RF 功率放大器 (PA) 測試：效率、線性度與 ACLR 的核心權衡

在任何無線發射系統中，功率放大器 (Power Amplifier, PA) 都扮演著如同「引擎」般的關鍵角色，它是 RF 鏈路中將直流電源轉換為射頻能量的最後一級，也是系統中最大的單一功耗來源；因此，PA 的性能直接決定了兩個最關鍵的系統指標：終端設備的電池續航力（效率），以及訊號對鄰近頻道的干擾程度（線性度）。

不幸的是，這兩個目標——追求極致的效率和完美的線性度——在物理上是根本對立的，RF 測試工程的核心任務之一，就是精確地量化這場「博弈」的結果。

理想與現實：放大器的物理特性

一個「理想」的放大器是一個完美的線性元件，輸入訊號無論大小，其輸出都應是輸入訊號的精確、等比例放大，若增益為 10 倍，1 毫瓦 (mW) 的輸入應變為 10 mW，5 mW 的輸入應變為 50 mW。

然而，現實中的放大器（由電晶體構成）有其物理極限，這個極限稱為飽和點 (Saturation Point)，當輸入訊號的功率持續增大，放大器最終會達到其最大的能量輸出能力，一旦接近這個飽和點，放大器的「增益 (Gain)」便不再是恆定的。

這種現象稱為增益壓縮 (Gain Compression)。

效率的驅動：為何要「擁抱」飽和

PA 的效率（通常用功率附加效率, PAE 來衡量）是衡量其將直流電源（來自電池或電源供應器）轉換為有效 RF 訊號能量的能力，一個效率為 30% 的 PA，意味著其消耗的 10 瓦 (W) 直流電中，只有 3W 成為了射頻訊號，而高達 7W 的能量則以「熱」的形式被浪費掉。

在物理層面，電晶體作為一個開關元件，其最高效率的運作區間，恰恰位於其完全導通（飽和區）或完全截止的狀態；相反地，當它工作在「線性區」（即輸入和輸出成完美比例的區域）時，它更像一個可變電阻，會消耗大量能量並產生巨額廢熱。

這就產生了第一個核心驅動：

• 對於手持設備（手機）：為了最大化電池續航力，PA 必須盡可能高效地運作。

• 對於基地台：為了降低營運成本 (OPEX) 和解決龐大的散熱問題，PA 同樣必須追求高效率。

結論是：系統設計的強烈需求，迫使 PA 必須被驅動到盡可能接近其飽和點的狀態下運作。

飽和的代價：非線性失真及其「產物」

當 PA 為了效率而被迫在增益壓縮區（即非線性區）運作時，它便不再能「忠實」地放大訊號。

想像一個完美的正弦波訊號被輸入到一個處於壓縮狀態的 PA，當正弦波的波峰試圖要求 PA 輸出超過其飽和點的功率時，PA「無能為力」，只能輸出其最大功率，結果是，輸出的波形頂部被「削平」了 (Clipped)。

這種時域 (Time Domain) 上的「削波」，在頻域 (Frequency Domain) 上會產生災難性的後果；根據傅立葉變換的基本原理，一個被削平的波形，在數學上等同於在原始單一頻率訊號的基礎上，增加了許多新的、原本不存在的諧波 (Harmonics) 和交互調變產物 (Intermodulation Products)。

這就是非線性失真，這種失真在測試儀器上會以兩種主要的「產物」形式出現。

產物一：頻譜再生 (Spectral Regrowth) 與 ACLR

在現代通訊中，訊號並非簡單的正弦波，而是由數千個子載波疊加而成的複雜波形（如 5G NR 使用的 OFDM），當這種複雜訊號被 PA「削波」時，產生的失真不再是簡單的諧波，而是一種更為複雜、看似雜訊的能量擴散。

這種失真能量會「濺灑」或「再生」到訊號原始頻寬之外、緊鄰主通道的區域，這就是頻譜再生 (Spectral Regrowth)。

這種「濺灑」的能量，對於使用鄰近頻道的其他用戶或系統而言，就是純粹的「干擾」，

為了量化這種干擾的嚴重程度，業界定義了關鍵的測試指標：鄰近通道洩漏比 (Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)。

ACLR 量測的是主通道內的總功率，與洩漏到鄰近通道內的總功率之間的比值，這個比值越低（例如 -45 dBc），代表洩漏越少，線性度越好；反之，一個高效率但處於深度壓縮的 PA，其 ACLR 結果會非常差（例如 -30 dBc），這意味著它正在向鄰居頻道「大聲吶喊」，造成嚴重干擾。

因此，ACLR 測試成為了量化「線性度」最直接、最重要的法規指標。

產物二：帶內失真 (In-Band Distortion) 與 EVM

失真產物並非「只」濺灑到通道之外，同樣的非線性效應，也會對通道「內部」的訊號品質造成破壞。

在數位調變中，資訊被承載在星座圖 (Constellation Diagram) 上每個點的精確幅度和相位上，當 PA 發生增益壓縮時，它會「壓縮」星座圖上那些代表高功率的、最外圍的點，它們的實際幅度會小於理想值，導致它們向星座圖中心「塌陷」。

