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次世代衛星通訊天線設計的全方位實踐

太空通訊新變局

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隨著 B5G 與 6G 國際標準持續推進,全球通訊典範正迎來一場深刻的維度革命——網路覆蓋正式打破地表維度,朝向平流層無人載具、低軌衛星(LEO)乃至星際鏈路的「非地面網路(NTN)」全方位延伸。通訊場景從地面跨入太空,不僅是傳輸距離與頻段的躍升,更對射頻前端、微型化天線陣列、太空極端環境耐受性,以及動態鏈路的即時追蹤帶來了前所未有的工程嚴苛考驗。

為協助國內資通訊與航太供應鏈掌握次世代通訊的關鍵技術話語權,CTIMES與思渤科技舉辦「AI × B5G 衛星通訊天線設計技術研討會」,從「天線實體量測」、「多物理量智慧模擬」一路串聯至「太空軌道動態數位雙生」,完整勾勒出次世代天線系統開發的完整藍圖,為台灣從資通訊製造重鎮邁向全球衛星與 6G 生態系戰略樞紐,挹注強大的研發實力與創新動能。

CTIMES與思渤科技舉辦衛星通訊天線設計技術研討會。
CTIMES與思渤科技舉辦衛星通訊天線設計技術研討會。

川升揭示OTA驗測與國際認證新趨勢

隨著通訊技術自 B5G 邁向 6G,以及非地面網路(NTN)與低軌衛星(LEO)的蓬勃發展,全球無線通訊正經歷關鍵的架構轉型。臺灣天線工程師學會理事長暨川升總經理邱宗文博士指出,次世代通訊市場正朝向「更大頻寬、更廣覆蓋、更有效率」三大趨勢推進,帶動天線系統朝高頻化(FR3、Sub-THz)、封裝天線(AiP)、主動式電子掃描陣列(ESA)與可重構智慧表面(RIS)快速演進。然而,系統高度整合與極端高頻特性,也使傳統量測面臨嚴峻瓶頸,OTA(Over-The-Air)驗測能力與國際標準認證已成為台廠搶攻全球供應鏈的核心門檻。

臺灣天線工程師學會理事長暨川升總經理邱宗文博士
臺灣天線工程師學會理事長暨川升總經理邱宗文博士

邱宗文分析,次世代通訊技術對天線設計帶來深遠變革:

頻寬擴展與晶片化(AiP):

為滿足高速傳輸,頻段跨入毫米波與次太赫茲,傳輸損耗劇增促使天線與射頻晶片高度微型化整合為 AiP,使得傳統接觸式量測不再可行,必須全面轉向暗室 OTA 與探針式(Probing OTA)架構。

立體覆蓋與動態追星(LEO NTN)

低軌衛星要求地面站與終端具備連續波束追蹤能力。地面相控陣列天線動輒包含千個子單元與數百顆控制晶片,加上都卜勒效應與環境溫濕度變化,系統校準與入網測試的複雜度呈指數級攀升。

高頻環境補償與感測整合(RIS / ISAC)

面對高頻易阻擋的特性,RIS 成為改善覆蓋的關鍵;同時,通訊與雷達感測整合(ISAC)正加速滲透車聯網與智慧基礎設施,推動雙平面波饋源與動態 RCS(雷達截面積)量測等全新驗測需求。

面對高階天線開發成本高昂的挑戰,邱宗文強調「研發前即須規劃量測方式」的思維轉變。過往「改天線、改電路、改韌體、重測」的冗長人力試誤流程,已無法因應快速變化的市場。

川升提出結合 Probing OTA、虛擬 IC 建模與 AI 參數最佳化的解決方案。透過在實體天線空板階段導入演算法預估打上 IC 後的場型表現,不僅能提早反映毫米波材料不均勻性帶來的誤差,更能將傳統 1024 陣列動輒 4 小時以上的校準時程大幅縮短,協助製造商避免量產階段的降規風險。

