芯耀
与非AI
128
大家好，这里是射频学堂。
近日，西班牙巴塞罗那自治大学研究团队提出一套面向功率放大器匹配网络的全自动拓扑探索优化算法，打破传统射频功放高度依赖工程师经验的设计模式。该方法可以批量生成、过滤、优化海量输入 / 输出匹配网络拓扑，依靠统一代价函数完成方案排序权衡，兼顾功率附加效率 PAE、增益、带宽、物理尺寸与良率。
研究团队基于该算法完成一款面向伽利略导航卫星频段的氮化镓（GaN）功率放大器实物研制，实测验证算法有效性，为卫星通信、无线宽带射频前端提供高效设计新工具。
功率放大器是无线通信、卫星导航射频前端的核心器件。选定晶体管之后，输入匹配网络（IMN）与输出匹配网络（OMN）的拓扑选型直接决定功放带宽、效率、输出功率性能。
传统设计大多依靠工程师经验，借助史密斯圆图开展迭代；宽带场景下，晶体管会呈现非福斯特（non‑Foster）阻抗轨迹，阻抗在史密斯圆图上呈逆时针旋转，但无源匹配网络阻抗只能顺时针变化；同时高效率功放还需要兼顾基波、二次、三次谐波阻抗约束，极易出现谐波频谱交叠，设计难度陡增。
现有综合方法（SRFT/RFT）需要预先给定拓扑结构，贝叶斯优化依赖固定拓扑模板，全波电磁仿真耗时漫长；深度学习方案需要大量训练数据，器件工艺更换后还需要重新训练。
图 1 MACOM CG2H40010F 晶体管 0.5‑3.8 GHz 恒定 PAE 史密斯圆图等高线图注：展示不同频率下最大 PAE 与 65% PAE 阻抗轮廓；随频率升高，高效率阻抗轮廓不断收缩，给宽带匹配带来巨大约束。
本研究针对两大核心难点：晶体管非福斯特阻抗轨迹、高效率设计中的谐波重叠问题，构建完整算法框架。整套算法分为四大核心模块：输入数据与设计约束、拓扑生成与可行性过滤、拓扑优化评估、结果排序可视化。
算法基于 ABCD 传输矩阵完成各类传输线、集总元件的级联运算，在 MATLAB 平台实现，可和 ADS 仿真工具联动。导入负载牵引得到的晶体管最优阻抗数据后，自动生成海量候选拓扑；设置硬件工艺约束筛除不可实现、冗余拓扑；利用带权重的统一代价函数做非线性优化；最终输出全部候选方案性能排名，导出 S2P 文件交给 ADS 做大信号仿真验证。
图 7｜算法整体完整工作流程图图注：算法全流程：读取输入约束→批量生成拓扑→可行性过滤→对每个拓扑设置变量边界与多组随机初值，计算 ABCD 矩阵、求解反射系数、代价函数最小化优化；全部拓扑评估完成后输出排序结果并可视化。
拓扑生成环节采用数字编码方式，串联传输线、并联开路短截线、并联短路短截线等单元。直接生成的原始拓扑数量会随元件数量呈指数爆炸式增长，10 个元件时原始候选拓扑可达 59049 个，全部评估需要接近 22 小时。
团队设计一套过滤规则，剔除相邻过多并联短截线、重复等价冗余拓扑、工艺不可实现构型，过滤之后 10 元件拓扑评估时间压缩至 1 小时以内，大幅降低计算开销。
图 5｜拓扑数量与仿真耗时随匹配网络元件数变化图注：蓝色柱状为未过滤原始拓扑 UT；橙、黄、紫为不同约束下过滤后拓扑 FT；绿色曲线代表仿真耗时，体现过滤策略对计算量的显著缩减效果。
代价函数是本方法的核心创新点。传统高效率功放会强制二、三次谐波落在史密斯圆图特定点位，极大压缩可实现带宽。
本文提出幅值‑相位联合优化代价函数：基波同时约束反射系数幅值与相位；对于谐波不再严格限定固定阻抗点，仅要求谐波阻抗落在史密斯圆单位圆（高反射区域），放宽相位约束。代价函数中引入频率加权系数，对高频段（高效率阻抗轮廓收缩区域）赋予更高权重，以此平衡宽带与谐波控制需求。
图 8｜谐波匹配两种策略对比图注：(a) 传统方案强制二、三次谐波阻抗固定在特定目标区域；(b) 本文新策略，谐波只约束幅值，相位放开，显著拓宽带宽设计自由度。
研究以伽利略卫星导航 E5/E6/L1 频段（1.1‑1.9 GHz，相对带宽 53%）为设计目标，使用 CG2H40010F 氮化镓晶体管。算法对元件数量 4‑8 的全部可行拓扑开展遍历评估，每个拓扑设置 20 组不同初始值优化，规避局部最优解陷阱。
