功率的悖論：射頻功率放大器 (PA) 中線性度與效率的永恆博弈

在無線通訊的硬體鏈路中，功率放大器（Power Amplifier, PA）往往佔據了最特殊的地位，它是能量消耗的巨獸，是散熱設計的噩夢，也是決定電池壽命的關鍵，更重要的是，PA 是物理定律最不留情面的戰場，在這裡，射頻工程師面臨著一個近乎殘酷的二元對立：要麼保持訊號完美（線性度），要麼節省能源（效率）；在基礎物理層面上，這兩者往往不可兼得。

本文將深入剖析這場博弈的本質，探討現代通訊波形如何加劇了這一衝突，以及工程師如何通過巧妙的架構創新（如 Doherty 與 DPD）來「欺騙」物理定律。

線性度的代價 —— A 類放大器的悲劇美學

(The Cost of Linearity: The Tragic Aesthetic of Class A)

為了理解這場博弈，首先必須理解「線性度（Linearity）」的物理意義，一個完美的線性放大器，其輸出訊號應該是輸入訊號的精確複製品，只是幅度變大了，無論輸入訊號如何變化，放大器的增益（Gain）必須保持恆定。

在電路層級，實現這一點的最直接方法是讓電晶體（Transistor）始終處於導通狀態，這就是經典的 A 類（Class A）放大器。

A 類放大器就像一輛停在紅燈前卻同時踩著油門和煞車的跑車，為了確保訊號的任何微小波動都能被即時響應，電晶體必須保持在「偏置（Bias）」狀態，即使沒有訊號輸入，巨大的靜態電流依然在流動，這種設計確保了極致的訊號完整性，沒有交越失真（Crossover Distortion），可以完美地處理最複雜的調變波形。

然而代價是驚人的，A 類放大器的理論最高效率僅為 50%，而在實際應用中，往往低於 20%，這意味著每向天線發送 1 瓦的有用訊號，就需要消耗 4 到 5 瓦的電池能量，其餘的能量全部轉化為廢熱，在散熱片上浪費的能量，是為了維持那種「隨時待命」的線性度所繳納的昂貴稅金。

開關的誘惑 —— 效率的極致與資訊的丟失

(The Seduction of Switching: Ultimate Efficiency and Information Loss)

為了追求效率，工程師將目光轉向了另一個極端：開關模式（Switching Mode，如 Class C, D, E）。

想像一個電燈開關，它只有兩種狀態：全開或全關，當開關斷開時，電流為零，功耗為零；當開關閉合時，電壓降極低，功耗依然接近零，理論上，這種模式的效率可以接近 100%；這聽起來很完美，但有一個致命的問題：開關抹殺了幅度資訊，當電晶體進入飽和區（Saturation）變成一個開關時，輸入訊號的強弱變化不再影響輸出幅度，輸出變成了一個恆定的方波，對於像 FM（頻率調變）或 FSK 這種只依賴頻率或相位攜帶資訊的恆包絡訊號，這不是問題。

但對於現代通訊而言，這是一場災難，因為現代波形（如 QAM）將大量資訊編碼在訊號的「幅度」變化中，一旦進入開關模式，幅度資訊被削平（Clipping），星座圖上的點將會塌陷，EVM（誤差向量幅度）將急劇惡化，通訊連結隨即斷裂。

這就是 PA 設計的核心矛盾：保留幅度資訊需要線性度（低效率），而追求高效率則傾向於破壞幅度資訊（非線性）。

波形的復仇 —— PAPR 與回退的困境

(The Revenge of the Waveform: PAPR and the Back-off Dilemma)

隨著 4G、5G 以及 WiFi 6/7 的到來，這個矛盾被無限放大，現代通訊為了追求極高的頻譜效率，採用了 OFDM（正交頻分複用）技術，這種技術將成百上千個子載波疊加在一起，從統計學上看，當這些子載波的相位剛好對齊時，會疊加出一個巨大的功率峰值，這導致了一個關鍵指標的惡化：峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio, PAPR）。

高 PAPR 意味著訊號就像綿延的山脈，大部分時間處於低功率的「山谷」（平均值），但偶爾會突起一座極高的「山峰」（峰值）。

• 為了不讓山峰被「削平」（發生飽和失真），PA 必須具備處理最高峰值功率的能力。

• 然而，訊號絕大多數時間都待在山谷裡。

這迫使工程師採用功率回退（Power Back-off）策略，為了照顧那 0.01% 機率出現的峰值，PA 的工作點必須從最高效率的飽和區大幅後退，退回到低效率的線性區，結果 PA 雖然具備了 100W 的能力，但在 99% 的時間裡只輸出 10W，效率極其低落，這就像是為了應對一年一次的搬家需求，而每天開著一輛大卡車上下班。

