芯耀
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一、前言
射頻功率放大器能耗巨大，這是5G面臨的一大問題。包絡跟蹤技術有助于降低功耗，但也存在權衡。
由于無線調制中的高峰均功率比特性，功率放大器（PA）設計正采用新方法，其中之一便是包絡跟蹤技術——通過使功率放大器的電源電壓跟蹤射頻信號的包絡來實現(xiàn)優(yōu)化。
包絡跟蹤并非全新概念。通常認為，洛伊·巴頓在20世紀30年代初首創(chuàng)了這一技術。當時他致力于提升功率放大器效率，還發(fā)明了B類放大器。那是調幅廣播和真空管功率放大器的時代，功率放大器效率是核心問題，因為廣播電臺力求發(fā)射最強信號。如今，包絡跟蹤技術已應用于無線基站和移動設備的放大器設計。
二、采用固定電源供電
圖1所示為傳統(tǒng)功率放大器的架構。無線發(fā)射機通常包含數(shù)字基帶部分，通過同相和正交（I/Q）值實現(xiàn)數(shù)字調制。上變頻器將基帶信號轉換至目標頻段，再由功率放大器進行放大。傳統(tǒng)功率放大器采用恒定電源（VS）供電，提供穩(wěn)定可靠的電壓并輸出足夠電流，確保功率放大器正常工作。電源電壓必須足夠高以應對峰值功率，此時功率放大器效率最高。但在大多數(shù)時間里，功率放大器工作在較低輸出功率狀態(tài)，效率也較低。
圖1. 傳統(tǒng)功率放大器使用固定電源電壓
通常，根據(jù)具體調制方式的不同，峰均功率比（PAPR）范圍在5dB至13dB之間。例如，當PAPR為10dB時，峰值功率是平均功率的10倍。一個能夠產(chǎn)生10W輸出功率的功率放大器，平均而言僅需輸出1W功率即可維持運行。
圖2以圖形方式展示了這一現(xiàn)象，表明當電源電壓與信號電壓存在顯著差異時會產(chǎn)生功率浪費。當信號接近峰值時，功率放大器工作效率很高，但當信號電平下降時，大量功率會被浪費。
圖2. 傳統(tǒng)功率放大器使用固定電源電壓，在信號電平較低時往往會浪費功率。
三、采用可變電源供電
包絡跟蹤技術的核心思想是實時調整電源電壓，以滿足PA的供電需求。當信號達到峰值時，電源電壓升高；當信號電平下降時，電源電壓也隨之降低。如圖3所示，這種技術可顯著減少電路中的功率浪費。
圖3. 包絡跟蹤功率放大器系統(tǒng)通過調整電源電壓來跟蹤所需的信號電平。
圖4所示為采用包絡跟蹤技術的功率放大器系統(tǒng)。包絡檢測器用于監(jiān)測基帶信號的幅度，其可以是模擬電路，但如今大多數(shù)基帶系統(tǒng)為數(shù)字式，因此包絡檢測器也采用數(shù)字形式。包絡檢測器利用I/Q基帶數(shù)據(jù)實時計算信號的幅度。
圖4. 包絡跟蹤功率放大器通過跟蹤信號電平并調整電源電壓以實現(xiàn)最高效率
包絡整形模塊將信號幅度轉換為所需的電源電壓。這可以是線性函數(shù)，但更常見的是系統(tǒng)設計中會引入非線性整形，以優(yōu)化PA的整體性能。設計人員通常會為PA電源電壓設定下限，確保即使信號消失，電路仍能保持偏置狀態(tài)。
包絡跟蹤電源（ETPS）利用包絡整形輸出生成施加到PA的可變電源電壓（VPA）。圖中ETPS以放大器符號表示，以強調該模塊必須具備放大器的動態(tài)性能——帶寬、噪聲、增益和精度。這并非簡單的直流穩(wěn)壓器：ETPS必須具備足夠的帶寬以跟上調制速率，通常要求帶寬為調制帶寬的2-3倍。例如，LTE信道帶寬最高達20MHz，要求ETPS帶寬約為50MHz；而更高吞吐量的5G信道則需要更高的帶寬。為維持系統(tǒng)整體功率效率，ETPS自身也必須高效節(jié)能。
包絡跟蹤系統(tǒng)中的兩條主要路徑（PA的信號路徑和包絡跟蹤路徑）必須實現(xiàn)時間同步：PA電源電壓必須在正確的時間響應信號包絡的變化——既不能太早也不能太晚。路徑間的失配會降低功率效率，并在發(fā)射信號中引入失真。因此，系統(tǒng)中可能需要添加延遲匹配模塊，以滿足延遲同步需求。
四、舉一個例子
這里我們以4G LTE包絡跟蹤系統(tǒng)為例，進一步闡述包絡跟蹤電源對調制信號的影響。
