📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 5周 🛰️ 讓電波飛起來：電磁 × 微波 × 天線
——電波真正「飛起來」的物理工程
48／150單元： PA／LNA／Mixer／Oscillator 🔋 RF 主動元件
—— 通訊系統真正「有生命」的地方**
________________________________________
🎯 單元導讀
無線系統有兩類元件：
類型 範例 作用
被動 Passive 濾波器、天線、傳輸線 選擇／導引／反射
主動 Active PA、LNA、Mixer、Oscillator 放大／轉換／產生能量
沒有主動元件，通訊系統就不能：
✔ 放大訊號
✔ 接收微弱訊號
✔ 變頻
✔ 合成載波
✔ 進行調變
這就是本章的核心。
________________________________________
🧠 一、四大 RF 主動元件總覽
________________________________________
⭐ ① PA（Power Amplifier）
—— 把小訊號變成能「推動天線」的大能量
PA（Power Amplifier，功率放大器）是基地台中「最耗電、功率密度最高」的關鍵元件。
其基本功能為：
Input（小訊號 RF） → PA → Output（大功率射頻）
PA 將低功率的射頻訊號放大為可由天線發射的高功率射頻能量，但同時也消耗大量直流電力並產生顯著熱量，因此其效率、線性度與散熱設計，直接影響基地台的整體功耗、覆蓋範圍與系統穩定度。
PA 重要指標：
• 輸出功率（Output Power）
• 效率（PAE）
• 線性度（ACP、EVM）
• 漏放（spurious）
• 熱管理（非常重要）
PA 若出問題：
✔ Base Station → 覆蓋下降
✔ Starlink → 波束能量變弱
✔ 手機 → 續航力變差、過熱
________________________________________
⭐ ② LNA（Low Noise Amplifier）
—— 在一堆雜訊裡，把微弱訊號放大得仍然乾淨
LNA（Low Noise Amplifier，低雜訊放大器）是接收端中的第一個主動元件，負責放大天線接收到的微弱射頻訊號。
其基本訊號流程為：
微弱 RF → LNA → Mixer
由於 LNA 位於接收鏈路最前端，其雜訊表現會直接主導整個系統的雜訊指數（Noise Figure），因此決定了接收系統的靈敏度與可偵測的最小訊號強度。LNA 的增益、雜訊與線性度設計，對基地台與衛星通訊系統的接收效能具有關鍵影響。
LNA 重要指標：
• 雜訊指數（Noise Figure, NF）
• 增益（Gain）
• 線性度（IP3）
• 穩定度
LNA 爛 → 整個接收機性能直接報廢。
________________________________________
⭐ ③ Mixer（混頻器）
—— 把訊號變頻：RF ↔ IF
所有無線系統都需要往下搬到較低頻（IF）進行數位處理。
Mixer（混頻器）的基本頻率關係式為：
fIF = | fRF − fLO |
其中：
fRF：接收的射頻訊號頻率
fLO：本地振盪器（Local Oscillator）頻率
fIF：混頻後產生的中頻（Intermediate Frequency）
Mixer 重要指標：
• 轉換增益
• LO 隔離
• 雜訊
• 線性度（IP3、IP2）
Mixer 壞 → 收不到、或接收全是干擾。
________________________________________
⭐ ④ Oscillator（震盪器）
—— 產生 LO（📡 變頻、調變的靈魂）
Oscillator（多為 PLL、VCO）負責：
✔ 產生本振頻率
✔ 控制調變與載波
✔ 控制整個射頻鏈的時序
指標：
• 相位雜訊（Phase Noise）
• 頻率穩定度
• 時鐘抖動（jitter）
震盪器不穩 →
整個系統 EVM、ACP、SNR 全部崩盤。
________________________________________
🧩 二、RF 前端（RFFE）架構總覽
手機、基地台、Starlink 全部長這樣：
TX: Baseband → DAC → Mixer → PA → Filter → Antenna
RX: Antenna → Filter → LNA → Mixer → ADC → Baseband
4 個主動元件全部在其中。
________________________________________
📡 三、PA：發射端的靈魂（基地台最重要元件）
PA 主要技術：
• Class AB（傳統）
• Doherty PA（基地台主流）
• GaN PA（5G、衛星趨勢）
• Envelope Tracking（手機節能）
為什麼 PA 這麼難做？
因為它要同時兼顧：
✔ 大功率
✔ 低失真
✔ 高線性度
✔ 不要太熱
✔ 不要吃太多電
✔ 一堆寄生效應
✔ 實體工藝極難控制（第 47 單元）
5G/6G 趨勢：
• GaN PA → 高電壓、高效率
• Doherty + DPD → 線性化
• Massive MIMO 小功率多通道 → 多 PA 協同
________________________________________
🧲 四、LNA：接收端的守護神
LNA 的核心是：
⭐ 在不增加太多雜訊的情況下，把訊號變大
接收系統的整體雜訊指數可由 Friis 雜訊公式描述，其中第一級放大器（LNA）的雜訊指數會直接加到系統雜訊上，而後級電路的雜訊影響則會被 LNA 的增益所除以。因此，只要 LNA 具有足夠增益，後級元件的雜訊貢獻將大幅降低。這也說明了為何 LNA 的雜訊指數是接收鏈路中最關鍵的設計指標，直接決定整個系統的接收靈敏度與最小可偵測訊號強度。
