工業技術研究院 資訊與通訊研究所 吳秉勳 陳煥達 李偉宇

前言

低軌衛星通訊近來蓬勃發展且應用廣泛，實現無所不在的全球連線。地面終端設備電子相位陣列天線關鍵元件：射頻晶片組約占總成本三分之一，以台灣高階IC 設計及半導體製造技術優勢，極具發展潛力。工研院已成功開發Ka／K頻段關鍵核心射頻晶片、搭配波束追蹤演算法、整合天線硬體模組設計，並組建大型陣列的直接遠場、縮距場環境共構設計電磁性能驗測環境，一條龍技術協助國內廠商建立低軌衛星地面通訊設備自主能量、做為進入衛星通訊供應鏈之基礎，與國際接軌。

Ka／K band 射頻晶片技術

衛星通訊使用高頻率電磁波傳輸數百至數萬公里距離，空間傳輸衰減大，傳統以高增益碟型天線克服傳輸功率不足的問題。但低軌衛星以時速約27,000公里高速環繞地球，地表定點可通訊時間僅約數分鐘，固定式碟型天線難以快速變換波束方向以追蹤飛掠而過之衛星，因此需運用電子相位陣列天線技術，精準捕捉高速移動的衛星訊號。利用小型天線單元經適當幾何排列，組成大型陣列以取代單一高功率發射源與高增益天線，並藉由控制各單元的電磁波相位與振幅，使發射信號在遠端之特定空間角度波束成形，達到高增益效果。但於Ka／K頻段，天線單元實體必須排列緊密，彼此間隔僅約5～8毫米之距，因此無法利用離散射頻元件製作，機構與散熱也成為嚴苛挑戰。

應用於衛星通訊電子相位陣列天線的射頻晶片組包含波束成形晶片和升降頻轉換晶片，其中波束成形晶片負責控制各天線單元間的振幅與相位，以進行波束掃描。升降頻轉換晶片則是將Ka／K高頻段信號升降轉換為中頻信號，經過信號處理電路後送至處理器進行調變與解調。以圖1（a） 64單元雙極化陣列天線為例，激發一個雙極化單元天線需要兩個射頻饋入埠，若採高整合八通道波束成形晶片實現，需要十六顆波束成形晶片（Beamformer, BF）進行相位與振幅控制，另需一顆頻率轉換晶片（Frequency Converter, FConv）進行高低頻信號轉換。圖1（b）為此架構之實照，於Ka頻段之64單元電子相位陣列天線模組大小僅約4公分x 4公分，卻需塞入十六顆波束成形晶片與一顆升降頻轉換晶片，對於高頻電路板信號走線配置與散熱設計均有相當難度。

圖1 64（8x8）單元雙極化電子相位陣列天線
（a）系統架構 （b）晶片模組實照

因應電子相位陣列天線系統架構之波束成形晶片組解決方案設計如下。圖2與3為低軌衛星通訊電子相位陣列天線用八通道波束成形發射與接收晶片架構與照片，其中發射頻段為Ka-band（27.5-30 GHz）、接收頻段為K-band（17.7-20.2 GHz），具5-bit振幅調整與6-bit相位調整功能，輸出功率達與商用晶片同級之11dBm水準。功率放大器與低雜訊放大器元件設計兼具高能源效率，使全晶片之消耗功率低至800mW，較商用晶片可節省5～10％功耗。接收端亦僅需320mW功率，降低大型陣列之散熱需求。同時由於電子相位陣列天線常需要快速切換波束角度以進行空間波束追蹤與掃描，故需於波束成形晶片中設計記憶存儲元件，以將預先設定之相位與振幅權重數值儲存於晶片中，可一次對所有單元天線進行權重數值調整。本晶片組均提供1024組預存記憶波束，可有效加速陣列系統波束成形反應調整時間。