在全球市場准入方面,低軌衛星終端過去往往受限於戶外實地驗測變數過多、失敗原因形同黑盒子的困境。邱宗文指出,終端設備要打入一線營運商體系,必須具備被全球廣泛接受的標準化實驗室 OTA 數據。

目前川升已正式取得全球衛星營運商協會(GSOA)的授權測試機構(ATE)資格,建立符合 MRA 互認協議的標準化靜區(Quiet Zone)與緊縮場(CATR)測試系統。此舉代表台灣在衛星天線驗測領域成功打破國際壁壘,不僅能為本土衛星通訊與資通訊業者提供與國際標準對接的在地化驗測支援,大幅縮短取證時間與成本,更助力台灣在全球太空通訊生態系中確立關鍵的戰略地位。

思渤科技以多物理量與AI生態系重塑天線模擬格局

在 B5G/6G 與低軌衛星(LEO)通訊規格全面升級的推動下,非地面網路(NTN)的覆蓋已成為次世代通訊市場的兵家必爭之地。然而,高頻毫米波訊號衰減、超大規模相控陣列天線設計,以及極端太空環境的多物理量考驗,正讓系統開發的複雜度急遽飆升。思渤科技工程副總張閔期博士指出,以 CubeSat 為代表的小型衛星與奈米衛星市場正蓬勃成長,憑藉低成本與快速部署優勢,承擔起日益多元的通訊任務。然而,衛星酬載體積受限,使得高增益天線(如反射陣列天線 Reflectarray)與太陽能板的共構設計成為主流趨勢。

思渤科技工程副總張閔期博士
思渤科技工程副總張閔期博士

在此架構下,研發團隊無法再以單一零組件思維進行驗證,必須採取「從晶片、子系統到任務評估(From Components to Mission)」的全流程模擬。思渤展示了完整的數位主線架構:底層支援微電子級的晶片電源與訊號完整性,中層涵蓋機體結構、氣動與多物理場分析,頂層則串接任務分析平台(如 AGI STK),在產品投產前即在虛擬環境中完成衛星軌道、感測器配置與鏈路效能的整體驗證。

面對 5G-A 與衛星必備的超大規模相控陣列天線,龐大的網格數量與運算記憶體向來是工程師的惡夢。張閔期特別介紹了 HFSS 劃時代的求解技術——Mesh Fusion。該技術打破了傳統全域網格劃分的限制,能針對複雜系統中的不同區域(如天線陣列、封裝載板、晶片與外殼)採用最合適的網格尺度與演算法進行平行運算,在維持高精確度的前提下,使複雜設計的求解時間縮短達數倍,大幅降低記憶體消耗。

此外,針對 256 元件甚至上萬元件的陣列天線,透過 3D Component 與領域分解法(DDM),系統可重複調用標準單元(Unit Cell)並建立含天線罩(Radome)的真實邊界模型。實測數據顯示,在 16×16 陣列分析中,3D Comp DDM 可節省高達 67% 的記憶體與 37% 的運算時間;搭配非圖形化自動建模工具,更將一萬個元件的陣列建模時間由過去的數十小時縮減至 19 分鐘內,為大規模陣列開發帶來突破性的效率提升。

軌衛星長期處於日照與背陽的極端溫差環境中,且內部射頻放大模組功耗極高。張閔期強調,結構受熱產生的微小形變將直接牽動毫米波與太赫茲波束的指向精度。思渤平台藉由 Workbench 系統整合,無縫串聯高頻電磁(HFSS)、熱流分析(Icepak/Fluent)以及結構應力分析(Mechanical/LS-DYNA),實現全自動化的電-熱-力三向雙向耦合,確保天線在嚴苛太空軌道上仍能維持穩定的輻射增益與波束成形表現。