LNA 技術：
• CMOS LNA（手機）
• GaAs LNA（中高頻）
• MMIC LNA（衛星、微波）
________________________________________
🌀 五、Mixer：變頻的魔法
Mixer（混頻器）的本質可由三角函數相乘來理解：
cos(2πfRF) · cos(2πfLO)
= ½ [ cos(2π(fRF − fLO)) + cos(2π(fRF + fLO)) ]
混頻器的核心原理是「相乘」。當射頻訊號（RF）與本地振盪器（LO）在非線性元件中相乘時，頻譜中會同時產生「差頻」與「和頻」兩個新頻率成分。實際接收系統中，通常透過濾波器保留差頻作為中頻（IF），並抑制和頻與其他雜散訊號，以便後續放大與數位處理。這也是為什麼 Mixer 能夠將高頻 RF 訊號轉換為較低頻、較容易處理的 IF 訊號。
因此會產生：
• 和頻
• 差頻（我們要的）
• LO 泄漏
• 複雜雜訊
星鏈和雷達的混頻器 → 要多層濾波器搭配。
________________________________________
⏰ 六、Oscillator／PLL：頻率的控制中心
震盪器決定：
✔ 調變精準度
✔ EVM（modulation error）
✔ ACP（鄰頻功率）
✔ 整個系統的時間基準
5G NR 的相位雜訊規格非常嚴格。
LEO/Starlink 更極端（溫度變化大 → VCO 要超穩定）。
________________________________________
🛰 七、Starlink／LEO 的主動元件挑戰
Starlink 的 RFIC 需要：
• 超低 phase noise（因為波束要準）
• 小型化 PA/LNA（數百顆）
• 多通道 Mixer + PLL
• 低功耗 + 高線性（因為太空供電有限）
• 材料要耐極端溫度（工藝難度比基地台高 5 倍）
________________________________________
🏙 八、電信實務
1️⃣ PA 故障 → 覆蓋瞬間掉一半
常見原因：
• 過熱
• 天線 S11 壞 → 反射太大 → PA 損傷
• DPD 校正錯誤
• 過功率
→ CHT 網管中心會直接跳出告警。
________________________________________
2️⃣ LNA 壞掉 → SINR 掉到谷底
現象：
• RSRP 還好，但 SINR 爛到不行
• 小區邊緣訊號完全收不到
• TDD uplink 變很差
LNA 壞對網路的破壞通常比 PA 還可怕。
________________________________________
3️⃣ LO 失鎖（PLL unlock） → 整個基地台停機
LO 失鎖時，所有：
• Mixer
• DPD
• MIMO 同步
• 上下行時序
全部崩潰。
CHT 會立即派人換板子。
________________________________________
📈 九、ASCII 圖：RF 主動元件串接
TX chain
Baseband → DAC → Mixer → PA → Filter → Antenna
RX chain
Antenna → Filter → LNA → Mixer → ADC → Baseband
所有主動元件都有明確職責。
在無線通訊系統中，發射端（TX）與接收端（RX）的訊號鏈路由多個主動元件依序組成，每一個元件皆負責特定且不可替代的功能。TX chain 中，基頻訊號經 DAC 轉換為類比訊號後，透過 Mixer 上變頻至射頻，經 PA 放大至可發射功率，再由濾波器抑制雜散後送入天線；RX chain 則由天線接收射頻訊號，先經濾波器選頻，再由 LNA 以最低雜訊放大微弱訊號，經 Mixer 下變頻後送入 ADC 轉為數位基頻處理。整個系統中，每一個主動元件皆肩負明確職責，其效能共同決定通訊鏈路的整體品質與可靠度。
________________________________________
🛠 十、實務題（CHT／Starlink／5G）
________________________________________
1️⃣ 為什麼 PA 的線性度（ACP/EVM）對 5G NR 特別重要？
因為 5G 是 OFDM → 高 PAPR → 容易失真
PA 一旦不線性 →
• 鄰頻污染（ACP）
• 星形圖糊掉（EVM）
• NCC 法規可能直接 NG
________________________________________
2️⃣ LNA 的 NF 下降 1 dB，對基站有多大影響？
極大。
邊緣上行 RSRP 可改善 2–3 dB。
等於覆蓋半徑增加、SINR 增強。
________________________________________
3️⃣ 為什麼 LEO 衛星的 Oscillator 需要「超低 phase noise」？
因為：
• 波束要非常準
• 多衛星 handover 超密集
• Doppler shift 大（LEO 飛很快）
Phase noise 差 → 波束亂 → 連線切換失敗。
________________________________________
✔ 十一、小結與啟示
📌 PA：把能量推向空間
📌 LNA：把極弱的訊號從雜訊中拉出
📌 Mixer：把頻率搬到可處理的區域
📌 Oscillator：整個 RF 系統的心跳
📌 主動元件決定通訊的「性能上限」
📌 Starlink／6G／基地台都依賴高階 RFIC
📌 RF 主動元件 = 無線工程的心臟
一句話收尾：
⭐ 沒有 PA/LNA/Mixer/Oscillator，就沒有 5G、6G，也沒有 Starlink。
