低軌衛星天線設計與量測-VSAT

-川升股份有限公司 邱宗文

2021/11/15

講者介紹

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邱宗文 博士

• 台北工專電機科/中山大學電機博士
• 第四屆臺灣天線工程師學會理事長
• 山東省泰山學者/海外特聘專家
• 正修科大/成功大學/台北大學等 兼任助理教授
• 資深科大/技術學院評鑑/品保委員
• 連展無線通訊事業處處長
• 泓博通訊副總裁
• 川升股份有限公司創辦人
• 200多項天線相關發明專利發明人

• 天線設計及微波電路應用
• 天線OTA量測

大綱

• 低軌衛星概述 – What? Why?
• 波束成型天線設計 – How?
• 天線量測方式介紹 – How?
• 結論

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衛星遙測&通訊 -B5G/6G

4

森林火災/冰山/火山/地震/海洋!!

通訊 : 會飛有眼睛的基地台

GEO/MEO/LEO

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GPS

通訊/電視廣播

通訊/遙測

圓軌/橢圓軌

電離層 🡺 極化偏移 🡺 圓極化

非同步必須追蹤 🡺 高訊雜比(smart ant./array) 🡺 AiP/QZ

LEO廠商&頻段

6

VLF

LF

MF

HF

VHF

UHF

電波天文

3k

30k

300k

EHF

3M

Freq. (Hz)

波長 (m)

30M

300M

3G

SHF

30G

300G

1

0.1

10

THz(太赫芝) : 100GHz!!

RF

IEEE (二戰規格?)

大綱

• 低軌衛星概述 – What? Why?
• 波束成型天線設計 – How?
• 天線量測方式介紹 – How?
• 結論

LEO地面站1024個子天線+256顆IC

追蹤天空低軌道衛星

波束成型目的

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• 提高訊雜比 (SNR)
• 場型分集 (Pattern Diversity)
• 提高涵蓋範圍 (Coverage)

LEO地面站1024個子天線+256顆IC

追蹤天空低軌道衛星

天線設計重要參數

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A

B

C

D

F

E-plane/H-plane ⬄ yz-plzne/xz-plane

Co. pol./X-pol ⬄ Theta/phi ⬄ V/H

SNR!

極化 (Polarization)?

x

y

Directivity : peak/aver.

HPBW (Half power beamwidth)

SLL (side lobe level)

F/B (front to back ratio)

XPL (cross pol. Level)

EIRP (equivalent isotropically radiated power)

發射功率xGain (36 dBW!! = 66 dBm)

Beam Chart

Ｃodebook

CDF

波束成型基本原理

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輻射相位!!

天線假設為理想點波源!?

挑戰一 : 電路板設計

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材料物理 :

1GHz

偶極子弛豫現象

原子極化

1THz

毫米波

電子極化

1PHz

Dk

Dk/Df

• 材料/製程影響
• 不是常數 (高頻/寬頻)

多層堆疊

• 厚度也要考量

每個天線特性不同

Insertion Loss

挑戰二 : 相位校正

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相位中心(Phase Center)

Reference : https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/phased-array-antenna-patterns-part1.html

假設 :

• 天線相位中心與物理中心重合
• 天線為理想點波源/球面波

AiP

台積電封測方案

日月光封測方案

校正項目 :

• BFIC conductive
• 天線板(相位中心)
• 封裝差異

挑戰三 : BFIC應用

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BFIC (振幅/相位控制)

參考資料來源�https://www.analog.com/cn/education/education-library/webcasts/advances-in-phased-array-analog-beamforming-solutions.html

IC成本/穩定性(熱)/Debug??

波束成型設計實務 –Beam Modeling

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大綱

• 低軌衛星概述 – What? Why?
• 波束成型天線設計 – How?
• 天線量測方式介紹 – How?
• 結論

聯發科/嘉聯益/至高頻/川升高研

連騰/鋐寶/UBNT/川升台北

高科大/川升台北

低軌衛星挑戰-天線OTA量測

一個低軌衛星天線模組是整合『千顆天線』、『低損載板』、『百顆RFIC』的高度工藝，故如何抽絲剝繭量測各項元件獨立與組合後的參數更決定了最終成品的效能，其挑戰如下：

• IC成本高/性能難驗證~百顆 IC各自的功率放大器(PA/LNA)及相移器(PS)存在不一致性，Ka-band的毫米波頻段難度更遠大於中/低軌衛星頻段
• 電路板高頻性能驗證~頻率高至Ka-band，即使同片板材但不同位置的電參數（Dk/Df）仍會不一致
• 相控陣列天線校正~因上述的誤差無法避免，因此必須經由實測天線模組的多角度波束再回頭修正IC控制來回試誤調整
• 模擬衛星移動都普勒效應測試~測試訊號必須如同低軌衛星高速移動時之狀態
• 衛星切換測試~利用地面衛星天線之動態波束追蹤天空衛星間的切換狀態

​

​

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低軌衛星的設計製造必須有新的測試方法協助，否則無法進行開發

過去所沒有的挑戰

天線板測試 + IC模擬

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MW5：探針饋入量測每一子天線的輻射場型

設計考量

• 操作便利性
• 震動隔離
• 低干擾製具設計

• 高解析度電子顯微鏡

• 防震

• 待測物製具

• 維護門

3D-CATR

• 饋源天線

• 針台

Beam-Modeling

在尚未打IC前即可預估打IC後的波束，有效節省試誤成本

解決以下問題

1. IC成本高/性能難驗證

2. 天線板高頻性能驗證

R&S®ZNA vector network analyzers

EIRP及相位調整 -MS10

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MS10：量測完整低軌衛星天線，利用實測波束方向反推校正IC

🡺波束方向控制得以精準

天線放置處

天線模組

可拆換治具

解決以下問題

3. 相控陣列天線校正

利用Beam-Modeling反推運算加速找到各IC相位校正值

R&S®ZNA vector network analyzers

衛星應用場景模擬 -MW6

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衛星訊號

旋轉臂

MW6d：可模擬實際衛星移動的效應

解決以下問題

4. 都卜勒效應

5. Beam tracking/handover

衛星模擬器

地面天線

Control PC

地面接收

使用環境模擬 -規劃中

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整合溫控 :　R&S AST1000

海浪模擬

大綱

• 低軌衛星概述 – What? Why?
• 波束成型天線設計 – How?
• 天線量測方式介紹 – How?
• 結論

結論

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連結管理

• 影像
• 感測資料
• 定位資料

LEO衛星

地面站

資料分析中心

遠端控制中心

數據匯集

VSAT 通訊天線(Phase Array) :

GEO : 中衛/也翔/台揚/兆赫/芳興

LNB : 博百

高頻電路設計 : 中華精測

高頻電路板製造 : 嘉聯益/新復興/欣興

高頻基板 : 台光電

毫米波零件設計 : 昇達科/稜研

天線/散熱設計 : 耀登/鐳洋/倚強科

OTA測試 : 衛普/川升

第三方測試 : 工研院

OEM & ODM

GPS天線 : 禾邦/太盟/國巨…

通訊天線(Dish) : 中衛/也翔/台揚/兆赫/芳興…

遙測雷達 : 日/美/荷蘭…

飛機LEO天線 : AERKOMM Inc.

空

陸

海

跨國移動

系統服務 : SpaceX、OneWeb…

LEO衛星

雷射/mmW

TP : 114 台北市內湖區行愛路69號

02-27951002 /

02-27951009

川升股份有限公司 BWant

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戰略夥伴 : 至高頻科技股份有限公司

300新竹市東區慈雲路118號4樓 / 03-6109663

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