2020年1月21日 星期二

新竹國泰醫院 醫學美容中心 PICOSECOND 皮秒雷射體驗

        iPhone的相機效果一直都很穩定,我覺得最主要是白平橫控制真的很穩,對現場的光線與顏色都不錯,大部分時候都很好用,但有時候自拍的時候臉上的斑點就很明顯,每次都要再用修圖的APP例如美圖秀秀在處理過一次。
iPhone X直出

        雖然我內心深處一直鄙視這種行為,但說實在的修過真的比較好看,所以在尾牙抽到資深副總獎就覺得去打個雷射除斑,因為脖子上面還有兩顆痣想要處理掉,長在脖子正後方,有時候穿比較硬的衣服時候會刮掉很痛,但這個需要動刀,所以一般的醫美診所或皮膚科診所其實是不能處理的,所以就直接去醫院的醫美中心,加上我太太也很好奇這裡的皮秒雷射要多少錢?
美圖秀秀
        20200114 早上請了個假去了新竹國泰醫院,醫美中心在二樓,9:30 二樓門診是就塞滿了人,醫美中心來的時候還沒有其他人,裡面空間明亮,瞬間感覺有點怪怪的,不像是來醫院的感覺,因為是採預約制,所以也不用等。

皮秒 vs 傳統雷射

        因為痣需要動刀,即使是小手術也是要約下次開刀時間,但臉部雷射決定就可以馬上做,醫生有稍微解釋一下皮秒雷射跟一般雷射的差異,網路上也是很多介紹文章,但簡單說就是皮秒雷射沒有傷口,不需要貼人工皮照顧,打完可以馬上用清水清潔沒關係,但是有一好就沒兩好,可想而知效果就沒有一般傳統美白雷射效果來的好,皮秒雷射可能需要2-3次以上的療程才會好,所以價格也就是2-3倍,醫生也沒有特別推薦就把優缺點講一講讓你自己考慮一下。

https://www.discoverypicotw.com/
        皮秒這個名詞對工科的人有點陌生,但如果寫成是英文picosecond pS這就應該很耳熟,而且除斑雷射其實在日常生活很常見:
例如755 ~ 1064nm在光譜上屬於Infrared IR (紅外線或遠紅外線),像是紅外顯熱顯像儀就是每次回國架在海關看你有沒有發燒的那台儀器,或是有去中醫復健也有類似的遠紅外線加熱,就感覺熱熱刺刺的那台機器。
532nm其實在光譜上就是用綠到黃光之間,694nm就大概橙到紅光之間,依據不同的色素沉澱可以選擇不同的雷射來達到最佳的除斑效果,但這個不是說你拿著綠色投影筆或紅色投影筆自己照舊有用阿,你要能產生瞬間1GW的功率,也就是1000000000W九個零不是開玩笑的,看看微波爐也大概就1000W左右。


價格

        我水母有特別交代我要問清楚"整臉的價格"是多少,我後來也問了一下醫生傳統與皮秒的價格,我看他在那邊數阿數也不知道在數什麼,但我覺得有點類似自助餐阿姨算錢的感覺,就說這樣皮秒的話6000,傳統的話5000,所以這裡的價格跟外面醫美診所的報價不太一樣,這裡比較是看狀況與施工範圍來決定,每個人的狀況不一樣整臉的價格我想也不會一樣吧。
        塗了麻藥約40分鐘後就可以打雷射了,過程大概15分鐘做又就結束了,左臉的斑面積比較大也比較明顯,打完後就明顯有黑青的痕跡,會有點辣辣刺痛,有點類似輕微燒燙傷的感覺,但想想也應該是燒燙傷啦。

剛打完很像燒燙傷


效果

        一個禮拜左右皮膚會類似燒炭傷般結痂,中間的過程只需要塗抹防曬乳與清水清潔即可,記得不要太大力避免結痂脫落造成擦傷的效果,最後我覺得效果還蠻不錯的,一個禮拜的時間就可以恢復,這樣以後上傳照片可以不用在開修圖軟體大幅降地不必要的時間多出的時間可以多陪陪小孩寫功課,多看幾本書。
        新竹國泰我覺得還可以,可能是醫院的關係,所以約診他也沒有推銷你後續要買什麼課程,就你想要處理什麼,醫生評估給出一些方案讓你選,我覺得很適合園區上班族想過年裝扮一下迎接新年但又怕走進去被強迫買一推美容課程之類的。



      

2020年1月16日 星期四

射頻工程師的小房間: 遮罩室Shielding Room, 射頻接地你接對了嗎?


