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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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從鬆餅中啟發靈感 綠能天線創新局

文/羅弘旭

太陽能、基地台天線,這兩樣截然不同的技術,在工研院同仁的創意下結合成為綠能天線,獲得太陽能產業獎傑出團體殊榮,引領團隊課最大難關的契機,居然是來自下午茶的一塊鬆餅

電影《那些年,我們一起追的女孩》,男主角柯景騰和女主角沈佳宜因為男方的幼稚而分手,直到1999年發生921地震時,依然心繫著對方的彼此,終於通了斷訊二年後的第一通電話。

男孩抬起頭仰望夜空,黑色布幕上綴滿了繁星點點,女孩仰頭,看著台北的星空,「妳相信平行時空嗎?也許在另一個平行時空裡,我們是在一起的。」「那他們還真幸福呀!」

這一幕場景,勾起多少年少時青澀的戀情,也將我們的回憶帶入當年那場百年浩劫中,尤其是關鍵時刻,行動電話明明有訊號,但就是無法通話的心焦與慌亂。

行動電話基地台,作為連接手機和局端通話系統的中介通訊設備,除了需要專線連接,還需要獨立的供電系統,即使通話細胞內沒有任何人在通話,基地台的電力還是無法中斷。

在電影中,一群人大家把手機舉向天空搜尋訊號的景狀,不在於基地台因為地震的關係受損,而是瞬間湧入大量的通話者導致基地台無法負荷,接著眾多的基地台又因為電力線路中斷,設備沒受損的基地台,才因為電力供應不繼,逐一失去作用。

因應惡劣氣候 通訊系統需要技術革新

隨著極端氣候成為常態,需要電力協助運作的通訊系統,也經常因為天災停電,導致整個通話系統中斷,「緊急時刻,如何提供輔助電力是通訊設備廠商思考的技術課題,」工研院資通所所長吳誠文表示。

而工研院所開發的「綠能天線技術」正解決了這項難題。綠能天線技術以工研院研發的薄型高增益天線,成功整合了天線傳輸與太陽能板儲存電力技術,不僅可提高訊號強度,降低發射功率,更兼顧太陽能光電轉換效率以及天線接收、發射之效率,可以太陽能提供三成的輔助電力,有效減緩在白天用電尖峰時,電力網路的負荷,也能在緊急狀況,提供一定的備援電力。

這項技術,不僅能運用在中、大型基地站天線,也能用於PDA、手機、個人導航設備等小型的手持行動裝置。

過去,基地台的天線就是天線,太陽能的發電板就是發電板,一個是通訊設備,一個是能源設備,研究領域不同,研究團隊也不曾有交集,但獨有工研院的同仁,硬是把兩件不相關的技術聯接在一起,以「綠能天線技術」,在以太陽能業者為主的太陽能產業獎(Solar Industry Awards,簡稱SIA)競賽中,贏得評審團青睞,從2000件專案激烈競爭中脫穎而出,榮獲2011傑出團體獎(ITRI as Excellent Organization)。

吳誠文笑著說:「過去得獎的都是太陽能產業,SIA頒給我們傑出團體獎,除了證明我們技術的領先,更是肯定了工研院跨界合作的方向與創意。」

將困境化為創意 萌發跨界創意

勾起工研院跨界研究的動機,來自五年前實驗的不愉快,那時候工研院同仁為了測試3G、Wimax的訊號,必須頂著烈日底在單位的大樓頂上架設調整天線測試訊號,但當時在屋頂上架設了實驗太陽能基板,經常影響到相關的訊號測試數據,辛苦在滾燙的屋頂上做了半天實驗,測出來的數據卻受到干擾,經常令人為之氣結,也因此引發工程師的聯想,「難道不能架個遮陽棚來檔陽光?」「這些太陽能板,能不能遮陽?」、「如果可以遮陽,那能不能和天線結合在一起呢?」

這個創意,就埋藏在工研院同仁心中,等待時機和技術的成熟,直到今年,吳誠文覺得時機到了,才大膽拍板,支援同事放膽去做。

只是真正開始執行,才發現當初想的太過樂觀,工研院資通所副理吳俊熠苦笑著說:「一開始,我們對於太陽能矽基板的導電度不瞭解,直到作過一些實驗,測出導電度,才察覺太陽能板其實就是金屬,對訊號輻射損耗很大。」結果當初以為可行的方案就卡在這邊動彈不得。

在生活中觸類旁通 突破技術困境

沒想到,解決不上不下的窘境的方法,不在實驗室、不在書本、也不在研討會上,而是在最出人意料的Coffee room裡面,幾位絞盡腦汁的同事,在吃鬆餅、喝咖啡的時候,突然有人喊出:「你們不覺得鬆餅跟太陽能板很類似嗎?」

一格一格的鬆餅,格間的突起處,就跟太陽能基板一樣,遠看是一大塊,但實際上還是以不同區塊拼湊在一起,於是團隊想到利用太陽能版每個間隔,用超材料(metamaterials)的週期性結構,終於克服金屬對電磁波訊號的損耗難題。

克服最關鍵技術之後,綠能和通訊的結合,發揮一加一大於二的效益,吳誠文透露:綠能天線不僅僅只把太陽能板當作天線一部分,太陽能板本身對特定頻率的的穿透性更好,加上應用了共振槍原理,可以放大某些通訊頻率,可提高訊號強度,降低發射功率,天線體積也更小。

跨界 開創ICT產業新格局

綠能天線不僅可以用於行動電信業者的基地台,應用範疇也可以落實到PDA、手機、個人導航設備,再也不用擔心在窮鄉僻壤之地,急需緊急求助,但手機卻電力耗盡的窘境,只要把手機放在陽光底下曝曬十五分鐘,就足以提供一通撥打緊急求救電話的電力。

綠能天線技術獲得太陽能產業獎的傑出團體獎殊榮,背後所代表的意義,不僅僅是代表台灣ICT 技術創新實力,更代表了台灣除了在技術精進與成本降低之外,邁入了另一種Crossover跨界的創新,過往跨界只見於品牌、生活態度和審美方式的融合,但吳誠文指出,ICT產業臻於成熟,技術和成本上的領先已經不再成為絕對的競爭優勢,ICT產業的跨界合作,給科技創新帶來更多的立體感和縱深感,不僅可以拉大與對手差距,工研院更能領先產業作示範性工作,協助台灣資通乃至於整個 ICT 產業更創新、更大膽的革命。



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