這種幅度壓縮（以及伴隨的相位扭曲, AM-PM）被一個綜合指標所捕捉：誤差向量幅度 (Error Vector Magnitude, EVM)。

因此，一個處於壓縮狀態的 PA，不僅會導致 ACLR 變差（干擾鄰居），也會直接導致 EVM 惡化（破壞自身訊號品質）。

5G 訊號的挑戰：高峰均功率比 (PAPR) 的「暴政」

在 2G/3G 時代，訊號相對簡單，PA 的線性度挑戰還算可控；然而，4G (LTE) 和 5G (NR) 所採用的 OFDM/OFDMA 技術，將這個問題推向了極致。

OFDM 訊號的本質，是數千個獨立的子載波訊號在時域上的疊加，在極罕見的瞬間，所有子載波可能同相疊加，產生一個瞬時的、功率極高的「峰值」；而在其他大多數時間，它們相互抵消，維持在一個相對較低的「平均功率」。

這就產生了高峰均功率比 (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR) 的特性。

5G 訊號就像一個「喜怒無常」的訊號：它 99% 的時間都處於低平均功率，但會隨機爆發出比平均功率高 10 到 14 dB 的巨大峰值。

這給 PA 設計帶來了終極的兩難困境：

1. 若為「平均功率」優化：PA 會被設定在一個較高的工作點以獲取高效率，但當那 14 dB 的「巨峰」訊號突然到來時，PA 會被瞬間推入深度飽和，產生嚴重的削波，這會導致災難性的頻譜再生，使 ACLR 測試徹底失敗。
   

2. 若為「峰值功率」優化：為了「容納」那個罕見的 14 dB 巨峰而不產生削波（即保持線性），PA 必須將其工作點設置得「極低」，這就是功率回退 (Power Back-off)。

「功率回退」：以效率為代價的妥協

功率回退（例如 10 dB 的回退）意味著 PA 的平均工作功率，遠遠低於其能夠高效運作的飽和點。

PA 被迫在其最沒有效率的線性區域深處運作，其結果是：

• 線性度極佳：巨峰訊號有足夠的「淨空」(Headroom)，ACLR 測試結果非常漂亮。

• 效率極差：PA 的效率可能從 50% 驟降至 10% 以下，這意味著 90% 的能量（來自電池）被直接轉化為廢熱。

這就是 RF 系統中最核心的權衡：在面對高 PAPR 訊號時，良好的 ACLR（線性度）是以犧牲 PA 效率為直接代價換來的。

量測策略：解讀這場博弈

作為測試工程師，職責不僅是報告「通過」或「失敗」，更是要精確地量化這場權衡。

1. 量測「壓力源」：CCDF 在評估 PA 之前，首先要量化訊號本身的「壓力」有多大，互補累積分布函數 (Complementary Cumulative Distribution Function, CCDF) 是用於此目的的關鍵工具，CCDF 曲線回答了一個問題：「訊號功率超過其平均功率 X dB 的機率有多大？」這條曲線精確地定義了訊號的 PAPR 特性，也決定了 PA 需要多少「回退」才能保持線性。
   

2. 量測「外部干擾」：ACLR 這是最重要的法規測試，在量測 5G 這種「類雜訊」訊號的 ACLR 時，儀器設定至關重要，必須使用均方根 (RMS) 檢波器 (Detector)，若錯用「峰值 (Peak)」檢波器，儀器只會抓取雜訊的瞬時峰值，導致 ACLR 讀數「看起來」比實際情況好上 5-10 dB，這是一個會導致災難性干擾的虛假結果，RMS 檢波器能正確積分鄰近通道內的「真實平均功率」，是唯一準確的量測方法。
   

3. 量測「內部品質」：EVM EVM 提供了 PA 非線性對訊號本身影響的精確診斷，透過觀察星座圖（例如外圍點的「壓縮」），可以直觀地將 EVM 的惡化歸因於 PA 的增益壓縮。

量化「妥協」的藝術

功率放大器的測試，本質上不是在尋找一個「完美」的元件，而是在量化一個多維度的「妥協」。

系統設計者永遠在 PA 的效率（電池壽命）、線性度（ACLR 干擾）和成本之間走鋼索。而高 PAPR 訊號，就是那條使鋼索繃緊的外力。

為了打破這種「回退詛咒」，業界發展出了如數位預失真 (Digital Pre-Distortion, DPD) 這樣的先進技術——在訊號進入 PA 之前，就對其進行精確的「反向扭曲」，以抵銷 PA 即將產生的失真，這使得 PA 可以被推向更接近飽和的高效率區域，同時仍維持可接受的 ACLR。

但無論技術如何演進，效率與線性度之間的物理衝突始終存在。RF 測試的核心價值，就是提供精確、可靠的數據（特別是準確的 ACLR 和 EVM 量測），使設計者能夠在這場永恆的博弈中，做出最明智的工程決策。