毫米波相控陣列天線開發：突破 B5G/6G 最後一哩路—雙極化波束賦形與場型驗證

隨著無線通訊技術邁向 B5G (Beyond 5G) 與 6G 時代，頻譜資源的開發已從擁擠的 Sub-6 GHz 頻段，全面轉向頻寬資源豐富的 毫米波 (mmWave) 頻段，特別是 26.5 GHz 至 29.5 GHz 的 Ka 頻段，然而物理定律是公平的，獲取大頻寬的代價是極高的「自由空間路徑損耗 (Free Space Path Loss)」。

在這樣的物理限制下，傳統的全向性天線或簡單的指向性天線已無法滿足通訊鏈路預算 (Link Budget) 的需求，主動式電子掃描陣列 (Active Electronically Scanned Array, AESA)，也就是俗稱的 相控陣列天線 (Phased Array Antenna)，成為了解決此一難題的關鍵技術，它利用 波束賦形 (Beamforming) 技術，將分散的能量聚焦成高增益的窄波束，藉此延伸訊號覆蓋範圍；對於負責開發這些尖端天線系統的研發工程師而言，從理論模擬走向實體硬體，面臨著三大嚴峻的技術挑戰與測試規範的高牆。

挑戰一：波束賦形與轉向的物理機制實現

波束賦形並非魔法，而是精密的物理干涉，其基本原理是透過控制陣列中每一個天線單元 (Element) 的發射訊號「相位」與「振幅」。

• 觀念解析：想像你在池塘邊丟石頭，如果你同時丟下一排石頭，產生的漣漪會形成一道向前的波浪（波前），如果你讓右邊的石頭比左邊的稍微晚一點點丟下（引入相位延遲），整道波浪的方向就會偏向左邊。
• 工程難題：在毫米波頻段，波長僅有數毫米，這意味著每個天線單元的間距極小（通常為半波長），且相位控制必須達到極高的精確度，若相位誤差過大，不僅波束指向會偏移，還會產生巨大的「旁瓣 (Side Lobes)」，導致能量浪費並干擾其他系統，工程師必須在極小的空間內整合移相器 (Phase Shifter)、衰減器與功率放大器，這對 PCB 佈局與熱管理是極大考驗。

挑戰二：雙極化 (Dual-Polarization) 的隔離度與交叉極化干擾

為了在有限的頻寬內倍增傳輸容量，現代衛星通訊與 5G 系統廣泛採用 極化分集 (Polarization Diversity) 技術，這要求天線必須能同時發射或接收兩個正交的極化波（例如：水平/垂直線性極化，或左旋/右旋圓極化）。

• 法規與規範： 依據 3GPP TS 38.104 與衛星通訊標準，對於 交叉極化鑑別度 (XPD) 有嚴格要求。
• 工程難題： 實務上要在同一個物理單元上實現雙極化，往往會因為饋入線路的耦合效應，導致水平極化的能量洩漏到垂直極化通道中，反之亦然；這種洩漏會嚴重降低訊號雜訊比 (SNR)，導致 MIMO (多輸入多輸出) 系統的效能崩潰。

挑戰三：無連接器 (Connector-less) 的 OTA 測試黑盒

這是目前研發工程師最頭痛的問題，在 Sub-6 GHz 時代，我們習慣將天線透過 SMA 接頭連接到網路分析儀進行測試，但在毫米波相控陣列中，天線單元直接與射頻前端晶片 (Beamforming IC) 整合在同一塊多層板上，甚至封裝在晶片內 (AiP, Antenna-in-Package)。

• 測試困境： 你找不到任何實體的射頻連接器來量測單一元件的駐波比 (VSWR) 或增益，所有的驗證都必須在 空中下載 (Over-the-Air, OTA) 的環境下進行。
• 遠場條件的限制： 依據物理公式，要形成穩定的平面波（遠場條件），測試距離必須大於 （其中 D 為天線孔徑， 為波長），對於大型陣列，這個距離可能長達數公尺甚至數十公尺，這在一般實驗室中難以實現；因此，必須依賴 緊縮場 (CATR) 或 近場掃描 (Near-field Scanning) 技術，再透過數學轉換推導出遠場場型。

