基于单环L-C负载调制网络的三频段Doherty功率放大器创新设计

《Engineering Science and Technology, an International Journal》：Design of a tri-band single-loop load-modulated Doherty power amplifier

为解决现代通信系统中高PAPR宽带信号的高效放大难题，本文聚焦于克服传统Doherty功率放大器（DPA）因λ/4阻抗变换器带来的带宽限制。研究人员提出了一种创新的单环L-C负载调制架构，通过引入额外的电流和功率合成节点，增强了负载调制网络的自由度。基于此，设计了九组不同频率比的三频DPA，并成功制作了一款工作在0.85–1.0/1.75–1.85/2.3–2.4 GHz的非对称DPA原型。测试结果显示，在8 dB输出功率回退（OBO）下，其漏极效率达45.6%–57.5%，饱和输出功率为43.3–46 dBm。该研究证实了所提架构在实现高效率、多频段并发操作方面的可行性与优越性，为宽带、多频段高效功率放大器设计提供了新思路。

　　

随着第五代（5G）及未来移动通信技术的飞速发展，我们的手机、基站等无线设备需要处理的数据量呈爆炸式增长。为了“跑”得更快，现代通信系统普遍采用了高峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio, PAPR）和宽带宽的调制信号。然而，这给通信系统的心脏部件——功率放大器（Power Amplifier, PA）带来了严峻挑战。传统的功率放大器就像一个胃口固定、干活不灵活的大力士：当输入信号功率大时，它能高效工作；可一旦信号功率变小（即处于“回退”状态），它的效率就会急剧下降，导致大量电能被白白浪费，不仅拉低了整个系统的能效，还会产生过多的热量。在倡导绿色节能的今天，这显然是个亟待解决的问题。

于是，一种名为Doherty功率放大器（Doherty Power Amplifier, DPA）的结构应运而生，它被誉为是应对高PAPR信号、实现高效率放大的有效方案，被广泛应用于基站通信系统中。其核心思想是“一个好汉三个帮”，通常采用一个主放大器（载波放大器）和一个辅助放大器（峰值放大器）协同工作，通过负载调制技术，使得在较大的输出功率回退（Output Power Back-off, OBO）范围内仍能保持较高效率。但传统DPA也有自己的“阿喀琉斯之踵”：其负载调制网络严重依赖四分之一波长（λ/4）阻抗变换器。这个“λ/4变换器”就像一根特定长度的水管，只有在它设计的那个“谐振频率”下才能完美工作，一旦频率偏离，性能就会大打折扣。这导致传统DPA通常带宽很窄，难以适应多频段、宽带通信的需求。

为了拓宽DPA的“工作频谱”，科研人员们想尽了办法。有的采用多级、多路径的复杂电路结构，结果电路越来越臃肿；有的设计了可切换模式的多频段DPA，但又无法实现多个频段同时（并发）工作。如何在结构简单的前提下，实现真正意义上的多频段、宽带回退高效率放大，成为了该领域一个充满吸引力的研究目标。在此背景下，本文的研究团队独辟蹊径，提出并深入研究了一种基于“单环L-C负载调制网络”的全新三频段DPA架构。

本项研究工作发表于国际期刊《Engineering Science and Technology, an International Journal》。为了验证所提出的单环L-C负载调制架构，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，进行了深入的理论建模与网络分析，利用Y参数矩阵（导纳参数矩阵）和ABCD矩阵对提出的包含A1、A2、A3三个子网络的单环负载调制拓扑进行数学描述，推导其端口阻抗与电流、电压及网络参数的关系。其次，基于该理论，进行了大量的电路设计与仿真优化，针对九种不同的频率比组合设计了三频DPA。接着，进行了实际的射频微波电路制备，使用微带线技术和交叉指型微带电容器替代理想的L-C集总元件，在特定的介质基板上制作了物理电路原型。最后，搭建了标准的射频测试平台，对制成的非对称DPA原型（工作频段为0.85–1.0/1.75–1.85/2.3–2.4 GHz）的关键性能指标，如输出功率、漏极效率、增益等进行了精确测量。

2.1. 单环L-C负载调制拓扑

研究团队首先从理论上分析了传统DPA的局限性，进而提出了创新的单环L-C负载调制架构。如原文图1（Fig. 1）所示，该架构在载波放大器输出匹配电路（OMNC）和峰值放大器输出匹配电路（OMNP）中引入了一个A1网络，与A2、A3网络共同构成一个单环路拓扑。A1网络由两段对称的微带线和一个串联的L-C谐振电路组成。这一设计引入了额外的电流合成节点，增加了负载调制网络的自由度。理论分析表明，该结构可以通过L-C串联谐振网络在不同频率点调节电流注入比例，实现多频段阻抗匹配。与仅有一个合成节点的传统架构相比，这种多节点设计为在不同频段实现各自的阻抗匹配提供了可能。