        身為一個射頻工程師的對於自己生活的地盤射頻實驗室 RF LAB”裡面的設備應該都是非常熟悉,例如萬用點表[1] 、網路分析儀、頻譜分析儀[2]、綜合測試儀等等,而大部分的實驗都會在遮罩室Shielding Room或用隔離箱Shielding Box進行,因為現在空氣中可以說射頻訊號無所不在,基地台與手機的互相溝通的訊號,路由器WiFi設備,穿戴裝置,還有隔壁茶水間微波爐也在發射微波訊號[3],別人的訊號就是自己的雜訊,任何實驗最重要的是要確定實驗資料有重複性Reproducibility,不能測到競品有desense問題很高興跟市場部提了這件事情,但後來卻發現發現原來是有人在茶水間用微波爐加熱食物微波訊號洩漏出來的干擾。

 

遮罩房Shielding Room/遮罩箱Shielding Box

        遮罩房Shielding Room或遮罩箱Shielding Box是一個密閉導體的空間,電磁波因為金屬牆導致訊號無法傳送到外面,相同外面的訊號也無法傳送到裡面,避免訊號的干擾。但實驗過程需要把控制訊號與電源接到代測物(DUT),所以部分遮罩面需要開一些槽讓這些電源或訊號線連結到遮罩箱內部,但開孔隔離度電磁波不會從這些開孔洩漏出去嗎?



 

        下面舉一個實驗室較常看到的遮罩箱的錯誤用法,有個新進菜鳥射頻工程師小帥被指配測試驗證接收機靈敏度(Receiver Sensitivity),公司前輩有特別強調必須在沒有沒有干擾訊號的環境下進行,所以實驗一定要在遮罩房或遮罩箱裡面進行,這時候小帥因為遮罩箱都被其它資深員工佔用,但主管指定的時間又快到了,突然看到角落放著一個遮罩箱沒人用,但看起來好像少了個配件側面有個口開,但小帥以他的專業知識,知道為了避免干擾還特別拿了很多銅箔把這個開孔封的扎扎實實



 

        老前輩路過看到小帥的實驗環境,跟小帥說你這樣不行,前輩用他的Apple Watch iPhone測試給小帥看看這個實驗環境為什麼不行,前輩把iPhone放入隔離箱內裡面然後關起來。

 



 

        這時候檢查 Apple Watch還是與iPhone連線狀態,並沒有斷線而且整個連線還挺順的,雖然不能量化實際連線的訊號品質,但可以確定射頻訊號(Bluetooth 2.4GHz)還是可以順暢的通過這個遮罩箱。

 

訊號洩漏與接地Shielding Room Leaky and Grounding

        到底發生什麼問題呢不是已經用銅箔把洞都包起來了,怎麼收訊還這麼好,原因其實跟進長隧道還能聽到調頻廣波FM與行動電話還能撥通很類似,大部分的長隧道會有所謂的漏波電纜Leaky Coaxial Cable [4][5],會故意在電纜的接地面Ground Shield上挖特定的孔洞讓電磁波洩漏出來,小帥用銅箔密封的方式,在某些結構上也類似漏波電纜的結構。





        前輩把射頻訊號線RF Cable抽出來再測試一次,這時候還有一個約1cm左右的孔徑並沒有特別在用銅箔封好,此時手機放在遮罩箱的任何位置也無法建立連線,小帥內心覺得困惑,這樣有個洞怎麼電磁波不會從這個洞口洩漏出來嗎

