引言：無線通信的能效挑戰
在5G與未來6G通信網絡中，高頻段、寬帶寬的信號傳輸需求持續增長，但隨之而來的高能耗問題日益突出。功率放大器作為基站與終端設備的核心部件，其效率直接影響著網絡運營成本與碳足跡。傳統對稱多赫蒂功率放大器（DPA）雖能在特定頻段實現高效能，但在寬頻帶與大回退功率（BOP）場景下，效率波動大、設計復雜度高的問題始終未解。近期，一項基于“阻抗-相位混合優化”的創新設計方法，通過靈活結構重組，為寬帶通信設備的能效提升提供了新方向。

效率困境：寬帶場景下的性能衰減

傳統DPA通過主輔放大器協同工作，在信號功率回退時提升效率。然而，當信號帶寬從數百MHz擴展至數GHz時，兩大瓶頸逐漸顯現：

  1. 相位色散難題：寬頻帶內阻抗匹配網絡（OMN）的相位響應差異導致效率隨頻率劇烈波動，例如某款DPA在2.2-2.5GHz頻段內，9dB回退效率差異達10%，高頻段性能顯著劣化。
  2. 設計僵化：傳統微帶電路采用規則布局，難以兼顧阻抗匹配與相位控制，擴展回退范圍需引入多級架構，但成本與體積隨之激增。

這些問題使得現有設備在應對多頻段聚合、毫米波通信等場景時力不從心。研究團隊發現，優化電路結構的“自由度”或是破局關鍵。

片段式結構：讓電路“自由生長”

為突破傳統設計限制，研究團隊提出“片段式結構”替代規則微帶電路。這種結構由可編程金屬網格組成，每個網格可獨立選擇是否填充金屬（“1”填充，“0”不填充），形成近乎無限種布局組合。通過多目標進化算法（MOEA/D），系統自動篩選最優網格排布，在滿足阻抗匹配的同時，將相位差異壓縮至25°以內。

實驗數據顯示，片段式結構OMN在1.7-2.5GHz頻段內，阻抗誤差降低40%，相位一致性提升60%。其靈活特性使得電路能夠動態適應不同頻率的電磁特性，例如在2.5GHz高頻點精準匹配目標阻抗（14+j1Ω），同時在低頻段維持相位平衡，從而減少效率波動。

混合優化：效率與帶寬的協同之道

研究團隊進一步提出“阻抗-相位混合目標函數”，將兩類參數納入統一優化框架：

  • 高頻精準控制：在2.5GHz頻點，結合負載牽引技術確定最優阻抗，并計算所需相位（-215°），確保高頻效率穩定性。
  • 中低頻動態平衡：在1.7-2.1GHz頻段構建阻抗約束圓，限制相位漂移范圍，避免效率隨頻率偏移。

通過該方法，DPA在1.7-2.5GHz頻段內實現38%的相對帶寬，9dB回退效率保持在45%-55%，較傳統設計效率一致性提升15%。

實測驗證：從實驗室到商用場景

基于上述設計，團隊研制了一款對稱DPA原型，采用氮化鎵（GaN）晶體管。實測結果顯示：

  • 功率覆蓋：飽和輸出功率>44dBm，滿足5G基站多頻段覆蓋需求。
  • 能效表現：飽和效率58.5%-68%，9dB回退效率45%-55%，帶寬擴展30%。
  • 線性度保障：搭載數字預失真（DPD）后，20MHz LTE信號的鄰道泄漏比（ACLR）<-50dBc，平均效率>50%，符合商用標準。

與傳統方案對比，該設計在保持對稱架構的同時，兼顧了寬頻帶與高效率，為大規模部署奠定基礎。

應用前景：從地面基站到太空通信

這一設計在多個領域展現潛力：

  • 5G宏基站：支持2.6GHz、3.5GHz等主流頻段，降低能耗與散熱成本。
  • 低軌衛星：適配高頻段寬帶傳輸，提升星地鏈路可靠性。
  • 工業物聯網：通過高能效延長設備續航，支撐工廠自動化升級。

研究團隊指出，下一步將探索片段式結構在毫米波頻段的應用，并開發自動化設計工具，加速技術產業化。

未來展望：重新定義能效邊界

無線通信的能效提升不僅是技術迭代，更是設計思維的革新。片段式結構通過“自由變形”打破規則布局的限制，而阻抗-相位協同優化則為寬頻帶性能提供了系統性解法。正如論文作者所述：“當電路設計從‘機械排列’轉向‘動態生長’，性能天花板將被徹底打破?！边@一創新或將成為高能效通信設備的標配，推動全球網絡向更綠色、更智能的方向演進。

通過結構優化與算法協同，寬帶功率放大器的效率難題正迎來轉機。當每一瓦特電力都能被精準利用，通信網絡的可持續發展之路也將愈發清晰。

來源: 信息與電子工程前沿FITEE