工業技術研究院 資訊與通訊研究所 陳煥達 張佑安 陳德銘

工研院研發大型毫米波平板陣列天線模組與自主射頻晶片技術，以及波束追蹤控制與縮距場天線量測系統驗證平台之完整解決方案，可實現應用於低軌衛星酬載之間的握手或是多軌道通訊之多波束複合式波束成型控制。

前言

Beyond 5G（B5G）是繼五代移動通信技術5G之後的下一代，隨著地面5G毫米波技術成熟，開始將28GHz頻段技術應用在低軌道衛星（Low Earth Orbit，LEO）衛星通訊。這些頻段的高頻寬和低延遲特性，使其成為解決地面通信限制的理想選擇。然而在低軌道衛星在600公里高度以每秒接近1度的角速度移動，帶來了衛星追蹤問題。傳統以固定型碟盤衛星追蹤轉動需要額外昂貴與笨重的機械裝置，故需電子式陣列天線達到快速追星的輕便方案。本文將介紹工業技術研究院（以下簡稱工研院）開發之毫米波電子式陣列天線模組與波束追蹤控制技術，整合波束成型晶片（Analog Beam Forming，ABF）與波束追蹤晶片（Digital Beam Forming，DBF）控制複合式波束成型（Hybrid Beamforming）的波束追蹤技術，可在縮距場天線量測系統（Compact Antenna Test Range，CATR）進行天線場型之校正與量測，於衛星發射前進行軌道追蹤驗測。該技術發展將解決國內缺乏自主關鍵模組的問題，並提升產品附加價值與產業生態鏈競爭力。

B5G毫米波低軌衛星在國際市場的應用發展

在1980年代，衛星產業主要由已開發國家主導，衛星製造和發射任務通常由各國政府的國家太空總署執行。然而，自2017年以來，衛星製造和發射成本逐漸降低。例如，美國的SpaceX公司提供商業化衛星發射服務，將成本降低至NASA的十分之一，這大大增加了低軌道LEO衛星的發射數量。

近年來，這一趨勢吸引了更多新興衛星運營商加入，啟動了低軌衛星星系計劃的發射規劃。截至2024年7月，四大通訊衛星業者（SpaceX、OneWeb、Amazon、Telesat）已經發射了近萬顆低軌衛星（如SpaceX 6,686顆、OneWeb 648顆），預計2030前預計將發射超過2.4萬顆衛星。

固定衛星服務（Fixed Satellite Service，FSS）和移動衛星服務（Mobile-Satellite Service，MSS）預計將迎來蓬勃發展，並帶動相關用戶終端設備的市場需求。低軌衛星能夠提供全球範圍內的互聯網接入，特別是在偏遠和難以覆蓋的地區，如海洋、天空或沙漠等5G基站無法部署或布建效益較低的地方。目前，這些服務主要應用於軍用車輛、地面站、控制中心、企業系統和可攜裝備等規模較大的設備；其次是空域，如商用客貨機、軍機、小型民航機和無人機等，雖然市場規模相對較小，但單價極高。

在物聯網（IoT）方面，低軌衛星和毫米波技術的結合，能夠支持大規模的物聯網設備連接，實現即時數據傳輸和監控。衛星物聯網市場雖然量大，但單價較低，適合應用於偵查廣闊範圍、缺少基建的區域，如海上魚場、森林野火偵測和農牧管理等。

自動駕駛方面，毫米波技術的低延遲特性，使得自動駕駛車輛能夠即時接收和處理大量數據，提升行車安全性和效率。例如，百度在武漢投放了1000台第六代蘿蔔快跑無人駕駛汽車，這些車輛搭載了全球首個支援Level 4等級自駕技術的自駕大模型。上市一個月內，該平台已經快速累積到三百萬訂單，預計今年底在武漢實現損益平衡，並在明年全面進入獲利期，這代表蘿蔔快跑將成為全球首個商業化獲利的自駕出行服務平台。未來，隨著自駕車升級到Level 5等級技術，全面移除駕駛座的方向盤，將需要在後端平台預先搭建好車流管理系統，利用低軌衛星的特性實現全面自駕方案，開創真正的無人駕駛與無人送貨的理想世界。

