摘要：能量效率与能耗已成为移动通信运营商面临的关键问题，其中无线接入网络占能耗的主要部分。在4G、5G及即将到来的6G系统中，所采用的多载波波形，如正交频分复用，由于其高峰值平均功率比，对无线接入网络的能量效率提出了重大挑战，这源于其对发射机线性度的严苛要求。然而，射频功率放大器在其线性度与效率之间存在折衷关系。本研究探索了无线功率合成技术，其中四个恒包络分量分别由开关模式功率放大器进行放大，并通过一个4×4微带贴片天线阵列进行传输。每个分量被分配一个2×2的子阵列，并利用波束成形在信道层面将它们在无线信道中进行合成，从而最大限度地减少基于电路的无源功率合成器带来的插入损耗。研究在系统层面和阵列层面，为开关模式功率放大器和阵列提出了分析性的优化尺寸设计策略。此外，还建立了一个高层次的无线功率合成模型，用于模拟分量级缩放比例、功放尺寸、噪声、插入损耗、阵列互耦、互耦补偿策略、波束指向方向及路径损耗对无线功率合成系统性能的影响。研究表明，对于所有缩放比例，无线功率合成技术均能在一个扇区内对任何指向方向正确地进行功率合成，并引入了阵列增益，同时降低了对相邻系统的干扰，该阵列实现的辐射效率最高可达81.4%。这表明，无线功率合成技术可以在解决未来6G系统的能量效率与线性度折衷问题上发挥关键作用。
一、研究背景与问题
随着移动通信网络向4G、5G及未来6G演进，能量效率与能耗已成为运营商面临的核心挑战，其中无线接入网络占据了总能耗的绝大部分。现代通信系统广泛采用如正交频分复用等高频谱效率的多载波波形，但这些波形普遍具有高峰值平均功率比特性。高峰值平均功率比信号对发射机的线性放大要求极高，而射频功率放大器恰好在线性度和能量效率之间存在固有的性能折衷。传统的单支路静态供电架构必须使用线性度高但效率低下的跨导功率放大器，并且为了确保信号完全处于线性放大区，功放需工作在输出功率回退状态，进一步降低了效率。这种矛盾使得在满足高质量通信的同时实现高能效无线接入网络变得极具挑战。因此，探索能够高效放大高峰值平均功率比信号的新型功放与发射机架构，对于实现“净零排放”目标和控制运营商运营支出具有重大意义。
二、研究内容与方法
本研究发表在《IEEE Access》上，研究人员深入探索了一种名为“无线功率合成”的技术。该技术旨在通过分解、放大并在无线信道中合成信号的方式，规避传统电路功率合成器的损耗，从而从根本上提升发射机系统的整体能量效率。其核心思想是：首先将需要传输的高峰值平均功率比信号（假设为量化数字放大分解所得）分解为多个恒包络分量；然后，每个分量由一支高度高效的开关模式功率放大器（其非线性由于处理恒包络信号而不再构成问题）进行放大；最后，利用天线阵列和波束成形技术，在无线信道中将这些放大后的分量进行空中合成，从而恢复出原始信号。研究人员构建了一个包含四个支路、十六个天线单元的无线功率合成发射机系统模型，并对该系统进行了全面的理论分析、优化设计和仿真验证。
为开展此项研究，作者主要采用了以下几个关键技术方法：1. 系统架构与信号建模：明确了基于四分支恒包络输入的无线功率合成发射机、无线信道（视距、加性高斯白噪声）及单天线接收机的完整通信链路模型，并定义了三种分量缩放方案。2. 理论分析与优化设计：对输入信号、开关模式功率放大器、微带贴片天线、子阵列及完整阵列进行系统的理论分析，推导了关键参数关系，并提出了在系统和天线阵列层面的分析性优化尺寸设计策略。3. 高保真度建模仿真：建立了包含商用基板、铜导体及互耦效应在内的高层次无线功率合成模型，该模型能够模拟分量缩放、功放尺寸、噪声、插入损耗、阵列互耦及其补偿、波束指向和路径损耗等多种因素对系统性能的综合影响。4. 性能评估与验证：通过仿真分析了天线与阵列的辐射效率、方向图等辐射特性，并评估了无线功率合成系统在不同波束指向下的合成正确性、阵列增益、干扰抑制及整体效率等关键性能指标。
