波束成型強化低軌衛星訊號傳輸(2)
近年來衛星通訊領域發展最讓人期待的，莫過於低軌道衛星的建置與服務。國際太空站在一個距離地球表面約340公里的低地球軌道上運行，以一般地面對星空的可視角度來看，不到30分鐘的時間，衛星即在地面上方星空呼嘯而過，所以需要在軌道上建置一組衛星聯網來提供連續的訊號覆蓋。
波束成型強化低軌衛星訊號傳輸(1)
低軌衛星地面設備
衛星地面設備的基本組成，包括六個部分，系統架構可詳見圖2：
1.波束成型(Beamforming)與相位控制介面：作為衛星訊號的跟蹤、傳送與接收。
2.印刷電路板：承載電路設計與訊號傳輸。
3.GPS：提供地面設備目前所坐落的位置訊息，以便快速鎖定衛星軌道。
4.馬達控制系統：控制與旋轉地面設備的方向。
5.有線或無線網路介面：衛星訊號經轉換之後，用來與一般網路訊號連接。
6.電源系統與傳輸纜線：提供地面設備的運作電源。
圖2 低軌衛星地面設備系統架構示意圖
波束成型/相位控制高度影響訊號連接
低軌道衛星在太空軌道上快速的移動運行，如何將訊號傳送到幾百公里外的衛星、如何同步跟上不同軌道上衛星的移動速度，並有效傳輸訊號更是一大課題。
首先，如果光線像燈泡一樣向四面八方輻射，照射的範圍廣但是照射距離卻有限。如果光線都朝同一方向照射，就成了有方向性的光束，就像手電筒的照射範圍集中且照射距離也相對較遠。和光束一樣，當所有電磁波的傳輸方向都一致時，就形成了波束。且越多的同向波組合則波束能量越強，傳輸的距離就越遠，只要方向也控制正確，就能準確捉住目標。
衛星與地面接收天線的距離非常遠，訊號衰減非常大，於是衛星訊號到達地面時能量已經非常小。開發人員需要設法收取衛星發出的每一點訊號能量，為了訊號傳輸的效率與避免能量浪費，在接收與發射衛星訊號時，都會使用波束。藉此確保發射的電磁波訊號都集中在一個方向上，就可以接收到盡可能多的訊號。而最基本形成波束的方法則是使用輻射方向性很強的天線，然而此類天線體積很大，很難安裝在終端設備上。
另外，波束成型需要可以隨著接收端與發射端之間的相對位置而改變波束的方向。傳統單一天線形成的波束需要轉動天線才能改變波束方向，而這在快速移動的低軌衛星應用中，顯然不可行。因此，實用的波束成型方案即是選用智慧天線陣列。
波束控制助力高頻寬通訊
在波束成型中，有許多個電磁波源即天線陣列，透過仔細控制波源發射波之間的相對延時與幅度，可以做到將電磁波的能量都集中在訊號接收的一個方向上，而在其他地方電磁波能量則很小，即可有效率的針對目標接收器傳輸並減少對其他接收器的干擾(圖3)。此外，天線輻射的方向亦可透過控制波源發射波之間的相對延時與幅度來實現，可以輕鬆跟蹤發射端和接收端之間相對位置的改變。波束成型的應用除了低軌衛星通訊之外，毫米波波長更適合波束成型應用並整合到手機或小型基地台中，使訊號的能量集中在接收端所在的方向，進而改善頻譜利用效率。波束成型配合毫米波技術可以讓通訊系統擁有高頻寬並且支持大量用戶同時通訊，進而使5G甚至未來的6G系統如虎添翼。
圖3 波束控制圖示
以Starlink的衛星收發設備為例，要達到與衛星通訊的波束能量，甚至需要上千個天線集合而成，也就是說需要幾百顆天線陣列控制晶片的數量要集合在一片板子上面，並調整與控制出所需要的波束方向與跟隨衛星的角度變化。
上述工程浩大，需要細心考量所選擇的控制晶片的相關設計細節。包含天線饋入的參數，關係到訊號的衰減與靈敏度，是否有辦法將微弱的訊號清楚接收。晶片尺寸與針腳位置，則需要考量微小天線之間的訊號品質、干擾隔離與佈線的難易程度，並優化天線佈局。同時每顆波束成型晶片可控制的通道數量、相位與增益的建立時間是否足夠快速。並且需要確認是否提供與建立波束狀態存儲器與快速控制模式。且是否整合溫度感測元件，自動依照不同溫度變化做相應補償校正。還需要確保晶片控制介面以及同時可控制晶片的數量是否足夠多。以及印刷電路板的參數特性是否符合低軌衛星頻段的相關要求。以瑞薩電子提供的解決方案為例(圖4)，可以看到利用同一組天線、同一顆晶片可提供兩組波束(Dual...
2023 年 04 月 11 日
