高效率功率放大器在电台发射系统中的应用与改进

一、引言

电台发射系统的核心功能是将基带信号转化为具备远距离传输能力的射频信号，这一过程中，功率放大器承担着“能量放大”的关键使命——将前级驱动电路输出的毫瓦级信号，提升至瓦级、千瓦级甚至兆瓦级功率，其能量转换效率直接决定系统的运行成本与工程实现难度。

二、高效率功率放大器的基础理论框架

功率放大器的本质是通过有源器件（晶体管）的控制作用，将直流电源能量按输入信号规律转换为交流输出能量，其效率特性可通过三个核心指标量化表征：

1.漏极效率（ η_-D_Ω^Ω ）：衡量直流能量向射频能量的转换效率，定义为射频输出功率 (∇P_-out) 与直流输入功率（P_DC）的比值：

该指标直接反映器件的能量利用效率，是PA 设计的核心参数。

2.功率附加效率（PAE）：考虑输入射频驱动功率 Ξ(Λ_Pin) 的能量消耗，更贴近实际系统应用，计算公式为：

在电台发射系统中，PAE 通常作为效率评估的最终指标，其值一般比漏极效率低 5%-10% 。

3.回退效率（η_backoff）：针对高 PAPR 信号，定义为功率回退至指定值（如 6dB、9dB）时的效率，反映PA 在非满功率状态下的能效表现。电台发射系统中，信号平均功率通常比峰值功率低3-9dB，因此回退效率直接决定系统平均能耗。

三、主流高效率拓扑的理论原理与特性分析

3.1Doherty 功率放大器：负载调制理论

Doherty 拓扑由 WilliamH.Doherty 于 1936 年提出，其核心创新在于通过动态负载调制效应，使主放大器在全功率范围内始终工作于最优效率点，是当前电台发射系统中应用最广泛的高效率方案。

3.1.1 基本结构与工作机理

经典Doherty PA 由输入分配网络、主放大器（Carrier PA）、辅助放大器（Peak PA）与输出合成网络四部分组成，其理论模型基于以下假设：

1.主放大器工作于Class-AB 类，承担低功率段信号放大，具备基础线性度；

2.辅助放大器工作于Class-C 类，仅在功率超过切换点时导通，提供额外

3.输出合成网络采用λ/4 传输线，通过阻抗变换实现负载调制。

当输入功率低于切换点（通常为 6dB 回退点）时，辅助放大器关断，主放大器单独工作，输出合成网络使主放大器负载阻抗为2R_L（R_L 为额定负载），此时主放大器工作于高阻抗高效率状态；当输入功率超过切换点，辅助放大器导通，其输出电流使主放大器负载阻抗降至 R_L，两者协同输出峰值功率，实现全功率范围的效率优化。

3.1.2 效率特性的数学推导

在理想条件下，Doherty PA 的效率可通过以下公式推导：

设主放大器峰值输出功率为 P₁ ，辅助放大器峰值输出功率为 P₂ ，且 P₂=P₁ （对称Doherty 结构），则总峰值功率 P_max=P₁+P₂=2P₁φ 。

当功率回退 6dB HP_out=P_max/4) ，辅助放大器关断，主放大器输出功率 P₁=P_max/4 ，此时主放大器效率：

由于主放大器此时工作于最优阻抗点，其效率ηbackoff 接近峰值效率 (♯H80% ），远高于 Class-AB PA 的30%-40% 。

3.1.3 宽带拓展的理论瓶颈与突破

传统Doherty PA 的带宽受限于输出合成网络的相位特性，λ/4 传输线的相位响应随频率变化，导致负载调制效应在宽频段内失效。针对这一问题，理论研究提出两种突破路径：

1.分布式Doherty 结构：采用多组主/辅助放大器单元并联，通过传输线网络的相位补偿，将相对带宽从传统的<10%扩展至 30%以上；

2.阻抗-相位混合优化：构建“阻抗约束圆+相位漂移限制”的目标函数，通过多目标进化算法优化输出匹配网络，在1.7-2.5GHz 频段内实现38%的相对带宽，9dB 回退效率波动控制在10%以内。

