使用功率放大器組件深入毫米波應用

以往要達到更高的無線數據傳輸率，會透過增加調變機制的複雜性，將更多的位元壓縮到相同的頻譜中。現在這種方法在實際上已達到極限，無論目標是設計商用 5G 傳輸應用或高容量軍事鏈路，未來將朝向更寬的頻寬而不是更密集的調變。這種轉變將設計人員推向毫米波 (mmWave) 頻譜，充足的頻譜可帶來嶄新的能力，但同時也帶來一系列截然不同的設計挑戰。

5G 通訊系統受惠於國防公司多年來進行的研究。例如，源自國防領域的相位陣列天線技術，能夠達到波束控制並同時追蹤多個目標，現在已廣泛用於 5G 應用中，向多重使用者同步傳輸資料流。有更多商業系統在 28 GHz 和 39 GHz 等頻段運作，以取得 Multi-Gigabit 鏈路所需的頻寬。

Analog Devices, Inc. 等公司運用其在國防工業應用中累積的毫米波專業知識，提供標準組件，可同時符合國防效能要求和商業基礎設施所需的可製造能力。高頻積體電路的先進表面黏著式封裝技術在 5G 大規模部署中發揮關鍵作用。

5G 和國防工業都依賴先進的高頻硬體。5G 網路會針對特定的狹窄頻譜進行最佳化，達到最高傳輸量，但電子戰 (EW) 等軍事應用需要寬廣的作業頻寬以確保頻譜的感知能力。儘管存在這些差異，但 5G 對寬廣調變頻寬的需求，亦創造一種互惠互利的製造優勢。

毫米波技術領域將這些產業融合，得以實現商業部署所需的製造規模。此外，還大幅降低製造軍事應用的相關成本；這些應用向來依賴小量、昂貴的「晶片和導線」組裝製程。

此規模依賴高度整合的射頻積體電路 (RFIC)、相位陣列模組，以及測試解決方案。有更多規模較小的設計公司目前採用這些解決方案，這些公司歷來缺乏大型國防承包商的預算或專業技術。

這種融合也催生共享的測試基礎設施。過去，測試 28 GHz 和 39 GHz 的相位陣列天線需要大型、昂貴的消音室。由於 5G 的推廣，促成價格實惠、現成 OTA 測試解決方案的開發，協助國防公司快速解決產品開發難題，而無需投注大量資本。各種成熟可靠、可直接用於應用的建置模塊興起，使得各種規模的設計公司都能以可管理的子系統運用毫米波，讓前景可期的毫米波應用從方塊圖實現為可部署的硬體。

頻譜創新

數十年來，無線技術的創新主要來自兩種截然不同的方法：將更多資訊編碼到各個不同的訊號狀態 (符號) 中，或擴展承載資訊的頻譜空間。

較簡單的調變機制優先考量穩健性和訊號完整性，較複雜的機制則透過每一個符號傳輸更多位元以提高資料傳輸量。基本調變方式以少量資訊 (如單一位元) 來表示每個符號。設計人員若要提高系統效能，可以使用更複雜的調變機制 (如 QAM)，對每個符號編碼更多資訊，或者在更高頻率毫米波頻段中存取更寬廣的頻譜通道。

調變決定資料如何封包到載波上，但確保資料位元成功抵達目的地，則是由功率放大器 (PA) 進行。在商用 5G 中，功率放大器優先考量特定頻段內的效率和線性度，以支援高傳輸量相位陣列。不過，軍用系統通常追求更寬廣的頻率和更高功率，以提高雷達清晰度、衛星通訊，以及易用性。

即使調變技術更加精細，給定的載波頻率 (F_C) 頻段傳輸的資料量還是存在基本限制。關鍵原則之一是資料傳輸量與通道寬度直接相關，即調變訊號的頻寬 (F_BW)。要達到更高數據傳輸率，就需要更寬的載波頻率通道；就像從擁擠的單線車道切換到十線高速公路一樣 (圖 1)。

圖 1：以載波頻率為中心的調變頻寬示意圖。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

此外，還需要考量直流限制，此限制規定訊號頻率不能低於 0 Hz。訊號接受調變時，會在其載波頻率周圍擴散，工程師稱之為邊帶。若載波頻率太低，理論上訊號的一部分會低於該極限，但這實際上不會發生。因此，工程師必須將載波頻率提升到更高的頻率，例如毫米波頻段，以確保整個訊號能夠完整納入可用頻譜。這種在高頻操作的「絕對接地」才可讓寬廣、高速通道成真。