三、研究结果
1. 架构与系统特性：研究详细阐述了所考虑的无线功率合成系统架构，该系统包含一个4分支、16天线的发射机。每个分支处理一个恒包络输入信号，并分配一个2×2的子阵列。研究假设信号分解（如量化数字放大）已预先完成，并概述了量化数字放大分解的低复杂度和低延迟特性。研究明确了系统主要参数，包括载波频率、三种分量缩放方案，并论证了在视距、无人机或卫星通信等场景中应用该高效技术的合理性。
2. 理论分析：
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输入信号与开关模式功率放大器：输入信号被建模为恒定幅度的余弦波。开关模式功率放大器则采用包含一阶、二阶和三阶失真系数的记忆非线性模型进行描述。由于恒包络输入，功放可近似为线性工作，其增益压缩特性被纳入分析。研究推导了功放输出信号中各次谐波分量的表达式，并分析了增益与输入幅度的关系。
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微带贴片天线：对矩形微带贴片天线进行了建模，考虑了有效介电常数、边缘场效应等因素，为后续天线设计提供理论基础。
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子阵列与完整阵列：分析了分配给每个分量的2×2子阵列的辐射特性，进而推导了由四个这样子阵列构成的4×4完整阵列的远场辐射方向图。理论表明，通过为每个天线施加特定的相位偏移（波束成形），可以实现所有分量在指定方向上的相干合成。
3. 优化尺寸设计策略：基于理论分析，研究提出了针对开关模式功率放大器和天线阵列的初始尺寸设计策略。对于功放，策略旨在确保其能够提供所需输出功率，同时将非线性影响降至最低。对于微带贴片天线，设计使其在指定频率谐振，并具有高辐射效率。对于阵列，则优化了子阵列内及子阵列间的天线间距，以平衡方向性、旁瓣电平和互耦效应。
4. 模型、调整尺寸与仿真结果：
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微带贴片天线与阵列：利用电磁仿真软件对单个天线和4×4阵列进行了建模与优化。仿真结果显示，设计出的天线具有良好的阻抗匹配和辐射特性。阵列在考虑互耦的情况下，经过补偿策略优化，在3.5 GHz频率下展现出了高达81.42%的辐射效率，证明了其高能效特性。
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无线功率合成性能：通过高层次系统模型仿真评估了无线功率合成技术的性能。结果表明，在所有三种分量缩放方案下，系统均能成功在设定的扇区（例如±60°）内的任意波束指向上正确合成信号。合成过程引入了显著的阵列增益，并由于波束的方向性，降低了对相邻系统的干扰。仿真还量化了不同分量缩放方案、功放非线性、互耦、插入损耗等因素对接收信号质量和误差矢量幅度等性能指标的具体影响。
四、讨论与结论
本研究对无线功率合成技术进行了扩展性探索。通过理论分析、优化设计和建模仿真，全面评估了该技术在高效放大高峰值平均功率比信号方面的潜力。研究表明，无线功率合成系统能够利用高效的开关模式功率放大器，并借助波束成形在无线信道中实现功率分量的有效合成，从而避免了传统电路功率合成器的插入损耗。所设计的4×4微带贴片天线阵列实现了高达81.4%的辐射效率，进一步确保了系统的高能效前景。
研究结论：对于所有分量缩放方案，研究表明无线功率合成技术能够正确且高效地在扇区内的任何指向方向上组合恒包络分量。研究还表明，分量缩放方案显著影响无线功率合成性能。最后，研究表明该阵列的辐射效率高达81.42%。这表明无线功率合成技术在解决未来6G系统的能量效率-线性度折衷问题中可以发挥关键作用。
