歐姆佳科技—台大電機衍生新創企業

本價創計畫由本校電機系及電信所周錫增特聘教授主持

毫米波頻段被視為新興通訊產業熱點，應用範圍由傳統同步衛星逐步發展至今產生諸多令人高度期待的產業機會，包括目前第五代行動通訊(5G)、汽車自動駕駛的ADAS系統、Wigi、無線前/後傳網路、低軌道衛星、乃至於深受期待之第六代行動通訊(6G)次太赫茲頻段應用，其現行產業機會的估測如圖(一)所示，產業價值以兆元美金計。毫米波特性在於可使用超寬頻來提供高速資料傳輸、超短波長來進行系統縮裝與低延遲等優點。鑒於高頻電磁波在環境中易衰減的特性，使用大型陣列天線成為標配，如5G手持裝置需要使用多組4天線的模組、基地站端的陣列天線超過128天線單元(或更多)、而低軌道衛星應用的陣列天線更超過1000天線單元來產生足夠的天線增益，相對關係如圖(二)所示。這些配備的基本款除了增加了系統複雜度外、亦增加了系統成本，成為通訊普及化的瓶頸。

圖(一): 毫米波產業機會估測與陣列天線的功能瓶頸

圖(二): 毫米波頻段天線應用之相對關係與發展趨勢

毫米波超短波長的特性使得任何小尺寸物理落差均足以造成大的射頻特性誤差，此誤差隨著頻率急速提高而快速增加，例如在30GHz頻段，0.1mm誤差即代表1/100波長的誤差，此落差幾乎是一個天線設計基板的厚度了。此機械機構實現的高度極限落差層層疊疊，由基板的誤差起、金屬結構的實現、晶片植入、終端裝置的整合等造就不可估測的誤差，使得陣列天線系統的穩定度差、良率低、也使得陣列天線系統發展的成本相當高。此高成本瓶頸尤呈現於產線的量產中，每一個產品均會經歷不同程度的不可預測之誤差影響，成本的體現包括產品製作的時程長、產品良率低、檢測設備的昂貴、人力大幅增加等。以目前產業的實施方式(如圖(三)所示)，係在產品生產完後進行驗證，與Golden sample進行參數比對，參數相近者視為合格品，落差大者視為瑕疵品進行淘汰或重新製作。此等驗證方式既無法確認產品特性是否達到最佳狀態、亦無法調降成本，侷限了量產能力。因此陣列天線的校正問題被視為毫米波產業應用的瓶頸之一。

圖(三): 毫米波頻段具陣列天線系統之產品生產流程與改善方案。

鑒於此瓶頸對於產業發展的重大影響，台大電機天線技術團隊在科技部B5G/6G專案計畫補助發展陣列天線快速校正技術，更進一步獲得科技部價創計畫的補助，將該技術產業化，發展出應用於產線快速測試與校正的軟硬體系統，由台大團隊衍生出新創企業—歐姆佳科技股份有限公司。該新創企業聚焦於解決毫米波天線系統量產時所面臨的量產測試與校正，尤其針對陣列天線的波束校正來提升天線的特性。其基本概念在於針對圖(三)之量產情境，在毫米波頻段的製程過程會累積各種機械機構與電子偶合誤差來使得天線系統產生失真的輻射，如圖(三)所採用之標準比較法僅能擇優汰劣，但是無法提升特性與良率。然若以校正的角度出發，每一個天線相關產品必須要經過嚴謹量測輻射波型、演算法的優化、波束成形等程序來進行是有機會可以透過誤差互補的機制來提升產品的特性。惟傳統校正方式使用遠、近場天線量測系統，需使用機械機構來量測，不但產生誤差、亦耗費甚久，需要量測相當大的數據，無法滿足量產之需求。例如一個四單元的天線，若每五度量測一次輻射值，其需要時間超過兩小時，此解釋目前產線僅能抽檢、無法進行校正之原因。各種測試與校正方式的優劣比較如圖(四)所示。

圖(四): 現行產線測試校正方式與台大團隊技術之差異比較

台大創新技術的特點在於屏除機械機構在移動過程產生之時間與精確性的不確定性，改以電子式方式之參數變化來創造數據、並擷取數據，進而進行優化。此技術快速之緣故在於他避免使用機械機構，大幅減少機構移動時間、同時在簡化機械機構存在時之干擾誤差。它可以針對量產產品在標準比對時、同步進行特性優化。依該團隊表示:「各通訊天線系統在量產時，其天線特性均已經由研發過程嚴謹的設計，在量產時產生的落差雖然無法通過標準，但是有諸多的特性屬於通過之邊緣，利用校正技術可以讓產品特性超過標準界定線，進而變成適用之產品，即會進入合格品」，此邏輯亦呈現於圖(三)之右側圖所示。此外，「即使天線產品因良率低之故，有些產品的天線或射頻模組會有故障之情事，來造成天線輻射特性落差，如圖(五)所示，利用新創技術可以快速驗證出failed元件與天線。利用校正技術可以讓優劣模組間產生誤差互補，來消除此故障元件造成的負面輻射效應，如圖(六)所示，利用校正技術可以提升超過40%的天線增益。因此他不但可以讓產線測試與校正的速度大幅提升，亦可以大幅提升良率與生產速度、降低設備成本，降低產業的成本與瓶頸。

圖(五):利用快速校正技術可快速找出failed之天線單元與元件，本例之天線陣列為8×8微帶天線單元，上述所呈現為測試所得之天線面輻射相對之振福與相位。

圖(六):依據圖(五)中之陣列天線，當其單元有兩個fail時，利用校正技術可以提升天線增益超過2.5dB。

新創團隊表示，利用陣列天線校正的邏輯，可以大幅應用於無線通訊的開發，縮短整體開發時程與成本。在研發階段，利用校正技術可以免去人為個別式的元件組調教與被動射頻元組件的精準需求，該電路設計係依據功率損耗最低的邏輯，可以提升功率之使用效率，減少損耗。在生產端，射頻元件與組件需要層層疊疊、多層次的測試驗證，最終組構成天線系統與UE裝置，如每一階段均使用長時間進行驗證，則UE終端的產品成本將會相當高，產生普及應用的障礙。可以利用此校正技術來進行快速測試驗證，快速達到建構UE終端的目標。在使用端，利用場域的實際校正技術，可以使得前/後傳網路的CPE設備快速進行波束對向的工作，在使用者當下環境，確保最佳的天線增益。新創團隊亦表示，該技術應該正名為主動陣列的校正技術，因為他應用範疇相當廣，可以廣泛解決射頻元組件與系統之測試與校正，並不限於天線產品。射頻IC晶片等元件，可以利用陣列的排列來進行陣列式操作，進而快速測試與驗證之工作，此為目前產線縮缺乏的技術。以毫米波射頻系統的高度誤差性，此技術的廣泛應用可以加速產業的發展。

該技術目前已開始進行產業化，依據團隊的實驗驗證，一般小細胞的基地站天線系統可以在3秒內完成測試與校正，於傳統校正方式相較，其時間不到其千分之一，對於毫米波的射頻技術發展是一個重大突破。因此該技術獲得科技部於2020年評選、受頒「未來科技獎」。依據該技術所衍生之歐姆佳科技已於今年成立、目前已獲得產業投資意願，將於2021年六月完成台大的技轉流程，正式出場成為解決產線量產瓶頸的專業企業。團隊核心研發成員為台大的研究生，呈現台大近年在產業化技術發展呈現高度接軌的貢獻。