工研院於毫米波陣列天線射頻系統已經布局多年，近年來因應B5G毫米波低軌衛星與6G非地面網路（Non-Terrestrial Networks，NTN）趨勢發展，創新研發大型平板陣列天線模組（Planar Array Antenna），並開發國內自主射頻晶片技術，包含射頻前端晶片、收發機的波束成型晶片、升頻與降頻晶片，及波束追蹤控制晶片，可實現複合式波束成型控制（Hybrid Beamforming），可以產生多波束(Multi-Beam)，可用於LEO酬載衛星之間的握手(Handshake）或是實現多軌道（Multi-Orbit）通訊。如圖1所示，為國內自主研發的國產天線模組架構圖。其中關鍵射頻晶片為工研院研發，委託台灣積體電路公司量產，並且在國內上下整合設計、製作、封裝和測試。可擺脫國際晶片大廠壟斷之局勢，並量產關件射頻晶片大幅降低射頻模組費用，以達成降低衛星通訊使用端之終端售價，提高國內半導體產業產品競爭力。預計在2024年底完成晶片試量生產，於2025年開始穩定出貨。

圖1 自主研發的低軌衛星國產射頻晶片架構圖(a)射頻前端晶片(b)(c)收發機的波束成型晶片(d)(e)升頻與降頻晶片(f)波束追蹤控制晶片

陣列天線模組開發與射頻晶片整合

因應低軌道衛星在600KM近地軌道上快速移動，使用者需要追蹤平均每秒移動大於1度的酬載衛星，為國際B5G低軌道衛星通訊發展的最大挑戰。然而傳統的機械式碟型天線，受限於重量、轉速與體積限制。目前主流低軌衛星通訊沿用5G毫米波通訊所奠定的基礎下，B5G通訊發展天線數量更多的平板陣列天線（ Planar Array Antenna），以因應傳輸距離增加造成的傳輸損耗（Path Loss）。

開發陣列天線的關鍵技術在於射頻晶片，以星鏈（Starlink）的成本估算為例，其中超過四成以上的成本在於射頻晶片上，因此各國在開發衛星通訊，掌握晶片就是掌握技術的關鍵。如圖2所示，國內自主低軌衛星地面端之射頻前端系統為1024天線，故需要16組8X8陣列天線模組，其包含射頻晶片為16顆波束成型晶片與1顆升頻或降頻晶片。由於射頻前端的波束成型晶片使用的數量最多，為解製作成本占多數的費用高達40％，發展國內自主射頻晶片技術為我國當務之急。

為了實現複合式波束成型（Hybrid Beamforming），波束追蹤控制晶片扮演重要的角色。其將來自四個天線模組的基頻訊號，分別經過振福與相位的控制，實現出獨立控制四個小波束。以1024使用者（User Terminal）天線為例，需要配置四顆波束追蹤控制晶片。經過複合式波束成型控制，可以產生16個獨立小波束或是合成1個大波束，可用於LEO酬載衛星之間的握手（Handshake）或是實現多軌道（Multi-Orbit）通訊。

圖2 國內自主低軌衛星之 (a) 射頻晶片 (b) 陣列天線模組 (c)地面端系統

複合式波束追蹤控制技術

毫米波技術在現今低軌道衛星的通訊系統之中，為了補償傳輸路徑損失，採用巨量的電子式陣列天線來建立窄波束並提供足夠的天線增益。其中複合式波束成型（Hybrid Beamforming）的陣列天線架構提供低硬體成本和能耗，並靈活支持多波束（Multi-beam）應用場景，然而如何克服指向性傳輸所帶來的波束對準問題，將成為低軌道衛星地面設備的重要課題之一。尤其在低軌道衛星通信應用不侷限於固定式地面設備而是包含移動式設備時，因低軌道衛星和地面移動載具（如船舶、車輛）耦合運動的複雜性，目標衛星對天線的入射角度變化快速且非線性，導致準確地動態追蹤衛星變得十分困難，無法達到最佳連線的通訊訊號品質。所以解決波束對準問題的波束追蹤演算法將大幅影響低軌衛星通訊系統效能表現。