3.2 Envelope Tracking（ET）功率放大器：动态供电理论

ET 技术通过实时调整PA 供电电压以跟踪输入信号包络变化，从根本上降低器件在低功率段的静态功耗，尤其适用于高PAPR 的数字调制信号，是短波、超短波电台的关键效率优化技术。

3.2.1 系统架构与理论基础

ET PA 的核心理论是“ 包络同步原则” ，即供电电压 V_DD(t) 始终略高于输入信号包络V_env(t) (V_DD(t)=V_env(t)+ΔV ΔV 为补偿余量），确保晶体管工作于临界饱和区，既避免截止失真，又最小化电压冗余导致的功耗。

系统架构包含三个关键模块：

1.包络提取器：通过整流滤波或高速ADC 采样获取信号包络，要求响应时间<1 μs ，以跟踪MHz 级的包络变化；

2.动态供电单元：基于Buck-Boost DC-DC 转换器，根据包络信号实时调整输出电压，其带宽需覆盖包络带宽的 2-3 倍；

3.功率放大核心：通常采用Class-C 或Class-F 拓扑，利用其高效率特性，配合预失真技术补偿非线性。

3.2.2 效率提升的数学建模

设 输 入 信 号 为 调 幅 信 号 ： v_in(t)=V_env(t)cos(ω_ct) 传 统 固 定 供 电 PA 的 功 耗 为P_fixed=V_DD0×I_DC 其中 V_DD₀ 为固定供电电压， I_DC 为平均电流。

ETPA的供电电压 V，此时功耗 其中iD(t)为漏极电流。由于 V_DD(t)随 V_env(t)动态变化，在低包络段（ ），P_ET 可降低 50%^⋅l:l.E ，对应的PAE提升 20%-30% 。

四、电台发射系统中高效率PA 的理论适配模型

不同频段的电台发射系统具有差异化的传输需求，需基于“拓扑特性—系统需求”建立理论适配模型，以下针对三类典型场景展开分析：

4.1 短波电台：宽频段与抗失配的理论适配

短波电台（3MHz-30MHz）依赖天波传播，面临带宽跨度大（10 倍频段）、天线阻抗波动剧烈（VSWR 可达3:1）的挑战，其PA 适配需满足：

•拓扑选型：优先选择分布式Doherty 拓扑，通过多单元并联与相位补偿，实现5MHz-25MHz 频段的无调谐工作，相对带宽 ≈40% ；

•器件匹配：采用 GaN HEMT 器件，其高击穿电压（>60V）与低导通电阻特性，可使抗失配能力提升至VSWR=3:1 时效率下降 <8% ；

•效率目标：在 50% -100%功率范围内， PAE≈60% ，以适配野外太阳能供电场景

4.2 超短波电台：小型化与线性度的理论适配

超短波电台（30MHz-300MHz）以车载、便携式为主，对体积（<1L）与线性度（ACPR≤-40dBc）要求严苛，适配模型为：

•拓扑选型：Class-J 拓扑为最优解，其无辅助放大器的简化结构可使功率密度提升至1W/cm³以上，体积较Doherty 方案减小 40% ；

•器件匹配：中低功率场景（1-50W）选用Si LDMOS 器件，成本低且可靠性高；高功率场景（50-200W）采用GaN 器件，平衡效率与体积；

•线性化适配：由于Class-J PA 自身线性度优异，配合简单的基带预失真（如记忆多项式预失真）即可满足QPSK 信号需求，复杂度较 Doherty+DPD 方案降低 50% 。

五、高效率PA 的核心理论瓶颈解析

尽管主流拓扑已实现效率提升，但在电台发射系统的实际应用中，仍面临三大理论瓶颈，制约性能进一步优化：

效率与线性度的权衡是PA 设计的核心矛盾，其理论根源在于：

•高效率拓扑（Class-C/Doherty/ET）均依赖晶体管工作于近饱和区，此时器件跨导 g_-m) ）呈现强烈非线性，导致 AM-AM 与 AM-PM 失真；

