衛星功率放大器效率優化：DPD 與封包追蹤技術解析

 

在 2026 年的衛星通訊產業中，隨著高通量衛星（High Throughput Satellite, HTS）與低軌道（LEO）巨型星系的部署，頻譜效率與能量效率的拉鋸戰已達到前所未有的白熱化階段，對於負責衛星酬載（Payload）設計的工程師而言，功率放大器（Power Amplifier, PA） 不僅是訊號鏈路的最後一哩路，更是決定整顆衛星壽命與獲利能力的關鍵組件。

PA 通常消耗衛星總直流功率的 70% 以上，在無法輕易更換電池的太空環境中，每一瓦特的浪費都意味著營運成本的增加或任務壽命的縮短，然而為了追求更高的資料傳輸率，現代通訊協定（如 DVB-S2X, 5G NTN）採用了極高階的調變格式（如 64APSK, 256QAM），這些訊號具有極高的峰均功率比（PAPR），迫使工程師在「高線性度（訊號品質）」與「高效率（省電）」之間做出痛苦的抉擇。

物理層的矛盾：線性度與效率的零和遊戲

理想的放大器應該是線性的：輸入訊號增加一倍，輸出訊號也精確地增加一倍，但在物理世界中，無論是傳統的行波管放大器（TWTA）還是現代的氮化鎵（GaN）固態功率放大器（SSPA），都存在著非線性特性。

振幅對振幅（AM/AM）的壓縮：

當輸入功率接近放大器的飽和點時，輸出功率的增長會趨緩，最後「頂到天花板」無法再上去，這就是所謂的增益壓縮。

• 工程困境：為了獲得最高效率（PAE, Power Added Efficiency），PA 必須運作在接近飽和區，但在此區域，訊號波峰會被削平（Clipping），導致嚴重的訊號失真與頻譜再生（Spectral Regrowth），干擾鄰近頻道。
• 傳統妥協：過去的做法是將 PA 的工作點大幅「回退（Back-off）」，使其運作在低效率的線性區，這就像是用一台法拉利跑車永遠只開時速 30 公里，雖然穩，但極度浪費燃油（電力）。

振幅對相位（AM/PM）的扭曲：

這是一個較常被忽略但同樣致命的現象，當輸入訊號的振幅改變時，不僅輸出振幅會非線性變化，輸出的「相位」也會隨之發生偏移。

• 通訊影響： 對於依賴相位調變的訊號（如 QPSK, 8PSK），相位的扭曲會直接導致星狀圖（Constellation Diagram）旋轉或模糊，使誤差向量幅度（EVM）惡化，最終導致解調失敗。

進階難題：記憶效應（Memory Effects）

在寬頻訊號（例如 500 MHz 以上頻寬）的應用中，PA 的行為變得更加難以預測，放大器現在的輸出，不僅取決於「現在」的輸入，還取決於「過去幾毫秒」的輸入訊號。

• 物理機制：
  這主要源於電晶體的熱累積效應（Thermal Memory）與偏壓電路的充放電時間常數（Electrical Memory）。
• 觀念解析：
  想像一個彈簧，如果你快速壓縮它，它回彈的力道與你慢慢壓縮它是不同的，PA 也是如此，當訊號快速變化時，PA 的增益響應會呈現「遲滯（Hysteresis）」現象，這意味著簡單的靜態校正無法解決問題，必須引入具備「記憶深度」的複雜模型。

測試規範的演進

依據 ECSS-E-ST-50-12C 與 3GPP TR 38.811 (針對 NTN) 等標準，對於線性度的要求已不再僅是簡單的三階互調截點（IP3），現代規範要求在滿載寬頻訊號下，必須同時滿足嚴格的 鄰道洩漏比（ACLR） 與 EVM 限制，這迫使業界必須導入更先進的線性化技術：數位預失真（DPD） 與 封包追蹤（ET）。

面對上述物理極限與記憶效應的挑戰，單純依賴硬體改良（如更換更好的 GaN 材質）已遭遇瓶頸，現代的解決方案在於「演算法與射頻硬體的深度整合」，我們提供一套能將 PA 效能搾乾至物理極限的 「智能化線性測試與優化平台」，Rohde & Schwarz (R&S) 的高階訊號產生與分析技術，為衛星 PA 開發者提供從建模、預失真到驗證的一站式方案。

核心技術一：數位預失真 (DPD)——以毒攻毒的藝術

DPD 的原理是在訊號進入 PA 之前，先在數位域對其進行「預先破壞」，首先產生一個與 PA 失真特性「相反」的訊號，當這個預失真的訊號通過非線性的 PA 時，兩者的失真互相抵消，最終輸出一條完美的直線。

整合方案優勢 (R&S SMW200A + FSW-K18)：

全自動化的閉迴路系統：

透過將 R&S SMW200A (訊號產生器) 與 R&S FSW (訊號分析儀) 連接，系統能自動比較輸入與輸出訊號，即時計算出 DPD 多項式係數並回饋給產生器，您不需要手動計算複雜的 Volterra 級數，系統會自動完成模型的收斂。

