跨越靜態極限
毫米波通訊與高動態載具的整合驗證挑戰

 

在 B5G/6G 通訊與自主載具（Autonomous Vehicles）技術飛速發展的今天，我們正見證一個「高頻寬」與「高動態」交會的關鍵時刻。無論是低軌道衛星（LEO）的星鏈通訊、高速飛行的無人機（UAV），還是行駛於惡劣地形的無人地面載具（UGV），系統設計者面臨的最大挑戰已不再僅是「如何讓訊號傳得更遠」，而是「如何在劇烈運動中保持極致的連線品質」，本文將深入剖析支撐這一願景的兩大技術支柱：高效率射頻前端架構與高擬真動態模擬技術，並探討硬體迴路（HIL）如何成為連接虛擬與現實的橋樑。
 

BARKAN 無人地面載具（UGV）具備自主導航、7.62mm 武器系統、遠端控制與蜂群作戰能力，適用於偵察、監視、運輸及武裝任務，提升作戰效能並降低風險。
 

射頻前端的能源與指向性革命

隨著通訊頻率向毫米波（mmWave）甚至次毫米波（Sub-mmWave）推進，訊號的路徑損耗（Path Loss）成為物理上不可忽視的障礙，為了解決此問題，現代射頻前端設計正經歷兩場靜悄悄的革命：一是功率放大器的效率極大化，二是天線波束的靈活控制。

Doherty 架構與 GaN 的完美結合

在 LTE-Advanced 及 5G 系統中，為了應對高頻譜效率帶來的訊號峰均功率比（PAPR）挑戰，功率放大器（PA）必須在回退（Back-off）區域仍保持高效率，傳統的 A 類或 AB 類放大器在此區域效率低落，意味著寶貴的能源被轉化為廢熱，這對於依靠電池供電的無人載具或衛星來說是致命傷。

Doherty 功率放大器（DPA）技術，特別是非對稱（Asymmetrical）Doherty 架構，透過負載調變（Load-Modulation）原理，巧妙地結合了「載波放大器」與「峰值放大器」，研究顯示當結合氮化鎵（GaN）高電子遷移率電晶體（HEMT）時，這種架構能在 3.5 GHz 等頻段實現高達 50% 以上的汲極效率，同時滿足 5G 訊號對線性度的嚴苛要求，這項技術的成熟，為高頻通訊系統奠定了節能的基礎。

GaN Doherty 功率放大器性能曲線 (圖片來源：ResearchGate)

雙極化相控陣列的波束賦形藝術

解決了功率問題後，下一步是將能量精準投送，傳統機械式天線已無法滿足現代戰場或高速通訊的動態需求，取而代之的是主動式相控陣列（AESA），以最新的毫米波技術為例，開發者現在能夠利用高度整合的 64 通道（8x8）相控陣列模組，在 26.5 GHz 至 29.5 GHz 頻段內實現精確的波束控制。這類模組支援「雙線極化」切換，允許系統根據大氣環境或目標姿態，即時調整為水平、垂直或合成圓極化波束，以對抗多路徑衰減，這對於衛星通訊尤為重要，因為它確保了在載具高速移動時，通訊鏈路仍能透過電子掃描（Electronic Steering）緊緊鎖定目標。

OHM+ DPA 雙極化相控陣列模組：具備 64 通道獨立控制能力，支援 B5G 與衛星通訊所需的波束賦形與即時追蹤功能。

 

從實驗室重現戰場：六自由度動態模擬

然而僅有優異的射頻性能是不夠的，當通訊設備安裝在遭遇亂流的飛機、顛簸行駛的戰車，或是波濤洶湧的艦艇上時，物理運動對天線指向與感測器穩定的干擾是巨大的，因此「動態模擬」成為了驗證系統強健性的關鍵環節。

史都華平台的精密運動重現

為了在實驗室內重現真實世界的複雜運動，工程師們廣泛採用基於史都華平台（Stewart Platform）技術的六自由度（6DOF）運動模擬器，這類系統利用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。
 

現代的高階運動平台（如 SM 系列）已能覆蓋從 50 公斤的輕型負載（適用於無人機組件測試）到 25 噸的重型負載（適用於主戰坦克砲塔測試），透過先進的運動提示（Motion Cueing）演算法與即時控制迴路，這些平台能以極高的加速度（例如角加速度可達 ±1900 °/s²）模擬戰術機動或路面衝擊，這使得研發人員能夠在絕對安全的環境下，測試雷達穩定儀、光電追蹤系統以及駕駛員的反應能力。

SANLAB SM 系列六軸動態模擬平台： 透過精密控制的六支致動器，在實驗室內重現載具在真實環境下的 6DOF 複雜運動，用於驗證穩定系統與駕駛訓練。
 

主動式穩定技術的應對

除了「模擬」運動，另一端的技術重點在於「抵消」運動，在海事與國防應用中，兩軸（2DOF）或三軸的穩定平台（Stabilizer）扮演著守門員的角色，這些系統整合了高精度慣性測量單元（IMU），能即時偵測載具的側傾與俯仰，並驅動馬達進行反向補償。

例如，專為海洋環境設計的 SS 系列穩定平台，不僅具備 IP67 等級的抗鹽霧防護能力，還能在 ±50°/s 的動態下保持設備水平。這對於確保艦載衛星天線（VSAT）始終對準衛星，或是讓光電偵蒐系統鎖定遠方目標至關重要。
 

 

系統整合的終極考驗：硬體迴路（HIL）

真正的技術挑戰，在於將上述的「射頻通訊」與「物理運動」結合起來進行驗證，這就是 硬體迴路（Hardware-in-the-Loop, HIL） 測試的價值所在。

在一個典型的 GNSS HIL 測試場景中，模擬軟體不僅要產生衛星訊號，還必須將載具的模擬軌跡（位置、速度、姿態）即時傳送給運動平台，當運動平台帶著接收天線進行物理傾斜時，GNSS 模擬器必須同步計算因天線角度改變而產生的訊號遮蔽與多路徑效應，並即時調整射頻輸出。

這種毫秒級的同步整合，讓工程師得以在實驗室內完成「虛擬試飛」或「虛擬路測」。無論是驗證相控陣列天線在戰機大角度轉彎時的波束追蹤能力，還是測試自駕車在顛簸路面的定位穩定性，HIL 系統都提供了可重複、低成本且零風險的測試手段。
 

 

結論

從微觀的 GaN 電晶體能效優化，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驗證，Doherty 放大器與相控陣列技術解決了訊號傳輸的效率與靈活性，而高精度的運動平台與 HIL 技術則確保了這些精密設備在真實動態環境下的可靠性，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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• 先進射頻前端開發：
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• 高擬真動態模擬：
  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，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。
• 系統級 HIL 整合：
  整合 Rohde & Schwarz 的高階儀器（如 ZNA、SMW200A）與動態平台，提供從 GNSS HIL 到 RCS 量測的一站式（Turnkey）測試解決方案。

 

專為海空防禦設計的 RCS 測試系統，整合 Rohde & Schwarz ZNA 向量網路分析儀、kW 級高功率脈衝放大器與 >2000kg 重載轉台，本方案支援 1-40 GHz 全頻段，適用於室內暗室與室外遠場環境，具備先進 ISAR 成像技術及開放式測試案例原始碼架構，能精確評估戰機、無人機與艦艇之隱身性能，並讓用戶保有測試流程的完全自主權。

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