這兩個原則說明為何商業 5G 和國防系統同時轉用毫米波頻率。一旦調變複雜性達到極限時，唯一能大幅提高傳輸量的方法是將載波頻率提高，並開啟更寬廣的頻譜通道。因此，轉用毫米波不光是一個趨勢，更是現代應用達到超高數據傳輸率和高解析度感測的真實需求。

回應設計挑戰

轉換至毫米波頻率改變了無線硬體的實體設計，在各方面影響商業和國防系統：

• 更高的頻率會壓縮波長，讓天線更小。小型化可讓陣列直接整合到晶片或緊湊型模組上。
• 波長越短會導致光束越窄，進而提高角解析度。如此可讓雷達區分緊密靠近的目標，且 5G 基地台可以精準地將能量集中到個別使用者。
• 這些技術常用於商業應用，促使表面黏著技術 (SMT) 發展。表面黏著技術支援採用塑膠或陶瓷封裝的高度整合模組的自動化生產。

這些根本性的改變為毫米波系統的設計人員同時呈現機會和新的工程挑戰，例如：

• 高頻作業會增加路徑損耗、降低天線效率，以及對非線性、熱效應、寄生佈局問題更敏感。
• 寬廣頻寬的需求會對射頻前端組件產生嚴格的要求，而系統級限制 (如 5G 的相位陣列波束成形或國防的高解析度雷達) 也會造成設計流程更加複雜。

商業產品設計人員必須在效率、線性、整合度之間找到平衡，以支援大規模的 5G 基礎設施。另一方面，國防產品設計通常需要更高的輸出功率、更寬廣的頻寬，以及可適應於多個頻段的操作，用於雷達、衛星通訊、戰術通訊。

工程師必須選擇合適的專用積體電路，這通常取決於該應用優先考量效能最佳化還是操作彈性。

在毫米波頻率下，路徑損耗會顯著增加，且高階調變機制更容易出現失真。因此，對於商用 5G 而言，必須確保相位陣列天線在其各自的頻段內能以高效率提供高傳輸量。軍事系統也面臨類似的挑戰，儘管其通常最重視為雷達測距或衛星通訊 (SATCOM) 鏈路達到最高輸出功率。

ADI 推出 HMC863ALC4 回應這些需求。這是一款頻段經過最佳化的功率放大器，針對 5G 應用，在 24 GHz 至 29.5 GHz 範圍內的窄頻進行調諧，以獲得峰值效率。具有高線性度、17 dB 的增益、+21 dBm 的輸出功率，並達到 22.5% 的功率附加效率 (PAE) 等級。該等級衡量消耗的直流功率產生的額外射頻功率。納入一個緊湊的 4 mm × 4 mm SMT 封裝中，這些特點能讓商業設計人員維持強大的傳輸量，同時支援自動化組裝流程。EV1HMC863ALC4 評估板 (圖 2) 為設計人員提供一個硬體平台，能在投入射頻前端設計之前驗證功率放大器效能、熱行為、偏壓網路、測量設定。

圖 2：EV1HMC863ALC4 是一個評估平台，用於展示毫米波窄帶應用的實際效能。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

國防產品設計人員經常在更寬廣的頻寬內工作，以達到高雷達解析度或多頻段通訊，並且可能會為此而犧牲效率。此時，可由 ADPA7005CHIP 功率放大器提供 20 GHz 至 44 GHz 的寬廣工作範圍，通常可達到 8% 至 13% 的功率附加效率 (取決於頻率子帶)。此元件提供 +33 dBm 的輸出功率、14 dB 的增益，以及 45% 簡單的直流到射頻轉換效率，密封在一個緊湊的 7 mm × 7 mm SMT 封裝中，簡化整合到緊湊型模組中的流程。其覆蓋範圍廣，並具有高功率，因此非常適合靈活、高效能的國防應用，從高解析度雷達到遠端通訊均可勝任。ADPA7005-EVALZ 測試平台 (圖 3) 整合一個散熱片，有助於在開發寬頻毫米波應用更複雜的設計時限熱。

圖 3：EVAL-ADPA7005AEHZ 評估板有助於開發更複雜的寬頻毫米波應用。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

結論

轉用毫米波頻率在全球通訊和國防技術中代表重大轉變。無論是用於相位陣列 5G 基礎設施還是緊湊型電子戰系統，整合式毫米波模組的組件都需要能支援自動化、可重複組裝，同時也要保持散熱和訊號效能。ADI 的功率放大器組件針對頻寬、線性度、效率經過仔細考量，能讓設計人員滿足毫米波系統在商業和軍事應用的需求。