打造全新滑環傳輸元件　60GHz毫米波介面工業應用上陣

智慧工廠結合各種虛實(Cyber-physical)融合系統，這些系統需要更快且更可靠的無線解決方案來因應各種最嚴苛工業環境中持續增加的資料。而促使這些解決方案部署在要求嚴苛之工業4.0情境中，背後的主要驅動力包括了建置行動SCADA系統、取代既有系統、以及實現從移動設備發送資料，這種行動傳輸功能以往根本不可行或是功能有限。本文即將專注探討後者因素之帶動下，所衍生出的無線技術。

本文的第一部分歸納了現代工業應用在機械旋轉子系統之間建立通訊介面所面臨的主要要求。第二部分則針對現今這些子系統採用的資料介面技術，根據轉子與靜子之間傳輸資料的機制種類，對各種資料介面技術加以分類。這部分還介紹了這些技術以及探討其主要優點與缺點。第三部分則討論一種新穎的60GHz無線解決方案，提供高速、低延遲的通訊機制，在滑環組件中實現先進的資料介面架構，藉以因應新工業情境的各種嚴苛要求。

旋轉接頭的資料介面在工業範疇面臨的要求

滑環通常也稱為旋轉活節或接頭，這種組件會透過旋轉連結介面傳送資料與電力(如圖2所示)。各種現代工業機具中各個旋轉零件之間需要越來越快且更可靠的資料傳輸，使得這類旋轉接頭採用的資料介面對於頻寬、串音、以及電磁干擾等方面的性能要求也越來越嚴苛。符合這些要求，對於保證相關工業設備的即時運作、持續運行、以及最大效率具有著極其關鍵的作用。

工業旋轉資料介面組件必須確保在5,000Rpm至6,000Rpm極快旋轉速度下以100Mbps的傳輸率維持接觸式傳輸的品質。在大多數狀況下，這樣的資料傳輸率已經足夠，但有些特殊應用則需要1Gbps以上的傳輸率，而且逐漸成為現今普遍的標竿。此外一些工業應用還要求支援IEEE802.3-based(乙太網路)以及其他工業匯流排協定，以及可確定性的即時通訊，藉以支援各種時間敏感的應用以及工業物聯網的功能。針對這些應用設計的資料介面解決方案必須不受物理錯位、電磁干擾、以及串音等因素所干擾，藉以達成無錯誤的資料傳輸，達到1×10-12或更好的位元錯誤率(BER)。工業環境的各種污染不應影響旋轉接頭的運作，這類接頭應該是免維護而且不會磨損。最後，資料介面技術必須相容於旋轉接頭組件的電源傳輸子系統，以因應目標應用的所有功能要求。

資料介面技術

許多種類的旋轉接頭其功能特性、尺寸規格、旋轉速度(Rpm)、最大資料傳輸率、功率範圍、支援介面的種類、頻道數量、以及許多其他設計特性，都是迎合應用的需求而產生。在這些設計考量因素中，資料介面有著幾項最為關鍵的要求，因此在建置到滑環組件時挑選適合的技術就成為極關鍵的任務。用來實現這項功能的資料通訊技術大致可區分為接觸以及非接觸式。根據建立資料傳輸頻道的耦合方式，這些元件還進一步發展出許多衍生種類。

接觸型介面

接觸型解決方案通常依賴靜子上的複合(Composite)、單絲(Monofilament)、或多絲(Polyfilament)型電刷，以滑動的方式接觸到轉子上的導電環，藉此在移動與靜止元件之間建立不中斷的電子訊號傳輸。選用電刷的種類，取決於資料傳輸對於訊號頻寬、資料傳輸率、要求的傳輸品質、工作電流、以及Rpm轉速等因素而定。雖然這種發展已久的技術自從發明以來就廣泛運用在各種滑環，但它本身也存在許多限制。接觸型滑環的可靠度受到嚴苛工作環境所影響，加上因為有機械接觸，因此需要定期保養。另外機電旋轉接頭也容易受到電磁干擾。除此之外，用來介面接觸介面的物理媒介，它們的各種屬性都會對通道頻寬產生極大的影響。另外滑動式接觸產生的電阻波動會使傳輸品質減損，而傳輸品質對於各種高資料率即時應用而言尤其重要(圖3)。