圖2 低軌地面電子相位陣列天線用八通道Ka-band波束成形發射晶片
（a）架構圖 （b）實體照片

圖3 低軌地面電子相位陣列天線用八通道K-band波束成形接收晶片
（a）架構圖 （b）實體照片

其次、升降頻轉換晶片負責將毫米波高頻段信號升降轉換為低頻或中頻信號，並送往基頻處理器進行信號處理，晶片內部包含前端信號放大器、信號切換器、升降頻混波器、本地與低頻信號處理器等元件。圖4為Ka-band升頻轉換晶片之系統架構圖與照片，具 11 dBm輸出功率、15 dB轉換增益、30dB升頻旁波頻帶抑制且功率消耗僅340 mW。搭配圖5之K-band降頻轉換晶片，具40 dB轉換增益、32dB增益調整範圍、30dB降頻鏡像抑制與250 mW功率消耗。兩者皆於低軌衛星Ka／K頻段展現優異射頻與低功耗性能，並具SPI數位增益控制介面，可應用於各式射頻通訊系統。

圖4 低軌地面電子相位陣列天線用Ka-band升頻晶片
（a）架構圖 （b）實體照片

圖5 低軌地面電子相位陣列天線用K-band降頻晶片
（a）架構圖 （b）實體照片

針對大功率Ka頻段低軌地面設備應用，亦同步以氮化鎵製程開發高功率放大器晶片。相較於傳統砷化鎵或矽基 LDMOS 技術，氮化鎵製程具有寬能隙、高擊穿電壓與高電子飽和漂移速度等材料特性優勢，使功率放大器能以高電壓操作並實現高功率密度[1]-[3]。在Ka頻段低軌地面設備中，氮化鎵製程可以有限的晶片面積輸出更高的射頻功率，同時維持良好的效率與線性度，並在高功率連續操作條件下維持穩定性，提升系統可靠度與使用壽命。圖6為整合驅動級與功率級之氮化鎵功率放大器晶片設計，可於27.5～30 GHz Ka頻段提供高達2W以上之高效率功率輸出與23dB以上之射頻增益，未來應用前景可期。

圖6 低軌地面設備用氮化鎵Ka-band功率放大器晶片

Ka/K band 陣列模組技術

低軌衛星通訊正迅速崛起，卻面臨射頻晶片高度依賴進口、成本高昂與技術門檻難跨的痛點，限制了我國產業自主發展的腳步。開發陣列天線的關鍵技術在於射頻晶片，以星鏈（Star-link）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。

工研院推出全台首套Ka頻段LEO地面射頻前端完整解決方案，從射頻晶片、模組到天線系統，百分之百技術自主。開發CMOS與GaN晶片，打造高能效、低功耗、可客製的射頻產品，不僅性能媲美國際，成本更具優勢。國內自主射頻晶片技術開發，包含收發機的波束成形晶片（Beamforming IC）、升頻與降頻晶片的開發。以32x32天線模組為例，需要256顆波束成形晶片與1顆升頻或降頻晶片，由於射頻前端的波束成形晶片，使用的數量最多，製作成本占絕對多數的費用。32x32陣列天線採用可拼接Tile-based天線單元與高速數位控制介面，支援寬溫環境與多場景應用，讓通訊從陸地到海空無所不達。天羅補地網，讓台灣通訊技術突破天際、掌握自主未來。

因應低軌道衛星在450KM～1200KM近地軌道上快速移動，初期的衛星數量以實驗網路數顆衛星，中期同一地點不斷網則需要200顆衛星，後期支援多地連續上網則要數千顆衛星支援。如圖7所示，團隊設計的地面端陣列天線，支援追蹤角度大（仰角30~90度）發射功率高（EIRP>73.5dBm）與雙極化天線（RHCP與LHCP），以滿足大量情境下的使用狀況。

LEO地面射頻前端地面設備，整合上需考慮平整化以及散熱問題[4],[5]，目前成功整合在最67x37x5.8CM的空間內，考量腳架只需要提高1.7CM高度。並且使用外接式散熱片與風扇進行散熱，相較於整合在機構內部的散熱方式，除了可以提高防水度，對於空間優化有更進一步的改善。可以方便進行可移動式設備的部署組裝，增加產品使用的便利性。

