📘 《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
50／150單元： 第五章小結 × 測驗 🛰️ THz × RIS × 空地連結
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🎯 單元導讀
在前面九個單元（41～49），
我們把一個無線工程師一生的底層功夫
從 Maxwell → 微波 → 天線 → RF → 基站穩定度
一次走完。
如果你堅持讀到這裡，
你已經完成一個通訊工程師最重要的靈魂升級：
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⭐「電波不是黑科技，而是可被工程化、優化、建模的電磁現象。」
未來 6G、RIS、THz、NTN（空地整合）、星鏈，都會站在這些物理規律上。
本章的小結，就是要讓你：
• 把電磁波 → 天線 → 微波 → RF → 穩定度
全部整合成「能夠用來設計系統」的知識。
• 並且開始理解為何 THz × RIS × 衛星通訊
是 2035 年最核心的「物理 × AI × 工程」戰場。
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🧠 一、第 5 章總整理（單元 41～49）
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⭐ 41. Maxwell 方程式：所有電波的出生證明
變化的電場生磁場、變化的磁場生電場
→ 兩者互相推動 → 在空間 propagate
→ 形成我們熟悉的無線訊號、光、雷達、5G、星鏈。
📌 無線通訊的底層，不是天線，是 Maxwell。
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⭐ 42. 平面波、反射、折射、穿透
電波遇到邊界會：
✔ 反射（反射係數 Γ）
✔ 折射（Snell’s Law）
✔ 穿牆衰減（穿透 Loss）
📌 這是所有室內 Wi-Fi、5G、MIMO、Beamforming 規劃的根源。
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⭐ 43. 傳輸線 × Smith Chart：微波匹配
50 Ω 匹配不是迷信，是工程必須。
Smith Chart 解答：
• 匹配
• 回授
• 阻抗轉換
• Standing Wave
📌 不會 Smith Chart → 無法玩微波。
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⭐ 44. S 參數：所有微波元件的語言
S11 = 回波
S21 = 傳輸
S12 = 反向隔離
S22 = 輸出端回波
📌 所有濾波器、PA、LNA、天線端口、5G 模組都用 S 參數。
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⭐ 45. 天線基礎 × 相控陣
天線原理：震盪電流 → E/B 場自我推進 → 電磁波
相控陣：
每根天線給不同相位 → 形成波束（Beamforming）
📌 5G Massive MIMO、星鏈天線、軍規雷達的核心。
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⭐ 46. 微波濾波器：頻率選擇硬體
濾波器決定：
✔ 發射頻譜乾不乾淨
✔ 接收端能不能把干擾擋掉
✔ 基站會不會干擾隔壁小區
📌 EMC、5G eNB/gNB 設計中最重要的 RF 前端。
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⭐ 47. 微波電路製造：PCB × 封裝 × 工藝
微波不是數位電路。
板材、焊錫、封裝、線寬誤差都會改變：
• 插入損耗
• 相位
• S11/S21
• 穩定性
📌 做得不好，5G/6G 直接 GG。
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⭐ 48. PA/LNA/Mixer/Osc：主動 RF
PA → 推動電波
LNA → 接收微弱訊號
Mixer → 頻率轉換
Oscillator → 提供時脈來源
📌 接收靈敏度（NF）、發射線性度、相位雜訊全部決定性能。
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⭐ 49. 相位雜訊：基站穩定度核心
Oscillator phase noise 決定：
• OFDM 子載波間干擾
• 星鏈 Ka 波束準度
• 雷達距離解析度
• 6G 高頻穩定度
📌 這是 5G/6G 的「看不見的致命 bottleneck」。
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🛰 二、6G 的新戰場：THz × RIS × 空地整合
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📡 THz（0.1–10 THz）：超高速但超脆弱
THz 表現：
✔ 求高速 → Tbps 等級
✔ 求低延遲 → 微秒級
