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輻射測試簡介​

輻射測試簡介：保障電子元件於太空環境中的可靠性 隨著低軌道衛星與太空科技的興起，電子模組在太空環境中的可靠性變得極為重要。輻射測試成為評估元件能否在高能粒子輻射條件下穩定運作的關鍵手段。本文將簡介輻射測試的兩大類型：總電離劑量（TID）與單粒子效應（SEE），並說明其測試流程與實務考量。

為什麼要做輻射測試？​

太空環境中充滿來自太陽風、銀河宇宙射線的高能粒子，這些粒子會對電子元件造成以下兩類損害：

累積性損害（TID）：長期照射導致元件性能劣化。

瞬間性擾動（SEE）：單一粒子撞擊即可能改變電路行為，甚至導致錯誤或損毀。

總電離劑量（Total Ionizing Dose, TID）​

TID 測試主要評估電子元件在長時間輻射暴露後的參數變異。

TID 測試流程 元件選定：選擇代表性 IC（如 FPGA、電源管理晶片等）。

預測劑量：根據衛星軌道與任務時間估算總劑量（單位：krad）。

照射設備：使用 Co-60 γ 射線或 X-ray 管進行長時間照射。

功能測試：在不同劑量下量測元件關鍵參數（如增益、功耗、邏輯功能）。

退化分析：觀察偏移、閘極漏電流增加等現象。

注意事項 測試期間元件可維持供電以模擬實際狀況。

TID 效應多為不可逆，需考慮冗餘設計或使用抗輻射元件。

單粒子效應（Single Event Effects, SEE）​

SEE 測試模擬單一高能粒子撞擊導致邏輯翻轉、鎖死或毀損。

SEE 類型 SEU（Single Event Upset）：暫時性錯誤，如記憶體 bit 翻轉。

SEL（Single Event Latch-up）：造成電流暴增，可能導致損壞。

SEB / SEGR：在功率元件中可能造成瞬間崩潰。

SEE 測試流程 粒子源：常用重離子或質子加速器（例如 NASA 或 CERN 相關設施）。

預備系統：搭配遠端控制平台記錄即時錯誤事件。

注束角度/能量掃描：找出元件最脆弱條件。

錯誤紀錄與分析：量化錯誤率、臨界 LET 值（Linear Energy Transfer）。

設計對策 ECC / CRC 檢查與修正機制

電路冗餘設計（如 Triple Modular Redundancy, TMR）電路冗餘設計（如 Triple Modular Redundancy， TMR）

閘極電壓控制避免 SEL

實務考量與測試計畫規劃 進行輻射測試前應涵蓋以下幾項：

選件流程：考量性價比、元件封裝與軌道預期劑量。

測試分階段：先 TID，再進行 SEE。

測試報告與驗證資料保存：作為設計驗證與認證依據。

模組層級整合測試：非僅單晶片，需測試整體系統容錯性。

脈絡​

無線掃描技術的發展始於19世紀末，當時透過高增益天線創造出固定窄波束。到了第二次世界大戰期間，雷達技術的發明使高增益天線能夠旋轉，以機械掃描波束，實現360°全方位覆蓋。

為了消除機械旋轉、提升設備壽命並加強多目標追蹤性能，PESA（被動電子掃描陣列）技術於1960年代誕生。自1980年代起，隨著高頻半導體技術的逐步成熟，各種AESA（主動電子掃描陣列）技術相繼發展。

儘管新一代的無線掃描技術比早期技術更加複雜，但其系統性能（探測距離、解析度、追蹤能力與可靠性）隨著世代更迭而大幅提升。下圖展示了無線掃描技術（雷達）的發展歷程，包括架構簡介、技術里程碑及市場挑戰。

運作​

相位陣列（Phased Array）是一種透過調整天線元件的相位來控制電磁波方向的技術。相較於傳統的機械式天線轉向方式，相位陣列可以透過電子控制來快速改變波束方向，提升系統的靈活性與可靠性。

相位陣列的核心概念是利用多個天線元件組成天線陣列，並透過個別調整各天線元件的相位，使得電磁波在特定方向產生建設性干涉（constructive interference），而在其他方向則產生破壞性干涉（destructive interference），進而實現波束的電子掃描。其數學模型如下：

$$\Delta\Theta = \frac{2\pi d \sin\theta}{\lambda}$$

其中：

• $d$ 為天線單元間距
• $\lambda$ 為波長
• $\theta$ 為波束指向角度

此相位調整機制允許系統透過改變各天線單元的相位來動態調整波束方向，而無需物理移動天線結構。

應用​

軍事與雷達應用​

相位陣列技術最早應用於軍事雷達，如現代艦載雷達、預警機雷達（如 E-2D）、愛國者飛彈防禦系統等。其優勢包括：

• 多目標追蹤能力強：可以同時監測多個目標，適用於防空與導引系統。
• 快速波束轉向：可瞬間改變掃描方向，提升反應速度。
• 抗干擾能力強：可調整波束形狀以減少敵方干擾影響。

5G 與無線通訊​

在 5G mmWave（毫米波）通訊中，相位陣列技術可實現波束成形（Beamforming），提升數據傳輸效率。應用場景包括：

• 基地台天線：用於 5G Massive MIMO 技術，提高信號覆蓋範圍與傳輸速率。
• 衛星通訊：LEO（低軌道衛星）通訊系統中，相位陣列可實現精確的波束控制，提升鏈路穩定性與頻譜效率​
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自駕車與雷達感測​

• 毫米波雷達（mmWave Radar）：相位陣列應用於自動駕駛車輛的感測系統，可實現 360° 環繞偵測，增強安全性。
• 醫療影像：超聲波相位陣列用於醫學影像，如高解析度超音波掃描，提高診斷精準度。