臺灣半導體與資通訊產業撐起了全球電子供應鏈的半邊天，卻在衛星通訊最關鍵的射頻晶片上，長期仰賴國際供應。工研院打造100%自主衛星射頻晶片、模組與驗測能量，為臺灣切入國際衛星通訊供應鏈，補上關鍵的一塊，獲工研菁英傑出研究獎金牌。
夜晚抬頭，低軌衛星列隊無聲掠過天際；地面上，一片薄薄的平板天線須在瞬息之間追上衛星的方向，衛星高速移動，訊號也跟著在天空與地表間接力。對地面使用者來說，這是一條連結偏鄉、海上、空中與災害現場的情報線；對產業而言，則是一場從天線、晶片、模組到整機系統的供應鏈。
「過去，臺灣廠商在衛星生態系中扮演的角色，是向國際大廠採購晶片，再做天線、模組與系統整合，」工研院資訊與通訊研究所副所長許仁源指出，當衛星通訊的核心射頻晶片技術掌握在少數國際大廠手中，賣或不賣都要看公司政策；更遑論一旦被列入出口管制名單，臺灣廠商即使出得起價也未必買得到，供貨彈性與競爭力都會受限；就算買得到，缺乏關鍵技術，臺灣廠商也容易停留在組裝代工位置，難以切入高附加價值環節。
為了幫臺灣通訊產業拿回主導權，工研院投入「衛星通訊高頻射頻元件技術」開發，完整布局高頻射頻晶片、相控陣列天線模組、波束追蹤控制與驗測平台，為臺灣衛星通訊供應鏈補足核心晶片的缺口，讓國內廠商有機會從「賣硬體」轉向「賣解決方案」，跨入高附加價值的衛星通訊市場。
從零開始 完備「端到端」核心晶片技術
「衛星通訊高頻射頻元件技術的發展，在臺灣有點像從0到1，」許仁源追溯，5年前，臺灣多數廠商仍以地面通訊、成熟網通設備或代工製造為主，面對低軌衛星的新興市場，多半還在觀望；少數大廠雖有相關技術，卻仍受困於晶片價格高、供應受限與出口管制問題。
工研院就是在這樣的環境下，從無到有開啟了衛星通訊元件研發任務。團隊先拆解衛星平板天線終端，發現射頻元件占整體成本比重極高，舉凡波束控制、波束合成、升降頻、功率放大、低雜訊放大等晶片，都是相控陣列天線能否穩定連上衛星的關鍵。
於是許仁源與團隊，將技術研發方向聚焦衛星通訊「端對端」元件的研發，一端是地面使用者終端，另一端為國家太空中心所規劃衛星上的通訊技術。研發團隊從Ka頻段射頻晶片組、相控陣列模組、波束追蹤控制、驗測平台一路串接，要讓臺灣產業在衛星通訊中擁有可驗證、試量產與商用導入的完整解決方案，而不只是一顆孤立晶片。
克服高頻元件與系統設計整合的挑戰
衛星通訊射頻元件要面對的，是地面通訊不曾遇過的條件組合：高頻段、長距離傳輸、加上嚴苛的訊號穩定性要求。許仁源分析，這類晶片工作在毫米波高頻段，設計往往要在1、2次下線中接近目標規格，「不太容易慢慢試」。晶片完成後，還要整合成陣列模組；高頻段天線單元間距極小，數以千計的天線密集排列，功耗、散熱與校正的問題隨之而來。
此外，衛星端晶片技術必須面對嚴峻的太空環境，包含劇烈溫差、高能粒子與輻射。舉例來說，輻射可能讓數位電路中的0與1翻轉，造成資料錯誤。為降低風險，團隊發展了抗輻射積體電路設計技術，於電路、邏輯、系統等層級強化商規製程晶片抗輻射能力，從元件到系統，一層層提升可靠度。
地面通訊有前代參考架構可以依循，國內在衛星通訊射頻技術卻沒有這種累積。國際資訊高度封閉，團隊必須從學術論文、國際標竿與實測結果中反覆推敲，定義規格與架構。「這5年來，團隊累積許多4G、5G高頻晶片與小型太空系統的經驗，也向太空中心（TASA）與相關學研團隊請益，才逐步建立任務定義、鏈路分析、系統架構與晶片規格定義等開發流程，」許仁源說。
