円通科技 陳文江總經理

台灣非常適合投入於衛星通訊產業供應鏈，但衛星端通訊酬載的大小、發射與接收功率均因成本及功耗受限，特別是毫米波頻段，在設計上的困難度與挑戰也隨之越高。

前言

衛星通訊定義為以衛星作為中繼站或是下一階段具備完整收發功能之空中基地台，進行無線通訊信號的轉發或發射／接收的一種通訊方式，以實現與一個或多個地面站／用戶終端和移動接收設備(飛機、漁船、汽車)間的雙向通訊。衛星通訊對於在基礎建設較為落後的國家或地區、或是像郊區、山區、沙漠等等傳統地面通訊基地台較少、網路覆蓋較差的地區、與遠洋漁船海事應用等地面網路難以覆蓋的區域，更是必要而不可少的通訊解決方案。特別是烏俄戰爭以來 透過衛星通訊迅速填補被炸毀的基地台，使得高品質通訊得以迅速恢復與維持，更是將衛星通訊發展提升至有關國家通訊網路韌性，乃至國家國防的至高位置。

衛星通訊系統主要包括位於衛星的通訊酬載、地面接收站、與用戶端設備。地面接收站連接地面網路，並透過衛星傳送或接收資訊給從用戶端設備。如圖一所示：

圖1 衛星通信架構圖

目前低軌道衛星通訊地面接收站上行多採用Ka毫米波頻段，下行則是K頻段，而在用戶端部分，不同低軌道衛星營運商則各自採用不同的頻段。

低軌道衛星通訊發展現況

衛星包括低軌道衛星、中軌道衛星、與地球定位衛星三種。所謂低軌道衛星指的是高度300-1500公里高度的衛星，這個高度的衛星具有較低開發成本、較低傳輸延遲與地面通訊的覆蓋範圍適中的優點，是最適合作為通訊的衛星通訊系統，但維運成本亦較高。但另一方面對於台灣及全世界衛星開發商與酬載開發廠商而言，也代表著較大的商機。加上衛星通訊已發展提升至有關國家通訊網路韌性，乃至國家國防的至高位置，包括台灣在內的各個國家都爭先規劃發射建立自己國家的星系，進一步擴大了衛星通訊酬載的商機。

台灣國家太空中心（TASA）亦規劃發展台灣自己的星系，規劃發射超過60顆以上的低軌衛星。目前規劃的頻段，用戶端上行的頻段同樣為28GHz Ka頻段，下行則同樣為18GHz K頻段。

円通科技（YTTEK）源自於2014工業技術研究院為開發5G毫米波小基站所建立的團隊，以無線通訊系統與軟體定義無線電（SDR）技術為核心，長期專注毫米波無線通訊領域技術的發展，多年來累積了毫米波陣列天線、RF前端、演算法開發、FPGA基頻與網路規約等系統整合之技術能量，致力於為客戶打造更多引領未來的無線通訊系統解決方案，陸續與國內外企業夥伴們共同發展了5G毫米波小基站設備。這幾年更與國家太空中心合作，進行低軌道衛星酬載、地面站通訊機之開發。X頻段之地面站通訊機並於2024年初與福衛五號完成入網測試，成功接收解調與解碼實際由福衛五號發射之無線信號。

圖2 円通科技地面接收機成功接收TASA福衛五號衛星圖

円通科技更於2022年獲得液晶面板大廠友達的投資，並共同致力於車載玻璃天線與車用用戶終端設之開發，針對車用衛星通訊之龐大商機進行合作開發。

圖3 円通科技與AUO合作衛星通訊車用戶端設備CES2024展示圖

毫米波在低軌道衛星通信的機會與設計挑戰

1.衛星通訊標準現況與毫米波在低軌道衛星通信的機會

衛星通信目前尚未有國際標準規範，但移動通信標準制定單位3GPP正著手規劃非地面網路（Non-Terrestrial Networks, NTNs）標準的制定，雖然涵蓋了包括熱氣球、無人飛行載具、低軌衛星等各種高空平台基地台（High Altitude Platform Station, HAPs），衛星通訊仍是其中最受矚目的下一代無線移動通信技術。目前3GPP NTN FR2標準亦傾向用戶端上行的頻段採用28GHz Ka頻段，下行則採用18GHz K頻段，以提供寬頻高速的移動無線通訊，滿足各種多媒體寬頻娛樂的需求。

台灣在網通產業有完整的供應鏈，不管是天線、通訊模組、或是PCB製造等，都有多年豐富的經驗，非常適合投入於衛星通訊產業供應鏈。但由於目前低軌道衛星通訊營運商的設計多為專有規格，目前3GPP NTN僅有針對物聯網應用之國際標準，寬頻無線通訊之標準預計仍需2-3年，也因此台灣目前在衛星通訊供應鏈中，目前多著墨於地面接收站之主動電子掃描陣列（Electronical Steering Array, ESA）、衛星天線集波器（LNB）、PCB…等零組件。円通科技累積超過10年毫米波天線陣列與無線通訊系統開發經驗，目前已開發完成X頻段之衛星通訊酬載與地面接收機，是目前台灣極少數具有衛星通訊酬載與地面接收機設計能量與實績之廠商，將可望為台灣衛星通訊產業建立更完整自主的設計技術能量。

