理解包络跟踪功率放大器及其特性

传统固定电源功率放大器的设计过程已经多年未变。有了定义良好的性能评估标准，放大器设计者的工作只是设计出一个有最佳性能标准组合的功放。这并不是一个简单的工作，但设计者至少知道一些公认的评估标准。对于包络跟踪功率放大器，情况要复杂得多，它需要使用更复杂的特性确定技术。

包络跟踪的目标是，提高那些承载高峰均功率比信号的功放效率。为了在有限的频谱资源中获得高的数据吞吐量，就需要采用有高峰均功率的线性调制。不幸的是，传统的固定电源功放在这些情况下工作效率低下。与RF信号包络同步地改变放大器的电源电压，可以提高包络跟踪功放的效率。功放的基础输出特性（功率、效率、增益和相位）现在取决于两个控制输入值：RF输入功率与电源电压，可以表述为3D面。

一个典型的包络跟踪系统会动态地调节电源电压，以高的即时功率跟踪RF包络。这种情况下，功放以高效率工作在压缩状态。主要由瞬时电源电压决定放大器的输出特性。反之，当瞬时RF功率低时，电源电压保持大体恒定，主要由线性区中的瞬时输入功率决定功放的输出特性。在这两个极端情况之间，存在着一个转换区，此时电源电压和输入功率都对输出特性有影响（图1）。

图1 :当即时RF功率低时，电源电压维持基本恒定，而线性区的即时输入功率就基本决定了功率放大器的输出特性。

包络跟踪的线性

如果知道了一个功放的AM（波幅调制）/AM和AM/PM（相位调制）特性，就可以构建出一个功率的简单准静态（即无存储的）行为模型。瞬时RF包络与所需施加电源电压之间的映射对这些特性有极大的影响，也包括功放的其它重要指标，如功率与效率。在包络跟踪系统中，包络路径中一个成形表（shaping table）的内容决定了这种映射（图2）。

图2 :即时RF包络与所施加电源电压之间的映射对这些特性有很大影响，另外还有其它关键功放指标，如功率与效率。在一个包络跟踪系统中，包络路径中成形表的内容决定了这个映射。

为实现“ISOgain”的成形，要选择RF包络与电源电压之间的映射，以获得某个恒定的功放增益（图3）。采用这种映射时，包络跟踪放大系统可实现低的AM/AM失真，即使在大部分包络周期内都工作在压缩状态（图4）。图中亦显示了用固定电源工作时的等效轨迹；从这个轨迹看，显然可以用包络跟踪对功放做线性化，降低邻道功率比以及误差矢量的幅度。

图3 :为获得“ISOgain”成形，要选择RF包络与电源电压之间的映射，以获得某个恒定的功放增益。

图4 :包络跟踪放大器系统即使在多数包络周期上都运行在压缩态，也能实现低的AM/AM失真。

采用成形表做功放线性化也有系统折衷，这就是，在线性度明显提高的同时，效率有小的损失（请比较图1图5与图4图6）。成形功能的选择也对包络路径的带宽需求有很大影响。对于1%到2%的系统效率损失，线性区与压缩区之间的平滑转换可减小对包络放大器的带宽要求。

图5 :采用成形表对功放做线性化时，系统的折衷是在线性度有相当改善情况，损失了效率。线性区与压缩区之间的平滑转换结果是较低的带宽。见图1、4和6。

图6 :选择一个有最佳效率的成形表，可能使功放AM/AM非线性。

在设计一个固定电源的线性功放时，必须将大部分精力用于在最大输出功率处获得适当的线性特性。很多因素都对线性度有影响，包括基本的技术特性、偏置，以及RF匹配等，而设计者的职责是在效率与线性度之间获得最佳的折衷。但对于一个包络跟踪功率放大器，压缩区的线性度不再是一个自主的功放参数。放大器在小功率低电区仍然必须是线性的。但在较大功率上，不存在AM线性度约束，开发人员可以在设计功放时获得最佳的包络跟踪效率，而不必顾虑AM线性度。与AM失真不同，包络成形表并不直接控制相位失真。不过，很多功放工作在包络跟踪模式时，都表现出PM失真的下降。

这种自线性化的结果是，你可以用一个包络跟踪系统，在信号峰值时做更多的压缩，高于固定电源的放大器，从而在给定的线性度下增加了输出功率。图7是针对一个工作在固定电源和包络跟踪模式下的放大器，分别测得的邻道泄漏比与误差矢量幅度性能。在此例中，?40-dBc邻道泄漏比时，采用包络跟踪模式的放大器输出功率要比固定电源模式高2 dB。

图7 :在-40 dBc邻道泄漏比时，包络跟踪放大器的输出功率要比固定电源模式放大器高2 dB (a)。亦显示了误差矢量幅度性能 (b).