欺騙物理定律 —— Doherty 架構的智慧

(Cheating Physics: The Wisdom of the Doherty Architecture)

面對 PAPR 的挑戰，單純的「回退」策略已經無法滿足綠色通訊的要求，工程師需要一種架構，能夠在低功率時保持高效，同時又能處理高功率峰值，這就是 Doherty 放大器 的舞台，Doherty 架構的核心思想是「分工」。它由兩個放大器組成：

1. 主放大器（Carrier/Main PA）： 通常偏置在 Class AB 或 B，它負責處理大部分時間內的平均功率訊號。

2. 輔助放大器（Peaking/Auxiliary PA）： 通常偏置在 Class C，它在低功率時完全關閉（不耗電），只有當訊號峰值到來時才啟動，提供額外的功率支援。

這就像是混合動力汽車：在市區低速行駛時（低功率），只用電動馬達（主放大器）以最高效率運行；當需要急加速超車時（峰值功率），燃油引擎（輔助放大器）介入提供爆發力。

通過精妙的阻抗逆變網路（Impedance Inverter），Doherty 架構成功地擴展了高效率的動態範圍，使得 PA 即使在回退狀態下（處理 OFDM 的山谷時），依然能維持接近飽和區的效率。這是現代基地台能效得以提升的基石。

數位的反擊 —— DPD 預失真技術

(The Digital Counterattack: DPD Pre-distortion Technology)

即使有了 Doherty，PA 的非線性依然存在，為了進一步壓榨性能，工程師引入了數位預失真（Digital Pre-distortion, DPD）。

DPD 的概念源於一個簡單的邏輯：如果我們知道 PA 會如何扭曲訊號，那我們能不能先「反向扭曲」輸入訊號，讓兩者互相抵消？

想像 PA 是一個哈哈鏡，會把人像變矮胖（增益壓縮），DPD 處理器就像是在哈哈鏡前放了一個特殊的透鏡，先把人像拉得高瘦（預擴張），當高瘦的人像經過變矮胖的哈哈鏡後，最終輸出的就是一個比例正常的人像。

DPD 是一種跨領域的奇蹟，它利用強大的數位訊號處理（DSP）能力，對 PA 的非線性行為進行建模（通常使用 Volterra 級數或記憶多項式），這使得 PA 可以被推到非常接近飽和的非線性區域運行（獲取最高效率），同時在輸出端依然表現出優異的線性度（低 ACLR 和 EVM），然而 DPD 並非萬能，它受限於記憶效應（Memory Effects）。

幽靈般的記憶 —— 頻寬與熱的延遲

(Ghostly Memories: Bandwidth and Thermal Latency)

在寬頻通訊中，PA 展現出一種令人頭痛的特性：記憶效應，這表示 PA 當前的輸出，不僅取決於當前的輸入，還取決於幾毫秒甚至幾微秒之前的輸入。

這源於兩個機制：

1. 電記憶效應（Electrical Memory）： 源於匹配網路中的電感電容儲能以及偏置電路的時間常數。

2. 熱記憶效應（Thermal Memory）： 功率電晶體在處理大訊號時會瞬間發熱，導致增益下降，但熱量的消散需要時間，這導致下一個訊號到來時，電晶體的溫度狀態還停留在上一個訊號的影響中。

記憶效應使得簡單的「輸入-輸出」校正失效，如果 DPD 算法不能預測這種「歷史影響」，校正後的頻譜就會出現左右不對稱的再生旁瓣，這迫使工程師必須建立更複雜的數學模型來捕捉這些幽靈般的熱時間常數。

在刀尖上跳舞的指揮家

射頻功率放大器的設計，不再是單純挑選一個線性電晶體那麼簡單，它演變成了一場系統級的交響樂指揮。

PA 設計師必須在電晶體的物理極限、波形的統計特性、拓撲架構的創新（Doherty/Envelope Tracking）以及數位演算法的補償（DPD）之間，尋找那個稍縱即逝的平衡點，這是一場永恆的博弈：只要通訊理論還在追求更高的資料速率（更複雜的調變），對線性度的要求就會更高；只要能源危機和電池技術存在瓶頸，對效率的渴望就不會停止，而 PA 工程師，正是那位在刀尖上跳舞，試圖將能量轉化為資訊的藝術家。