上圖說明了 DPD（數位預失真）對功率放大器（PA）傳輸曲線的影響
 

SMW 在開迴路系統中應用無記憶效應的 DPD（數位預失真）

對抗記憶效應：

針對寬頻衛星訊號，標準的 DPD 往往無效，可以透過 「記憶多項式 (Memory Polynomial)」 與 「Hammerstein 模型」，能精確補償由熱效應或電路頻寬限制引起的遲滯現象。這讓您能在更寬的頻寬下，將 PA 推向飽和區運作，同時保持極低的 EVM。

放大器的增益傳輸曲線測量 (AM/AM) 針對上方的曲線，是使用 R&S®SMW200A 數位基頻的 CW 斜坡掃描 (CW ramp sweep) 作為激勵訊號，正如預期，其 AM/AM 曲線呈線性，右側的曲線則是使用 R&S®SMW200A 產生的數位調變訊號所測得，此時 AM/AM 呈現雲狀曲線；曲線的寬度是由於放大器的記憶效應 (memory effects) 所造成。

即時 DPD (Direct DPD)：

不同於傳統基於模型的 DPD 需要反覆迭代，R&S FSW-K18D 選項支援直接 DPD，能更快速地計算並補償 PA 的非線性，大幅縮短測試時間。

用於二埠元件（例如放大器、頻率轉換器、轉發器）特性分析的精簡配置，搭配 R&S®SMW-K541 與 R&S®FSW-K18 選配。

核心技術二：封包追蹤 (Envelope Tracking, ET)——按需供電

傳統 PA 的供電電壓是固定的，為了應對偶爾出現的訊號峰值，電壓必須一直維持在最高準位，這在處理小訊號時造成了巨大的能量浪費（轉換為熱能），ET 技術原理： 這時讓 PA 的供電電壓不再固定，而是像影子一樣緊緊追隨輸入訊號的「封包（振幅）」，訊號大時電壓高，訊號小時電壓低。

• 效率的飛躍：
  透過 ET 技術，PA 在大部分時間都運作在接近飽和的高效率狀態，可將功率附加效率（PAE）提升 10% 到 20% 以上。對於衛星而言，這意味著可以縮減散熱器體積與太陽能板面積。
• 同步挑戰的解決：
  ET 的難點在於「射頻訊號」與「電源調變訊號」必須在奈秒（ns）等級精確同步，我們利用 R&S SMW200A 的雙路徑架構，能精確產生與 RF 訊號完全同步的封包電壓控制訊號，並透過精密的延遲調整功能，消除任何時序誤差。

Rohde & Schwarz 針對封包追蹤功率放大器（ET PA）所提供的測試解決方案，不僅功能極其強大，且使用非常簡便，該方案由高階向量訊號產生器 R&S®SMW 與高階訊號分析儀 R&S®FSW 組成，所有與 ET PA 測試相關的挑戰，皆能以使用者友善的方式獲得解決，從而簡化並加速測試流程。

視覺化的最佳工作點搜尋

為了協助工程師在「效率」與「線性度」之間找到黃金平衡點，R&S FSW 訊號分析儀提供了強大的 3D 參數掃描功能。

• 全景視圖：
  您可以在一個三維圖表中，同時看到輸出功率、EVM、ACLR 與頻率的關係，這讓工程師能直觀地判斷：在滿足 EVM 法規限值的前提下，PA 的驅動功率（Drive Power）究竟可以推到多高，從而榨出最後一滴效率。

R&S FSW 訊號分析儀 3D 圖表（功率 / EVM / 頻率）能幫助您快速識別受測元件（DUT）的最佳工作點

從地面實驗室到太空軌道

這套系統不僅適用於研發階段的單機測試，更可擴展至整星的 熱真空 (TVAC) 驗證，透過 R&S NRP 系列功率感測器 與 ZN-Z33 自動校準單元，即使 PA 位於真空艙內，也能透過長距離連線，維持校準面的精確度，確保在地面的優化參數能真實反映在軌道上的表現。

R&S®ZN-Z33 在線校正單元專為在熱真空環境（TVAC）內運作而設計
 

R&S®ZN-Z30 CAN 匯流排網路，以及 R&S®ZN-Z32 與 R&S®ZN-Z33 校正單元的控制，皆已整合至 R&S®ZNA 的 R&S®SMARTerCal 概念中，可實現無縫的遠端控制校正與原位（in situ）重新校正，R&S®ZN-Z33 在線校正單元的工作頻率最高可達 40 GHz，並可提供符合熱真空（TVAC）環境要求的版本。
 

實際系統配置將因應您的測試應用、規範、場地限制及待測物特性而有所不同，如需深入規劃與系統或軟硬體選配搭配建議，請聯繫「奧創團隊」，我們擁有豐富的系統整合經驗，隨時準備為您提供最專業的配置建議與技術支援。

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