圖4 円通科技X頻段與S頻段通訊酬載與CCSDS地面接收機

2.毫米波陣列天線之設計挑戰

衛星酬載的發射成本主要是以酬載的重量做計價，透過微型化酬載的設計可以大幅降低發射成本。隨著先進半導體製程與精密製造技術的進步，使得小型化衛星的得以具體實現。立方衛星（CubeSat）是指10厘米立方大小的衛星酬載，是1999年由美國加州理工大學的喬迪‧普格— 蘇亞里（Jordi Puig-Suari）和史丹佛大學的鮑勃‧特威格斯（Bob Twiggs）兩位教授共同開發，並且進行一些標準化工作，目前成為有效降低衛星酬載成本的實現方式。 衛星通訊幾百公里甚至幾千公里距離的無線通訊傳輸，其鏈結預算是由以下公式來達成:

TX Power = Path Loss + RX Antenna Gain + RX Power

由於成本的考量與功耗的限制，衛星端通訊酬載的大小、發射與接收功率均受到限制，設計上會儘量降低衛星通訊酬載的發射功率與功耗。通訊品質的保證則是由地面接收站上行的發射端功率（TX Power）或是下行的接收端天線增益（RX Antenna Gain）來達成。這意味著地面接收站需要較大數量的天線單元的天線陣列設計。用戶端設備的天線陣列大小，則會依用戶應用的需求，例如只單純text訊息、音訊、或是要如地面網路一般的高畫質影音娛樂，所需頻寬各不相同，亦將導致所需天線陣列增益不同，也因此所需天線陣列大小隨之不同，當然對於用戶而言，每個月的傳輸費用也會不同。

以EutelSat OneWeb的下行傳輸鏈結預算為例，OneWeb衛星高度為1200公里，假設中心頻率為12 GHz，衛星發射功率為36 dBWi，1200公里對應仰角（Elevation Angle） 45O時最長距離（Slant Length）為1580公里，對應的路徑損耗(Path Loss）為178 dB，若再考慮其他損耗，例如: 波束指向損耗（Pointing Loss）、雨衰（Rain Fading）、與大氣吸收（Atmospheric Loss）等損耗，10MHz頻寬需要至少512-天線單元甚至更大的陣列，才能夠提供夠大的頻寬之基本調變小頻寬傳輸。而隨著所使用頻率越高，雖然所支援頻寬可以越寬，但路徑損耗也越大，相對的所需陣列天線的數目也越大，這也造成1024或是2048天線單元超大天線陣列天線的需求，特別是毫米波頻段，在設計上的困難度與挑戰也隨之越高。

3.用於衛星通訊大型毫米波陣列天線之設計挑戰

透過大型巨量毫米波相位天線陣列形成波束賦形(Beam Forming）提供較大天線陣列增益，來解決高頻傳輸與較遠距離的較大的路徑耗損。 天線陣列天線單元（Antenna Element）的個數越多，所形成波束的半功率波束寬度（Half Power Beam Width，HPBW）就越窄，其陣列天線的增益也越大。另外隨著頻率越高，功率放大器（Power Amplifier, PA）的功率附加效率（Power Added Efficiency, PAE）也會變得越差。功率附加效率（PAE）越差，意味著直流功率（DC Power）只有少數比率轉換成傳送信號功率，其餘的直流功率（DC Power）則是轉換成熱能散逸，造成很嚴重的散熱問題。

另一個使這個問題更加雪上加霜的因素則是大型陣列天線的整合問題。以512天線單元的大型天線陣列為例，以傳統高頻機板材料設計的話，可以以整片基板材料設計512-天線單元，亦可以以例如4-天線單元或是16-天線單元為模組的方式設計，再以模組組合成512-天線單元。但若考慮到良率，則以模組再組合的方式會是較佳的設計方式，不會因某一個或某幾個天線單元在電路板或是打件製造過程的不良，造成整個天線陣列的不良作廢。

圖五為円通科技所設計之1024-天線單元28GHz大型毫米波相位天線陣列，天線單元以低溫共燒陶瓷（Low Temperature Cofire Ceramic, LTCC）材料設計，另外以一般電路基板材料根據1024-天線單元的大小及控制的需求設計多層母板（Mother Board），這樣的設計最大的好處除了大幅降低天線單元之間的耦合 問題，同時亦可大幅降低整個天線列的成本。

圖5 円通科技1024-天線單元28GHz大型毫米波相位天線陣列

結語

目前全球低軌道衛星通訊領域的一系列新發展都預示著一場新無線通訊產業、系統與技術變革即將來臨，衛星互聯網亦已納入世界各國新基建的戰略目標。一方面，需要透過像開發立方衛星這樣的小衛星來降低進入衛星通訊的成本與門檻。另一方面，則是需要培植台灣在太空衛星通訊產業的設計能量，特別是衛星通訊在Ka頻段陣列天線技術與通訊酬載／地面接收站／用戶端設備的通訊系統開發能力，進而建立完整的太空衛星通訊產業鏈與自主產品設計技術。 本文闡述了對衛星通信技術的發展現狀的一些看法，簡要分析並指出了衛星通訊在毫米波頻段陣列天線開發的機遇與設計開發上的挑戰。