工業技術研究院 資訊與通訊研究所 劉楚彤 程士恒

天線控制單元（ACU）已從機構控制轉為連結通訊需求與天線輻射行為的核心節點。

前言

天線控制單元（Antenna Control Unit, ACU）是衛星通訊終端中將通訊系統的連線需求轉化為天線實際指向與工作狀態的關鍵控制模組。隨著低軌道（Low Earth Orbit, LEO）衛星的快速發展與相位陣列天線逐漸成為重要的終端技術選項，衛星通訊的運作模式已由靜態對準轉變為高速、動態且需頻繁切換的連線情境，使天線控制面臨前所未有的挑戰。本文將從衛星通訊應用的演進出發，介紹不同天線架構下波束成形的差異與重要性，並探討相位陣列系統中ACU的功能定位及其在LEO與未來多軌道衛星通訊系統中的關鍵技術挑戰。

背景與問題形成：從同步軌道到低軌道

天線控制單元的基本概念與早期定位

ACU在衛星通訊終端中的基本功能，是依據通訊系統的需求，控制天線的指向與工作狀態，使通訊連線能在正確的方向上建立並維持。從系統角度來看，ACU 位於通訊系統與天線硬體之間，負責將抽象的連線需求轉換為可被天線執行的控制行為。

早期ACU 的設計目標相對單純，由於衛星數量有限、軌道配置穩定，天線控制的主要任務集中在初始對準與長時間的穩定維持。ACU 多半被視為天線系統中的輔助控制模組，其重點在於可靠度與機構控制能力。因此， ACU 有相當長的一段時間內，並不是通訊系統的核心元件，而更像是一個服務於天線機構的控制單元。

同步軌道衛星情境下的天線控制特性

在以同步軌道（Geostationary Earth Orbit, GEO）衛星為主的通訊系統中，衛星相對於地面幾乎保持靜止。對終端設備而言，天線只需在初始設定時完成對準，後續僅需進行微幅調整，在此情境下，拋物面天線搭配機械式追蹤機構成為主流方案 [1]，如圖1。其高增益與穩定的波束特性，非常適合長時間對準固定方向的通訊需求，ACU透過控制馬達來調整天線指向，其核心任務在於精確控制機械轉動、維持指向穩定、確保天線在擾動下仍能符合通訊品質要求。

圖1 拋物面天線（左）與機械式ACU（右）[1]

在此階段，由於指向變化緩慢、控制頻率低，天線控制問題主要在於機構與控制工程的範疇，系統層級的即時決策與切換需求相對有限，使得傳統 ACU 的設計能夠在既定架構下長期演進並趨於成熟。

低軌道衛星發展迎來挑戰

隨著LEO衛星的快速發展，為衛星通訊的運作條件帶來根本性的轉變。相較於GEO衛星，LEO衛星相對地面高速移動，單一衛星在終端可視範圍內的時間有限，通訊連線必須在多顆衛星之間頻繁切換 [2]。

在此架構下，天線控制不再是一次性對準後的維持問題，而是需要持續追蹤衛星運動軌跡，並在適當時機完成連線切換，也使得天線指向控制的動態性與即時性大幅提升，控制誤差與反應延遲對通訊品質的影響也更加明顯。

這些挑戰不僅存在於移動平台，即使在地面固定接收端，為了穩定接收LEO衛星訊號，天線系統仍必須具備高速追蹤與換手能力。在此階段，天線控制問題已從「特定應用的進階需求」轉變為「多數終端必須面對的基本能力」，天線型態與控制方式開始重新被檢視，並促使後續對波束成形技術與相位陣列天線架構的深入討論。

技術主流路線：波束成形與天線型態的選擇

波束成形是透過設計與控制，將有限能量集中於目標方向以提升有效增益，並抑制非目標方向輻射以降低干擾。在LEO情境下，通訊方向隨衛星相對運動持續變化，波束必須隨時間即時調整，波束成形成為運行期間的動態控制問題，並直接拉高ACU的角色重要性與設計複雜度。

機械式拋物面天線的波束形成方式

在傳統衛星通訊系統中，機械式拋物面天線仰賴幾何結構形成波束：拋物面反射器將饋源電磁波匯聚成高方向性的窄波束，以取得高增益鏈路；其波束形狀與寬度主要由天線尺寸與結構決定，特性相對固定。