确定特性的技术

如果没有先定义好的成形表，就不可能测量包络跟踪功放的独立性能。这种定义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。理论上说，这种特性确定过程可以用一台连续波网络分析仪和一台可调直流电源，但由于有热效应、区间误差以及相位测量时的漂移，得到的结果通常并不好。另外这种方法还太慢，不能采用负载拉移（load-pull）技术。一种替代方案是采用标准自动化测试设备，做脉冲特性测量。这种方法无需使用大带宽、低阻抗电源，并足够的快，可以采用拉移负载的方法。不过该方案很难做精确的相位测量。第三种方法是用真实的波形，并改变成形表，从而能够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，但速度快，能够获取精确的相位信息，并且还可以确定存储效应的特性（图8）。

图8: 使用有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情况下，针对所有输入功率与电源电压组合，精确地捕捉和测量功率放大器的即时效率、增益和相位。

采用一个基本的包络跟踪功放特性，就可以建立一个功率放大器的准静态数据模型。这个模型可以有输出功率、相位，以及效率作为输出，而输入功率和电源电压作为输入。一旦定义了成形表，就可以用此模型，预测放大器的性能参数，如对标准测试波形的邻道功率比、误差矢量幅度，以及效率。

同样的硬件还可以用于确定功放的器件级特性，以及用已定义成形表对功放系统性能做直接验证（图9）。对于较大带宽的波形，放大器的存储效应可能是非线性的一个主要来源。功放的输出参数（包括AM、PM和效率）现在都取决于时间（即信号的历史），还有即时输入功率与电源电压。存储效应在放大器特性中体现为扩展了AM/AM与AM/PM特性，可以源于输入或输出偏置电路中的电子时间常数，与局部片芯加热相关的热时间常数，或对某种技术的电荷存储效应。

图9 :相同硬件可以同时用于功放器件级的特性确定，以及功放系统性能的直接验证，方法是使用一个预定义的成形表，捕捉AM/AM响应 (a) 以及AM/PM响应 (b)。

提高效率

对典型的高峰均功率比信号统计表明，包络跟踪功率放大器通常大部分时间是工作在相对较低的电源电压下，仅偶尔在大功率峰值上有短时高压。因此，优化放大器的匹配，从而获得在目标峰均功率比信号下的最佳效率，就好于简单地在峰值功率和最大电源电压下获得最佳效率的设计，后者是对固定电源功放的做法。设计者可以改变放大器的匹配，围绕着信号概率密度函数的峰值来提高效率，虽然这样会略微损失峰值功率效率，如下式所示（图10）：

图10 :设计者可以通过改变放大器的匹配，围绕信号概念密度函数的峰值而提高效率，即使这样做会付出少许峰值功率效率的代价。

为了彻底优化一个包络跟踪功放的效率，可以扩展器件的特性，使之包含随输入功率与电源电压而扫描负载阻抗，可采用基本方法或谐波负载拉移方法。这种特性确定产生了大量的数据，而Matlab这类工具可以对这些数据做自动化分析，预测出当运行在某组包络跟踪参数下时的平均效率。使用这种特性确定方法时，可以预测出放大器工作在包络跟踪模式时，其平均效率随成形函数、输出电压摆幅、最大功率回退，以及波形统计等的变化（图11）。

图11: 当工作在包络跟踪模式时，可以预测放大器平均效率针对成形函数、输出电压摆幅、最大功率回退，以及波形统计等方面的变化 (a)；另外还显示了峰值输出功率 (b)。

参数变动的敏感度

你可能会认为，包络跟踪功放在各种温度上的性能要弱于固定电源电压功放。但实际情况恰好相反。包络功放的性能较固定电源功放对电源电压特性的变化更敏感，且大于对推动功放的RF链增益变化的敏感度。因为较RF增益的变动，你能更好地控制各种温度上的电源电压特性，因此极端温度变化情况下，线性度几乎没有什么变化（图12）。

图12: 由于能够更好地控制在各种温度上的电源电压特性，优于RF增益的变化，因此在极端温度变化情况下，线性度几乎没有什么改变。

在一个手持环境下，功放会因为邻近物体的反射，而获得不可控的负载阻抗，导致功放必须工作在VSWR（电压驻波比）高达3:1的负载失配状态。包络跟踪功放的自线性化原理亦适用于高VSWR情况，它可以获得相当好的邻道功率比，以及误差矢量幅度性能，优于采用固定电源电压的放大器（图13）。

图13 :包络跟踪功率放大器的自线性化原理亦适用于高VSWR情况，这样就可以得到相当好的邻道功率比以及误差矢量幅度性能，优于固定电源模式下的放大器。

运行在包络跟踪模式下的功率放大器有系统效率的好处，这是尽人皆知的。但它还有其它可用的系统优点，如增加了输出功率，改善了对失配负载的运行，以及对温度变化不敏感等。与固定电源电压放大器相比，包络跟踪功率放大器需要收集多得多的数据，才能预测出其性能，并需要使用一个能够扫描电源电压和输入功率的测试环境。关键是成形表的定义，它定义了电源电压与RF功率之间的关系。一旦确定了成形函数，就可以使用适当的系统特性平台，直接测出效率和线性度。