 

 



        把剛剛的結構放大觀察,可以看到因為射頻同軸訊號線RF cable最外面是一層絕緣層,所以無論銅箔封的多緊,射頻同軸訊號的接地金屬殼(ground shield)沒有與遮罩箱的金屬外殼接在一起,這就會變成類似漏波電纜開槽的天線結構, 會把射頻訊號從遮罩箱輻射到外面反之也會把外面干擾傳遞到遮罩箱內。

   



        所以正確的做法是類似以下的,要把射頻同軸線的絕緣層剝除與遮罩箱的金屬接在一起,這時候訊號會被限制在同軸線內部傳遞,訊號路徑確認後就可以在路徑上在透過串接適當的濾波器來避免不要得訊號干擾待測物。

 





        所以專業的遮罩箱都會設計不同IO介面對應的濾波器模組,所以下次不要在想隨便拿廠商送的餅乾鐵盒自己DIY了,餅乾吃一吃鐵盒拿來裝樣品就可以了,不要以為是鐵盒就可以當遮罩箱。

 



 

量測射頻銅管接地位置影響RF Coaxial Cable Grounding Effectiveness 

        類似的問題也會出現在一些除錯的過程,例如項目在進行的時候才會出現一些不如預期的狀況,身為一個射頻工程師會拿著銅管RF Coaxial Cable分段量測訊號品質(EVM, ACLR etc),頻譜雜散(Spruisou Emission)與穩定性(Stability)[6]與帶內與帶外阻抗,但在除錯的過程上經驗稍微不足的工程師小帥會忽略了射頻接地(RF Grounding)的影響,並不是萬用電錶電筆會嗶嗶叫就是接地有接好



 

        雖然射頻銅管RF Coaxial Cable外圈都是金屬接地面ground shielding,如果訊號是幾十MHz的可能還好,但通訊用的射頻頻率從Band 8 900MHz到高頻Band 41 2600MHz甚至更高的n77/n79WiFi 5G頻段都到了5GHz,頻率越高寄生(parasitic)的電容於電感影響就會更顯著,例如電感的等校阻抗為:

Zind = j2π*(frequency)*(inductance)

頻率低的時候Zind幾乎等於零接近短路,但頻率高的時候Zind就會變的非常有感覺,銅管接地位置可以用等校LC電路來描述,例如下圖如果接地參考點與待測物DUT參考點有段距離,物理模型上就會多出一段寄生電感(parasitic inductor),這個會導致量測的狀況與實際工作狀況不一致,所以務必要清楚自己處理的狀況的頻率與接地影響避免影響整個問題分析結果。



 

隔離室的窗戶開孔Shielding Room Opening

       剛剛有提到漏波電纜與開孔的問題,有些遮罩間如下圖是會設計有類似下面蜂巢的窗戶,這個除了可以保持空氣流通外,如果有人加班在隔離室做實驗,整個密閉久了其實有點恐怖,尤其如果晚上遇到隔離室的門把壞掉,有個窗戶還可以抒解緊張情緒要大聲求救也才有機會有人聽到。



 

        剛剛不是討論到漏波電纜是在接地面上適當的開孔,讓電磁波可以洩漏出去,那遮罩間弄了這個窗戶電磁波不會洩漏出去嗎?電磁波是否會洩漏出去隔離度與窗戶的開孔大小與深度有關,這個開孔越小(gap)與越深(depth)對電磁波隔離度就越好,其實遮罩間設計也是挺有學問的有興趣的朋友可以參考[7],當然整個封起來是最沒有爭議的了,但如果裡面儀器運行還是需由空調管道調整遮罩房內部空氣與溫度,所以無論如何是一定需要開孔的。  

 

 



