陣列天線是衛星通訊系統中不可或缺的關鍵技術，但目前絕大多數陣列天線都是為地面波行動網路打造，因此陣列天線設計出現明顯的路徑依賴現象。要設計出適合衛星通訊應用，而且低成本、易量產的陣列天線，必須先跳脫現有的思考框架。
在低軌衛星通訊服務興起後，衛星通訊產業的格局出現天翻地覆的改變，因為其服務的潛在用戶群擴展到了一般消費大眾，不再只有軍隊、警消、海事船舶等利基型客群。但服務供應商為了向更多客戶提供服務，必然需要能大量生產，且價格合理的地面終端收發設備。因此，地面衛星接收設備的製造開始大量往亞洲轉移，希望利用亞洲相對低廉的生產成本，把用戶端設備的價格壓低。
然而，僅靠壓低設備組裝的成本是不夠的。為降低衛星接收設備，尤其是陣列天線的設計複雜度，進而提高生產效率及良率，陣列天線的設計思維必須跳脫既有框架，才能取得突破性的進步。
行動通訊vs.衛星通訊 陣列天線規模大不同
星相科技共同創辦人暨執行長蔡忠旺(圖1)指出，陣列天線的大規模商用化，始於行動通訊的基地台設備。也因為如此，目前衛星通訊設備所使用的陣列天線，其設計架構跟行動通訊基地台仍有很多相似之處。目前衛星通訊用的陣列天線設計之所以面臨瓶頸，跟這個路徑依存的現象脫不了關係。
圖1 星相科技共同創辦人暨執行長蔡忠旺表示，衛星通訊使用的陣列天線設計，必須擺脫行動通訊所帶來的路徑依存。
蔡忠旺進一步解釋，由於基地台與用戶終端之間的距離，在一般情況下只有數百公尺，因此行動通訊基地台所使用的陣列天線規模往往很小。以5G基地台為例，其陣列天線的單元數量通常不會超過16個單元。然而，在衛星通訊的應用場景中，地面設備與衛星之間的距離，最短也是數百公里起跳。因此，為確保訊號能穩定收發，衛星本體跟地面接收設備所搭載的陣列天線規模通常是1024個單元，兩者規模相差數十倍。
從16個單元擴增到1024個單元，需要更有效率的擴展方法跟系統架構，而不是單純地在既有基礎上增加單元數量。如果不採用新架構，陣列天線的設計會變得非常複雜，除了影響生產良率，同時也會讓天線單元校正的作業量指數增加，不利於大規模製造。
Phase Tuner技術帶來突破性創新
圖2左是目前陣列天線採用的主流設計架構，右是星相提出，基於相差陣列型相位調整器(Phase Tuner)陣列天線設計架構。傳統相位陣列天線在最後一級進行相位調整，以增益補償，相差陣列型相位調整器則是在每一級分支處進行相位差調整，進而合成天線陣列。因此，天線廠商可以不用設計功率分配網路(Power Divider Network, PDN)，即可實現相位陣列天線。
圖2 傳統陣列天線架構與星相提出的架構比較
透過這種架構，每一級分配線路不但不會造成3dB的訊號衰減，反而可以得到增益。以3dB增益為例，經過10級傳輸，到達最後天線單元時，反而增加了30dB的增益。同樣10dBK的天線，可以在32x32的相位陣列達成，使用面積只須要小於20x20公分即可完成，不僅功耗減少一半，還讓Ka頻段的相位陣列天線成為可能，同時相較於其他天線方案面積縮小65%。
不僅天線尺寸大幅縮小，透過星相提出的架構，天線製造商的校正工作量也可以大幅減少。如果在最後一級做波束成型，假設天線是由1024個單元構成，天線製造商就必須做1024次校正，才能確保陣列天線的效能；但透過星相提出的架構，每一級只需要校正一次，甚至有機會做到免校正，幫天線製造商省下非常可觀的時間。
LNA結合AIP PCB層數砍半
這些相位調整器的本質，其實是搭載了封裝天線(Antenna in Package, AiP)的低噪訊放大器(LNA)，如圖3。這些天線封裝模組將4個天線與4個訊號放大元件設計整合在晶片封裝表面，成為一個可以擴增設計的單體，簡化其他傳統相位陣列天線將上千個天線與放大訊號線路混合的複雜性，進而把印刷電路板所須層數由14層降低為6層，進一步提高生產良率，同時又增加了訊號極性在線性極化、圓形極化間的自由選擇，帶來設計上的便利。
圖3 星相的相位調整器外觀尺寸與內部結構
蔡忠旺指出，從量產的角度來看，減少PCB層數非常關鍵。因為PCB層數越多，不僅材料成本上升，良率也會下降。因為陣列天線的電路板內部是中空結構，而PCB在經過SMT打件時，一定會遇到熱漲冷縮，可能導致型變、翹曲。當層數越多，PCB的變形要求就要越嚴格。此外，14層其實是個低估的數字，有些陣列天線製造商甚至會用到超過20層的PCB板來製造陣列天線。如果能把PCB層數砍到10層以下，天線製造商的生產成本、良率跟效率都能獲得大幅改善。
挑戰IDM大廠 天時、地利、人和俱備
在台灣IC設計產業，挑選高頻射頻(RF)晶片設計作為創業題目的公司並不多見。一來是這類晶片往往需要客製化的製程配合，二來台灣的類比電路人才相對稀少。為何星相的創業團隊會選擇以此為題創業？
蔡忠旺透露，台灣從事類比IC設計的團隊相對罕見，有其歷史背景。畢竟，台灣的IC設計產業是跟著PC一起成長的。但最近幾年，業界已經開始注意到類比和射頻技術的重要性，並且有越來越多學生跟老師開始研究相關題目，因此人才缺乏的問題開始得到緩解。
至於客製化製程的問題，從星相的角度來看，倒是沒有那麼關鍵。某些軍工國防領域使用的射頻晶片，確實需要高度客製化的製程配合，但這類晶片並非星相有意投入的領域。台積電的65奈米、聯電的RFSOI，都已經有成熟穩定的PDK。因此，只要設計團隊的功力夠，類比Fabless的可行性比以往更高。
蔡忠旺總結說，以類比或衛星通訊作為創業題目，在這個時間點，或許更適合台灣的新創IC設計團隊。因為開發這類產品的資金門檻相對低，而且衛星接收設備的製造正在向亞洲轉移。如果終端設備的製造在台灣，就有機會重演PC帶動台灣數位晶片設計發展的歷史。也因為如此，目前星相是以地面陣列天線為主要目標，但隨著台灣太空產業向前邁進，未來星相在衛星本體的陣列天線晶片方面，將不會缺席。