✘ 穿透差
✘ 雨衰大
✘ 損耗極高
📌 THz 只能靠 Beamforming × AI 預測 × RIS 來救。
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🧱 RIS（Reconfigurable Intelligent Surface）
RIS = 智慧反射板
• 控制相位 → 控制反射方向
• 低功耗 → 無需 RF chain
• 用於室內/都會遮蔽情況
• 讓電波「拐彎」
📌 6G 的核心：不是更多天線，而是「可編程環境」。
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🛰 空地一體化（Non-Terrestrial Network, NTN）
LEO × UAV × HAPS × 地面網路
全部合在一起成為 6G 真正全球網路。
這需要：
• 波束追蹤
• Doppler 補償
• LEO Ka/Ku 微波鏈路
• 超強抗衰落
📌 未來的天線與電磁工程師：將在地球大氣外工作。
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（1）Maxwell 方程式為什麼能讓電波自己 propagate？
因為 Maxwell 方程式指出，時間變化的電場會產生磁場，而時間變化的磁場又會產生電場。這種相互耦合的關係使得電磁能量不需要依賴導體，就能以電磁波的形式在空間中自我維持並向前傳播，形成所謂的自由空間電磁波。
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（2）穿牆衰減與反射是由什麼決定？
穿牆衰減與反射主要取決於材料的介電常數、導電率、磁性特性以及厚度。介電常數影響波在材料中的傳播速度與反射比例，導電率則會造成能量吸收與損耗；材料越厚、頻率越高，穿透損失通常越大。
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（3）為什麼 50 Ω 是微波工程的標準？
50 Ω 是在「最低導體損耗（約 77 Ω）」與「最大功率承載能力（約 30 Ω）」之間取得的最佳工程折衷，因此成為通訊與射頻系統的主流標準阻抗，兼顧效率、可靠度與實務可行性。
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（4）天線的輻射來自什麼？
天線的輻射並非電子本身跑出導體，而是電子在導體中作交變運動時，造成電場與磁場隨時間變化並向外輻射。真正離開天線的是電磁能量，而不是電子。
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（5）為什麼 Massive MIMO 需要相控陣？
因為透過對每一根天線元素施加不同的相位與振幅控制，可以在空間中形成可指向的波束，提升目標方向的訊號強度（SNR），同時降低干擾，達成高頻譜效率與高容量通訊。
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（6）S11 = –20 dB 代表什麼？
代表只有約 1% 的輸入功率被反射，其餘大多數功率成功傳送至負載，顯示阻抗匹配良好，能有效降低回波、提升系統效率並保護射頻元件。
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（7）濾波器的重要性是什麼？
濾波器可用來限制頻譜範圍、抑制雜散與鄰頻干擾，確保系統只處理目標頻段的訊號，進而提升接收靈敏度、降低雜訊並符合頻譜法規要求。
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（8）相位雜訊會對 OFDM 造成什麼問題？
相位雜訊會破壞子載波間的正交性，導致 ICI（Inter-Carrier Interference，子載波間干擾），使星形圖擴散、EVM 增加，最終提高錯誤率並降低傳輸效能。
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（9）THz 通訊最大的挑戰是什麼？
THz 頻段面臨極高的路徑損耗、嚴重的大氣吸收、雨衰與穿透能力極差的問題，同時對元件製程、功率放大與天線設計的要求也極高，是目前工程實現上的主要瓶頸。
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（10）RIS 在 6G 的核心價值是什麼？
RIS（可重構智慧表面）的核心價值在於將原本不可控的環境轉變為可編程的反射與折射介面，可主動引導、補強或修復電波路徑，提升覆蓋、降低死角，並提高整體系統效率。
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📘 第 5 章｜學習後的工程收穫
本章讓你完成無線工程師最強的一次升級：
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⭐「從天線、物理、微波、RF，到 6G 電磁世界的統一理解。」
你不再只是理解「訊號怎麼飛」，
而是理解「為什麼能飛、怎麼飛得更好、怎麼工程化、怎麼最佳化」。
這種能力，
就是 6G、LEO、RIS、THz 工程師的靈魂基礎。
