射頻功率放大器（PA）是耗能大戶，這是與5G相關(guān)特點(diǎn)有關(guān)。包絡(luò)跟蹤技術(shù)有助于降低功耗，但也有利弊。

在計(jì)算射頻功率放大器效率中，涵蓋了放大器的功率效率（PE）和峰值平均功率射頻（PAPR）的基本概念。此外，無線信號中的高峰值平均功率比（PAPR）阻礙了實(shí)現(xiàn)最佳功率效率的。由于無線調(diào)制具有較高的均峰比（PAPR），功率放大器（PA）的設(shè)計(jì)采用了新的方法。其中一種設(shè)計(jì)方法被稱為包絡(luò)跟蹤。

簡單說一下這個(gè)技術(shù)的由來。隨著智能手機(jī)的普及，越來越大的屏幕尺寸和越來越多的需要顯示屏常亮應(yīng)用，這就需要移動電話具備更長的電池壽命、基站需具備更高電源效率，以及昂貴的射頻傳送器需要實(shí)現(xiàn)更大輸出功率。一般而言，手機(jī)上常用的有兩種PA的省電技術(shù)，一種是平均功率跟蹤技術(shù)（APT），另外一種是包絡(luò)跟蹤（ET）。由于，APT相對比較粗糙，ET比較精細(xì)。與平均功率跟蹤技術(shù)相比，包絡(luò)跟蹤（ET）技術(shù)更像是按需定制，讓功放的供電電壓隨輸入信號的包絡(luò)變化。行業(yè)逐漸從APT向ET過渡。

包絡(luò)跟蹤并不是一個(gè)新想法。人們普遍認(rèn)為，20世紀(jì)30年代早期Loy Barton發(fā)明了這項(xiàng)技術(shù)。Barton致力于提高功率放大器的效率，包括發(fā)明B類放大器。那是在AM廣播和真空管功率放大器的時(shí)代。功率放大器的效率在當(dāng)時(shí)是一個(gè)大問題，因?yàn)閺V播電臺努力發(fā)出盡可能大的信號。使用包絡(luò)跟蹤來改善射頻功放（PA）系統(tǒng)的效率逐漸成為了一種行之有效的解決辦法。包絡(luò)跟蹤已被應(yīng)用于無線基站和移動設(shè)備的半導(dǎo)體放大器。

ET如何提高PA效率？

包絡(luò)跟蹤能否提高效率關(guān)鍵在于功放的峰值與平均功率比（PAPR）的要求。其工作原理如下圖：包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)原理框圖包含包絡(luò)檢波、電源調(diào)制器和功率放大器三個(gè)部分。射頻信號經(jīng)過檢波后產(chǎn)生包絡(luò)信號，包絡(luò)信號通過電源調(diào)制器放大后輸入給功率放大器作為電源信號。

研究顯示，在使用固定的供電電壓時(shí)，功放的峰值效率可以高達(dá)65%，但由于給定的峰均比（PAPR）高達(dá)10，因此，平均效率有可能低于25%。通過調(diào)制功放的供電電壓，可改善功放平均效率達(dá)50%以上——相當(dāng)于效率增長達(dá)一倍和減少功放損耗達(dá)三分之二。這樣不僅降低功耗，也降低操作成本，并滿足散熱及尺寸等各方面的要求。

理想功放效率與使用固定供電電壓時(shí)輸出功率及包絡(luò)跟蹤工作時(shí)的比較

固定電源

下圖顯示了常規(guī)PA設(shè)置。無線發(fā)射機(jī)通常有一個(gè)數(shù)字基帶，它使用相位和正交（I/Q）值進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。升頻器將基帶信號把基帶信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻段，這個(gè)頻段再被PA放大。對于傳統(tǒng)的PA，電源（VS）提供一個(gè)恒定、可靠的電壓，以提供足夠的電流來保持PA正常工作。PA必須有一個(gè)足夠大的電源電壓來處理峰值功率，這是PA最有效的地方。但大多數(shù)時(shí)候，PA的輸出功率和效率都比較低。

通常，PAPR的范圍從5 dB到13 dB，這取決于特定的調(diào)制格式。例如，在10 dB PAPR時(shí)，峰值功率是平均功率的10倍。能產(chǎn)生10 W輸出功率的PA平均只能以1 W輸出功率的速度滑行。