因此自主晶片1024天線射頻模組開發，符合國內自主星系規格，建立自主射頻核心前端晶片可擴充式Tile-Based模組，整合射頻波束成型晶片組及升降頻射頻晶片，具擴充性混合式波束成形射頻天線模組。1024陣列天線射頻前端機構與模組散熱開發，配合射頻模組進行結構設計及散熱優化。

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）[6]-[8]。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。

衛星波束追蹤演算法將以結合開迴路追蹤與閉迴路追蹤的方式，首先使用開迴路作法，當取得星曆（Ephemeris）、GPS資訊後，進行LEO衛星軌道預測（LEO satellite orbit determination），計算出參考天線面之天線指向角度；接著搭配IMU (Inertial Measurement Unit) sensors／GPS融合的載具姿態估測，並透過座標轉換，計算出對應目標衛星所需的動態波束對齊角度（Dynamic beam alignment），來消除移動式載具對波束指向角度的影響[9]-[11]。緊接著採用閉迴路做法，基於接收訊號強度反覆修正進行微調，確保可達到最佳連線的通訊訊號品質 [12]-[17] 。

波束追蹤技術的無線場域驗證，除了在暗室中使用CATR（Compact Antenna Test Range）縮距天線量測系統模擬衛星移動軌跡。亦可以使用固定式標準天線模擬酬載端Payload，低面設備端User Terminal則搭配移動式轉台，當轉台水平方向轉動可反向模擬酬載端在衛星軌道上移動的軌跡。如圖8所示，自主晶片1024天線射頻模組在水平旋轉平台扮演接收端的角色，接收來自對面四層樓高距離100公尺的18GHz射頻訊號進行解調，最終以頻譜分析儀解調降頻的3.48GHz基頻訊號之EVM為5.71％，在SYMBOL RATE為56MHz的情況下。因此可以證明在模擬衛星軌跡下開啟波束追蹤功能，天線模組可以正常進行解調。進一步的資訊可以參考以下的影片連結。

圖7 國內自主射頻晶片低軌衛星地面端系統之Ka／K頻帶1024陣列天線模組與規格表

圖8 低軌衛星軌道預測與天線波束對齊

陣列測試設備與技術介紹

低、中、高軌衛星帶來新的酬載端與地面通訊設備商機，近幾年國內模組與系統廠商已陸續投入主動式相控天線陣列系統原型的開發與測試。然而大型相控天線陣列模組的整合、測試與校正複雜度相當高，並且目前國內系統廠商在相關大型相控天線陣列測試設備與技術資源還未能完全補齊，因此在產品原型的驗測階段常遭遇到技術瓶頸。為了要能夠補上國內大型相控天線陣列效能驗證的測試能量缺口，並且量測驗證所自主開發酬載端與地面設備端天線陣列模組的實際通訊輻射性能。工研院與台灣川升公司共同合作於2025完成直接遠場（Direct Far Field）與縮距場CATR （Compact Antenna Test Range）環境共構設計的電波暗室腔體以及整合式量測系統開發與建置（如圖9所示）[18]，來實現衛星通訊酬載端與地面設備端之相控天線陣列量測平台。支援涵蓋Ku, Ka與V 頻段等現有主流與未來新興頻帶的測試需求，以協助國內相關業者進行低、中、高軌通訊設備原型產品開發階段之天線陣列模組包括2D／3D輻射場型、輻射效率、最大以及平均輻射增益、封包相關係數、線極化／圓極化（Axial Ratio）輻射效能、Tx端有效等向射頻功率（EIRP, Effective Isotropic Radiated Power）、以及Rx端G／T （Gain to Noise Temperature）效能等完整測試。

