📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 5周 🛰️ 讓電波飛起來：電磁 × 微波 × 天線
——電波真正「飛起來」的物理工程
45／150單元： 天線基礎 📡 ＋ 🛰️ 相控陣天線
—— 所有無線通訊的起點，就是天線。
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🎯 單元導讀
前幾章我們懂了：
✔ 電磁波如何飛起來（Maxwell）
✔ 遇牆如何反射吸收（邊界效應）
✔ 傳輸線與阻抗如何匹配（Smith Chart）
✔ 微波元件如何用 S 參數溝通
但無線通訊真正的「出口」，
就是天線。
你手機能連網 → 是因為天線
基站能覆蓋整個城市 → 是天線
Starlink 能追蹤衛星 → 是相控陣天線
軍用雷達能鎖定目標 → 也是相控陣
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⭐ 天線不是金屬棒、不是小線圈，而是
把電子震盪轉成「可傳遞的電磁波」的裝置
本章會帶你掌握：
• 天線為什麼能發射？
• 增益是什麼？
• 輻射圖長怎麼樣？
• 極化、方向性、有效孔徑
• 為什麼 MIMO 需要多天線？
• 相控陣天線怎麼「電子式轉動」？
• Starlink/6G 為什麼一定要用相控陣？
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🧠 一、天線的核心原理：電流震盪 → 電磁波
天線不是把電子「射出去」，真正被發射的是電磁場。
其物理過程如下：
• 天線中流過交變電流 I(t)
• 交變電流使周圍產生隨時間變化的電場 E(t)
• 依 Maxwell 方程式，變動的電場會誘發變動的磁場 B(t)
• 電場 E(t) 與磁場 B(t) 彼此耦合、互相推動
• 能量以電磁波形式向空間輻射出去（radiation）
可用簡化流程表示為：
I(t) → E(t), B(t) → 電磁波輻射
一句話總結：
👉 天線的功能是把交變電流轉換成可在空間中傳播的電磁波，而不是發射電子本身。
所以：
⭐ 天線本質是一個「讓電流震盪起來」的結構
⭐ 震盪頻率＝通訊頻率（Hz）
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📡 二、天線的七大核心參數（通訊工程必背）
這七個概念 = 通訊學生與 RF 工程師最重要的知識：
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① 輻射圖（Radiation Pattern）
告訴你天線把能量射向哪裡。
• 主瓣（Main Lobe）
• 副瓣（Side Lobe）
• 零點（Null）
ASCII：
主瓣
↑
↗ ↖
副瓣 副瓣
天線
主瓣代表天線或天線陣列將能量最集中、增益最高的輻射方向，是系統主要用來通訊或雷達探測的方向；而兩側的副瓣則是因為有限陣列、間距與加權方式所產生的非理想能量洩漏方向，雖然能量較小，但仍可能造成干擾或降低效率，因此實務上常透過陣列設計與加權抑制副瓣、強化主瓣指向性。
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② 增益（Gain, dBi）
不是「把能量放大」，而是：
⭐ 增益＝把能量集中到某個方向的能力
高增益 → 波束窄
低增益 → 波束廣
基地台：12–18 dBi
手機：0–4 dBi
Starlink 相控陣：20–30+ dBi
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③ 有效孔徑（Effective Aperture, Ae）
接收天線的「有效孔徑（捕捉面積）」 Aₑ = (λ² · G) / (4π)
表示天線從入射電磁波中實際能接收到能量的等效面積；在天線增益 G 相同的情況下，波長 λ 越長，Aₑ 會隨 λ² 成比例變大，代表需要更大的實體尺寸來有效接收能量，這就是為什麼低頻（長波長）基地台天線通常體積較大，而高頻天線可以做得更小、更密集。
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④ 波長（λ = c/f）
決定天線尺寸。
• 700 MHz → λ ≈ 43 cm
• 3.5 GHz → λ ≈ 8.6 cm
• 28 GHz → λ ≈ 1.07 cm（mmWave）
頻率越高 → 天線越小。
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⑤ 極化（Polarization）
電場方向。
• 垂直極化
• 水平極化
• 圓極化（GPS、Starlink 常用）
極化不對 → 收訊會掉 20–30 dB。
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⑥ 頻寬（Bandwidth）
天線匹配良好的頻率範圍。
電信基地台要求：
天線在頻帶內 S11 < –14 dB。
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⑦ 阻抗（Impedance）
天線＝ 50Ω
傳輸線＝ 50Ω
儀表＝ 50Ω
匹配不良 → 反射 → VSWR 爆增
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🧩 三、為什麼 5G 要用 MIMO？
因為每支天線就像一張「獨立的耳朵」。
多張耳朵可以：
✔ 抵抗多路徑
✔ 用 Spatial Multiplexing 提高吞吐
✔ 形成波束（beamforming）
✔ 提高 SINR
✔ 增加容量
所以 4G 是 2T2R
5G 是 64T64R
6G 會更大。
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🛰 四、相控陣天線（Phased Array）
