第六代移动通信基站的大规模多输入多输出阵列通过空间复用和波束成形提升频谱效率和覆盖能力，但阵列规模的扩大使射频前端的功耗显著上升，基站能效成为制约网络部署的关键因素。氮化镓功率放大器凭借其高击穿电压和高功率密度的材料特性，在高功率输出条件下具有优于传统硅基器件的效率表现。将氮化镓功放应用于大规模阵列的每个发射通道，需要解决功放效率与阵列幅相一致性之间的协同问题。功放的效率随输出功率回退而下降，阵列波束成形要求各通道的激励幅度和相位保持一致，通道间的幅相误差导致波束畸变和能量浪费。氮化镓功放与大规模阵列的协同设计，需要在功放工作点选择、阵列校准和波束成形策略等层面进行系统优化，使基站在满足覆盖指标的前提下实现高能效运行。
氮化镓功放的效率特性与其工作点密切相关。功放在接近饱和输出时效率最高，但线性度下降，失真分量增加。在数字预失真技术的辅助下，功放可以工作在接近饱和的区域，预失真器补偿功放的非线性失真，使输出信号满足线性度指标。大规模阵列中每个通道的功放输出功率需求低于单天线系统，因为阵列增益通过多个通道的功率合成获得。功放可以在部分功率回退状态下工作，回退程度取决于阵列规模、波束成形增益和覆盖距离要求。回退状态下功放的效率低于峰值效率，但氮化镓功放在回退区域的效率衰减比硅基器件平缓，使其在阵列应用中的平均效率优势更为明显。功放的偏置电压和偏置电流可根据发射功率需求动态调整，在低负载时段降低偏置以节省静态功耗。
大规模阵列的幅相一致性对波束成形质量和能效具有直接影响。阵列中各通道的功放特性存在离散性，制造工艺的偏差使不同功放的增益和相位响应存在差异。温度分布的不均匀性使阵列不同位置的功放结温不同，结温差异导致增益和相位的温度漂移不一致。幅相误差使阵列合成波束的主瓣增益下降、旁瓣电平升高，为达到相同的覆盖效果需要提高发射功率，能效相应下降。阵列校准通过测量各通道的幅相响应并施加补偿系数，使各通道的激励在波束成形前达到一致。校准的精度和频率影响波束成形的质量，校准周期需与温度变化的速率匹配。在氮化镓功放应用中，功放的自热效应使结温随发射功率变化，校准需要在不同功率水平下分别进行，建立幅相响应随功率变化的映射关系。
波束成形策略对基站能效的影响体现在波束宽度和扫描方式的选择上。宽波束覆盖范围大但增益低，需要较高的发射功率维持链路质量。窄波束增益高但需要精确的波束对准和跟踪，波束扫描过程消耗额外的资源和时间。在大规模阵列中，波束成形通过数字域和模拟域的混合方式实现，数字域控制波束的指向和形状，模拟域通过移相器调整各通道的相位。混合波束成形的射频通道数量少于天线单元数量，通道与单元之间的映射关系影响波束成形的灵活性和能效。全数字波束成形的灵活性最高但功耗最大，混合波束成形在灵活性和功耗之间取得折中。波束成形策略需根据终端的分布和业务需求动态调整，在终端密集区域采用多波束同时服务多个用户，在终端稀疏区域采用宽波束减少波束管理开销。
氮化镓功放与大规模阵列的协同设计需要在系统层面建立能效优化框架。优化目标是在满足覆盖和容量指标的前提下最小化基站总功耗，总功耗包括功放功耗、移相器和衰减器功耗、数字信号处理功耗和散热功耗。优化变量包括功放的工作点和偏置、阵列的幅相校准参数、波束成形的策略和射频通道的开关状态。在低负载时段，部分射频通道可以关断以节省静态功耗，关断通道的数量根据业务量动态调整。关断操作改变了阵列的有效孔径和波束形状，波束成形策略需相应调整。优化框架通过系统级仿真评估不同配置下的覆盖性能和功耗，在仿真结果的基础上确定各工作场景下的最优配置参数。
工程验证中的能效优化方案需要在包含氮化镓功放阵列和波束成形功能的基站原型上测量覆盖性能和功耗。测试场景包括终端均匀分布、终端集中分布和低负载时段等典型情况。评估指标包括基站总功耗、等效全向辐射功率、覆盖范围和系统吞吐量。测试数据表明氮化镓功放在阵列应用中的平均效率相比硅基功放有明显提升，动态偏置和通道关断在低负载时段进一步降低了基站功耗。幅相校准使阵列合成波束的旁瓣电平降低，为达到相同覆盖效果所需的发射功率下降。波束成形策略的调整在终端分布变化的场景中维持了覆盖性能的同时控制了功耗。氮化镓功放与大规模阵列的协同设计通过功放工作点优化、阵列校准和波束成形策略的联合调整，在6G基站的覆盖能力和能量效率之间建立了协同关系。
