引言：无线通信的能效挑战
在5G与未来6G通信网络中，高频段、宽带宽的信号传输需求持续增长，但随之而来的高能耗问题日益突出。功率放大器作为基站与终端设备的核心部件，其效率直接影响着网络运营成本与碳足迹。传统对称多赫蒂功率放大器（DPA）虽能在特定频段实现高效能，但在宽频带与大回退功率（BOP）场景下，效率波动大、设计复杂度高的问题始终未解。近期，一项基于“阻抗-相位混合优化”的创新设计方法，通过灵活结构重组，为宽带通信设备的能效提升提供了新方向。

效率困境：宽带场景下的性能衰减

传统DPA通过主辅放大器协同工作，在信号功率回退时提升效率。然而，当信号带宽从数百MHz扩展至数GHz时，两大瓶颈逐渐显现：

1. 相位色散难题：宽频带内阻抗匹配网络（OMN）的相位响应差异导致效率随频率剧烈波动，例如某款DPA在2.2-2.5GHz频段内，9dB回退效率差异达10%，高频段性能显著劣化。
2. 设计僵化：传统微带电路采用规则布局，难以兼顾阻抗匹配与相位控制，扩展回退范围需引入多级架构，但成本与体积随之激增。

这些问题使得现有设备在应对多频段聚合、毫米波通信等场景时力不从心。研究团队发现，优化电路结构的“自由度”或是破局关键。

片段式结构：让电路“自由生长”

为突破传统设计限制，研究团队提出“片段式结构”替代规则微带电路。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组合。通过多目标进化算法（MOEA/D），系统自动筛选最优网格排布，在满足阻抗匹配的同时，将相位差异压缩至25°以内。

实验数据显示，片段式结构OMN在1.7-2.5GHz频段内，阻抗误差降低40%，相位一致性提升60%。其灵活特性使得电路能够动态适应不同频率的电磁特性，例如在2.5GHz高频点精准匹配目标阻抗（14+j1Ω），同时在低频段维持相位平衡，从而减少效率波动。

混合优化：效率与带宽的协同之道

研究团队进一步提出“阻抗-相位混合目标函数”，将两类参数纳入统一优化框架：

• 高频精准控制：在2.5GHz频点，结合负载牵引技术确定最优阻抗，并计算所需相位（-215°），确保高频效率稳定性。
• 中低频动态平衡：在1.7-2.1GHz频段构建阻抗约束圆，限制相位漂移范围，避免效率随频率偏移。

通过该方法，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%，较传统设计效率一致性提升15%。

实测验证：从实验室到商用场景

基于上述设计，团队研制了一款对称DPA原型，采用氮化镓（GaN）晶体管。实测结果显示：

• 功率覆盖：饱和输出功率>44dBm，满足5G基站多频段覆盖需求。
• 能效表现：饱和效率58.5%-68%，9dB回退效率45%-55%，带宽扩展30%。
• 线性度保障：搭载数字预失真（DPD）后，20MHz LTE信号的邻道泄漏比（ACLR）<-50dBc，平均效率>50%，符合商用标准。

与传统方案对比，该设计在保持对称架构的同时，兼顾了宽频带与高效率，为大规模部署奠定基础。

应用前景：从地面基站到太空通信

这一设计在多个领域展现潜力：

• 5G宏基站：支持2.6GHz、3.5GHz等主流频段，降低能耗与散热成本。
• 低轨卫星：适配高频段宽带传输，提升星地链路可靠性。
• 工业物联网：通过高能效延长设备续航，支撑工厂自动化升级。

研究团队指出，下一步将探索片段式结构在毫米波频段的应用，并开发自动化设计工具，加速技术产业化。

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迭代，更是设计思维的革新。片段式结构通过“自由变形”打破规则布局的限制，而阻抗-相位协同优化则为宽频带性能提供了系统性解法。正如论文作者所述：“当电路设计从‘机械排列’转向‘动态生长’，性能天花板将被彻底打破。”这一创新或将成为高能效通信设备的标配，推动全球网络向更绿色、更智能的方向演进。

通过结构优化与算法协同，宽带功率放大器的效率难题正迎来转机。当每一瓦特电力都能被精准利用，通信网络的可持续发展之路也将愈发清晰。

来源: 信息与电子工程前沿FITEE