在此架構下，改變通訊方向通常不是改變波束本身，而是透過機械轉動整個天線系統，使既有波束指向新的方向；ACU 的任務則是控制方位角與仰角，確保長時間對準目標衛星。由於 GEO 相對地面近似靜止，這種機械指向方式可用較低控制頻率滿足需求，然而，當通訊方向需要頻繁改變時，機械轉動的慣性限制會直接影響指向調整速度與系統反應時間；在 LEO 通訊情境中，這項限制逐漸成為瓶頸，並推動後續對其他波束形成方式的探索。

平板相位陣列天線的波束形成方式

相較於拋物面天線依賴幾何結構形成固定波束，平板相位陣列天線的波束形成建立在多個天線單元協同工作之上，如圖2，每一個方格都是一個天線單元，共有250單元，透過精確控制各單元訊號的相位與振幅 [3]，使特定方向產生建設性疊加形成主波束，並在其他方向相互抵消以降低能量，亦即以訊號控制達成的電子式波束成形。

在此架構下，波束指向與形狀可藉由即時調整控制參數來改變，無需機械運動即可快速完成指向切換，並能支援高動態追蹤與換手需求；同時也具備同時形成多個波束的潛力，提升系統彈性。

但高度可調也帶來新的挑戰：波束偏離天線正前方時可能出現增益與效率下降 [3]，而波束形狀、旁波瓣水準與干擾控制則更仰賴即時控制能力。因此，在平板相位陣列架構中，ACU 不再只是執行轉動指令，而必須即時決定並調控波束行為，成為系統運作的核心。

圖2平板相位陣列天線

相位陣列架構中天線控制單元的角色與能力

相位陣列架構中，ACU多以現場可程式化邏輯閘陣列（如圖3）實作，適合用來開發ACU的相關演算法，包含連線建立、持續追蹤與波束調整其角色在於承接通訊層的連線需求並做出即時控制決策

圖3現場可程式化邏輯閘陣列開發板

就系統分工而言，終端可概略分為通訊模組、ACU 與天線模組：通訊模組依連線狀態提出目標衛星、頻段與極化等需求；ACU 依此決定指向、追蹤與切換策略，並由波束成形晶片與天線陣列執行相位、振幅與極化等控制參數。

實務上，通訊模組與 ACU 常透過OpenAMIP [4] 交換連線操作請求與追蹤／可用性等狀態；ACU 端則透過串行外設介面等控制介面將參數下發至波束成形晶片。為支援高動態追蹤，ACU 亦常整合慣性測量單元與全球定位系統的姿態、位置與時間資訊作為控制依據。ACU 的設計與效能將直接影響追蹤能力、切換穩定度與整體通訊品質。

天線控制單元的核心功能

ACU的核心功能包含：連線建立、持續追蹤，以及在限制條件下的波束調整。首先，連線建立是系統啟動通訊的第一步。當通訊模組指定目標衛星後，ACU必須在可能存在誤差與不確定性的情況下，搜尋正確方向並建立可用的通訊鏈路。此過程涉及初始指向估測、搜尋策略與成功判定，對LEO等高動態情境尤為關鍵。

在完成連線建立後，ACU的任務轉為持續追蹤。由於目標衛星與終端之間的相對位置隨時間變化，ACU必須即時調整波束方向，使通訊品質維持在可接受範圍內。追蹤過程不僅要求反應速度，也必須兼顧穩定性，避免過度調整造成波束抖動或通訊中斷。

此外，在相位陣列架構中，ACU亦需負責波束能量分配與極化控制等調整功能，以在通訊效能與干擾抑制之間取得平衡。

工研院的技術貢獻與範例展示

工研院使用開發板實作ACU，整合 OpenAMIP 協定，建構出能支援高動態追蹤的系統架構 。為了在可控且可重複的環境下驗證ACU的核心能力，我們建立了一套LEO通訊的地面驗測場景。首先，採用固定式酬載模擬器建構發射與接收端，並透過喇叭天線所形成之合成波束，模擬LEO上下行通訊波束特性。相對地，地面端則採用工研院自製的大型Ka波段相位陣列天線，安裝於可旋轉轉檯上，透過轉檯的角度變化來模擬衛星飛越時「視線仰角隨時間改變」的情境；也就是說，衛星端保持固定，而由地面端的轉動來等效產生衛星掠過天空的相對運動。

