高頻電路量測實驗室-專訪電機系邱煥凱教授

文/張翔皓（電機四）

審稿/邱煥凱教授

高頻電路是如何和我們發生關係的呢?試想市面上各種多媒體(multi-media)功能的手機、高速便利的Wimax無線網路發射基地台、日益普及的光纖網路，這些亮麗的科技成果背後的關鍵技術都是高頻電路，而愈來愈高頻的電路，當然也需要更精密的量測儀器才能夠測量。這些精密儀器的建置過程為何?實驗室中進行的研究有哪些?針對這些問題，我們特別訪問電機系邱煥凱教授，請他為我們解惑。以下就是關於高頻電路量測實驗室的訪談內容：

成立過程
高頻電路量測實驗室的成立是靠許多前輩的資源與計畫累積而來，像是經濟部的科專計畫、教育部的通訊教育改進計畫、SOC教育改進計畫與各個國科會的計畫，才逐漸建置而成，畢竟較為高階的研究所需設備，不是一兩位教授便可建立。目前電機系的電波組、固態組和電子組皆須使用這個實驗室。實驗室是於七年前邱教授進中央大學任教之時正式建立。不過在此之前，詹益仁教授、辛裕明教授已建購一些設備。這個實驗室中最主要的是在量測高速的元件、高頻電路(混合訊號、類比電路、射頻電路、微波毫米波)、光纖，頻率最高有到110GHz。

實驗室中主要的儀器供應商是安捷倫公司，在建置110GHz網路分析儀時期，因為整套設備非常昂貴，公司的高階主管還特別數度從美國飛來和院內教授開會討論，然後以特別折扣將設備賣給我們。不過整個實驗室並不是一次就建成，而是前後花了將近三年的時間。以網路分析儀為例，第一次購買的價格是三百多萬，操作頻率為50GHz；之後安捷倫提供了優惠，先讓儀器從50GHz升級到67GHz，再升級到110GHz。因為這種儀器非常精密，所以價格極為昂貴，包括儀器所使用的探針座，都需要經過特別設計。一對探針就大約三十萬元，線材1cm大約就要一萬元，如果使用上不夠謹慎，也許量測一次就會造成損壞。因此這些儀器除了價格高昂外，維護也不容易。
所以幾乎只有博士班的學生，並且需要經過資格訓練與考試才能使用儀器。邱教授也特別提到，連在美國，要擁有這種等級的實驗室，也得要是排名前三十至五十名的學校，也因此位於中央附近的長庚、元智，甚至清華、交大偶爾也會來借用實驗室。

研究內容
高頻電路量測實驗室主要的研究內容是高速、寬頻的元件與電路的量測。邱教授提到，像是一般手機的頻率現在來看並不算高，而且因為工業界已經做了很多，已屬成熟的產品。由於學校是以發展學術為主，因此在學術研究上，比較沒有切入的點。所以以他的實驗室為例，主要研究是關於無線寬頻傳輸：30GHz-60GHz毫米波的多媒體(multi-media)無線影音的傳輸，傳送高速、大量的影音資料。以前陣子很熱門的Wimax來說，也是一個高速無線的寬頻傳輸，大概在三年前邱教授的實驗室就有作過相關計畫。簡單來說，高頻電路量測實驗室主要研究頻率高的無線通訊IC，而這研究也可同時與電機系的特色實驗室—微光電實驗室合作，因此本校能夠有能力實作高頻元件。

邱教授提到，在學校內的研究目標大多不是做出一個封裝的上市產品，而是主要為一些基本元件、基本電路的探討，能夠比業界稍微早一步去熟悉還未發展成熟的元件，或是業界成本上較無法負荷的研究。台灣學術界可以在國家晶片中心(CIC)下線製作晶片，可以說是台灣獨特的現象。邱教授提到，當他去國外參加一些重要的研討會，例如世界性的亞太微波會議，會場上研究成果海報展示區，幾乎有一半以上都是來自台灣。由於這種研究要花非常多的經費，台灣在這一方面可說是比起其他的國家來得幸運。

邱教授提到他的實驗室訓練學生，會依博碩班而分成兩種方式：碩士班訓練他們踏入產業界所需要基本的技能，包括電路設計、量測、模擬等等，題目就是跟隨著業界的題目。實驗室剛成立的時候開始做的題目為Wideband CDMA，就是3G手機的關鍵技術，還有所謂的RFIC(射頻IC)以及WLAN(無線區域網路) 802.11n，5GHz的頻段，再來就是三年前的Wimax；博士班的學生因為必須要有一些學術性的成果，主要就是將一些古典微波和電磁理論的技術利用於微波的半導體製程中。因為之前的IC設計主要就是數位、類比、電子學，但是高頻電路諸多需要考慮的條件必須是以電磁學的理論作為基礎架構，將這些理論放在一般的IC製程裡面，這其中就有一些有趣的事情可以作，比如說，將需要電磁模型去解決的問題用電路的方式來解決，特別是所謂的被動電路如高頻下傳輸線的模型、濾波器等等；把一些電路微小化，將高性能的元件作到IC上。


產學合作
邱教授提到，因為這個實驗室的研究內容和工業界相近，於是實驗室建立後與業界、財團法人的合作相當密切，像是Wideband CDMA就與台達電合作了兩年；主、被動元件，電晶體的高階製程則與台積電合作四年，另外還有像是工研院目前有兩個平行的計畫：與工研院的資通所則是針對功率放大器攜手合作；另外與電光所進行 3D IC的細緻層打洞穿孔研究。而博士班做的就比較像是這種先進技術的開發。

學術界v.s產業界
由於邱教授至中央大學電機系任教前，曾在業界服務。他提到，在業界目標明確且時程短。舉個例子來說，同樣的計畫，如果在學界，可能需要數位教授以多年期的整合型計畫來執行。但是如果在業界，就會要求短時間就要做出成果；另外就是不管在多大的公司，裡面的儀器，都很難達到學術界的等級。印象中他曾經在美國的國防軍火公司有看過類似等級的儀器；當他第一次去到業界進到他們的研發部門實驗室，見到的是幾排桌子、電錶、power supply、function generator，設備非常的基本。邱教授說到，業界的投資大部分是在於生產組裝測試的部份。一條生產線的設備標準得花上好幾億，但是研發部門的設備就沒有那麼完整，時常是以達到某些檢驗標準為目標，能夠使用的設備非常有限。

經過了邱煥凱老師深入淺出的講解，使得我們能夠更深入地瞭解到系上如此特別資源。邱教授在訪問的過程中強調，如此規模與水準的高頻量測實驗室很可能是同學在往後學習、工作過程中能夠碰到最好的設備了。邱教授也勉勵同學在選課時要有一致性，以達到完整的學習與訓練，不斷地練習與充實自己，能夠將知識內化為一種直覺的反應，在碰到問題時，就能夠迎刃而解。