引言：当复杂信号遇上能效瓶颈
在5G和未来6G通信中，高阶调制技术（如256QAM）的广泛应用使得信号峰均功率比（PAPR）持续攀升。这对功率放大器提出了严苛要求：既需在信号峰值时输出高功率，又需在信号低谷时保持低能耗。传统对称多赫蒂功率放大器（DPA）虽结构简单，但在宽带和大回退功率（BOP）条件下效率波动大，难以满足现代通信需求。近期，一项针对DPA的创新设计方法，通过“阻抗-相位混合优化”与“片段式结构”，显著提升了宽带场景下的效率一致性，为高能效通信设备提供了新思路。

多赫蒂放大器的效率困境

传统DPA通过主辅放大器协同工作，在6dB回退功率下实现效率提升。然而，随着通信频段向毫米波扩展，信号带宽从几百MHz增至数GHz，传统设计暴露两大短板：

1. 效率波动大：在宽频带内，阻抗匹配网络（OMN）的相位色散导致回退效率随频率剧烈波动，高频段效率可能骤降10%以上。
2. 设计复杂度高：扩展回退范围需引入多级或多路架构，但电路复杂度与成本随之攀升，制约商业化应用。

研究团队发现，问题的核心在于传统OMN采用规则微带结构，相位控制灵活性不足。例如，某款DPA在2.2-2.5GHz频段内，9dB回退效率差异达10%，高频性能明显劣化。

片段式结构：让电路设计“自由变形”

为突破相位控制瓶颈，研究团队提出“片段式结构”替代传统规则微带电路。这种结构由可编程金属网格组成，每个网格可独立选择是否填充金属（“1”填充，“0”不填充），形成近乎无限种布局可能。通过多目标进化算法（MOEA/D），系统自动优化网格组合，在满足阻抗匹配的同时，将相位色散控制在25°以内。

实验显示，片段式结构OMN在1.7-2.5GHz频段内，阻抗匹配误差降低40%，相位一致性提升60%。与传统结构相比，其设计自由度显著提高，可精准适配复杂调制信号的动态需求。

阻抗-相位混合优化：效率与带宽的平衡术

研究团队进一步提出“阻抗-相位混合目标函数”，将阻抗匹配与相位控制纳入统一优化框架。具体策略包括：

1. 高频精准匹配：在2.5GHz频点，通过负载牵引（Load-Pull）确定最优阻抗（14+j1Ω），并计算所需相位（-215°），确保高频段效率稳定性。
2. 中低频段相位平衡：在1.7-2.1GHz频段，构建阻抗约束圆并限制相位差异，避免效率随频率漂移。

通过该优化方法，DPA在1.7-2.5GHz频段内实现38%的相对带宽，9dB回退效率保持在45%-55%，较传统设计提升15%的能效一致性。

实测表现：宽带高能效的实证

基于该设计，团队研制了一款工作于1.7-2.5GHz的对称DPA，采用Wolfspeed CGH40010F氮化镓（GaN）晶体管。实测结果显示：

• 饱和输出功率：>44dBm，覆盖5G主流频段需求。
• 效率表现：饱和效率58.5%-68%，9dB回退效率45%-55%，较同类设计带宽扩展30%。
• 线性度验证：搭载数字预失真（DPD）后，20MHz LTE信号邻道泄漏比（ACLR）<-50dBc，平均效率>50%，满足商用标准。

与传统方案对比（见表1），该DPA在保持对称架构的同时，带宽与效率均达到行业领先水平。

应用场景：从基站到卫星通信

这一设计在多个场景展现潜力：

• 5G宏基站：支持多频段聚合，降低设备能耗与散热成本。
• 卫星通信：适应高频段宽带传输，提升星地链路可靠性。
• 物联网终端：通过高能效延长电池寿命，支持海量设备连接。

研究团队指出，未来将进一步探索片段式结构在毫米波频段的应用，并推动设计自动化工具开发，加速技术落地。

未来展望：重新定义能效边界

无线通信的能效提升不仅是技术问题，更是设计哲学的革新。通过片段式结构的灵活布局与阻抗-相位协同优化，DPA在宽带与大回退场景下的效率瓶颈得以突破。正如论文作者所言：“当电路设计从‘规则排列’转向‘自由变形’，性能边界也将被重新书写。”这一创新或将成为下一代高能效通信设备的标配，推动全球无线网络向更绿色、更智能的方向演进。

来源: 信息与电子工程前沿FITEE