電視頻道，全面改為數位電視頻道。由此可見，無線通訊確實已深深影響每個人的日常生活。
在了解無線通訊前，我們將先定義什麼是微波。所謂微波，就是波長介於1 毫米(mm)至1 米(m)之間的電磁波頻段。按著，談到電磁波發展史，然後是微波的各種應用，最後再介紹本實驗室在微波研究上所累積的相關經驗與成果。

二、電磁波發展史
在整個電磁波發展史中，法拉第(Michael Faraday , 1791-1867) ，馬克斯威爾(James Clerk Maxwell' 1831-1879)和赫茲(Heinrich Hertz , 1857-1894) ，如圖一所示，是最重要的三個人。法拉第於1831年藉著實驗提出"法拉第定律"：隨著時間變化的磁場會產生電場。法拉第定律之所以重要，是因為法拉第發現了產生當場的另一種方法。在這之前，人們只知道電荷會產生電場的模式。巧合的是在發現道個電磁學新里程碑的同一年，馬克斯威爾也誕生了。1873 年馬克斯威爾提出了另一個重要的理論：隨時間變化的電場會產生磁場。這是一個劃時代的理論，但當時馬克斯威爾只是推論，並沒有獲得實驗證實，因此直到1879 年馬克斯威爾過世前，這理論一直都沒有被接受，到1887年赫茲利用LC振盪器產生電磁波，Maxwell的理論才獲得證實。
 
微波通訊中，電磁波的單位是赫茲(Hz) 。這是因為德國物理學家赫茲，為微波技術的發展開拓了新的里程碑，構成了現代微波理論的骨架。為了紀念赫茲的成就，於是科學家把頻率的單位定為赫茲。前述赫茲借助振盪器和諧振器證實從電磁輻射源發出的電磁場就是電磁波，經過調諧電磁輻射源的內部要素，加大每秒鐘振盪的次數，赫茲終於證明了電磁波真有和光一樣的反射性能。在以後的工作中，赫茲悉心研究了電磁波的折射、干涉、偏振和衍射等現象，並且證明了它們的傳播速度等於光速。因此，赫茲也是第一個證實了光從本質上來說也是一種電磁波的事實。而在赫茲以前，自法拉第發現、馬克斯威爾完成的電磁理論，因為未經一系列的科學實驗證明，自此始終處於“推論"的地位，赫茲將此缺憾補足，其貢獻可見一斑。
微波的發展與無線通信是分不開的。1901 年馬克尼使用800KHz 中波信號進行了從英國到北美紐芬蘭的世界上第一次橫跨大西洋的無線電波的通訊試驗，開創了人類無線通信的新紀元，如圖二所示。無線通訊初期，人們使用長波及中波來通訊。20 世紀20 年代初人們偶然發現了短波通訊，直到20世紀60 年代衛星通訊的興起，它一直是國際遠距離通訊的主要技術，甚至對目前的應急和軍事通信仍然很重要。
 