面對上述從晶片設計到場型驗證的嚴苛挑戰，單一的量測儀器或零散的開發板往往難以竟全功，研發團隊若花費大量時間在搭建測試環境與撰寫控制程式，將嚴重拖延產品上市時間，您需要的是一套 「軟硬體高度整合的開發與驗證平台」。

從演算法驗證到場型測試的一站式方案

我們的系統整合方案專為 B5G/6G 與衛星通訊研發設計，核心在於提供一個 「可立即運作的參考設計」 與 「視覺化的驗證環境」，透過整合 高階毫米波相控陣列模組 與 精密運動控制平台，我們協助客戶跨越開發初期的硬體障礙。

64 通道獨立控制的毫米波陣列核心

我們提供的解決方案搭載了 OHM+ DPA (Dual-Polarization Array) 技術，這是一個專為 26.5-29.5 GHz (Ka-Band) 設計的 8x8 相控陣列模組。

工業級精密設計：OHM+ DPA 雙極化相控陣列模組，將高性能射頻前端與散熱系統完美集於一身。

• 極致的波束控制力：
  系統支援 64 個通道的獨立相位與振幅控制。這意味著您不只能做簡單的波束轉向，還能進行 波束塑形 (Beam Shaping)，例如透過振幅遞減 (Tapering) 來抑制旁瓣，或產生多個同時波束。
• 彈性的極化切換：
  透過軟體定義，您可以毫秒級的速度在 線性極化 (H/V) 與 圓極化 (RHCP/LHCP) 之間切換。這對於應對衛星姿態變化或城市多徑環境至關重要，無需更換硬體即可驗證不同極化模式下的系統效能。

視覺化與開源的開發環境

傳統的相控陣列開發往往受困於封閉的晶片程式碼，我們的方案提供了 直觀的 GUI 控制介面，讓工程師能像玩遊戲一樣，透過滑鼠拖曳來即時改變波束指向 (Drag-to-Steer)，並即時監控 3D 輻射場型與增益數據。

直觀操控：獨家的 "Drag-to-Steer" 功能，讓波束控制像操作遊戲一樣簡單直觀。


專家級調校：進階面板支援對 64 個天線單元 (A1-H8) 進行逐一的幅度 (Amplitude) 與相位 (Phase) 校正。

• 協助客戶符合規範：
  系統內建的功率偵測與自我校正機制，能協助客戶快速將天線模組校準至最佳狀態，確保旁瓣電平 (SLL) 與交叉極化比符合 3GPP 或衛星通訊規範。
• 開源 API 支援：
  我們提供開源的應用程式介面 (API)，讓演算法工程師能直接將自研的波束追蹤演算法寫入系統，大幅縮短從 MATLAB/Python 模擬到硬體實現的距離。

混合式動態追蹤 (Hybrid Tracking) 驗證

針對衛星通訊或移動載具 (SOTM) 應用，單靠電子掃描往往受限於角度，我們的整合方案結合了 機械式三軸運動平台 與 電子式波束掃描。

• 全空域覆蓋：
  利用機械轉台進行大範圍的粗略對準，再利用相控陣列進行毫秒級的精確電子追蹤，這種混合架構能模擬真實的低軌衛星過頂場景，驗證終端設備在高速移動下的連線穩定性。

LEO 衛星通訊動態追蹤平台示意圖：整合毫米波接收器與高負載三軸旋轉平台

完整的射頻鏈路支援

系統內建毫米波升降頻器 (UDC)，可直接介接標準的頻譜分析儀或向量訊號產生器 (如 R&S SMW/FSW 系列)，這讓您不僅能看天線場型，還能直接進行 EVM (誤差向量幅度)、ACLR (鄰頻道洩漏比) 等通訊指標的端對端測試。

實際系統配置將因應您的測試應用、規範、場地限制及待測物特性而有所不同。如需深入規劃與系統或軟硬體選配搭配建議，請聯繫「奧創團隊」，我們擁有豐富的系統整合經驗，隨時準備為您提供最專業的配置建議與技術支援。

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