非接觸介面

非接觸式旋轉接頭克服上述這些限制，它運用幅射或非幅射電磁場在各旋轉零件之間傳送資料。這項技術提供許多勝過電訊號傳輸的效能優勢。少掉機械接觸即可避免接觸磨損，進而減少維護工作的負荷，而且不會有高轉速導致電阻升高所造成的資料丟失。

・光纖旋轉接頭

非接觸式解決方案最常見的例子就是光纖滑環，亦名為光纖旋轉接頭(FORJ)，如圖4顯示的示意圖。FORJ依賴光幅射原理來傳送資料，一般使用850至1,550奈米之間波長的紅外線，因此能在數十Gbps的資料傳輸率下傳送類比或數位光學訊號，並且不會產生電磁干擾的問題。然而，光纖解決方案也並非完全沒有缺點。由於角度或軸向錯位(Misalignments)造成的訊號衰減，會造成嚴重的外部損失(Extrinsic Losses)。這些錯位也是旋轉訊號波動的主要成因，這類波動對於許多應用而言非常嚴重。此外，光纖旋轉接頭通常需要針對各種嚴苛工業環境做好嚴密的披覆防護。

・電感與電容式介面

另一種非接觸式技術則採用近場耦合機制，利用的是電磁頻譜中較低頻率的頻帶上非幅射電導與電容性電路元素產生的電場與磁場。電感法運用的是組件中移動零件介面的電磁感應原理。圖5顯示滑環運用這種耦合機制的示意圖，許多高轉速工業應用很適合採用這種技術，但它們更適合用來傳輸電力而不是高速資料。它們被廣泛運用在風力電機應用，為葉片旋角控制(Pitch Control)系統提供電訊號以及電力，另外還常用在各種零組件維持高轉速的包裝機器。

相對於依賴磁場的電感式滑環，採用電容技術的滑環則是利用磁場在轉子與靜子之間傳送資料。圖6顯示的電容耦合方法提供相對低成本與低重量的解決方案，其渦電流損耗低到可忽略不計，而且比較不受錯位的影響。這種技術能在各種嚴苛工作環境中以數Gbps的速度進行可靠的資料傳輸，而且不受轉速的影響。電容式滑環通常配合乙太網路現場匯流排進行設計，這類匯流排已經被廣泛用在各種時間敏感的工業應用中。

其他種類介面

除了運用電感與電容耦合機制的非接觸滑環技術外，許多解決方案則是結合兩種機制，並採用像是波導或傳輸線元素組成的耦合結構。另外，還有一些特殊類型的滑環，例如用水銀作為傳導媒介的滑環。

不過這種汞潤濕(Mercury-wetted)滑環對於工作環境具有許多嚴格的要求，而且無法用在高溫環境，因此對於許多工業使用情境而言並不適用。

表1歸納上述所有資料介面技術的頻譜，列出相關特性與功能，因應各種工業滑環應用的典型要求。不過大多數這些傳統技術僅適合短距離的資料傳輸，轉子與靜子上的收發器元件之間必須靠得很近。然而，第四波工業革命對於滑環採用的資料介面，在可組態性、可靠度、以及傳輸速度等方面都有嚴苛的要求，而現有的傳統技術並不一定都能符合上述這些條件。

本文所介紹的是一種採用非接觸技術的新穎解決方案，它克服了其他方法所面臨的嚴苛限制，其為利用電磁毫米波在幅射近場(菲涅爾)與近場區域進行長距離的資料傳輸。這裡介紹的解決方案不僅尺寸精小，且能以低成本為各種滑環應用提供先進微波資料介面，還能結合非幅射旋轉接頭的傳統耦合元素，以更低的成本達到更好的效能。

毫米波資料介面方案

60GHz頻率頻段

低成本微波元件鑄造技術的問市，讓這類產品的市場從以往局限於軍事領域進一步擴展到眾多應用。特別是60GHz毫米波技術越來越受到現今廣大市場的注目，主要因為這個頻帶位於微波頻譜較上層的位置。這個全球免授權、且大多較不壅塞的頻帶可提供最高達9GHz的頻寬，支援高傳輸率，並提供許多短波長載波，促成精小的系統設計，再加上具有高衰減比，因此干擾也較低。這些好處使60GHz技術能吸引許多應用，像是Gigabit級WiGig網路(IEEE 802.11ad以及下一代IEEE 802.11ay標準)；無線回程傳輸、以及高解析影片的無線傳輸(專利型WirelessHD/UltraGig標準)。

