下一代國防與通訊技術的極限挑戰
從毫米波相控陣列到六軸動態模擬的深度剖析

 

在當今的航太、國防以及 B5G/6G 通訊領域中，技術的邊界正不斷被推向極致。隨著無線通訊頻率向毫米波（mmWave）甚至次毫米波（Sub-mmWave）邁進，以及無人載具（UAV/UGV）在複雜場域中的應用日益普及，工程師們面臨著前所未有的雙重挑戰：一方面是如何在極高頻段下維持訊號的完整性與能源效率，另一方面是如何在劇烈動態的物理環境中確保系統的穩定運作，本文將深入探討支撐這些先進應用的兩大技術支柱：高效能射頻前端架構與高擬真動態模擬技術，並分析它們如何交匯於未來的系統整合驗證中。
 

射頻前端的能源革命：Doherty 功率放大器與 GaN 技術的崛起

在現代無線通訊系統中，為了提高頻譜效率，訊號的峰均功率比（PAPR）變得越來越高，這代表功率放大器（Power Amplifier, PA）必須能夠在處理高峰值訊號的同時，還要在平均功率輸出時保持高效率運作，傳統的 A 類或 AB 類放大器在高功率回退（Back-off）區域的效率往往大幅下降，這對於能源受限的行動裝置或衛星酬載來說是無法接受的痛點。

不對稱 Doherty 架構的運作原理

為了解決上述問題，Doherty 功率放大器（DPA）技術成為了 LTE-Advanced 及 5G 系統的主流選擇，Doherty 架構的核心在於使用兩個電晶體：一個是用於處理平均訊號的「主放大器」（Carrier Amplifier），通常偏置在 AB 類；另一個是僅在訊號峰值時開啟的「峰值放大器」（Peaking/Auxiliary Amplifier），通常偏置在 C 類。

在高科技的實作中，非對稱（Asymmetrical）Doherty 設計被證明能進一步優化效率，根據研究顯示透過負載調變（Load-Modulation）技術，當輸入訊號處於中低功率區域時，峰值放大器處於關閉狀態，主放大器呈現高阻抗負載以維持飽和運作，從而保持高效率；當訊號進入高功率區域時，峰值放大器開啟並注入電流，動態地降低主放大器所見的阻抗，使系統能輸出更大的飽和功率。

寬能隙半導體 GaN 的關鍵角色

要實現高效的 Doherty 放大器，半導體材料的選擇至關重要，氮化鎵（GaN）高電子遷移率電晶體（HEMTs）因其寬能隙特性，具備高崩潰電壓、高載子濃度及電子飽和速度，成為現代高頻 PA 設計的首選。

在 3.5 GHz 頻段的 LTE 基地台應用中，採用 GaN HEMT 的非對稱 DPA 能夠實現高達 48 dBm 的飽和功率，並在 8 dB 的功率回退點達到 50% 以上的汲極效率，此外，透過精確的負載牽引（Load-pull）數據分析，工程師可以確定電晶體所需的最佳負載阻抗（例如主放大器可能需要 6.5 歐姆的純電阻，而峰值放大器則需要複雜阻抗），進而設計出最佳化的匹配網路，這類技術的進步，直接推動了現代通訊系統在能耗與線性度之間的完美平衡。
 

波束成形與次毫米波：B5G/6G 的關鍵拼圖

隨著頻譜資源的開發，通訊技術正從微波頻段大步跨入毫米波與次毫米波（Sub-mmWave）領域，這不僅是頻率的提升，更是天線架構的徹底革新。

雙極化相控陣列的靈活性

在 B5G 和衛星通訊中，相控陣列（Phased Array）天線是實現波束賦形（Beamforming）與波束追蹤的核心，新一代的開發套件，如 OHM+ DPA，已經能夠在 26.5 GHz 至 29.5 GHz 的頻段內，提供 64 通道（8x8）的獨立控制能力。

這種先進模組的特點在於其「雙線極化」設計，允許系統在水平（Horizontal）與垂直（Vertical）極化之間自由切換，甚至合成圓極化（Circular Polarization），這對於應對大氣衰減與多路徑干擾至關重要，技術上，透過內建的天線功率偵測與快速校正程序，系統可以即時鎖定並追蹤移動中的衛星或終端裝置，實現低延遲、高增益（EIRP 可達 56 dBm）的連線。

OHM+ DPA 雙極化相控陣列天線模組，具備 64 通道獨立控制與整合式散熱設計，適用於 B5G 與衛星通訊開發。

次毫米波與太赫茲的極致探索

當頻率進一步推升至 380-500 GHz 的次毫米波頻段，傳統的傳輸線損耗變得難以忽視，此時精密的波導技術與雙圓極化（Dual CP）饋源成為關鍵，這類高頻元件主要應用於衛星星鏈（ISL）、無線電天文觀測以及太赫茲成像。