一般低軌道衛星的波束追蹤演算法分為兩種類別，開迴路追蹤（open-loop tracking）與閉迴路追蹤（close-loop tracking）。前者是基於陣列天線載具姿態和位置，及低軌道衛星軌道與位置預測來粗略估計衛星到達角度；後者則透過接收訊號強度迭代微調天線陣列的權重來實現對低軌道衛星準確的波束對齊（Beam alignment），進一步提高了追蹤演算法的性能。

工研院衛星波束追蹤演算法採用結合開迴路追蹤與閉迴路追蹤的方式進行設計，並實現於陣列天線控制單元（Antenna Control Unit, ACU）硬體模組。演算法首先使用開迴路作法，陣列天線控制單元取得星曆（Ephemeris）、GPS資訊後。如圖3所示，進行LEO衛星軌道預測（LEO satellite orbit determination），由衛星與地面終端的相對位置，計算出參考天線面之天線指向角度；接著搭配IMU sensors所回傳的載具姿態估測，藉以修正天線指向角度，計算出對應目標衛星所需的動態波束對齊角度（Dynamic beam alignment）與陣列天線訊號權重（Array Weights）參數，來消除移動式載具對波束指向角度的影響。開迴路最後一步為陣列天線控制單元將陣列天線訊號權重參數快速更新至波束成型晶片，完成初步對低軌衛星之波束追蹤。為了提升波束對準的準確性，演算法緊接著進行閉迴路做法，陣列天線控制單元透過控制波束掃描來偵測接收訊號強度，反覆進行波束修正與微調，確保可達到最佳連線的通訊訊號品質。

圖3 低軌衛星軌道預測與天線波束波束對齊

毫米波模組量測與波束追蹤之驗證平台

為了進行毫米波天線場型之遠場量測與校正、及在衛星發射前驗證衛星波束追蹤驗測，工研院自建縮距場天線量測系統CATR環境，如圖4所示，發展毫米波天線模組量測與校正技術。透過FPGA控制毫米波陣列天線模組振幅與相位，實現子陣列區塊內天線補償，搭配區塊外的相互區塊間的校正機制，可快速完成大型毫米波陣列天線模組之天線場型校正，達到高準度的波束指向。

圖4 工研院自建之縮距場天線量測系統

衛星波束追蹤演算法則以實際Starlink低軌衛星通過台灣上空之衛星軌道預測路徑，建立縮距場天線量測系統重載轉台之轉動腳本，如圖5所示；模擬實際衛星移動相對於地面終端之相對移動軌跡，提供陣列天線射頻前端模組之衛星波束追蹤前期研究之驗證環境。透過此關鍵波束對齊和追蹤技術開發與驗證環境，搭配毫米波陣列天線射頻前端模組，持續對正低軌衛星，以提升天線增益並強化信號傳輸效能。

圖5 縮距場天線量測系統之衛星軌道波束追蹤驗證環境

結論

B5G與6G NTN是未來通訊的技術與產業發展趨勢，但國內仍缺乏自主毫米波模組與射頻晶片之關鍵技術。目前市面上開發之毫米波射頻模組大多採用昂貴的射頻晶片，使得射頻模組成本在低軌通訊衛星地面設備中占了高達40％的比例。考量降低硬體成本與技術自主，工研院研發大型毫米波平板陣列天線模組與自主射頻晶片技術，以及波束追蹤控制與縮距場天線量測系統驗證平台之完整解決方案，可實現應用於低軌衛星酬載之間的握手或是多軌道通訊之多波束複合式波束成型控制。此技術可協助國內廠商布局B5G／6G非地面網路的射頻前端核心技術自主技術能量，提升國內廠商產品附加價值與產業生態鏈競爭力。

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