在工業領域方面，60GHz技術大多用在毫米波雷達感測器以及較低資料率的遙測鏈路。然而，這個領域的快速進步使得60GHz技術前景大好，而能在各種工業子系統中實現超低延遲的高速資料傳輸。

整合資料介面架構

本文介紹一種新穎毫米波資料介面解決方案，針對工業滑環應用採用60GHz頻率頻帶。目前已有業者，如亞德諾(ADI)提供60GHz整合式晶片組，包含發送器以及接收器，分別顯示在圖7與圖8。這款完整的矽鍺(SiGe)收發器解決方案原本是針對小型基地台回程傳輸產品市場進行最佳化，因此特別適合用來因應工業滑環應用的各種資料通訊需求。這款晶片組的操作頻率範圍為57GHz到64GHz，可透過整合式合成器進行調校，步進頻率為250MHz、500MHz、540MHz，或可透過外部LO訊號來配合目標應用對於特定調變、同調(Coherency)、以及相位雜訊等方面的要求。

此款收發器晶片組支援各種調變格式，包括開關鍵控(OOK)、FSK、MSK、以及QAM，最大調變頻寬為1.8GHz。它提供最大輸出功率為15dBm，並能運用整合式偵測器進行監視。這款晶片組具備彈性的數位或類比IF/RF增益控制、低雜訊、以及可調整的低通與高通基頻濾波器。其中有一項獨特特性讓這款解決方案適合用在超低延遲的工業滑環應用，亦即接收器訊號鏈的整合AM偵測器，其可用來針對如OOK這類振幅調變機制進行解調變。

OOK是一種很熱門的調變方法，其廣泛用在各種控制應用，因為它不需要使用昂貴且耗電的高速資料轉換器，因此用戶可開發出低成本的簡單通訊解決方案。然而，由於OOK系統架構並沒有複雜的調變與解調變階段，因此能提供低延遲的效能，這點對許多工業即時應用非常重要。
除了核心收發器元件外，全雙工滑環資料介面的完整概念還包含天線、電源管理、I/O模組、以及輔助訊號調節等元件，用戶可根據目標使用情境的需求挑選適合的元件。圖9顯示完整60GHz全雙工資料介面解決方案的高階模組圖。這個解決方案不僅能在1GHz以上速度進行超低延遲的高速資料傳輸，而且位元錯誤率低到可以忽略不計。採用適當的天線設計以及增益設定，即可在數十公分的距離進行可靠的通訊，進而針對許多工業情境開發各種滑環解決方案。

分立式資料介面架構

規畫中整合式解決方案的效能足以因應大多數工業滑環應用，但業界的趨勢是朝向現有工業元件，因此可能需要建置更快的資料介面來因應Gigabit速度的要求。在這樣的情況下，我們可運用現有解決方案，並利用各種分立式元件來滿足各種特殊需求。

圖10與圖11顯示了一個完整訊號鏈解決方案，提供一個60GHz資料介面以支援5Gbps以上的資料傳輸率。此款OOK解決方案採用Analog Devices標準RF元件以及基本客製化模組，包含被動元件、匹配電路、短線(Stub)濾波器、偏壓器(Bias Tee)、衰減器、以及其他元件(圖中並未完整顯示所有元件)。

此種分立式方案採用單一偵測系統架構。不過依據各種效能需求，它也能協助實作出超外差(Superheterodyne)架構，在視訊偵測階段之前對射頻訊號進行降轉(Downconverting)。

工業4.0促使著許多技術的改變，其中一項就是工業通訊的變革。第四波工業革命形塑的新應用情境，需要更快、更可靠、更精準的超低延遲資料傳輸，以即時模式串連自動化設備中的各個旋轉零件。本文介紹的整合式以及分立式資料介面解決方案採用毫米電磁波在轉子與靜子之間傳送資料。規畫中的解決方案不僅提供高速資料傳輸、超低延遲、小到可忽略不計的位元錯誤率、干擾抑制力、以及免維護等特性，還能承受更大幅度的錯位，以及在更長距離進行傳輸，讓各種滑環組件因應工業應用持續增加的需求。

(本文作者為亞德諾應用工程師)