2.2. 对所提架构的特殊情况分析

为了使分析更贴近实际电路设计，研究人员对网络参数进行了简化，并重点分析了一种特殊情况：当电路饱和时，若节点a与节点b的电压相等（V_a= V_b）。在这种情况下，可以推导出A1网络在载波和峰值路径两端引入的等效阻抗是纯虚数，且L-C网络在饱和状态下不贡献任何匹配效应，其值不影响饱和匹配状态，从而可以作为一个灵活的调谐参数用于回退状态的阻抗匹配。这为设计提供了便利。研究进一步推导了实现V_a= V_b的条件，即连接节点a和b的A2网络与连接节点c和b的A3网络需要满足特定的电长度和阻抗比例关系。

2.3. 基于所提架构的三频段DPA设计示例

在理论基础上，研究团队展示了所提架构的可行性。他们设计了A1网络（包含L-C谐振电路）和仅由微带线构成的A2、A3网络。通过精心选择L和C的值，使得L-C串联电路在三个目标频段的中间频点（f₂）发生谐振，呈现短路特性，从而在该频点“屏蔽”掉A1网络的影响，让负载调制主要在节点b进行。而在低频（f₁）和高频（f₃），L-C网络分别呈现感性和容性，与两端的微带线结合，改变了电流的分配比例，使得在节点a和c也有显著的功率合成，从而在这些频点实现不同的阻抗变换。这实质上是利用L-C网络的强频率相关性，在不同的频点创造了不同的电流注入场景，最终实现了三个频段的阻抗匹配。基于这一原理，研究人员成功设计了九组工作在不同频段组合下的三频段DPA。

3. 基于交叉指型微带电容的三频段DPA实现

在理论设计和仿真验证之后，研究进入了实际电路实现阶段。为了替代理想的集总电感（L）和电容（C）元件以适应微波集成电路，研究人员采用了交叉指型微带电容器来实现A1网络中的串联谐振电路。他们详细描述了如何根据目标频段计算所需的电感电容值，并进一步将其转换为交叉指型电容的物理尺寸（如指长、指宽、间隙等）。最终，在Rogers RO4350B介质基板上设计并制作了一款非对称DPA，其载波放大器工作在连续B/J类，峰值放大器工作在C类，目标频段覆盖0.85-1.0 GHz、1.75-1.85 GHz和2.3-2.4 GHz。

4. 测量结果

制作完成的DPA原型经过了严格的测试。测量结果表明，在三个目标频段内，在8 dB输出功率回退（OBO）点，放大器的漏极效率在45.6%到57.5%之间变化；饱和输出功率介于43.3 dBm到46 dBm之间。这些实测数据充分验证了基于单环L-C负载调制架构的三频段DPA设计的有效性和优越性能，实现了在三个相对较宽的频段内同时保持高效率放大能力。

综上所述，本文提出并深入验证了一种全新的基于单环L-C负载调制网络的三频段Doherty功率放大器架构。该研究的核心结论在于，通过在有源负载调制网络中引入包含L-C谐振电路的额外分支，创造多个电流/功率合成节点，能够有效突破传统单节点DPA架构在多频段设计中的限制。理论分析与设计示例表明，该架构能够利用L-C网络的频率特性，在不同频点调控电流注入，实现各自频段的阻抗匹配。最终的电路实现与测试结果证实，基于此架构的DPA能够在0.85–1.0/1.75–1.85/2.3–2.4 GHz三个频段同时工作，并在8-9 dB的输出回退范围内保持45.6%–57.5%的高漏极效率。

这项研究的重要意义在于，它为解决高效率功率放大器的多频段、宽带化难题提供了一条新颖且有效的技术路径。相比于以往依赖复杂多级电路或只能切换模式的多频段方案，本文提出的单环L-C架构在保持电路结构相对简单的同时，首次实现了真正的三频段并发高效率操作。这不仅显著提升了功率放大器的频谱利用率，使其能更好地适应现代及未来无线通信系统（如5G、卫星通信、认知无线电等）对多频带、高数据速率的需求，也为设计更多频段、更宽带宽的高效功率放大器开辟了新的思路，具有重要的理论价值与工程应用前景。