基于峰/回退联合匹配的高效多赫蒂功率放大器设计

《Science China-Information Sciences》：Highly efficient Doherty power amplifier with peak/backoff joint matching

为解决高PAPR调制信号下传统CCL DPA在回退点效率低的问题，研究人员开展了基于峰/回退联合匹配(JM-CCL)技术的多赫蒂功率放大器研究。该研究通过优化输出匹配网络，在3.6 GHz频点实现了69.3%的峰值效率和52.9%的8.5 dB回退点效率，显著提升了平均效率，为现代无线通信系统的节能需求提供了有效解决方案。

　　

在5G和未来无线通信系统飞速发展的今天，为了传输海量数据，复杂的调制方案被广泛采用。这些方案虽然带来了高数据速率，但也带来了一个“副作用”——信号具有很高的峰均功率比(PAPR)。这意味着，负责信号放大的“心脏”部件——功率放大器(PA)，大部分时间都工作在远低于其最大输出功率的“回退”区域。如果功率放大器在回退点效率低下，整个系统的平均效率就会大打折扣，不仅浪费能源，还会产生大量热量，影响设备寿命。

为了应对这一挑战，多赫蒂功率放大器(DPA)凭借其结构简单、效率高的特点，成为了基站侧的主流选择。近年来，为了进一步提升DPA在回退区的效率，研究人员提出了复杂组合负载(CCL)技术，它通过引入一个额外的自由度，成功扩展了高效率的回退范围。然而，传统的CCL DPA在设计时，其回退点的匹配是基于理想电流源模型计算的，忽略了晶体管内部非线性电容(C_ds)和膝点电压等非理想因素。这导致实际回退点的效率远低于理论值，限制了DPA平均效率的进一步提升。

为了解决这一核心痛点，复旦大学袁邹峰、尹赟等研究人员在《Science China-Information Sciences》上发表了一项研究，提出了一种基于峰/回退联合匹配(JM-CCL)技术的高效多赫蒂功率放大器。该研究旨在通过精确匹配回退点的实际最优阻抗，同时兼顾峰值点的性能，从而显著提升DPA在驱动高PAPR信号时的平均效率。

为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，他们通过负载牵引(Load-pull)仿真，在器件封装层面而非内部电流源层面，精确获取了载波功率放大器在回退点的实际最优阻抗，从而克服了传统CCL理论中基于理想模型的匹配偏差。其次，他们设计并实现了一种改进的输出匹配网络(OMN)，该网络能够同时将两个纯电阻负载变换为两个特定的复阻抗，从而实现对回退点和峰值点的联合匹配。最后，该设计基于13 W的GaN HEMT器件，在Rogers RO4350B PCB上进行了实现，并集成了用于二次谐波匹配的四分之一波长传输线，以进一步提升效率。

CCL分析

研究人员首先对传统的CCL DPA进行了理论分析。他们指出，CCL技术通过引入一个复阻抗负载(R_L+ jX_L)，为扩展回退范围提供了新的自由度。通过公式推导，他们证明了通过调整CCL系数x_n，可以灵活地设计出具有特定回退范围(如8.5 dB)的DPA。然而，这一分析是基于理想电流源模型的，其回退点的最优阻抗被设定为[βR_{C, opt}|| (j/ωC_ds)]。通过负载牵引仿真，研究人员发现，由于非理想因素的存在，实际回退点的最优阻抗与理论值存在显著偏差。如果采用理论值进行匹配，回退点效率仅为52.6%，而实际最优值可达67.3%，这揭示了传统CCL DPA效率低下的根本原因。

峰/回退联合匹配(JM-CCL)

针对上述问题，研究人员提出了JM-CCL方法。该方法的设计目标是在回退点和峰值点同时实现高效率和高功率。他们设计了一个改进的输出匹配网络，该网络由传输线TL1、TL2、TL3以及一个并联电容C构成。通过理论计算，他们证明了该网络能够将变化的纯电阻负载(R)变换为符合设计目标的复阻抗(Z_in)。在设计中，他们优先保证了回退点的性能，将回退点阻抗匹配到实际最优值(Z_{C, bo}= 11.0 + j39.0 Ω)，此时效率达到66.5%。虽然峰值点阻抗(Z_{C, sat}= 22.2 + j21.5 Ω)与理论最优值存在一定偏差，但其效率(75.6%)并未显著恶化。仿真结果表明，与传统的CCL DPA相比，JM-CCL DPA在回退点的功率附加效率(PAE)提升了15%，同时保持了相近的峰值效率，并成功实现了8.5 dB的回退范围。

实现与测量结果

研究人员将所提出的JM-CCL DPA进行了实物实现。该放大器采用两个13 W的GaN HEMT器件，集成在Rogers RO4350B PCB上。在连续波(CW)测试中，该放大器在3.6 GHz频点表现出色：饱和输出功率达到43.3 dBm，峰值漏极效率(DE)为69.3%，峰值PAE为60.1%。在8.5 dB回退点，漏极效率为52.9%，PAE为48.7%。在3.5-3.7 GHz频带内，该放大器表现出良好的性能一致性。在调制信号测试中，当输入20 MHz带宽、8.5 dB PAPR的64QAM LTE信号时，该放大器在平均输出功率为34.8 dBm（即8.5 dB回退点）时，实现了55.9%的平均漏极效率和49.8%的平均PAE，且无需任何校准。

该研究成功提出并验证了一种基于峰/回退联合匹配(JM-CCL)技术的高效多赫蒂功率放大器。该设计通过精确匹配回退点的实际最优阻抗，有效解决了传统CCL DPA在回退点效率低的问题。实测结果表明，该放大器在3.6 GHz频点实现了69.3%的峰值效率和52.9%的8.5 dB回退点效率，并且在驱动高PAPR调制信号时表现出优异的平均效率。这项研究为现代无线通信系统提供了一种高效、节能的功率放大器解决方案，具有重要的应用价值。