        實際工作上遮罩房會一直有人進進出出,所以大部分公司會在隔離房裡面在放弄個隔離房或隔離箱,第一層遮罩空間同常就會進行一些初步的,例如在解desense找到一個神奇的銅箔貼法,解決了被干擾頻道先不要太開心,除了要完整頻段與頻道靈敏度外,也要檢查全部射頻指標,避免解決了問題A卻引起問題B,但以為問題解了就定版送認證結果測了幾個禮拜才發現問題那就GG思密達了,因為完整測試會花上不少時間,為了測試過程又引進不必要得雜訊,所以在把物件放到第二層隔離房或隔離間裡面,透過電腦測試程式確定整個環境遮罩後才開始測試驗證收集資料。

 



參考文獻

[1] 既熟悉又陌生的數位萬用電錶Multimeter, 從萬用表規格1999顯示、35/6位元數認識A/D類比數位轉換bits關係,複習一下OP積分器與積分型ADC工作原理 - MacGyFu的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/644406686

[2] 頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)時域量測(Time Domain)/零頻寬Zero Span是在量什麼? 跟示波器量的東西一樣嗎? - MacGyFu的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/659742377

[3] 射頻微波爐RF Solid State Microwave Oven與傳統磁控管(Magnetron)微波爐 - MacGyFu的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/16530703637

[4] Jinxi Guo, Yang Liu, Xiucao Han, D. Li, “Research on attenuation model of the communication leaky coaxial cable”, Research on attenuation model of the communication leaky coaxial cable

[5] Long-Distance and Low-Radiation Waveguide Antennas for Wireless Communication Systems inside Tunnels

https://www.intechopen.com/chapters/72088

[6] 功率放大器穩度性測試方法PA Stability Testing Method - MacGyFu的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/890380749

[7] Design Techniques for EMC – Part 4 Shielding

https://www.nutwooduk.co.uk/archive/keitharmstrong/design_techniques4.html

 

2020年1月4日 星期六

RF Power Amplifier 動態負載Dynamic Load Line 與Load Pull 等功率圓 Power Contours

        談到射頻功率放大器(RF Power Amplifier)大概都會講到這本書PA聖經[1]Steve C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications.,或從這本書中延伸出來的內容,但有時候在閱讀的時候作者本身懂太多,有時候會突然說因為A然後B最後得到.....Z!!!! 中間的C, D, E都不見了,有時候讀覺得應該是這樣,一陣子後就會覺得怎麼會這樣,一直循環下去,想說趁覺得應該是這樣的時候把一些點寫下來。

        射頻功率放大器都會講到負載線理論(Load-line Theory)Load-Pull等輸出功率圓(Power Contours),會解釋上大多會用Pure Resistance Load純實部負載當作例子,如下圖讀過的都不陌生一個直線的負載線Rload,但在看其他的文獻的時候常常會出現動態負載(Dynamic Load Line)這種非直線的橢圓形負載線(elliptical IV trajectory)[2][3][4][5],每次看都會覺得恩恩就這樣啊但真的往下想就很容易卡住。


Complex Load 電流與電壓的關係     

        要解釋為什麼Dynamic Load會是橢圓形或到底是順時針轉(Clockwise) 還是逆時針轉(Counterclockwise)就要先複習一下電容與電感電流與電壓的關係,詳細的內容當然要回去翻翻電路學的課本或參考EE狂想曲的網誌[5]。

        一個由電阻R、電感L與電容C組成的複數阻抗Complex Impedance都可以寫成表示成以下的式子Z=R+jX, X可以是任意實數,但如果是計算上習慣會用Z=A∠θ表示,所以如果實部阻抗R串聯電感(Series Inductor) jX為正數輸入阻抗會呈現電感性Inductive Load Impedance θ為正,如果是串聯電容(series capacitor)jX會為負數,這時候整體阻抗會呈現電容性Capacitive Load Impedance  θ為負數。

        這時候就可解出電壓,電流與阻抗的三角關係V=Z*I or I=V/Z,但因為是複數阻抗,所以當jX為零的時候也就是一個純實部阻抗(Pure Resistance),電壓與電流會同相沒有相位差,也就是θ=0。