隨著研發不斷突破，成果也逐漸浮現。研發團隊完成臺灣首套100%技術自主的Ka頻段衛星終端射頻晶片模組方案，採用台積CMOS、穩懋GaN等成熟高效製程，全光罩試量產後，成本僅為國外領先產品售價的十分之一，功耗降低5%至15%，並具備1,024組波束記憶功能，晶片能更快切換波束參數，對需要頻繁變換指向的地面終端而言，是維持連線不中斷的關鍵。
進階調整 讓地面天線追上移動衛星
隨著晶片模組的完成，研發團隊也面臨到另一項難題，許仁源表示，低軌衛星不會停在天空等地面終端對準，而是以高速掠過，地面天線必須在高度變動的通道中，快速完成毫秒級的波束對齊與追蹤。「若把衛星通訊比喻為遠距離對話，波束就是一束必須準確指向接收方的聲音，方向稍有偏差，訊號品質就可能下降。」
為此，團隊開發「混合式波束追蹤」演算法，結合開迴路與閉迴路追蹤技術，並以軟硬體協同設計方式，將關鍵波束控制邏輯與數位電路實現，讓自主射頻晶片能快速完成參數設定，達到毫秒級精準控制與波束追蹤，「簡單來說，系統不只知道衛星的位置，還能在移動過程中持續校正，維持連線品質，」許仁源說。
在模組端，團隊也完成成對相控天線陣列模組方案。其中，地面終端模組整合自主晶片組，符合TASA終端性能規格，等效輻射功率（EIRP）達73.5 dBm，較之國際衛星服務領導廠商的69 dBm，「相當於發射功率強度提高近3倍，能在相同條件下提供更好的連線品質與傳輸能力。」
「驗測能力同樣是產業化關鍵，大型相控陣列天線若無法準確校正與量測，再好的晶片也難變成可出貨的產品。」許仁源表示，工研院建置國內首套直接遠場（Direct Far Field；DFF）與縮距場天線量測系統（Compact Antenna Test Range；CATR），提供相控天線陣列模組實際通訊輻射性能即時量測，「這使國內廠商在原型設計、陣列校正與系統驗證階段，不必完全仰賴海外測試資源，也縮短了產品開發週期。」
專利契作 打開太空新商模
「技術做出來是一回事，最重要還是企業能用得上，」工研院資通所技術副組長陳正中指出，若研發成果僅能提供少量樣品晶片，廠商未必知道如何導入，因此研發團隊從一開始便朝試量產規劃，透過全光罩產出可供工程驗證的晶片，再搭配開發板（EVB）、小型天線陣列參考設計與驗測服務，降低廠商承接門檻。
「我們不只是把專利授權出去，而是以射頻晶片設計、製程選擇、波束演算法、AiP封裝、模組校正與系統驗證等能量，形成可依客戶需求調整的專利契作模式。」陳正中進一步說明，當廠商提出不同應用場景，團隊即可從系統需求回推晶片架構，提供客製化解決方案，讓智權從研發成果成為帶動新事業布局的核心資產。
目前，工研院已在波束成型、RF元件、毫米波裝置等領域完成專利與論文布局，進一步成立新創公司朗辰科技，投入晶片試量產、高性價比衛星通訊地面射頻晶片方案銷售等業務，相關技術合作累計已創造營收達近億元。
未來隨著5G／6G非地面網路、車用衛星通訊、無人載具、船舶與航空通訊等應用加速發展，衛星通訊將不只是補足偏遠場域連線的技術，而是智慧聯網、韌性通訊與通訊主權的重要基礎。「衛星通訊高頻射頻元件技術」將臺灣原有的半導體、網通、面板與系統整合優勢串接起來，讓供應鏈從地面通訊延伸到衛星通訊、從元件推進到系統，也為產業打開一條從技術自主走向國際市場的新藍海。
（本文是由工業技術與資訊授權轉載）
