理解包络跟踪功率放大器及其特性

包络跟踪功率放大器是一种高效的无线通信放大器，它通过实时调整电源电压来跟随射频信号包络的变化，从而提高功率放大器（PA）的效率。相较于传统的固定电源功率放大器，包络跟踪功率放大器能够更有效地处理高峰均功率比（PAPR）信号，实现高数据吞吐量。 在传统的固定电源功放系统中，功率放大器工作在较窄的线性区间内，以维持信号的线性度。但这种工作方式效率较低，特别是在承载高峰均功率比信号时，效率更为低下。由于在无线通信中，信号经常出现幅度变化较大的情况，因此传统的功放无法高效地利用能源，造成电池寿命缩短。 包络跟踪技术通过动态调节放大器的电源电压，与RF信号的包络保持同步变化，使得放大器在任何时刻都能以接近其最大效率的状态工作，从而提高整体效率。这种功率放大器的核心输出特性，如功率、效率、增益和相位，受到RF输入功率和电源电压两个控制输入值的影响，这可以形象地表示为3D曲面。 为了实现包络跟踪，系统中会有一个动态调节电源电压的机制。在RF功率较低时，电源电压维持基本恒定。但在RF功率较高时，电源电压则会根据RF输入信号的包络进行动态调整，以此来维持放大器的高效输出。包络跟踪放大器在压缩状态下工作时，仍能够保持较低的幅度/幅度（AM/AM）失真，并且通过适当选择RF包络与电源电压之间的映射，可获得恒定的功放增益。 为了实现功放的线性化，可以采用成形表（shaping table）来进行功放的特性映射。成形表中的内容决定了RF包络与电源电压之间的映射关系。通过成形表的使用，可以实现“ISO gain”的成形，即获得恒定的功放增益，并且可以在大部分包络周期内都工作在压缩状态，同时仍然保持低的AM/AM失真。然而，使用成形表进行功放线性化会有系统折衷，在线性度得到明显提高的同时，效率可能会有小幅度的下降。 成形表的选择也会影响包络路径的带宽需求。在系统效率损失为1%到2%的情况下，通过采用平滑转换线性区与压缩区，可以降低对包络放大器带宽的要求。此外，包络跟踪功率放大器在设计时，放大器在小功率低电区仍然需要保持线性，但在较大功率上不存在AM线性度约束，使得开发人员能够在设计功放时优先考虑包络跟踪效率。 包络跟踪技术对功放的相位失真不具有直接控制能力，但很多功放工作在包络跟踪模式下时，表现出PM失真的下降，从而增加了输出功率。在实际应用中，包络跟踪放大器相较于固定电源放大器，在给定的线性度下能够实现更高的输出功率。 为了确定包络跟踪功率放大器的特性，需要在电源电压和输入功率的全程区间上测量功放的基本特性，包括输出功率、效率、增益和相位。理论上，可以通过连续波网络分析仪和可调直流电源进行这些测量，但由于热效应、区间误差和相位测量时的漂移问题，这种方法获得的结果并不理想。因此，采用标准自动化测试设备进行脉冲特性测量的方法成为替代方案，这种方法速度快，可以采用拉移负载的方法。不过，它难以进行精确的相位测量。 第三种测量包络跟踪功率放大器特性的方法是使用真实波形和改变成形表，从而测量输入功率和供电电压的全部组合。这种方法需要一个电源调压器，能够快速测量并获得精确的相位信息，同时也能够确定存储效应的特性。使用包络跟踪电源调压器的自动化测试测量配置可以在动态电源调节的情况下实现上述测量。 包络跟踪功率放大器通过动态调节电源电压来跟踪RF信号包络的变化，从而提高放大器的效率，尤其是在处理高PAPR信号时，其性能明显优于传统固定电源功率放大器。尽管存在线性度与效率之间的折衷，但通过精确设计成形表和运用先进的测试技术，可以在保证必要线性度的同时，实现高效率和高输出功率的目标。