下圖用圖形說明了這一現(xiàn)象，顯示了當(dāng)電源電壓和信號電壓之間存在顯著差異時(shí)所產(chǎn)生的功率浪費(fèi)。當(dāng)信號接近峰值時(shí)，擴(kuò)音器的工作效率非常高，但當(dāng)信號電平下降時(shí)，大量的電力被浪費(fèi)。

傳統(tǒng)的功率放大器使用固定的供電電壓，當(dāng)信號電平較低時(shí)，往往會浪費(fèi)功率。

可變電源

包絡(luò)跟蹤的核心思想是實(shí)時(shí)改變電源電壓，以滿足PA電源電壓的需求。當(dāng)信號達(dá)到峰值時(shí)，電源電壓被驅(qū)動得更高，但當(dāng)信號電平下降時(shí)，電源電壓也隨之下降。這種技術(shù)可以顯著減少電路中的功率浪費(fèi)。

包絡(luò)跟蹤功率放大器系統(tǒng)改變電源電壓，跟蹤所需的信號水平。

下圖顯示了使用包絡(luò)跟蹤的PA系統(tǒng)。包絡(luò)檢測器監(jiān)測基帶信號的大小。這可能是一個(gè)模擬電路，但今天大多數(shù)基帶系統(tǒng)是數(shù)字的，所以包絡(luò)檢測器也是數(shù)字的。包絡(luò)檢測器使用I/Q基帶數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算信號的幅度。

包絡(luò)成形塊將包絡(luò)電平轉(zhuǎn)換為所需的電源電壓。將包絡(luò)電平轉(zhuǎn)換為所需的電源電壓。這可能是一個(gè)直線函數(shù)，但更有可能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)會包括一些非線性整形，以優(yōu)化PA的整體性能。設(shè)計(jì)人員通常對PA電源電壓施加一個(gè)較低的限制，這樣即使信號消失，電路仍然有偏置。

包絡(luò)跟蹤電源（ETPS）使用包絡(luò)整形輸出產(chǎn)生可變電源電壓（VPA），并進(jìn)入PA。ETPS被示為放大器符號，以強(qiáng)調(diào)該塊必須具有通常與放大器相關(guān)聯(lián)的動態(tài)性能：帶寬、噪聲、增益和精度。這不是一個(gè)簡單的直流穩(wěn)壓器。ETPS必須有足夠的帶寬來跟上調(diào)制速率，這意味著大約是調(diào)制帶寬的兩到三倍。LTE的信道帶寬高達(dá)20 MHz，在ETPS帶寬中需要50 MHz。隨著吞吐量的提高，5G通道需要更高的帶寬。為了保持系統(tǒng)的整體功率效率，ETPS自身必須具有更高的功率效率。

包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)中有兩條主要路徑，即通過PA信號路徑和包絡(luò)跟蹤路徑，必須是時(shí)間同步的。PA電源電壓必須在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間對信號包絡(luò)的變化作出響應(yīng)——既不能太早也不能太晚。路徑間的不匹配會降低功率效率，并給傳輸信號帶來失真。一個(gè)延遲匹配塊可以被添加到系統(tǒng)圖中，以促進(jìn)這個(gè)延遲匹配要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

包絡(luò)跟蹤的基本概念比較容易理解。然而，這種設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)要比使用固定電壓的電源復(fù)雜得多。ETPS是一種高帶寬放大器，它要為PA提供足夠的功率保證正常工作。這就需要來自ETPS的高電流，所以說PA通常是系統(tǒng)中最耗能的設(shè)備。ETPS也必須有低的輸出噪聲，以避免射頻信號的退化。

有時(shí)PA增益會隨著電源電壓的變化而變化，這會給射頻信號引入調(diào)幅。這可能會限制PA電源的耐受電壓變化量。重要的是要了解PA的特性并使用包絡(luò)整形來優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。

總結(jié)

隨著手機(jī)RF復(fù)雜性不斷提高，加上5G規(guī)范讓困難度成倍增加，手機(jī)行業(yè)將面臨前所未有的RF挑戰(zhàn)。包絡(luò)跟蹤 （ET）技術(shù)憑借出色的線性功率、最低的電流消耗，以及出色的熱管理性能，已經(jīng)成為手機(jī)實(shí)現(xiàn)高效RF功率放大的首選技術(shù)。
編輯：hfy