一般天線的遠場量測環境需要滿足很遠的距離條件，≥ 2D²/λ，其中D為待測物的最大尺寸長度，λ是待測物的操作頻率。若以常見Ku頻段的1024單元地面端相控天線陣列為例（D約為55 cm; 量測中心頻率選為13 GHz），其估算的遠場取樣條件將超過26 m，因此很難找到足夠寬敞的室內實驗室環境。CATR 縮距場量測系統是一種在有限室內空間創造出天線陣列等效遠場量測條件的輻射能量取樣環境設計，主要應用在各種天線陣列、週期性結構與雷達散射截面積（RCS, Radar Cross Section）參數量測，組成要件包含電波暗室腔體、饋源天線、反射鏡結構、待測物量測旋轉取樣轉台以及向量網路分析儀或訊號產生器與頻譜分析儀[19]-[23]。其設計的底層概念是將饋源天線的輻射能量，透過反射鏡結構之轉換，在一靜區（Quiet Zone）空間內產生近似遠場條件的平面波（振幅均勻、相位平坦），因此天線陣列的待測物就能成功在所設計的靜區進行等效遠場條件的輻射能量取樣。並且由於經過反射路徑的折疊，因此能夠大幅減少電波暗室腔體所需的建置空間。

圖9直接遠場與縮距場CATR環境共構設計的整合式量測系統環境。

工研院與川升公司共同合作建置的直接遠場與CATR縮距場整合量測系統（如圖9所示），其電波暗室腔體的空間尺寸約3 m × 4.1 m × 7.1 m。所設計CATR反射鏡結構之尺寸約為1.2 m ×1.2 m，量測靜區大小約60 cm × 60 cm × 25 cm，能夠支援5～50 GHz頻段範圍內的天線陣列待測物之輻射特性測試。並且在同一個電波暗室腔體所整合設計的直接遠場量測系統，其量測靜區大小約30 cm × 30 cm × 30 cm，能夠支援5～10 GHz頻段範圍內的天線待測物之輻射特性測試。並且量測系統設計具有開放式的取樣訊號控制與存取介面，因此天線陣列待測物能夠搭配波束掃描控制演算法進行全波束變化角度的自動化排程測試。除此之外，所開發的量測系統已設計可替換三種不同測試需求的客製優化設計量測轉台置具，其所能支援的量測角度解析度可達0.1度，並且最高支援相控天線陣列待測物重量可高達至100 kg，因此能夠同時滿足支援衛星通訊地面設備端以及較重的衛星酬載端多樣化的相控天線陣列模組產品的測試驗證。

結論

在可預見的未來，隨著可重複使用火箭問世、衛星小型化與量產技術進步，低軌衛星的建置成本可望持續下降，更加多元之商業模式將深刻影響通訊產業走向。工研院專注開發低軌衛星地面設備關鍵核心射頻晶片組，並建構整合新式天線模組，搭配先進波束追蹤解決方案，與直接遠場、縮距場環境共構設計的整合式大型陣列驗測環境。已成功建立產業踏入低軌道衛星領域之技術支持能量。未來將持續深耕多頻段多軌道衛星晶片與系統技術，提供國內廠商下世代核心自主技術，提升競爭力。