因應工程數位轉型趨勢,思渤科技更進一步展示了結合 AI Agent、MCP(Model Context Protocol)與 PyAEDT 的未來設計工作流。透過大型語言模型(LLM)理解工程師的自然語言需求,自動調用底層 AEDT 工具鏈進行自動化參數建模、網格生成與後處理分析。這項創新不僅降低了高階 CAE 工具的進入門檻,更宣告天線設計正由傳統「手動調整試誤」正式跨入「AI 輔助智慧生成」的新紀元,為台灣通訊產業鏈挹注強大競爭動能。

迎戰太空數位化趨勢 思渤科技藉STK重構本土航太任務動態模擬

隨著非地面網路(NTN)與太空科技迅速從理論走向大規模商用化,衛星通訊與太空任務的驗證已從過往單純的「硬體與射頻規格」,全面延伸至「軌道力學、幾何通視、極端地形與動態鏈路」的系統級驗證。思渤科技資深應用工程師吳志堅首先引述數位發展部數位產業署推動的「先進衛星多元服務應用方案補助計畫」為例指出,政府正大力扶持「創新價創類(PoV)」與「應用方案類(PoS)」方案,單案補助最高達1,500萬元。然而,提案規格對關鍵指標的要求極為嚴苛,包括衛星鏈路可用率需達90%至95%以上、斷線補傳機制、多星系備援、以及在山域峽谷等極端災防環境下的即時通訊韌性。

思渤科技資深應用工程師吳志堅
思渤科技資深應用工程師吳志堅

「在計畫審查中,『完整性與可行性』往往佔了極高比重,」吳志堅強調,傳統紙上作業或粗略估算很難提出具說服力的技術指標。透過 STK 平台的 Access、Chain、Communications 等模組,團隊在提案階段即可精確量化沿航線的多星系可見性、雨衰鏈路餘裕、地形遮蔽下的通訊中斷時段與補傳時窗,甚至輸出直觀的 3D 動態場景,不僅能作為評估查核的預估標準,亦能大幅提高提案審查的可信度。

為徹底破除國外商用教學多採用美國場景、難以直接套用於台灣本地需求的痛點,思渤科技特別建立了「台灣版太空任務模擬體系」,歸納出涵蓋「衛星通訊、觀測、任務規劃、太空安全、PNT定位、衛星發射、無人載具、雷達觀測與數值分析」等九大類別共20個台灣在地情境,並以自研程式 STKER 進行獨立重算與嚴格比對:

緊急通訊與山區搜救

以玉山搜救為例,模擬驗證了中央山脈地形對直接通訊的阻擋效應;數據顯示,透過高空無人機(MQ-9B)可提供長達5.07小時的連續中繼,而單顆立方衛星(CubeSat)全天僅有7段、累計47分鐘的過境時窗,突顯空地整合格網的關鍵價值。

本土覆蓋與軌道規劃

針對台灣本島狹長地形,單顆窄視野衛星一天最多僅能涵蓋89%的國土,證明建置多顆星系(如福衛八號)的必要性;此外,軌道傾角設計失之毫釐、差之千里,傾角從46°變更至50°,7天內地面軌跡滿足率便可能從99%驟降至0%。

PNT定位精度與航線評估

針對中央山脈與松山至高雄航線進行 GPS 精度分析,實測發現在高山深谷的遮蔽下,幾何精度稀釋效應顯著,全島有26%的格點位置誤差會飆升至10公尺以上,為高山救災與航管安全提供了精準的數據依據。

針對業界常存的「商用軟體黑盒子」疑慮,吳志堅強調該套在地化模擬通過了「標準答案、負對照、CZML三維比對」三道嚴格驗證關卡。思渤團隊讓底層物理引擎與 STK 指令檔獨立運算比對,在187項驗證項目中全數通過,存取邊界誤差控制在0.1秒以內、鏈路預算誤差更小於0.001 dB。

從前期的軌道與星系架構決策、地面站接收排程,到太空防撞預警與海事/災防鏈路推估,動態系統模擬工具已不再只是單純的展示軟體,而是貫穿產品規格定義到現地測試的數位雙生核心,正為台灣航太通訊與新創團隊打通邁向國際軌道的最後一哩路。

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