理解和表征包络跟踪功率放大器

首席技术官

Nujira公司及OpenET联盟成员

传统固定电源功率放大器(PA)的设计过程经过多年发展已经非常成熟。性能指标也早已确定，设计人员的工作就是“简单地”设计出一个具有最好性能指标的PA。当然实际的实现过程并非一个简单的任务，但至少评估标准早已制定好，并且很好理解。不过，对于包络跟踪(ET)功放来说，情况就比较复杂，要求使用更为复杂的表征技术。

包络跟踪的基本原理

包络跟踪的目标是，提高处理高峰均值功率比(PAPR)信号的功放效率。在有限的频谱资源内，取得高数据吞吐量的驱动力要求使用具有高PAPR值的线性调制方法。传统固定电源功放在这些条件下工作时的效率非常低。而包络跟踪功放则可以根据射频信号的包络同步改变功放电源电压，因此可以极大地提高效率。这种功放的基本输出特性(功率、效率、增益、相位……)取决于两个“控制”输入(射频输入功率和电源电压)，并且可以描述成3D表面。

在典型的包络跟踪系统中，电源电压是动态调整的，以便跟踪具有高瞬时功率的射频包络。这时的功放工作在压缩区，具有很高的效率。功放的输出特性主要取决于瞬时电源电压。反之，当瞬时射频功率较低时，电源电压实际上保持恒定状态，此时功放的输出特性主要取决于瞬时输入功率(线性区)。电源电压和输入功率同时影响输出特性的过渡区存在于这两种极端情况之间(见图1)。

图1：瞬时效率与电源电压的关系--ISO增益赋形

包络跟踪功放的线性度

如果知道功放的幅度/幅度(AM/AM)和幅度/相位(AM/PM)特性，我们就可以建立简单的功放‘准静态’(即无存储器)行为模型。这些特性和功率与效率等其它关键的功放指标一起深受瞬时射频包络和电源电压之间的映射的影响。在包络跟踪系统中，这种映射由包络路径中的‘赋形表’内容决定(见图2)。

图2：包络跟踪功放系统。

‘ISO增益’赋形是一种特殊的映射，在这个过程中将选取瞬时电源电压以实现特定常数的功放增益(见图3)。

图3：射频输出功率－电源电压映射－ISO增益赋形。

在这种映射条件下，尽管在许多包络周期内，包络跟踪功放系统都工作在压缩区，但可以取得很低的AM-AM失真，如图4所示。图4也显示了固定电源工作时的等效轨迹。从图中可以明显看出，使用包络跟踪可以真正地实现功放线性化，从而降低邻道功率比(ACPR)和误差向量幅度(EVM)。

图4：包络跟踪功放增益特性--ISO增益赋形。

与使用赋形表线性功放有关的系统折衷是在线性度有实质性改善的情况下(比较图4和图6)，效率会有少许损失(比较图1和图5)。赋形函数的选择对包络路径的带宽要求也有很大的影响。线性区和压缩区之间的平滑过渡可以在适度减小系统效率(1-2%)的条件下降低对包络放大器的带宽要求。

图5：包络跟踪放大器的效率--最佳效率赋形。

图6：包络跟踪功放的增益特性--最佳效率赋形。

在设计固定电源的线性功放时，必须仔细斟酌才能在最大输出功率时获得足够好的线性化性能。有许多因素会影响线性度(如基本技术特性、偏置和射频匹配)，因此主要靠功放设计人员在效率和线性度之间取得最佳平衡。对于包络跟踪功放来说，情况有所不同，因为包络跟踪功放在压缩区的线性度不再是独立的一个功放参数。这种功放在低功率、低电压区域仍必须是线性的，但在更高功率时，幅度线性约束就没有了，因此可以在不考虑幅度线性度的条件下，设计出具有最佳包络跟踪效率的功放。与幅度失真不同，相位失真不直接受包络赋形表的控制。不过，据观察，许多功放工作在包络跟踪模式时确实减少了相位失真。

作为这种‘自我线性化’的结果，包络跟踪放大器与固定电源放大器相比，可以在信号峰值处进行更大的压缩，从而允许在给定线性度的条件下提高输出功率。图7显示了工作在固定电源和包络跟踪模式下功放的ACLR和EVM测量值。在这个例子中，-40dBc ACLR时的包络跟踪功放输出功率要比固定电源功放高出2dB。

图7：包络跟踪功放/固定电源功放的线性度比较。

图7：包络跟踪功放/固定电源功放的线性度比较。