•高PAPR 信号（如16QAM，PAPR=6dB）的宽动态范围，要求PA 在饱和区与线性区之间频繁切换，进一步加剧失真。

以 Doherty PA 为例，当输入信号 PAPR=6dB 时，其带外互调失真（IMD3）可达-30dBc，远高于电台系统要求的-45dBc 以下，需通过线性化技术补偿，但线性化电路会引入额外损耗，导致效率下降 5%-10% 。

六、高效率PA 的系统性理论改进路径

针对上述瓶颈，需从电路拓扑、线性化技术、器件应用三个维度，建立系统性的理论改进方案：

6.1 拓扑结构的理论优化

6.1.1 连续类 Doherty 拓扑创

基于“连续类模式”理论，突破传统Doherty 拓扑的离散工作状态限制，通过以下方法实现优化：

1.连续负载调制：将主放大器偏置从 Class-AB 改为 Class-J，使主放大器在全功率范围内保持高效率波形，同时辅助放大器采用多级导通模式，实现负载阻抗的连续变化；

2.后匹配谐波控制：在输出网络后增加谐波调谐单元，对2 次、3 次谐波进行精准控制，使带内增益波动从3dB 降至1dB 以下，同时将相对带宽扩展至 40% 。

实验验证表明，该拓扑在 3.3-4.3GHz 频段内，6dB 回退效率保持在 46.3%52.3% ，饱和输出功率达43-44.3dBm，满足5G 基站与短波电台的宽带需求。

6.1.2 多模式融合拓扑设计

提出“Class-J+ET”融合拓扑，结合波形优化与动态供电的双重优势

•功率放大核心采用Class-J 结构，通过谐波优化实现基础高效率；

•动态供电单元跟踪信号包络，在低功率段降低漏极电压，进一步减少静态功耗；

•理论计算表明，该融合拓扑在 PAPR=6dB 的信号激励下，平均 PAE 可达 65% ，较单一 Class-J 拓扑提升12% ，较单一ET 拓扑提升 8% 。

6.2 线性化技术的理论突破

线性化技术的核心是建立“PA 非线性特性的逆模型”，通过预失真或反馈抵消失真，以下是两种前沿理论方法：

6.2.3 基于记忆多项式的自适应预失真

针对PA 的记忆非线性特性，采用记忆多项式预失真模型：

其中， x(n) 为输入信号，y(n)为预失真输出， a_-{k,m} }为待辨识系数，K 为非线性阶数，M 为记忆深度。通过可变步长LMS 算法优化系数，使收敛速度提升 30% ，稳态误差降低 40% ，可将 IMD3 从-30dBc 补偿至-55dBc以下。

6.2.4 数字预失真（DPD）与拓扑协同优化

传统DPD 与PA 独立设计，存在性能冗余。提出“DPD-拓扑协同优化”理论：基于PA 的AM-AM/AM-PM特性，反向推导最优预失真曲线；根据预失真后的信号特性，调整PA 的偏置电压与负载阻抗，使PA 工作于“低失真高效率”区域；仿真结果显示，该协同方案可使 DPD 的计算复杂度降低 25% ，同时 PA 的平均效率提升5%-7% 。

6.3 宽禁带器件的理论应用与模型优化

GaN、SiC 等宽禁带半导体器件具备高击穿电压、高电子迁移率、耐高温的特性，其理论应用可突破传统Si 器件的性能极限：

6.3.1 GaN HEMT 器件的建模与适配建立考虑温度效应的GaN 器件大信号模型，引入温度-dependent 参数：

•漏极电流模型： I_d=f(V_gs,V_ds,T_J) 包含温度对阈值电压（Vth）与跨导 (g_m) 的影响•电容模型： C_gd=f(V_gs,V_ds,T_J) 修正高温下的电容非线性；

•基于该模型设计的DohertyPA，在-40℃-85℃温度范围内，效率波动从 15% 降至 5% ，满足车载电台的宽温工作需求。

结论

高效率功率放大器的理论研究是推动电台发射系统技术升级的核心引擎。本文通过构建“基础理论—拓扑原理—应用适配—改进路径”的完整体系，深入解析了 Doherty、ET、Class-J 等主流拓扑的工作机理，揭示了效率与线性度、带宽、热稳定性之间的理论矛盾，并提出了拓扑创新、线性化优化、宽禁带器件应用的系统性解决方案。

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