由於無線通訊系統具備容量大且投資費用低廉（約為有線電纜投資金額的五分之一) ，且建設速度快，抗災能力強等優點因而取得迅速的發展。
至今它的發展大約經歷了五個階段:第一階段為二0年代初到五0年代末，主要用於船艦及軍用，採用短波頻段及真空管技術，至該階段末期才出現的150MHz的單工汽車公用行動電話系統MTS，在四0年代到五0年代產生了傳輸頻帶較寬，性能較穩定的微波通訊，同時也可傳輸高品質的彩色電視，而後逐步進入中容量乃至大容量位元數的微波傳輪。
第二階段於五0年代到六0年代，此時頻段擴展到UHF450MHz，元件技術已經朝向半導體製程發展，大多為移動環境中的專用系統，並解決了行動電話與有線電話的接續問題。
第三階段為七0年代初到八0年代，此時頻段已經擴展到800MHz ，美國進行了AMPS試驗。第四階段為八0年代到九0年代中，第二代數位行動通訊興起並且大規模的發展，往而逐步向個人通訊系統發展。DAMPS、TACS 、ETACS 、GSM/DCS 、CDMAOne 、PDC 、PHS 、DECTPACS 、PCS等各頸系統陸續出現，頻段擴至900MHz 到1800MHz，而且除了大眾行動電話系統以外，無線傳呼系統，無線電話系統，集群系統等各類行動通訊手段也為了因應客戶與市場需求同時興起。八0年代至九0年代發展起來的一整套高速多狀態的自適應編碼調製解調技術與信號處理及信號檢測技術的迅速發展，對現今的衛星通信，行動通訊，全位元HDTV傳輸，通用高速有線/無線的接入，乃至高特性的磁性記錄等諸多領域的信號設計和信號處理的應用，起了重要的作用。
第五階段為九0年代中期到現今，隨著大量資料傳輸與多媒體傳輸需求的發展，為適應高速移動，筆記型電腦及PDA手機的第三代行動通訊系統開始興起， CDMA2000，WCDMA ，LAS-CDMA等相應的標準也因應而生。
在發現電磁波後不到六年，義大利的馬可尼、俄國的波波夫分別實現了無線電傳播，並很快增進入實際使用階段。其他電磁波的利用技術，也像雨後春筍般相繼問世，如圖三所示。而微波通訊系統發展史的示意圖，則如圖四所示。
三、無線通訊之產品發展
初期，無線通訊產品最熱門的就屬使用AM 、FM收音機以及VHF電視頻道等波段。國際組織把無線電波頻段劃分為很多頻道，甚至規定了軍事設備使用的頻道，以免彼此干擾，所以軍用設備、民用設備、衛星、電視等系統，都各有各自規定的頻道。
在中期，一項很重要的無線通訊產品「手機」，亦在此時崛起。1973 年，馬丁庫帕，拿著兩塊像磚塊般大的無線電話，在紐約街上打了一通電話，其怪異的行徑，引起了紐約市街上行人的注目。而他就是手機的發明人，亦是著名的摩托羅拉公司裡的技術人員。
行動電話的技術發展是從1983年第一代黑金剛090手機系列的類比式通訊系統AMPS開始，也就是現在俗稱的大哥大，是屬於第一代的行動電話。後來，出現了第二代的行動電話。第二代的行動電話已經有語音/數據/傳輸的功能和一系列加值的服務利用HSCSD和GPRS等新科技，不斷的提高傳輸速率。包括GSM 、US-TDMA及PDC(IS_136)，cdma_IS-95、PDC等系統。而近兩年姍姍來遲出現於市場上的3G手機就屬於第三代，它的系統是採用高速的數據傳輸和最先進的技術，可提供多媒體的服務。在目前來說就有分三個系統(WCDMA-DS 、MC-CDMA 、UTRA TDD)正由3GPP(第三代合作夥伴計劃)在設法標準化當中。手機的演進歷程示意圖，如圖五所示。
在近期，美國電器電子技術協會(IEEE)於1997年所制定之IEEE 802.11 無線網路標準(wireless-LAN，WLAN) ，主要讓各種符合該標準之無線網路設備利用免費共享之2.4GHz頻帶傳遞無線訊號，達到交換資訊之目的。而速度方面，因技術不斷改良，由規範802.11b提升到802.11a ，又改良至現在的802.11g無線傳輸速率已由當初每秒2Mbits提升至現在之54M，未來更可望達至100Mbits，以支援更豐富之網路多媒體傳輪。另一方面，亦興起能夠與IEEE802.11抗衡的無線規格就數「藍芽(bluetooth)」莫屬了。
與802.11相比，藍芽的傳輸距離短，傳輸速度慢，藍芽的傳輸距離是10 公尺，速度只有每秒1M Bits。不過藍芽跟802.11 的市場是不同的， Wi-Fi的目的是要讓多部電腦可以同時無線上網，而藍芽的發展是用來取代周邊連接線的一種無線規格。目前藍芽應用的最大市場，第一是手機，第二是電腦周邊，如無線滑鼠鍵盤、無線耳機等等。
 
未來，另外一個悄悄發展中的規格是超寬頻傳輸系統(Ultra Wide Bandwidth,UWB). UWB可允許在約五公尺範園內，傳送每秒500Mega Bits的資料，非常適合進行影像傅輸。不過，UWB的普及性仍有疑慮，原因是UWB的訊號非常強烈，會嚴重干擾衛星導航系統與機場雷達，光在美國一地，就受限於法規而無法發展，而美國聯邦通訊委員會(FCC)目前只能非常有限度地同意使用UWB技術，所以UWB的市場發展將視未來法令的走向而定。