圖5. 應用于4G中的包絡跟蹤系統(tǒng)框圖
圖5展示了包絡跟蹤系統(tǒng)的框圖。如圖所示，該系統(tǒng)由基帶IQ發(fā)射機、包絡檢測器、基于查找表（LUT）的整形表、射頻上變頻器、功率放大器（PA）和包絡跟蹤電源組成。
圖6. 無包絡跟蹤時的波形
圖6展示了未采用包絡跟蹤時的波形。如圖所示，直流電源電壓未跟隨射頻功率放大器的輸入信號，因此電源電壓與放大器信號輸入之間存在差異。這會導致放大器在工作時被注入不必要的電壓，進而造成功率浪費和功率放大器（PA）效率降低。這是因為效率由放大器的輸出功率與直流輸入功率之比表示。
為避免這種情況，可采用圖5所示的電路。在包絡跟蹤技術中，電源輸入會根據(jù)進入功率放大器的輸入功率包絡不斷變化。由于包絡跟蹤的作用，只需按需求在輸入端提供適當?shù)碾娫?，這使得放大器能夠針對所需的瞬時功率輸出指標以峰值效率運行。
為實現(xiàn)協(xié)調一致，直流電源電壓和放大器輸入信號需在時間上同步；否則，所需電源與放大器輸入之間將出現(xiàn)失配。這可以通過向射頻矢量信號發(fā)生器（VSG）提供觸發(fā)輸入來實現(xiàn)，該觸發(fā)輸入與用于生成功率放大器可變電源電壓的任意波形發(fā)生器（AWG）來自同一信號源。
圖7展示了一款采用包絡跟蹤技術的射頻前端，如圖所示，調制解調器負責基帶信號的生成和分析。它在發(fā)射路徑中使用數(shù)模轉換器（DAC），在接收路徑中使用模數(shù)轉換器（ADC）。包絡功率跟蹤器從調制解調器的DAC接收輸入，并向功率放大器（PA）提供成比例的直流電壓。
在射頻前端系統(tǒng)中使用包絡功率跟蹤器具有多個優(yōu)勢，包括延長電池壽命、提高放大器效率，以及更好地符合無線系統(tǒng)的誤差矢量幅度（EVM）/鄰道功率比（ACPR）指標。
圖7. 采用包絡跟蹤技術的射頻前端（圖片來自高通）
五、系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)
包絡跟蹤的基本概念相對容易理解，但其實現(xiàn)遠比固定電壓電源復雜：
1、ETPS性能要求：
- 高帶寬：需匹配信號調制速率，5G場景下可能需要數(shù)百MHz帶寬。
- 大電流驅動能力：PA通常是系統(tǒng)中功耗最大的器件，ETPS需提供瞬時大電流。
-低噪聲：輸出噪聲需遠低于射頻信號功率，避免信噪比惡化（如要求噪聲基底低于-60dBm）。
2、PA非線性補償：
PA增益可能隨電源電壓變化（如電源抑制比不足），導致射頻信號引入幅度調制（AM-AM失真）。需通過包絡整形算法預校正此類非線性，例如結合PA的電壓-增益特性曲線設計逆函數(shù)。
3、同步與延遲管理：
信號路徑與包絡路徑的延遲偏差需控制在調制符號周期的10%以內(nèi)。例如，對于20MHz LTE信號，符號周期約為50ns，延遲偏差需＜5ns，通常通過數(shù)字延遲線或FPGA實時校準實現(xiàn)。
六、應用與權衡
1、優(yōu)勢場景：
- 5G基站Massive MIMO放大器：結合ET和Doherty技術，可將6dB回退效率從30%提升至50%以上。
- 手機終端PA：在4G LTE中，ET可使平均功耗降低30%，延長電池續(xù)航。
2、技術權衡：
- 復雜度與成本：ETPS需集成寬帶放大器、模數(shù)轉換（ADC）和數(shù)字信號處理（DSP）模塊，硬件成本增加約20-30%。
- 散熱設計：ETPS的高效率開關電源可能引入電磁干擾（EMI），需額外濾波和屏蔽措施。
- 多標準適配：不同通信制式（如LTE、5G NR）的包絡特性差異大，需動態(tài)重構ET算法，增加軟件設計復雜度。
總結
包絡跟蹤技術通過動態(tài)匹配電源電壓與信號包絡，顯著提升了功率放大器在低功率區(qū)域的效率，是應對5G高峰均比信號的關鍵技術。盡管面臨高帶寬設計、同步精度和成本等挑戰(zhàn)，其在基站和終端中的應用已成為行業(yè)主流（如高通的WTR系列芯片集成ET技術）。未來，隨著氮化鎵（GaN）器件和寬帶隙半導體的普及，ET與Doherty、數(shù)字預失真（DPD）的融合將進一步推動射頻系統(tǒng)能效突破。
