利用包络跟踪技术提高功率放大器的效率

在现代通信系统中，功率放大器(PA)作为关键组件，其效率的提升对于降低能耗、延长设备续航以及提高系统性能具有至关重要的意义。随着通信技术的不断发展，如 5G 乃至未来 6G 的演进，信号的峰均比(PAPR)不断提高，传统功率放大器在应对此类信号时效率急剧下降。包络跟踪(Envelope Tracking，ET)技术应运而生，成为解决这一难题的有效途径，它能够显著提高功率放大器在不同功率水平下的效率。

包络跟踪技术原理

包络跟踪技术的核心原理是通过实时监测射频信号的包络，并据此动态调整功率放大器的供电电压，使功率放大器始终工作在最佳效率点附近。一般而言，功率放大器的效率峰值点和输出功率峰值点会随着供电电压(Vcc)的变化而改变。当供电电压与输入信号的包络同步变化时，放大器能够在不同的输出功率下都保持较高的效率。

具体工作过程如下：射频信号首先经过包络检波器，从射频信号中提取出包络信息。该包络信号随后经过整形处理，以满足后续 ET 电源调制器的输入要求。整形过程可能涉及非线性处理，目的在于优化功率放大器的整体性能。接着，整形后的包络信号输入到 ET 电源调制器，这是 ET 系统的核心组件，它负责将包络信号转换为随包络变化的供电电压，供给功率放大器使用。该调制器需要具备高带宽、低噪声、高效率等特性，以精准满足功率放大器动态电压的快速变化需求。

在整个系统中，射频信号路径与包络跟踪路径之间的同步至关重要。任何延迟不匹配都将导致功率损失和信号失真。因此，需要采用专门的延迟匹配技术来确保两条路径严格同步，最终实现给功率放大器供电的 Vcc 电源大小与射频信号的功率值能够精确同步契合，达到既不损害射频信号信息，又能高效省电的目标。

提升功率放大器效率的机制

传统功率放大器在面对具有高峰均比的现代通信信号(如 W - CDMA、LTE 等)时，由于信号的瞬时功率变化范围大，放大器为了避免信号失真，往往不能在所有功率水平下都工作在高效区。当信号处于低功率状态时，若仍采用固定的高供电电压，会导致大量能量以热量形式浪费，效率大幅降低。

包络跟踪技术通过动态调整供电电压，能够有效解决这一问题。当输入信号的包络幅值较低时，降低功率放大器的供电电压，减少不必要的能量消耗;而当信号包络幅值达到峰值时，提高供电电压，确保放大器有足够的功率输出，且此时放大器工作在高效区。这种随信号包络实时调整供电电压的方式，使得功率放大器在不同功率水平下都能保持较高的效率，显著提升了平均效率。研究显示，在使用固定的供电电压时，功放的峰值效率虽可达 65%，但由于给定的峰均比(PAPR)高达 10，平均效率可能低于 25%。而通过包络跟踪技术调制功放的供电电压，可将功放平均效率提升至 50% 以上，效率增长近一倍，功放损耗减少约三分之二。

技术挑战与解决方案

包络跟踪技术在实际应用中面临一些挑战。其中，包络信号的高带宽需求是一大难题。因为 Vcc 波形的带宽通常至少比射频波形的带宽大三倍，当出现宽带数字预失真时，Vcc 波形所需带宽甚至可达实际射频信号带宽的 5 倍。为解决这一问题，常采用功率调节器来驱动功率放大器，该功率调节器由直流电源和任意波形发生器产生的调制 Vcc 信号共同驱动。

此外，确保射频信号发生器与任意波形发生器之间的精确同步也是关键挑战。仪器间较差的同步会使 Vcc 值相对于给定的输出功率过高或过低，导致效率降低。例如，当 Vcc 波形滞后于射频波形时，在波形峰值功率时功率调节器无法为设备提供足够功率，峰值过后又会提供过多功率。解决办法是利用 PXI 平台借助 T - Clock 的背板同步程序实现紧密同步，例如 NI PXIe - 5644R 矢量信号收发仪在基准测试中，最大同步抖动小于 50ps，满足了严格的同步要求。同时，还可以通过编程方式使 Vcc 波形相对于 RF 信号进行精确的滞后或提前调整，如在生成脚本开头嵌入 “等待” 循环，或使用数字滤波器调节矢量信号收发仪中 FPGA 上软件或硬件的 RF 波形，在 400MS/S 的额定 Vcc 采样率下，可实现任意皮秒级的延迟，从而保证调制电源和 RF 信号在放大器处精确对齐。

未来发展趋势

随着通信技术向更高频段、更大带宽以及更复杂调制方式发展，包络跟踪技术也将不断演进。未来，该技术有望与新兴的半导体材料(如氮化镓 GaN)相结合，进一步提升功率放大器的效率和性能。氮化镓具有高电子迁移率、高击穿电场等优势，与包络跟踪技术协同，能够在更高功率密度下实现更高效的信号放大。同时，随着数字信号处理技术的不断进步，包络跟踪系统的同步精度、带宽性能以及控制算法将得到进一步优化，使其在未来通信系统中发挥更为重要的作用，为实现绿色、高效的通信网络奠定坚实基础。

包络跟踪技术作为提升功率放大器效率的有效手段，在当前和未来的通信领域具有广阔的应用前景和发展潜力。通过不断克服技术挑战，持续创新与优化，它将为通信设备的节能降耗、性能提升以及通信网络的可持续发展提供强有力的支持。