人物特寫 〉國家講座主持人系列:中山大學電機工程學系講座教授翁金輅-全球十大手機廠,過半數向他取經
2018-3-08

若想撰寫一部無線通訊天線變革史,中山大學電機工程學系講座教授、第20屆國家講座主持人翁金輅,絕對佔有重要領先地位。翁金輅是臺灣研究無線通訊天線的第一把交椅,他領先全球發展出可運用於5G手機的8天線與12天線,論文一發表就引起全球學術與產業界高度矚目。
翁金輅長期投入手機多天線設計,早期最普遍是4天線設計,以8天線、12天線來看,意指在相同外部訊號流量下,8天線等於開了8道閘門,12天線則等於開了 12道閘門供訊號傳輸,若是要下載一部900MB的電影,12天線手機在使用20 MHz頻寬下,僅需不到1秒即可下載完成。
8天線與12天線的成功研究,代表著5G通訊時代即將登場。從1990年代就投入天線研究,翁金輅笑說他的研究是10年磨劍,他投入初期時,市場對天線這項元件設備還沒有太多高端需求,學術界也很少人做,他卻堅持不墜,他不斷勉勵自己:「研究就是要一直做才有累積,才會有成果。」於是翁金輅就這樣在中山的校園裡,先默默做了10年天線研究,契機終於出現。

全球十大手機廠,半數鎖定他

1986年,翁金輅取美國德州理工大學電機博士後,先投入號稱德國科學搖籃的普朗克研究院(Max-Planck)擔任客座研究員,以研究電漿核融合為主,但由於這項研究在臺灣沒有完整產業鏈可供後續應用,只能應用於中國、日本或歐美等國家,翁金輅不想研究成果變成Follower(追隨者),只能替國外加工,於是他的腦中不斷在思考:「做什麼才能幫助臺灣產業發展?」
回頭檢視自己的研究內涵,翁金輅發現電漿加熱的實驗裡,必須運用天線作為氫離子傳輸的媒介,「既然原有技術在臺灣沒有發揮空間,不如一切歸零,投入新領域,」翁金輅講得淡然,內心卻隱藏強大決心。1990年,翁金輅開始投入可應用於無線通訊的平面天線研究與應用設計,靠著做研究的熱忱,及與生俱來的毅力與意志力,一做就超過20年。
以天線發展歷程來看,2000年是一大轉捩點,通訊從2G轉向3G時代,天線元件需求也從港劇中那種黑金鋼手機的外露式設計,轉為內建式小天線。再經過10年,2010年通訊從3G轉向4G時代,一路發展過程,愈來愈需要傳輸速度更穩、更快的天線來協助,全球手機大廠紛紛投入天線研究,翁金輅的研究結果開始受到重視,產學合作量也愈來愈多。
整體而言,翁金輅領軍的中山大學天線實驗室,已經發表總計超過800篇的期刊與會議論文,研發的平面天線設計也分別在臺灣、美國、歐洲等地取得超過200項的專利,研究的質與量均超越群倫,中山天線實驗室也位居全球領先研究地位,不斷培育出產業界搶手人才。
在學術地位外,天線研究是屬於應用型科學,翁金輅與產業交流頻繁,全球10大手機廠商中,超過半數以上皆與翁金輅有過技術交流。其中,國際軟體大廠也提供10多套高頻電磁與天線模擬軟體HFSS 給翁金輅天線實驗室,設備總值超過6,000萬元。從零到有,翁金輅到處尋找資源,一手創建天線實驗室,所幸慢慢累積成果後,實驗室有了盈餘,便可再添置新設備。

大家說不可能,他不信

經過MIMO(多輸入多輸出,Multi-Input Multi-Output)量測系統實測,翁金輅所設計的天線可以在12 x 8 MIMO(傳送端12天線,接收端8天線)的操作下,傳輸速度在20MHz頻寬,達到940 Mbps,頻譜效率為目前4G手機5倍以上,不僅代表5G通訊即將登場,也可望確立手機多天線運用的可行性。
基本上,翁金輅採取多層類傳輸方式,將一個大訊息切隔成多個小訊號,再利用多個天線進行傳送到位後,再將多個小訊號合成還原,說來簡單的道理,卻經歷了層層關卡。當時市場認為要在一支手機空間內,安裝4支以上的天線是不可能的任務,傳統理論認為,兩個天線需間距0.5波長,才能明顯降低干擾,如此就需要相對應的大空間供天線安裝。
但翁金輅卻告訴團隊:「大家都說不可能,我卻看不到任何學理可以明確告訴我不可能的理由。」不放棄的精神持續延燒,翁金輅帶領天線實驗室不斷投入晶片研發、測試等工作,並跨領域結合中山大學通訊工程研究所教授溫朝凱在無線通訊的研究專長,經過好幾年努力才打破傳統論述。
艱難的任務還包括運算複雜度,試想當訊息切成8等分,輸送的8等分乘上接收的8等分,等於這個輸送任務會出現64個變數,翁金輅就必須設法讓這64個變數都各自獨立,彼此不會互相干擾,但在訊號相互混雜的情況下,重新排列出正確訊號確實困難度相當高。
當時,溫朝凱教授負責進行MIMO量測系統建構,他透過自行開發的軟體接收機,直接處理來自LTE 12x8、8x8、8x4、4x4 MIMO下行鏈路的訊號,即時分析訊雜比、通道容量、吞吐量、錯誤率等系統效能,如此就能在訊號效能與處理速度中取得最佳平衡。

博士荒,他擔心研究斷層

心血投入20多年,逐步展現成果。但談起人才培養,翁金輅卻坦言:「博士生愈來愈少,怕出現斷層。」隨著經濟、就業環境改變,各大學都面臨博士生短缺之窘狀,過去翁金輅培育出學界與業界讚許的中山幫,現在恐怕很難持續,翁金輅只能鼓勵學生將眼光放遠,並設法為學生尋找更多出路。
面對市場發展,翁金輅認為之前臺灣錯估了LTE(Long Term Evolution,長期演進技術)與WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access,全球互通微波存取)趨勢,且投入毫米波發展,才發現其傳送有所限制,促使臺灣在4G發展的舞台無法搶得先機,未來5G通訊發展將是成敗關鍵。
10年磨劍需要堅強意志力,從事學術工作30年,翁金輅的信念始終是,極限是自己創造出來的,唯有做了,才會知道可不可能,即使人人都說不可能,也要先證明出不可能的理由,才能放棄。秉持信念,翁金輅持續帶領團隊朝向16、20天線發展中,且已創造出成功經驗,宣告著6G時代即將來臨。靠著毅力,翁金輅讓世人見證了臺灣的通訊元件開發能力可傲視全球。

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