Inductive and Capacitive Load Impedance IV Curve

        如果是電感性負載jX X>0的條件,因為Z=A∠θ 為正,所以I = V/A∠-θ 所以一般會聽到電流I比電壓慢θ,如果是極端狀況純電感性負載Inductive load impedance也就是R=0的條件,θ = -90 deg, 也就是電流比電壓慢90度 current lags voltage by -90,下圖是一個實際模擬例子,負載為一個實部阻抗R = 1 並聯一個160nH, 訊號源為1kV的正弦波訊號,所以等校上jX = j1. 這時候可以看到IV curve,電流的峰值peak會lag 45deg。





        電容性負載Capacitive Load Impedance則與上面相反,如果是一個正弦波訊號電流的peak會比電壓的Peak提前θ發生(current leads voltage by θ) ,如下圖例子串聯160uF電容,在1kHz會等於Z= 1-j1。



Dynamic Load Line Trajectory

        複習完Complex Load IV Waveform,我們就可以來觀察Dynamic Load Line為什麼從一條線變胖變圓成一個橢圓軌跡,先來定義一下什麼是Dynamic Load Line 動態負載線,從[4]的說明檔"The dynamic load line measurement is used to plot the dynamic I-V trajectory on a rectangular graph."。講白一點就是把Time Domain I and V Waveform 轉換到 IV Curve (IV Constellation),有點類似EVM IQ constellation一樣。

        所以一個純實部(Pure Resistance)的動態負載線會沿著R直線移動,而且相同電壓會對應到相同的電流,也就是下圖point 2, 4是相同電壓點,對應到的電流也會相同。

             

        我們以剛剛的電感負載Inductive load impedance 為例子,在Time Domain IV curve上面標出1, 2, 3.....9個點的相對位置,這時候可以發現V1 = V5, V2=V4, V6=V8這幾個點電壓相同但是電流卻不相同,依序把每一點標示在IV Constellation劃出軌跡,這時候我們會得出一個順時針橢圓形的動態負載曲線Clockwise Elliptical Dynamic Load Line,當然如果負載本身是電容性負載Capacitive Load Impedance就會得到逆時針動態負載線。

        以上是A類放大器的例子,一些更進階高效率的放大器例如Class F IV Curve or Inverse Class F會長的更奇怪一些,有興趣可以延伸閱讀Qorvo的這一篇文章[6],另外Class F真的很特別,下次再來複習吧。

Smith Chart 簡單概念

        在提到Load-Pull Power Contours前,為了避免有路過的朋友不知道什麼是Smith Chart所以先簡單提一下,Smith Chart是個座標工具,剛剛有提到任意阻抗都是由一個實部與虛部組成Z=R+jX,所以我們可以用一個二維的笛卡兒(Descartes)座標軸上劃出任意阻抗,但射頻功率很常要處理阻抗匹配,比方說電感inductor 在低頻的時候X會為趨近0, 但高頻的時候會趨近無窮大∞,所以我們用一般的笛卡兒坐標系不容易描繪,Smith Chart透過阻抗轉換讓0到無窮大∞壓縮到一個圓形坐標系,每個圓是個等實部圓,所以在同一個等實部圓上面移動Z=R+jX的R是固定不變的。




Load Line Theory Boundary Condition 

        負載線理論當中很重要的一個假設是電壓V與電流I有其上下限Vmax, Vmin, Imax and Imin,在這個負載上面無論的電壓與電流都會限制在這個邊界裡面,所以我們假設下面一個例子,Vmax=4V, Imax=10A, Vmin與Imin都為0,這時候我們可以計算出最佳的Ropt=0.4Ω,此時的功率輸出為P=IxV=4x10A=40W。

R < Ropt

        如果負載除已一個係數𝛼=2, 這時候負載會變小成為0.2Ω,因為不能超過Vmax or Imax, 所以當負載比最佳負載Ropt來的小的時候Rlo < Ropt電流會先到達Imax, 這時候我們可以算到電壓大小為V=IxR =10x0.2=2V, 會比原本4V來的小,所以功率輸出只剩下20W。
        如果這時候在串聯虛部阻抗jX,此時輸入端的的阻抗會變成Z=R+jX=A∠θ,所以最後的A>=R,也就是輸出端點的電壓振幅會等於Vmag=I x A, 電壓Vmag會一直增加一直增加直到....頂到Load Line的邊界為止也就是Vmax,所以我們可以得到一個邊界條件Xmax如下。