—— Starlink、5G、6G 的靈魂主角
相控陣不是單顆天線，而是「天線陣列」。
每一顆天線都可調：
• 相位（phase）
• 振幅（amplitude）
當所有天線同步控制，就能讓波束朝「任意方向」前進。
⭐ 這叫電子式波束轉向（Electronic Beam Steering）
⭐ 不用旋轉天線本體
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🧲 五、相控陣的物理原理：干涉
相控陣的核心物理機制是波的干涉：當相鄰天線間距為 d、入射角為 θ 時，兩者接收到的波會產生相位差
Δϕ = (2πd / λ) · sinθ。
(相位差 Δϕ 由天線間距 d、波長 λ 與入射角 θ 決定，改變相位差就能控制各波的相干方向，進而轉動波束指向。)
透過主動調整各天線的相位（人為設定 Δϕ），可以讓某一方向上的波相長干涉、其他方向相消干涉，於是主瓣指向被「掃描」到想要的角度；也就是說，改變相位 → 改變干涉條件 → 波束方向隨之改變。
示意：
天線1 天線2 天線3
| | |
↘ ↘↘↘↘↘↘↘↘↘ 主波束 →→→→→→
靠調整每顆天線的相位，
讓主能量集中在某個方向。
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📡 六、相控陣 VS 傳統轉盤天線
• 轉動方式
o 傳統天線：機械旋轉
o 相控陣天線：電子掃描（相位控制）
• 反應速度
o 傳統天線：慢
o 相控陣天線：極快（毫秒等級）
• 穩定性 / 維護
o 傳統天線：有機械磨損、維護成本高
o 相控陣天線：無機械結構、穩定度高
• 波束能力
o 傳統天線：單一波束
o 相控陣天線：多波束、可同時追蹤多目標
• 應用適配性
o 傳統天線：✖ 不適合 5G / Starlink
o 相控陣天線：✔ 5G、Starlink、雷達的關鍵技術
相控陣是下一代通訊的核心。
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🛰 七、Starlink 為什麼一定用相控陣？
因為 LEO 衛星速度超快（7.5 km/s），
如果用傳統天線會來不及追蹤。
相控陣可以：
✔ 快速追踪衛星
✔ 多波束覆蓋多台設備
✔ 抵抗干擾
✔ 自動優化波束方向
✔ 用 AI 控制相位與增益 → AI beamforming
這也是 Starlink 普及的技術基礎。
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🏙 八、電信基地台的天線設計
CHT 用的大型基地台天線內部都有：
• 上百顆振子（dipole）
• 數十個 feed path
• 內建相位器（Phase Shifter）
• 調幅器（Amplitude Control）
• Massive MIMO 晶片
也就是小型相控陣。
功能：
✔ 波束下傾角（Tilt）電子化
✔ 精準調整覆蓋範圍
✔ 針對人口密度做 beamforming
✔ 透過 AI 避免干擾區
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🧭 九、ASCII 圖：相控陣形成波束
天線陣列： o o o o o o o o
相位控制： φ1 φ2 φ3 φ4 φ5 φ6 φ7 φ8
相控陣天線是由多個天線單元組成的陣列，透過對每一個單元施加不同的相位控制（φ1、φ2、φ3…），使各單元發射出的電磁波在特定方向上同相疊加、相互增強，而在其他方向則相消減弱，從而在空間中形成可指向、可掃描的波束；不需要機械轉動天線，只靠電子方式調整相位，就能快速改變波束方向，這正是 5G、雷達與 Starlink 衛星通訊的核心技術。
干涉結果 →→→→→→→→ 主波束指向某角度
相位越精準 → 波束越窄 → 增益越高 → 覆蓋越好。
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🛠 十、電信實務題
1️⃣ 為什麼電信公司要把基地台天線「後傾 / 下傾（Downtilt）」？
• 控制覆蓋範圍，避免訊號射太遠造成同頻干擾
• 把能量集中在「實際有用的地面用戶」
• 提升 SINR（訊號對干擾雜訊比）
• 改善小區邊界品質，提升整體容量
• 讓基地台「服務該服務的人」，而不是浪費功率
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2️⃣ 為什麼 Massive MIMO 的每個天線 path 都要做 S 參數校正？
• 每條 RF path 都有不同的 相位延遲與增益誤差
• 若不校正，波束會歪、旁瓣升高、主瓣能量分散
• S 參數校正可確保：
o 各天線「相位對齊」
o 幅度一致
• 這是 精準 Beamforming 與 Spatial Multiplexing 的基礎
• 沒校正的 Massive MIMO ≈「假相控陣」
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3️⃣ 為什麼 28 GHz / mmWave 一定要用相控陣？
• mmWave 路徑損耗極大，必須靠波束增益補償
• 波長短 → 天線可做得很小 → 可塞大量天線
• 機械旋轉不可能跟上：
o 快速用戶移動
o 波束追蹤需求
• 相控陣可做到：
o 毫秒級電子掃描
o 動態追蹤 UE
o 多波束同時服務
• 沒有相控陣，就沒有可用的 mmWave 系統
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✔ 十一、小結與啟示
📌 天線是所有無線通訊的起點
📌 增益、輻射圖、極化、阻抗、孔徑是最基本的工程語言
📌 5G/6G 之所以強，是因為使用 massive MIMO
📌 相控陣靠「相位控制」決定波束方向
📌 Starlink、LEO、6G、基地台都依賴相控陣
📌 沒有相控陣，就沒有 AI-native Network、沒有 LEO、沒有 6G
一句話收尾：
⭐ 天線是無線的出口，相控陣是未來的入口。