在這樣的高頻下，機械加工的精度要求極高，例如，WR2.2 波導介面的雙圓極化饋源，需要在極小的尺寸（如 62mm x 20mm）內實現優異的隔離度（>24dB）與極低的軸比（Axial Ratio），以確保左右旋圓極化訊號的純淨度，這類技術不僅用於通訊，更是未來 6G 感測與高解析度雷達成像的物理基礎。
 

從實驗室到戰場：高擬真動態模擬與穩定系統

無論通訊系統多麼先進，若搭載平台（如無人機、艦艇、戰車）在運動中無法保持穩定，鏈路就會中斷，感測器數據也會失真，因此，高擬真的「動態模擬」與「穩定技術」是驗證系統強健性的必要環節。

六自由度（6DOF）史都華平台的模擬極限

為了在實驗室中重現真實世界的複雜運動，六自由度（6DOF）運動平台（Stewart Platform）扮演著不可或缺的角色，這類平台透過六支電動或液壓致動器，能夠模擬出前後（Surge）、左右（Sway）、上下（Heave）的位移，以及翻滾（Roll）、俯仰（Pitch）、偏航（Yaw）的旋轉。
 

以 SANLAB 的 SM 系列為例，從承重 50 公斤的輕型平台到承重 25 噸（25,000 kg）的重型系統，皆採用了先進的運動提示（Motion Cueing）演算法與即時控制迴路，這些平台能以極高的加速度（如 SMotion500 可達 ±1900 °/s² 的角加速度）模擬戰機的高G力機動，或是戰車在崎嶇地形的震動，為雷達、光電系統及駕駛員提供最接近實戰的測試環境。
 

SANLAB SM10000 重型六軸動態模擬平台，具備 10 噸負載能力，專為重型載具與砲塔系統測試設計。

主動式穩定技術與環境抗性

除了模擬運動，如何「抵消」運動也是一大顯學，在海上或行進間的車輛上，天線與偵測器需要安裝在兩軸（2DOF）或三軸的穩定雲台（Stabilizer/Gimbal）上，先進的穩定平台，如 SS 系列，整合了慣性測量單元（IMU）與高速伺服馬達，能夠即時補償載具的側傾與俯仰（Roll & Pitch Compensation），例如，SS150-300 具備 IP67 防護等級，專為嚴苛的海洋環境設計，能在抗鹽霧腐蝕的同時，維持高動態響應（如 ±50°/s 的速度），確保衛星天線始終對準軌道上的衛星，或讓艦載雷達鎖定目標。
 

SS150-300-C01-EL2D 兩軸穩定平台，具備 IP67 防護與抗鹽霧能力，適用於海事與車載天線的動態穩定。
 

系統整合的藝術：打造全方位的測試驗證環境

隨著科技的融合，單一領域的測試已不足以應對未來的挑戰，真正的考驗在於如何將上述的「射頻通訊」與「動態模擬」結合，例如驗證一套無人機反制系統（C-UAS），不僅需要量測其雷達截面積（RCS）與射頻干擾能力，還需要在模擬飛行姿態下測試其光電追蹤的準確性。

這就需要像硬體迴路（HIL）這類的高度整合系統，將真實的控制器嵌入到虛擬的模擬環境中，透過結合向量訊號產生器（VSG）模擬複雜電磁環境，並利用動態平台模擬物理運動，工程師可以在實驗室內完成從晶片級（Probe Station）到系統級（System Assembly）的全面驗證。

結論

從微觀的 GaN 電晶體效率優化，到宏觀的重型載具動態模擬，高科技的進步仰賴於對物理極限的精確掌握與測試。Doherty 放大器解決了 5G 的能耗問題，相控陣列開啟了波束賦形的無限可能，而高精度的運動平台則確保了這些精密設備在真實世界中的可靠性。面對未來 B5G/6G 與自主系統的浪潮，唯有掌握這些核心技術的深度整合，才能在激烈的國防與航太競賽中立於不敗之地。

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• 先進射頻測試：
  提供 Ohmplus 的 OHM+ DPA 雙極化相控陣列開發套件及次毫米波饋源，以及 Rohde & Schwarz 的高階 EMI 接收器與網路分析儀，滿足 B5G/6G 的研發需求。
• 動態模擬平台：
  SANLAB 全系列運動模擬產品，從 50kg 級的無人機測試台到 25 噸級的戰車模擬器（SM25000），以及軍規級的 2DOF 穩定平台，協助您克服動態環境下的測試挑戰。
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