在南京某5G基站測(cè)試場(chǎng)，工程師正將一枚硬幣大小的射頻芯片接入儀器。顯示屏上，2.3GHz頻段的能效曲線突然躍升：在9dB功率回退狀態(tài)下，這顆采用新型“碎片結(jié)構(gòu)”的Doherty功率放大器（DPA）效率突破55%，比傳統(tǒng)方案提升20%——這項(xiàng)由中國(guó)團(tuán)隊(duì)在《信息與電子工程前沿》發(fā)表的研究成果，或?qū)⒏膶懭?G基站的能耗規(guī)則。

5G基站背后的“電力黑洞”
現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)需求，普遍采用高階調(diào)制技術(shù)，卻導(dǎo)致信號(hào)峰均功率比（PAPR）驟增。作為基站射頻前端的核心器件，傳統(tǒng)Doherty功放在6dB回退時(shí)效率即斷崖式下跌，被業(yè)界稱為“電力黑洞”。數(shù)據(jù)顯示，全球430萬座5G基站中，僅功放環(huán)節(jié)的年電能浪費(fèi)就達(dá)120億度，相當(dāng)于三峽電站1/8的年發(fā)電量。

“這就像讓短跑選手全程沖刺馬拉松。”論文通訊作者夏靜教授比喻道?，F(xiàn)有對(duì)稱式Doherty架構(gòu)雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其效率增強(qiáng)區(qū)間被鎖死在6dB回退、窄至200MHz的頻段內(nèi)，難以匹配5G基站2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz等多頻段協(xié)同需求。

碎片結(jié)構(gòu)：微帶電路的基因重組
研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將生物學(xué)中的基因片段概念引入射頻電路設(shè)計(jì)。他們開發(fā)的“碎片式微帶結(jié)構(gòu)”，將傳統(tǒng)規(guī)則排布的電路單元分解為192個(gè)可編程金屬網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格如同DNA堿基對(duì)般自由組合：

動(dòng)態(tài)編碼：采用MOEA/D多目標(biāo)進(jìn)化算法，40個(gè)種群經(jīng)過50代迭代尋優(yōu)
相位馴服：在1.7-2.5GHz頻段內(nèi)將相位離散度壓縮至25°以下
三維匹配：同步滿足阻抗、效率、帶寬的“不可能三角”
蘇州芯片中試線測(cè)試顯示，該結(jié)構(gòu)使輸出匹配網(wǎng)絡(luò)（OMN）的相位一致性提升3倍。當(dāng)頻率從2.5GHz向1.7GHz滑動(dòng)時(shí)，功放效率波動(dòng)從±10%收窄至±5%，相當(dāng)于在800MHz帶寬內(nèi)建起“能效平原”。

混合目標(biāo)函數(shù)：給電磁波裝上導(dǎo)航
團(tuán)隊(duì)提出的阻抗-相位混合目標(biāo)函數(shù)，首次實(shí)現(xiàn)電磁參數(shù)的全維度控制：

雙態(tài)鎖定：在飽和狀態(tài)鎖定14+j1Ω目標(biāo)阻抗，回退態(tài)生成-j30Ω增強(qiáng)電抗
相位圍欄：通過數(shù)字孿生構(gòu)建215°相位約束圈，規(guī)避高頻失配陷阱
動(dòng)態(tài)平衡：實(shí)時(shí)計(jì)算328種網(wǎng)絡(luò)功能關(guān)聯(lián)模型，智能推薦最優(yōu)參數(shù)組合
采用Wolfspeed CGH40010F氮化鎵芯片的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，新型DPA在2.5GHz頻點(diǎn)的飽和輸出功率達(dá)44dBm，9dB回退效率穩(wěn)定在45%-55%區(qū)間。更驚人的是帶寬容忍度——當(dāng)工作頻段突然從2.3GHz跳至1.8GHz時(shí)，系統(tǒng)能在0.3ms內(nèi)自重構(gòu)匹配網(wǎng)絡(luò)，較傳統(tǒng)方案提速50倍。

通信基站的綠色革命
這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化前景已在多個(gè)場(chǎng)景顯現(xiàn)價(jià)值：

基站節(jié)能：使64TRX Massive MIMO基站的年耗電降低8.6萬度
頻譜解放：支持700MHz+2.6GHz+4.9GHz三頻并發(fā)，頻譜利用率提升23%
成本顛覆：碎片結(jié)構(gòu)使功放芯片面積縮小40%，材料成本下降35%
某設(shè)備商在深圳部署的試驗(yàn)站顯示，采用新方案的AAU設(shè)備在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，表面溫度從72℃降至58℃，設(shè)備壽命預(yù)計(jì)延長(zhǎng)3年。更深遠(yuǎn)的影響在于架構(gòu)革新——研究者正將該技術(shù)延伸至6G太赫茲頻段，有望破解高頻通信的“功率墻”難題。

“這不僅是電路設(shè)計(jì)的突破，更是通信能效哲學(xué)的躍遷?！毕撵o團(tuán)隊(duì)表示。隨著我國(guó)5G基站突破300萬大關(guān)，這項(xiàng)兼具帶寬、效率與智能的“綠色功放”技術(shù)，或?qū)⒊蔀樾禄ń堤夹袆?dòng)的關(guān)鍵推手。當(dāng)每一瓦特射頻功率都被精準(zhǔn)駕馭，5G網(wǎng)絡(luò)的“電力黑洞”正在被中國(guó)智慧重新定義。

來源: 信息與電子工程前沿FITEE