參考文獻

[1] K. Nakatani, Y. Yamaguchi, T. Trii, A. Hirai and K. Kanava, "Ka-band High Efficiency and High Linearity GaN Power Amplifiers for Broadband High Throughput Satellite Communication Systems," 2024 IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC), Bali, Indonesia, 2024, pp. 614-616.
[2] T. Torii, Y. Kawamura, E. Kuwata and M. Tsuru, "44 dBm Output Power and High Gain K-band GaN Power Amplifier for Satellite Communication," 2021 16th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), London, United Kingdom, 2022, pp. 84-87.
[3] A. Piacibello, R. Giofré, R. Quaglia and V. Camarchia, "34 dBm GaN Doherty Power Amplifier for Ka-band satellite downlink," 2020 15th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), Utrecht, Netherlands, 2021, pp. 25-28.
[4] Satixfy, “Satixfy’s Technology: Building Blocks for low cost high performance satellite systems,” 15th BroadSky Workshop, October 2017.
[5] David Milroy, "Antenna apparatus having heat dissipation features," U.S. Patent 20200381799, Dec. 3, 2020.
[6] Pang et al., "A 28-GHz CMOS Phased-Array Beamformer Utilizing Neutralized Bi-Directional Technique Supporting Dual-Polarized MIMO for 5G NR," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 55, no. 9, pp. 2371-2386, Sept. 2020, doi: 10.1109/JSSC.2020.2995039.
[7] A. Alhamed, O. Kazan, G. Gültepe and G. M. Rebeiz, "A Multiband/Multistandard 15–57 GHz Receive Phased-Array Module Based on 4 × 1 Beamformer IC and Supporting 5G NR FR2 Operation," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 70, no. 3, pp. 1732-1744, March 2022, doi: 10.1109/TMTT.2021.3136256.
[8] J. Pang et al., "A CMOS Dual-Polarized Phased-Array Beamformer Utilizing Cross-Polarization Leakage Cancellation for 5G MIMO Systems," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 56, no. 4, pp. 1310-1326, April 2021, doi: 10.1109/JSSC.2020.3045258.
[9] Peter Delos, Bob Broughton, Jon Kraft, “Phased Array Antenna Patterns—Part 1: Linear Array Beam Characteristics and Array Factor”, May 2020.
[10] Peter Delos, Bob Broughton, Jon Kraft, “Phased Array Antenna Patterns—Part 2: Grating Lobes and Beam Squint”, June 2020.
[11] Peter Delos, Bob Broughton, Jon Kraft, “Phased Array Antenna Patterns—Part 3: Sidelobes and Tapering”, July 2020.
[12] Honghao Tang “DOA estimation based on MUSIC algorithm”, May 20214.
[13] Divaydeep Sikri et al., “Multi-Beam Phased Array with Full Digital Beamforming for SATCOM and 5G,” in Microwave Journal, September 2019.
[14] Divaydeep Sikri et al., “Digital Steerable Multibeam Antenna Aperture Usage,” 25th Ka and Broadband Communications Conference, 2019.
[15] Bahadir Canpolat et al., “Electronically Steered Multibeam Antenna Array Peformance and Beam Tracking in Mobility,” 25th Ka and Broadband Communications Conference, 2019.
[16] Huang, S. E., Chang, P. H., Lu, X. L., & Juang, J. C., "A Satcom On-the-Move Phased-Array Antenna Tracking Algorithm on Robot Operating System,” in 23rd International Conference on Control, Automation and Systems, ICCAS 2023, pp1060-1065.
[17] J. Zhao, F. Gao, Q. Wu, S. Jin, Y. Wu and W. Jia, "Beam Tracking for UAV Mounted SatCom on-the-Move With Massive Antenna Array," in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 36, no. 2, pp. 363-375, Feb. 2018.
[18] https://www.bw-ant.com/
[19] R.C. Johnson, H. A. Ecker and R. A. Moore, "Compact Range Technique and Measurement," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, no. 5, pp. 568-576, Sep. 1969.
[20] D.C. Chang, C. H. Liao and C. C. Wu, "Compact Antenna Test Range without Reflector Edge Treatment and RF Anechoic Chamber," in IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 46, issue 4, pp. 27-37, Aug. 2004.
[21] J.P. McKay and Y. Rahmat-Samii, "Quiet Zone Evaluation of Serrated Compact Range Reflectors," 1990 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC/URSI National Radio Science Meeting, pp. 232-235, May 1990.
[22] J. Mart-Canales, L.P. Ligthart and A. G. Roederer, "Performance Analysis of a Compact Range in the Time Domain," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, pp. 511-516, Apr. 2002.
[23] T.-H. Lee and D. W. Burnside, "Compact Range Reflector Edge Treatment Impact on Antenna and Scattering Measurements," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 45, Issue 1, pp. 57-65, Jan. 1997.