低軌道衛星通訊市場快速發展，衛星設計以低成本 /輕量化為目標，期望未來透過大量部署實現全球網路覆蓋。衛星通訊未來將結合毫米波技術，同時朝向軟體定義衛星發展。電源晶片設計則需考量尺寸、能源使用效益與可靠度，確保衛星在太空中的用電無虞。 低軌衛星通訊市場高速成長，通訊業者爭相搶攻地面設備商機與其他衛星通訊商機。預期未來衛星通訊將整合 毫米波技術，實現高速/即時傳輸，同時朝向軟體定義衛星的方向發展。技術方面，低軌衛星走向普及的條件在於採用低成本、輕量化且體積小的衛星，以實現大量部署，達成全球覆蓋的目標，因此衛星及其電源晶片設計都面臨新的挑戰。 圖1 財團法人電信技術中心副研究員陳冠榮分析，投入衛星通訊的廠商主要關注數位落差與潛在商機兩個議題 業者積極投入低軌衛星通訊 衛星通訊能夠為網路訊號不好的地區帶來流暢的通訊服務，同時廠商也在其中看到潛力十足的商機。團法人電信技術中心副研究員陳冠榮(圖1)指出，衛星通訊市場規模不斷增加，根據美國衛 星行業協會(SIA)統計，2021年全球的太空經濟規模大約是3,860億美元，扣除政府計畫與太空旅行等項目，衛星產業約為2,790億美元，其中以地面設備與衛星服務為主。摩根史丹利則預估大約2040年，整體太空經濟有機會突破1兆美元，以寬頻服務與地面設備是中短期推動力。由此可見，地面設備市場龐大，也是國內廠商與政府政策重點所在。 全球主要的低軌衛星業者以Space X、Amazon、Telesat、 OneWeb為首，業者布局的衛星數量越來越多，所使用的頻段增加，同時邁向高頻化的應用趨勢。 以Space X為例，Space X申請了三個星系，這些過程是經過與美國主管機關、利害關係人的協調及競爭結果，發展方向大致以增加衛星顆數，以及增加使用的衛星頻率為主。其他包含Amazon、Telesat、OneWeb的發展趨勢也類似，計畫在原本申請的系統規模中，增加衛星顆數，並提高使用頻率。 圖2 士盟科技技術副理林濬弘指出，通訊應用的衛星必須成本低、重量輕、體積小 通訊衛星設計首重輕巧 /低成本 用於通訊的商業衛星設計需要顧及重量與成本等面向，使用模擬軟體便能協助開發人員在設計階段預先解決產品問題。士盟科技技術副理林濬弘說明(圖2)，衛星使用在通訊應用必須達成幾個條件，包含成本低、重量輕、體積小、容易替換。傳統衛星體積大且成本較高，使用時間大約3~10年。未來隨著電子產業整合技術進展，衛星的尺寸會不斷縮小。而早期的衛星大多使用類比訊號，新一代的衛星轉為採用數位系統，加上整合電路與系統整合的發展，衛星通訊需要的功率下降、體積縮小，有利於大量部署。 部署低軌道衛星需要克服幾項挑戰，一是所有的通訊系統在太空中處在-100~120°C之間的環境，操作環境溫差大，同時面對80~100°C的操作溫差。其次，在低軌道上的衛星數量多，布建的時候要考量衛星會不會相撞。因此，衛星設計的精度與密度要求高，面對衛星設計的挑戰，需要透過完善的設計與模擬分析，盡早解決設計過程的問題。 圖3 稜研科技創辦人暨總經理張書維分析，衛星產業的市場48%是地面設備，因此地面設備成為兵家必爭之地 毫米波實現通訊即時性 實現衛星通訊仰賴電子式天線與毫米波等技術，當技術發展成熟且衛星成本下降，衛星通訊便能走向普及。稜研科技創辦人暨總經理張書維(圖3)分析，衛星產業的市場48%是地面設備，因此地面設備成為兵家必爭之地。同時因為地面設備數量增加，業界希望降低衛星的成本。毫米波則能應用於行動網路與衛星通訊，在地面的行動通訊網路應用中，都市區域目前的用戶較多、需要的頻寬較大，加上毫米波的傳輸距離較短，基地台的需求數量較多。