理解和表征包络跟踪功率放大器

Gerard Wimpenny

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。

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表征技术

包络跟踪功放的‘单独’性能是无法测量的，除非先对赋形表进行定义。这就要求在整个电源电压和输入功率范围内测量功放的基本特性(输出功率、效率、增益和相位)。原则上这种性能表征可以使用连续波(CW)网络分析仪和可调直流电源进行，但由于热效应、范围误差和相位测量的漂移，结果一般比较差。另外，如果允许使用负载拉移(LOAD PULL)技术，速度会很慢。替代方案是使用ATE控制的标准测试设备进行脉冲式表征。这样可以避免使用高带宽低阻抗的电源，对可行的负载拉移而言也足够快，但缺点是很难进行精确的相位测量。最新的方法是使用真实波形，并改变赋形表，从而实现对各种输入功率和电源电压组合的测量。这种方法需要一个电源调制器，但速度非常快，可以收集到精确的相位信息，也可以用来表征记忆效应。

图8：包络跟踪功放的表征平台。

‘基本的’包络跟踪功放表征可以用来创建功放的准静态(即无存储器)数据模型，这种模型将输出功率、相位和效率作为输出，输入功率和电源电压作为输入。一旦定义好赋形表，这种模型就可以用来针对标准测试波形，预测功放系统的性能参数，如ACPR、EVM和效率。

除了用于功放器件的性能水平表征外，还可以通过相同的硬件并使用定义好的赋形表直接验证功放系统性能(见图9)。

图9：在赋形表定义完成后的包络跟踪功放AM/AM和AM/PM特性。

对于更高带宽的波形，功放的记忆效应将成为主要的非线性来源。功放输出参数(AM、PM、效率)除了取决于瞬时输入功率和电源电压外，现在还取决于时间。在功放表征中，记忆效应表现为AM/AM和AM/PM特性的‘展宽(broadening)’，可能来源于输入或输出偏置电路中的电时间常数、与局部裸片加热有关的热时间常数或特定技术的‘电荷存储’效应。

效率优化

典型高峰值平均功率比(PAPR)信号的统计数据表明，包络跟踪功放大部分时间工作在相对低的电源电压下，只是偶然在大功率峰值时工作在大电压状态。因此优化功放匹配,对于在处理目标高PAPR信号时获得最高效率有很重要的意义，不能简单地仅在峰值功率/最大电源电压时实现最高效率，就像固定电源功放那样。从图10可以看出，应该修改功放匹配来提高信号概率密度函数峰值周围的效率，即使这样会牺牲一些峰值功效。

图10：信号统计数据对包络跟踪功放效率的影响。

为了全面优化包络跟踪功放的效率，可以进一步扩展器件表征过程，除了扫描输入功率和电源电压外，还可以扫描负载阻抗(基本或谐波负载拉移)。这种表征产生的大量数据资料分析可以自动进行(比如使用MATLAB)，从而预测出采用特定的包络跟踪参数集工作时的平均功放效率。例如，使用这种表征方法可以预测工作在包络跟踪模式下，功放的平均效率是如何随赋形函数、输出电压摆幅范围、最大功率回退幅度，以及波形统计数据而变化的(见图11)。

图11：包络跟踪平均效率和功放输出功率拉负载轮廓图。

包络跟踪功放参数变化灵敏度

一般认为，包络跟踪功放的温度性能要比固定电源功放差一些。事实上并非如此，与固定电源功放不同，包络跟踪功放的性能对电源电压特性的变化，要比对驱动功放射频链路增益的变化更加敏感。由于电源电压随温度变化的特性比射频增益易于控制，因此极端温度变化下，可以观察到的功放线性度变化很小(见图12)。

图12：包络跟踪功放的ACLR与温度的关系(105℃范围)。

在手机环境中，由于存在来自邻近物体的反射，因此呈现给功放的负载阻抗不好控制，因而可能导致功放必须工作在高达3:1 驻波比(VSWR)的负载失配状态。前面讨论的包络跟踪功放的‘自我线性化’原理在高VSWR条件下仍然有效，因此与工作在固定电源模式的相同功放相比，可以显著改善EVM和ACPR性能(见图13)。

图13：工作在3:1 VSWR负载失配时，包络跟踪功放和固定电源功放的EVM与回退功率关系比较。

本文小结

众所周知，功放工作在包络跟踪模式时具有很高的系统效率优势。不过，它还具有其它的系统优点，比如提高了输出功率、改进了负载失配时的工作性能，以及对温度变化不很敏感等。

与固定电源功放相比，包络跟踪功放的性能不是‘独立的’，需要收集更多的数据来预测系统性能。因此要求使用同时允许电源电压扫描和输入功率扫描的测试环境。关键是确定电源电压和射频功率之间关系的‘赋形表’定义。这个表定义了许多关键的功放指标。一旦定义好赋形函数后，就可以使用合适的‘系统表征’平台直接测量功放的效率和线性度。

本文来自《电子工程专辑》2012年3月刊，版权所有，谢绝转载。