5G新技术：包络跟踪，释放PA无限潜能

射频功率放大器(PA)是耗能大户，这是与5G相关特点有关。包络跟踪技术有助于降低功耗，但也有利弊。
 
在计算射频功率放大器效率中，涵盖了放大器的功率效率(PE)和峰值平均功率射频(PAPR)的基本概念。此外，无线信号中的高峰值平均功率比(PAPR)阻碍了实现最佳功率效率的。由于无线调制具有较高的均峰比(PAPR)，功率放大器(PA)的设计采用了新的方法。其中一种设计方法被称为包络跟踪。

简单说一下这个技术的由来。随着智能手机的普及，越来越大的屏幕尺寸和越来越多的需要显示屏常亮应用，这就需要移动电话具备更长的电池寿命、基站需具备更高电源效率，以及昂贵的射频传送器需要实现更大输出功率。一般而言，手机上常用的有两种PA的省电技术，一种是平均功率跟踪技术（APT），另外一种是包络跟踪（ET）。由于，APT相对比较粗糙，ET比较精细。与平均功率跟踪技术相比，包络跟踪(ET)技术更像是按需定制，让功放的供电电压随输入信号的包络变化。行业逐渐从APT向ET过渡。
 
包络跟踪并不是一个新想法。人们普遍认为，20世纪30年代早期Loy Barton发明了这项技术。Barton致力于提高功率放大器的效率，包括发明B类放大器。那是在AM广播和真空管功率放大器的时代。功率放大器的效率在当时是一个大问题，因为广播电台努力发出尽可能大的信号。使用包络跟踪来改善射频功放（PA）系统的效率逐渐成为了一种行之有效的解决办法。包络跟踪已被应用于无线基站和移动设备的半导体放大器。
 
ET如何提高PA效率？
 
包络跟踪能否提高效率关键在于功放的峰值与平均功率比（PAPR）的要求。其工作原理如下图：包络跟踪系统原理框图包含包络检波、电源调制器和功率放大器三个部分。射频信号经过检波后产生包络信号，包络信号通过电源调制器放大后输入给功率放大器作为电源信号。

研究显示，在使用固定的供电电压时，功放的峰值效率可以高达65%，但由于给定的峰均比（PAPR）高达10，因此，平均效率有可能低于25%。通过调制功放的供电电压，可改善功放平均效率达50%以上——相当于效率增长达一倍和减少功放损耗达三分之二。这样不仅降低功耗，也降低操作成本，并满足散热及尺寸等各方面的要求。

理想功放效率与使用固定供电电压时输出功率及包络跟踪工作时的比较
 
固定电源
 
下图显示了常规PA设置。无线发射机通常有一个数字基带，它使用相位和正交(I/Q)值进行数字调制。升频器将基带信号把基带信号转换成相应的频段，这个频段再被PA放大。对于传统的PA，电源(VS)提供一个恒定、可靠的电压，以提供足够的电流来保持PA正常工作。PA必须有一个足够大的电源电压来处理峰值功率，这是PA最有效的地方。但大多数时候，PA的输出功率和效率都比较低。

通常，PAPR的范围从5 dB到13 dB，这取决于特定的调制格式。例如，在10 dB PAPR时，峰值功率是平均功率的10倍。能产生10 W输出功率的PA平均只能以1 W输出功率的速度滑行。
 
下图用图形说明了这一现象，显示了当电源电压和信号电压之间存在显著差异时所产生的功率浪费。当信号接近峰值时，扩音器的工作效率非常高，但当信号电平下降时，大量的电力被浪费。

传统的功率放大器使用固定的供电电压，当信号电平较低时，往往会浪费功率。
 
可变电源
 
包络跟踪的核心思想是实时改变电源电压，以满足PA电源电压的需求。当信号达到峰值时，电源电压被驱动得更高，但当信号电平下降时，电源电压也随之下降。这种技术可以显著减少电路中的功率浪费。

包络跟踪功率放大器系统改变电源电压，跟踪所需的信号水平。
 
下图显示了使用包络跟踪的PA系统。包络检测器监测基带信号的大小。这可能是一个模拟电路，但今天大多数基带系统是数字的，所以包络检测器也是数字的。包络检测器使用I/Q基带数据实时计算信号的幅度。

包络成形块将包络电平转换为所需的电源电压。将包络电平转换为所需的电源电压。这可能是一个直线函数，但更有可能的系统设计会包括一些非线性整形，以优化PA的整体性能。设计人员通常对PA电源电压施加一个较低的限制，这样即使信号消失，电路仍然有偏置。
 
包络跟踪电源(ETPS)使用包络整形输出产生可变电源电压(VPA)，并进入PA。ETPS被示为放大器符号，以强调该块必须具有通常与放大器相关联的动态性能:带宽、噪声、增益和精度。这不是一个简单的直流稳压器。ETPS必须有足够的带宽来跟上调制速率，这意味着大约是调制带宽的两到三倍。LTE的信道带宽高达20 MHz，在ETPS带宽中需要50 MHz。随着吞吐量的提高，5G通道需要更高的带宽。为了保持系统的整体功率效率，ETPS自身必须具有更高的功率效率。
 
包络跟踪系统中有两条主要路径，即通过PA信号路径和包络跟踪路径，必须是时间同步的。PA电源电压必须在适当的时间对信号包络的变化作出响应——既不能太早也不能太晚。路径间的不匹配会降低功率效率，并给传输信号带来失真。一个延迟匹配块可以被添加到系统图中，以促进这个延迟匹配要求。
 
系统设计
 
包络跟踪的基本概念比较容易理解。然而，这种设计方法的实现要比使用固定电压的电源复杂得多。ETPS是一种高带宽放大器，它要为PA提供足够的功率保证正常工作。这就需要来自ETPS的高电流，所以说PA通常是系统中最耗能的设备。ETPS也必须有低的输出噪声，以避免射频信号的退化。
 
有时PA增益会随着电源电压的变化而变化，这会给射频信号引入调幅。这可能会限制PA电源的耐受电压变化量。重要的是要了解PA的特性并使用包络整形来优化系统的整体性能。
 
总结
 
随着手机RF复杂性不断提高，加上5G规范让困难度成倍增加，手机行业将面临前所未有的RF挑战。包络跟踪 (ET)技术凭借出色的线性功率、最低的电流消耗，以及出色的热管理性能，已经成为手机实现高效RF功率放大的首选技术。