对比不同元件数匹配网络性能发现：并非元件越多性能越好。元件增加会引入额外谐振，带内波纹、凹陷会恶化；6 元件输出匹配网络取得综合最优权衡，兼顾 PAE 平坦度、带宽与电路复杂度。
图 11｜元件数量 4‑8 的排名前 50 拓扑的 PAE、输出功率、增益仿真结果图注：绿色虚线为代价函数最优拓扑性能；随着元件增加，8 元件拓扑出现明显带内凹陷，6 元件拓扑带内效率平坦度最优。
算法输出的理想拓扑需要转化为可加工微 strip 电路，增加偏置、隔直电容等实际器件，同时考虑集总元件寄生效应。团队将最优 6 单元输出匹配网络拓扑做工程改造，把理想短路短截线替换为带隔直电容的虚拟短路结构，完成输出、输入匹配网络全套电路设计。
图 14｜输出匹配网络拓扑图注：(a) 算法输出理想 6 元件拓扑；(b) 工程改造后，增加偏置供电、隔直电容的可实现实际拓扑。
团队基于 Rogers RO4003C 板材完成功放 PCB 版图绘制与实物加工，完成小信号 S 参数测试与大信号功率性能测试。
图 18｜功率放大器版图与加工实物照片图注：基板厚度 0.813 mm，整体尺寸 13.14 cm ×6.1 cm；包含微带弯折传输线、Murata 集总电容、GaN 晶体管。
实测大信号结果表明，在 1.1‑1.9 GHz 工作带宽内，饱和输入功率 29 dBm，漏极效率大于 70%，增益 10.6‑13.4 dB，输出功率 39.6‑42.4 dBm，仿真与测试结果一致性良好，满足伽利略导航射频发射前端指标。
图 22｜大信号仿真与实测对比：PAE、输出功率、增益图注：虚线为仿真，实线为实测；Pin=26 dBm、29 dBm 两种输入功率下，全频段性能保持稳定。
射频学堂总结
传统功率放大器匹配网络设计十分依赖工程师个人工程经验，仅依靠少数经典拓扑开展调试优化，很容易错过综合性能更优异的潜在拓扑方案。本研究构建起一套覆盖拓扑生成、可行性过滤、多目标优化、方案排序的完整自动化设计流水线。
在计算效率层面，该算法无需反复调用商用 EDA 电磁仿真开展迭代试算，依托 MATLAB 即可快速完成数千套候选匹配网络方案的筛选评估，仅将筛选得到的少量优质拓扑送入电磁仿真环节，能够显著缩短功放整体设计迭代周期。
从设计方法论来看，工具让设计者得以掌握完整的设计解空间全局信息，不再局限于少数经验拓扑，可以客观权衡不同拓扑在效率、带宽、物理尺寸、成品良率之间的取舍关系。算法具备良好的适配能力，既支持集总‑分布混合形式的匹配网络，也可兼容偏置电路、稳定电路，能够适配 GaN 等多种功率器件。同时工具可直接输出版图设计所需的元件电气参数，为后续全波电磁优化提供高质量初始设计种子，贴合实际工程开发流程。
该项工作还得到一条具备现实指导意义的工程启示：匹配网络的性能并不会随元件数量增加而单调变好。盲目增加网络元件，会引入额外寄生参数与谐振效应，反而造成带内指标恶化；借助这套算法，能够客观评估电路复杂度与射频性能之间的最优平衡点。
这套框架对卫星导航、宽带无线通信领域的高效率 GaN 功率放大器开发具备很高实用价值。后续在此基础上还有望进一步拓展应用场景，实现 Doherty 功放、多频功放以及毫米波功率器件匹配网络的自动化拓扑挖掘。
来源：西班牙巴塞罗那自治大学 WavesLab 团队｜论文发表于IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (T‑MTT)，2026 年 7 月论文标题：Algorithmic Exploration of Matching Network Topologies for Power AmplifiersDOI：10.1109/TMTT.2026.3692744原文下载：请在公众号对话框（不是文末留言区）输入：20260808