        此時的最大功率電流的變界會先到達Imax,所以最後網路要滿足KCL定律,流過實部阻抗R的電流也是Imax,所以最後整個網路消耗的功率會與實部阻抗R的乘積,所以在R±Xmax的軌跡內,最大功率輸出都是20W, 注意這裡是Psat並非Gain。

        那jX一直增加超過Xmax的時候會怎樣? 這時候Imax就無法再維持住,因為Voltage Swing  V振幅在電流還沒增加到Imax之前,Vmag = I x A就會先頂到Vmax,所以這時候功率會開始變小 < 20W,無法再維持20W的輸出功率。


R > Ropt

        這時候如果負載變成原本的兩倍 Rhi = 𝛼 x Ropt = 0.8Ω,這時候結果就會與R < Ropt的結果相反,這時候電壓會先頂到Vmax的邊界,所以這時電流Imag= Vmax x G, 所以計算過後功率大小也會剩下20W, 這個結果與Rlo的結果一樣,所以當Ropt有了,決定一個係數𝛼,可以得到兩端點的功率分別都會下降𝛼倍。

        Smith Chart在剛剛提到有等實數阻抗圓外,另外一個阻抗的標示法是導納Z vs Y,這兩個其實就是一個互為導數的關係,但在處理並聯的情況下會比較容易,用法就如同等阻抗圓一樣,當並聯一個電納jB會沿著等導納圓移動,另外jB的正負號會跟jX軸相反

        這時候我們可以用一樣的方法計算出Bmax,當B增加等校的Y = G+ jB =A∠θ A振幅會增加,也就是流入網路的電流會增加,但最後一樣會等到Load Line的邊界條件Imax與Imin, 所以我們可以計算出Bmax的邊界。

        所以在Y=Ghi+jB這個軌跡上面,jB往上走到-jBmax往下走到+jBmax這個區間內,電壓的振幅Vmag會先頂到邊界,所以在這區間實際消耗在實部G的功率都會等於20W.

Closed Curve?

        剛剛計算兩個等功率點的曲線Ropt 𝛼與1/𝛼 會分別壓到負載線的電壓與電流的邊界,但計算到最後這兩個點是否會相等?

        Z與Y是互為導數的關係,把剛剛計算的結果算出來可以知道最後Rlo+jXmax與Ghi+jBmax邊界會是同一點,最後形成一個封閉的曲線,也就是在這個曲線上面,功率輸出都是相同的。

        今天Power Amplifier Load-Line Theory就到複習到這裡了,這次複習其實還聯想到Load-Pull的頻率響應影響,因為以上的討論與計算都是用Z=R+jX虛部阻抗,但實物上如果是一個LC的匹配網路,以電感為例jwL本身 Z(w)會有頻率響應,在現在通訊頻寬動不動就20MHz, 甚至到100MHz,這會有另外一個小問題就是頻寬頭尾的阻抗可能會差異很大,另外還有延伸Class F Power Amplifier Harmonics Impedance Waveform Shaping與效率的問題。     

Reference 參考文獻


[1] Steve C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications.

[2] Andrei Grebennikov, Nathan O. Sokal, Marc J Franco, Switchmode RF and Microwave Power Amplifiers. Page 17.

[3]  Fadhel M. Ghannouchi, Mohammad S. Hashmi, Load-Pull Techniques with Applications to Power Amplifier Design, Page 4.

[4] NI Microwave Office Guideline, I-V Dynamic Load Line: IVDLL,

[5] EE狂想曲, 電容和電感的電壓電流關

[6] Dr. Larry Dunleavy,  Qorvo, Model-Based GaN PA Design Basics: The What and Why of Intrinsic I-V Waveforms

熱門文章