在驗測流程上，系統先於衛星「剛出現」的階段執行連線建立：ACU根據兩行軌道根數估測衛星方位，並在有限的候選波束中選出最合適的波束以建立可用鏈路。當連線品質達到門檻後，系統隨即進入持續追蹤階段，在轉檯持續轉動的過程中動態調整波束方向。驗測結果如圖4所示：圖4左側是OpenAMIP協議的執行紀錄；中上是轉動過程中，資料傳輸的訊號雜訊比，而右上是資料傳輸速率；中下是連線建立階段的波束選擇示意圖，從7個候選波束中選擇其中1個；右下是衛星飛越天空的示意圖，角度數值代表從頭頂正上方往下低頭了幾度。雖然訊號雜訊比會隨轉動過程呈現一定程度的起伏（如圖4中上），但資料傳輸速率可維持穩定（如圖4右上），使視訊資料能在整段模擬飛越過程中持續傳輸。此驗測結果說明ACU在高動態條件下，能有效完成「先連上、再穩定維持」的兩項關鍵能力。此外，此 ACU 亦具備與多家國內天線廠商整合的實績，透過技術輸出協助台灣產業加速建構自主的衛星地面終端開發能力。

圖4 驗測過程的通訊品質監測：（左上）訊號雜訊比與（右上）資料傳輸速率，（左下）波束選擇，（右下）衛星飛越的示意圖

關鍵技術挑戰與法規限制

關鍵技術挑戰

1. 「相位校正挑戰」：相位陣列天線由大量射頻元件組成，受限於晶片製程與環境溫度變化，各元件間存在相位與振幅偏差，會導致波束指向偏移或增益下降。因此，ACU 必須具備管理複雜校正表的能力 [5]，並根據環境動態調校，以確保波束成形的品質。
2. 「高動態情境的追蹤壓力」：若進一步進入移動式通訊（Communication-on-the-Move, COTM）情境 [6]，追蹤難度會比固定式通訊更高。ACU 必須即時整合慣性測量單元與全球定位系統的資訊，在毫秒級的時間內計算並執行波束切換，以補償相對位移並避免斷線。這會考驗 ACU 的運算速度、閉環延遲控制能力，以及演算法在「快速反應」與「穩定抑振」之間的設計取捨。

通訊法規與干擾控制

衛星通訊終端不只要「連得上」，也必須在各種運作狀態下「合規且不干擾他人」。對相位陣列天線而言，法規限制會直接影響 ACU 在追蹤與功率控制時的可用操作範圍與控制策略。以GEO衛星通訊常見規範來看，相關要求多可歸納為三類：

1. 離軸等效全向輻射功率密度包絡（off-axis effective isotropic radiated power density envelope）用來限制非目標方向輻射 [7]。
2. 指向誤差要求用來確保高能量區域不偏離目標方向 [8]。
3. 交叉極化相關的輻射限制 [7]，用來約束交叉極化分量 [9] 在空間中的輻射強度。

法規帶來的實務困難在於：為了符合離軸輻射與極化的限制，系統需要透過波束設定（例如振幅和相位調整）去壓低非期望輻射，但這往往會連帶降低主波束增益 [10]；在更嚴格或較難滿足的狀態下，甚至可能必須回退發射功率以滿足法規，進而造成鏈路餘裕下降與通訊品質變差。

結論

ACU 已從機構控制轉為連結通訊需求與天線輻射行為的核心節點。本文由 LEO 高動態追蹤需求出發，說明波束成形在不同天線架構下的差異，並以驗測範例突顯連線建立與追蹤的重要性。接著指出關鍵的技術挑戰與法規限制，可能迫使波束整形或降功率而犧牲鏈路品質。未來在多頻率、多軌道的通訊趨勢下，因應不同軌道的法規與衛星酬載規格，ACU 需能靈活切換控制行為，其角色將更為關鍵。透過工研院 ACU 與國內天線廠的整合實績及技術輸出，將持續協助產業加速建構自主的地面終端開發能力，進一步彰顯台灣衛星產業價值，並順利與國際接軌。

參考文獻