四、本實驗室在無線通訊技術所累積的相關經驗
在任何一個無線通訊的產品中，都需要前端的微波模組，而模組系統架構圖則如圖六所示。在整個通訊架構中，每個元件都是息息密切相關的，但也會彼此相互影響。所以在設計時，必須考量週遭的環境，才能將雜訊降到最低，以得到最好的效果。
而本實驗室從事無線通訊技術乃起源於表面聲波濾波器(SAW)元件，曾設計並製作出差外差式收發機所使用之中頻(113MHz/315MHz)SAW濾波器。但有鑑於SAW元件與周邊電路之阻抗有著極大之差異，容易造成信號傳輸上的損失。本實驗乃採用ABCD矩陣萃取包含SAW以及其封裝效應之等效參數，藉由外端微帶線佈局電路的設計，達到良好的匹配，而能更進一步將SAW的損失降至最低，並已達實用程度。
為因應無線模組頻率趨向高頻化發展，本實驗室延續在SAW所累積之相關研究經驗，亦將研究範圍擴大到無線模組前端之微波雙工器(diplexer)以及濾波器(filter)製作。行動通訊所使用之濾波器以體聲波為主，但該微波器因損失太大，製作成本亦高，更嚴重的是高頻的頻率響應頗不理想。反之，平面式濾波器雖有成本低、整合度高等優點。卻又因共振器階數多時體積過大，成為致命缺點。故本實驗室遂研究步階式阻抗共振濾波器來有效縮小體積，使得該濾波器更能兼具體積、成本以及特性上的優點。並隨著無線通訊的多頻化發展，傳統上係將不同頻率之濾波器放置於同一收發機系統內，藉由開關作信號之切換。該作法不僅體積大，亦無法有效降低成本。本實驗室將步階式阻抗共振濾波器設計為雙頻帶，藉由理論推導之阻抗比值以及電子長度之變化，可準確控制通帶範圍。此一研究可大幅減少收發機架構內之濾波器元件，亦能提高整體傳輸效率。有助於業界產品特性之提昇。
現今，無線通訊調變機制趨向複雜化。因此，有好的天線(Antenna)將更能提升無線模組之特性。而一般行動通訊用之天線係為外露式，但隨著產品設計趨向美觀之考量下，天線亦開始發展為隱藏式天線。而隱藏式天線多有混附波以及干擾的問題，本實驗室再藉由光子能隙晶體的結構有效改善混附波以及干擾等問題。並可藉由適當設計，增加該天線之頻寬。另在天線的應用上，頻寬亦為亟需考量該天線可用程度的指標。本實驗室也藉由介電共振器(DR)之模態控制以及良好設計，將天線之頻寬有效的增加了約50% 。
另一方面，並將元件設計延伸至低雜訊放大器(LNA) 、壓控震盪器(VCO)以及混波器(Mixer)等主動元件。傳統低雜訊放大器降低雜訊除了採用良好的匹配電路外，亦可藉由外加濾波器降低雜訊指數。但是，外加濾波器會造成體積上的問題。故本實驗室，採用在匹配電路上增加適當之電容電感，即可形成濾波器響應。則此辦法可以降低雜訊並有效提高效率。在壓控震盪器以及混波器亦朝單一元件多頻化研究。
當元件整合於單一模組內時，則亦因內部佈局線路的耦合影響信號傳輸品質以及效率。在頻率較低時，該問題並不會造成影響，故常被忽略。但是隨著現今頻率升高，該問題亦逐漸造成嚴重影響。一般的解決方式係為添置電容器或是濾波器加強過濾之效果。但是該方法在行動通訊上較不適當。其主要係因為效果有限且於行動通訊上無法提供大量面積來擺設。本實驗室今著重於研究以高阻抗等效晶體結構之研究來解決干擾及失真等信號完整性問題。而本實驗室所建立之技術，如表一所示。
並隨著科技的日新月異，以及個人化可攝式產品的大量需求。無線通訊產品體積朝輕薄短小發展，已是時勢所趨。過去，傳統產品內的各元件皆各別設計，導致體積較大。近來，許多學者專家提出了多種方法以縮小產品的體積。但是，最有效也是最多人建議踩用的則是低溫共燒陶瓷技術(LTCC) 。而本實驗室在這方面亦有所著墨。但相對的，體積越做越小，元件與元件連接所產生的問題將更顯嚴重，例如:功率雜訊、訊號完整性等等。為了解決這些問題，本實驗室亦提出耦合連接器方法來解決這些問題，這種方法亦已進行專利申請中。
 

五、總結
經由本文的介紹，應可瞭解整個無線通訊技術的演進過程，也更進一步可理解前人所給予的貢獻。每一個貢獻都會為科技發展帶來更大的衝擊與更深層的研究。例如近年來手機產品的崛起，將無線通訊更進一步融入人們的生活中，且形成密不可分的關係。同時也拉近了人與人之間的關係，更帶來了便利以及效率的工作方式。
另一方面，文內也介紹了本實驗室在無線通訊技術的發展經驗。本實驗室未來將朝兩個方向做更深入的研究:一為元件體積的縮小化，二為訊號完整性的改善。兩者的重要性，對於未來通訊產品有著莫大的影響。因為體積縮小的技術，有助於日後輕薄短小的通訊產品的實現，使產品便於攜帶;而訊號完整性，對於模組的整合更顯重要，能得到更優良的通訊品質。在無線通訊的領域中，本實驗室仍會繼續專注更深入的研究，以期能為大眾帶來更便利的無線通訊產品。

Reference
1.    朱國瑞，呂淑雅，林士雄，李旺龍"微波及微波的應用"，科學發展， 2005年11月，395期，28~37頁。
2.    龍光國際，“赫茲與微波"。