商用GPS射頻前端模組積體電路應用於太空環境之輻射照射測試探討

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研究生：	林志陽 Chih-Yang Lin
論文名稱：	商用GPS射頻前端模組積體電路應用於太空環境之輻射照射測試探討 A Study of GPS RF Front End IC COTS Component Application in Space Radiation Environment
指導教授：	高維文 Wei-Wen Kao
口試委員:	陳亮光 Liang-Kuang Chen 張浩基 Hao-Chi Chang 林志勳 Chih-Hsun Lin
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工程學院 - 機械工程系 Department of Mechanical Engineering
論文出版年：	2012
畢業學年度：	100
語文別：	中文
論文頁數：	92
中文關鍵詞：	商用等級之現貨組件、游離輻射、總游離劑量、美國軍規標準、射頻前端元件
外文關鍵詞：	Commercial-Off-The-Shelf, COTS, ionizing radiation, Total Ionizing Dose, TID, US MIL-STD, RF Front End, RFFE
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上一筆

在日漸普及與依賴全球定位系統（Global Positioning System, GPS）的今日，其在小型實驗型之衛星導航與相關衍生應用科學上亦已成為一個極具吸引力的研究主題。然而符合太空等級的GPS接收機，其成本亦往往令人咋舌。因此，如何利用現今之商用等級之現貨組件（Commercial-Off-The-Shelf , COTS），在經過一連串太空等級之各項環境測試與篩選等程序，使之成為一合格且符合合理成本考量下之太空等級產品，則不失為一可行且務實之變通辦法。
其中，太空環境條件對電子元件之影響與一般大氣環境最大的差別條件之一則是游離輻射（ionizing radiation）。而也基於太空輻射環境之限制考量下，對於一般商用GPS元件欲應用於太空飛行者，亦勢必要對其進行一連串之總游離劑量（Total Ionizing Dose, TID）輻射照射測試。
基於上述理由，本文將先對於太空環境以及其對於半導體電子元件可能造成之效應與影響作一了解後，再參考美國軍規標準MIL-STD-883G Method 1019.4 ，針對不同之GPS之前端射頻元件（RF Front End, RFFE）執行不同程度之總游離劑量（Total Ionizing Dose, TID）輻射照射測試，並比較有無遮蔽保護條件下之實驗結果進行比較分析，藉以驗證其在輻射環境下之性能、可靠性與存活率。

Today, the growing popularity of global positioning system (GPS) application has become more and more attractive topic for both scientific and navigation experiment onboard a small satellite project. Due to space qualified GPS receiver is always beyond economic budget constrain. Therefore, how to utilize the current stock of commercial grade components (Commercial-Off-The-Shelf, COTS) to going through a series of space level of the environmental testing and screening procedure(s), is considered a practical approach under a reasonable cost.
Especially space ionizing radiation environment is the most different between normal ambient application case. Therefore, the Total Ionizing Dose(TID) will be conducted and analyzed to evaluate the space application potential or capability of general commercial GPS component.
For the above reasons, this study will understand the space environment conditions and associated effect on semi-conduct electronic component first, then reference the MIL-STD-883G, Method 1019.4, to conduct a different GPS Radio Frequency Front End component under different level of Total Ionizing Dose(TID) exposure with different shield effect tests, in order to verify its performance、reliability and survival in a radiation environment condition.

摘  要	IV
ABSTRACT	V
誌      謝	VI
第一章、	緒論	1
1	前言	1
2	研究動機	1
3	文獻回顧	3
4 論文架構	3
第二章、	太空環境與電子元件規格介紹	5
1 電子儀器與設備在太空環境的特殊考量	5
1.1 自身內部效應 –	5
1.2 外在環境效應 –	6
2 太空輻射環境及各種輻射效應簡介	10
2.1 捕捉粒子環境（Trapped Particle Environment）–	11
2.2 暫態輻射環境（Transient Radiation Environment）–	12
3 電子元件之輻射效應	14
3.1 總游離劑量累積效應（Total Ionizing Dose, TID） –	15
3.2置換損害（Displacement Damage）–	17
3.3 單次事件效應（Single Event Effect, SEE）–	19
4 太空規格與軍用標準電子零件	22
5 商規電子元件於太空之應用	25
第三章、	全球定位系統簡介與應用	27
1 概述	27
2 全球定位系統架構說明	27
2.1 太空部份 –	27
2.2 地面部份 –	28
2.3 訊號部分 –	29
3 GPS導航定位系統特點	29
4 GPS的基本定位原理	31
5 GPS導航定位系統的應用	32
第四章、	全球定位系統導航接收機	35
1 GPSR基本架構與工作原理	35
2 射頻前端模組介紹(MAX2769 & GRM6510)	38
2.1 MAX2769 通用型全球定位系統接收器	39
2.2 GRM6510多功能全球定位系統接收器射頻前端接收模組	43
第五章、	輻射照射測試參考規範與說明	46
1 目的（Purpose）：	46
2 定義（Definitions）：	46
3 裝置（Apparatus）：	47
4 測試步驟（Procedure）：	49
4.1 樣本選用及處置（Sample selection and handling）：	49
4.2 燒機（Burn-in）：	49
4.3 輻射劑量測量儀（Dosimetry measurements）：	50
4.4 鉛/鋁屏蔽容器（Lead/Aluminum (Pb/Al) container）：	50
4.5 輻（照）射程度（Radiation level(s)）：	50
4.6 輻射率（Radiation dose rate）：	51
4.7 溫度條件（Temperature requirements）：	51
4.8 電性能量測（Electrical performance measurements）：	51
4.9 測試條件（Test conditions）：	52
4.10 輻射照射後測試程序（Post-irradiation procedure）：	53
4.11 金屬氧化物半導體加速老化測試（MOS accelerated aging test）：	54
4.12 測試報告（Test report）：	56
5 總結（Summary）：	56
第六章、	輻射照射測試	59
1 測試設計與規劃	59
2 測試準備與執行	66
3 測試結果與分析	70
3.1 元件測試結果比較分析	70
3.2 綜整比較與討論	79
第七章、	結論與未來展望	86
1 結論	86
2 建議	87
3 未來展望	88
參考文獻	90
作者簡介	92

                                

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[7]http://www.wired.com/wiredscience/2007/07/no-link-between/

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[10]http://www.phys.ncku.edu.tw/~astrolab/mirrors/apod/ap990915.html

[11]Holmes-Siedle A. & Adams L.”Handbook of Radiation Effects”, second edition, December, 2000, ISBN 978-0-19-850733-8
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[19]http://www.aero.org/capabilities/seet/SElatchup.html

[20]http://www.tsl.uu.se/radiation_testing/tsl_see.html

[21]http://xquality.blogspot.com/2008/08/mil-std-105e.html

[22]http://en.wikipedia.org/wiki/Defense_standard

[23]http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1406010415245

[24]http://www.mdc.idv.tw/mdc/navy/usanavy/E-Aegis-cots.htm

[25]http://www.nearson.com.tw/mis/uploads/1107252003409.pdf

[26]徐紹銓、張華海、楊誌強、王澤民編著 ”GPS測量原理及應用”
[27]鄧雅群, “GPS之VMS即時動態定位精度分析”, 碩士論文, 國立成功大學地球科學研究所, 台南 (2006)
[28]張勤、李家權編著 ”全球定位系統（GPS）測量原理及其數據處理基礎”
[29]MIL-STD-883G Method 1019.4 “Ionizing Radiation(total dose) Test Procedure”, Dec. 31, 1996, Department Of Defense, U.S.A.

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