射频功率放大器包络跟踪原理与测试

这种算法将PAE视为随机变量并假设PAE与Pout测量值之间的关系是静态的，即这一关系不会随时间改变。虽然根据图3 的计算，我们可以得到比较精确的PAE近似值，但实际中PAE会由于放大器的记忆效应和温度导致的增益变化而随着时间发生小幅变化。 图4显示了测试用例1 W-CDMA调制波形在固定供电Vcc 下的PAE测量值和计算值，以及在包络跟踪状态下的期望PAE（假定供电电压调节器处于理想状态）。我们注意到PAE的期望曲线和测量曲线非常接近，而且仅在输出功率较高时才开始发生偏离。这种偏离很可能是由于功率放大器的记忆效应。将理想包络跟踪电源下的期望PAE（绿色曲线）和固定Vcc下的测试值（蓝色曲线）进行比较，我们发现理论上在较大的输入范围内前者的值可以达到后者的两倍。

图4、固定供电Vcc测试用例1 W-CDMA波形的理论和测量PAE以及ET供电Vcc下波形的PAE

虽然包络跟踪可大大提高效率，但是我们需要认识到在包络跟踪功率放大器的设计上有许多要权衡的部分。事实上某个参数的优化需要对系统中的其他参数进行权衡。因此，在给定的输出功率下选择最优的Vcc电平是一个需要反复迭代的设计过程，而且需要能够快速地做出可靠的测试设计决策。

3、包络跟踪测试挑战

包络跟踪测试使得原本就复杂的系统变得愈加复杂。为了让功率放大器成功地执行一项包络跟踪计划，射频基带波形和供给电压之间必须紧密同步。如图5所示，一个典型的包络跟踪测试系统包括一个射频信号发生器和分析仪、用于控制功率放大器的高速数字波形发生器以及一个用于为放大器供电的电源。

图5、典型的包络跟踪测试装置

4、电源

包络跟踪测试所面临的一项重要挑战是电源波形对高带宽的需求。包络波形对带宽的需求通常远大于射频波形的需求。为了分析这一现象，我们以图2 中所示的电压-输出功率曲线和一个10MHz带宽的LTE信号为例。 图6给出了PAE最优化时的Vcc波形和对应的LTE信号的功率-时间曲线。经过频谱分析表明Vcc 波形的带宽至少比射频波形的大三倍。高带宽需求源于两个因素：一是Vcc是射频功率的函数；二是LUT中的下限（如图2中所示）导致了削波失真。

图6、10MHz LTE信号的Vcc波形和PvT曲线

事实上对于20MHz LTE波形来说，Vcc波形至少应该有60MHz的带宽——如图7所示。而且当出现宽带数字预失真时，Vcc波形所需的带宽常常高达实际射频信号带宽的5倍。下面我们会介绍，任意波形发生器(AWG)不仅需要有较宽的带宽，而且需要有很高的时间分辨率。

图7、10MHz LTE波形频谱和PAE最优化时的Vcc频谱

关于供电电压，我们面临的第二项挑战是，任意波形发生器提供的电流不足以支持功率放大器的运行，而且电源的带宽无法满足ET的需求。解决这一问题的方法是使用功率调节器来驱动功率放大器，该功率调节器则由直流电源和任意波形发生器产生的调制Vcc信号来驱动，如图5所示。