為了減少基地台數量，毫米波需要透過更高的功率強化傳輸距離，減碳的趨勢也成為行動網路毫米波應用的挑戰，廠商必須透過訊號加強器等技術來降低基地台需求，以提升能源使用效益。可預期未來衛星通訊為了實現元宇宙或者自動駕駛等高度要求通訊即時性的應用，需要支援大頻寬，因此毫米波成為發展衛星通訊的重要技術之一。 圖4 美商懷格(Vicor)資深技術支援工程師張仁程表示，衛星的電源面對衛星需要縮小體積且支援高頻寬的挑戰 先進通訊衛星設備電源設計考量大不同 先進通訊衛星設備電源設計有幾個考量，需要更好的供電網路提供高速、低延遲的全球網路覆蓋，以及完整的耐輻射解決方案。美商懷格(Vicor)資深技術支援工程師張仁程(圖4)表示，預估整個產業十年內高頻寬的需求會成長20倍，在衛星通訊市場快速成長下，衛星的電源面對衛星需要縮小體積且支援高頻寬的挑戰下，同時考量衛星設備中的晶片必備抗輻射與抗干擾特性，電源晶片的設計面臨新的挑戰。中低軌衛星跟各個物聯網裝置通訊，為了確保低延遲傳輸，衛星設備的電源晶片必須能處理高速訊號，然而這樣的晶片功耗比傳統的衛星電源晶片增加20~30倍的電流且電壓更低，導致晶片的瓦數可能超過50~300W。 衛星的電源晶片要能夠支援衛星長時間的運作，考量到衛星的電力只來自有限的太陽能，因此電源晶片需要具備將太陽能板所蒐集的高壓直流電，轉換為衛星中1V以下的低壓、大電流需求，同時為了將能源使用效益最大化。簡言之，衛星電源晶片需要高效率、高功率密度，並且確保可靠性，能夠耐輻射、抗雜訊或其他單一事件干擾。此外，電源設備包含電源晶片的容錯機制，衛星電源模組有備援設計，以降低單一事件帶來的干擾等影響。為了克服上述的電源設計挑戰，廠商如Vicor開發抗干擾、低雜訊的電源解決方案，期望滿足衛星的電源需求。 圖5 創未來科技主任工程師王章衡認為，預期衛星技術將朝向軟體定義衛星的方向發展 軟體定義衛星趨勢可期 低軌衛星的成本較同步軌道衛星低廉，因此未來可望成為衛星通訊應用顯學，同時在衛星通訊領域也能觀察到軟體定義衛星與星系/地面站的趨勢。創未來科技主任工程師王章衡(圖5)指出，Space X開發可以回收的火箭，其後其他的衛星公司致力於降低發射衛星的成本，例如透過使用輕量型火箭，或者直升機回收火箭減少發射衛星的成本。當衛星的發射成本降低，未來市場上的太空相關應用除了由政府主導，也會進入商用發展。傳統的衛星通訊以同步軌道衛星為主，如果期望達到全球覆蓋，大約3~4個同步軌道衛星就能達成，但是成本較高。而低軌道衛星近期受到市場高度關注，雖然需要上百顆 才能完成全球覆蓋，但是低軌道衛星發射成本較低，成為可以持續替換的衛星。多個應用領域皆出現軟體定義技術的趨勢，同樣可以預期衛星技術朝向軟體定義衛星的方向發展。 從較為成熟的軟體定義無線電及軟體定義網路的技術出發，上述兩個技術將分別應用到軟體定義衛星，以及軟體定義星系/地面站。因為衛星通訊用的是無線電，因此未來軟體定義無線電的技術可望應用到衛星通訊中。同時，衛星與衛星之間的通訊串聯起來就是網路，因此軟體定義網路就會延伸應用到軟體定義星系，以管理衛星通訊。地面站則需要與網際網路連接，因此會應用到軟體定義網路的延伸技術。整體而言，在全球網路覆蓋的需求下，低軌道衛星市場高速發展，傳統衛星業者與新興廠商積極投入。然而低軌道衛星需要具備體積小、低成本、重量輕的特性，同時需要面對太空中的極端環境與輻射影響，在衛星製造與電源設計皆面臨挑戰，需要透過模擬分析與最佳化的電源方案解決。而未來衛星通訊將與行動網路走向整合，同時應用毫米波的即時傳輸特性，加上未來軟體定義衛星等優勢，逐步實現全球網路覆蓋的藍圖。 關鍵字：低軌道衛星(LEO)、毫米波、天線設計、衛星通訊、地面設備、多物理模擬分析 出處：轉載自新電子科技雜誌 2022年 9月號 438期