在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，功率放大器(PA)作為關鍵組件，其效率的提升對于降低能耗、延長設備續(xù)航以及提高系統(tǒng)性能具有至關重要的意義。隨著通信技術的不斷發(fā)展，如 5G 乃至未來 6G 的演進，信號的峰均比(PAPR)不斷提高，傳統(tǒng)功率放大器在應對此類信號時效率急劇下降。包絡跟蹤(Envelope Tracking，ET)技術應運而生，成為解決這一難題的有效途徑，它能夠顯著提高功率放大器在不同功率水平下的效率。

包絡跟蹤技術原理

包絡跟蹤技術的核心原理是通過實時監(jiān)測射頻信號的包絡，并據(jù)此動態(tài)調(diào)整功率放大器的供電電壓，使功率放大器始終工作在最佳效率點附近。一般而言，功率放大器的效率峰值點和輸出功率峰值點會隨著供電電壓(Vcc)的變化而改變。當供電電壓與輸入信號的包絡同步變化時，放大器能夠在不同的輸出功率下都保持較高的效率。

具體工作過程如下：射頻信號首先經(jīng)過包絡檢波器，從射頻信號中提取出包絡信息。該包絡信號隨后經(jīng)過整形處理，以滿足后續(xù) ET 電源調(diào)制器的輸入要求。整形過程可能涉及非線性處理，目的在于優(yōu)化功率放大器的整體性能。接著，整形后的包絡信號輸入到 ET 電源調(diào)制器，這是 ET 系統(tǒng)的核心組件，它負責將包絡信號轉(zhuǎn)換為隨包絡變化的供電電壓，供給功率放大器使用。該調(diào)制器需要具備高帶寬、低噪聲、高效率等特性，以精準滿足功率放大器動態(tài)電壓的快速變化需求。

在整個系統(tǒng)中，射頻信號路徑與包絡跟蹤路徑之間的同步至關重要。任何延遲不匹配都將導致功率損失和信號失真。因此，需要采用專門的延遲匹配技術來確保兩條路徑嚴格同步，最終實現(xiàn)給功率放大器供電的 Vcc 電源大小與射頻信號的功率值能夠精確同步契合，達到既不損害射頻信號信息，又能高效省電的目標。

提升功率放大器效率的機制

傳統(tǒng)功率放大器在面對具有高峰均比的現(xiàn)代通信信號(如 W - CDMA、LTE 等)時，由于信號的瞬時功率變化范圍大，放大器為了避免信號失真，往往不能在所有功率水平下都工作在高效區(qū)。當信號處于低功率狀態(tài)時，若仍采用固定的高供電電壓，會導致大量能量以熱量形式浪費，效率大幅降低。

包絡跟蹤技術通過動態(tài)調(diào)整供電電壓，能夠有效解決這一問題。當輸入信號的包絡幅值較低時，降低功率放大器的供電電壓，減少不必要的能量消耗;而當信號包絡幅值達到峰值時，提高供電電壓，確保放大器有足夠的功率輸出，且此時放大器工作在高效區(qū)。這種隨信號包絡實時調(diào)整供電電壓的方式，使得功率放大器在不同功率水平下都能保持較高的效率，顯著提升了平均效率。研究顯示，在使用固定的供電電壓時，功放的峰值效率雖可達 65%，但由于給定的峰均比(PAPR)高達 10，平均效率可能低于 25%。而通過包絡跟蹤技術調(diào)制功放的供電電壓，可將功放平均效率提升至 50% 以上，效率增長近一倍，功放損耗減少約三分之二。

技術挑戰(zhàn)與解決方案

包絡跟蹤技術在實際應用中面臨一些挑戰(zhàn)。其中，包絡信號的高帶寬需求是一大難題。因為 Vcc 波形的帶寬通常至少比射頻波形的帶寬大三倍，當出現(xiàn)寬帶數(shù)字預失真時，Vcc 波形所需帶寬甚至可達實際射頻信號帶寬的 5 倍。為解決這一問題，常采用功率調(diào)節(jié)器來驅(qū)動功率放大器，該功率調(diào)節(jié)器由直流電源和任意波形發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制 Vcc 信號共同驅(qū)動。

此外，確保射頻信號發(fā)生器與任意波形發(fā)生器之間的精確同步也是關鍵挑戰(zhàn)。儀器間較差的同步會使 Vcc 值相對于給定的輸出功率過高或過低，導致效率降低。例如，當 Vcc 波形滯后于射頻波形時，在波形峰值功率時功率調(diào)節(jié)器無法為設備提供足夠功率，峰值過后又會提供過多功率。解決辦法是利用 PXI 平臺借助 T - Clock 的背板同步程序?qū)崿F(xiàn)緊密同步，例如 NI PXIe - 5644R 矢量信號收發(fā)儀在基準測試中，最大同步抖動小于 50ps，滿足了嚴格的同步要求。同時，還可以通過編程方式使 Vcc 波形相對于 RF 信號進行精確的滯后或提前調(diào)整，如在生成腳本開頭嵌入 “等待” 循環(huán)，或使用數(shù)字濾波器調(diào)節(jié)矢量信號收發(fā)儀中 FPGA 上軟件或硬件的 RF 波形，在 400MS/S 的額定 Vcc 采樣率下，可實現(xiàn)任意皮秒級的延遲，從而保證調(diào)制電源和 RF 信號在放大器處精確對齊。

未來發(fā)展趨勢

隨著通信技術向更高頻段、更大帶寬以及更復雜調(diào)制方式發(fā)展，包絡跟蹤技術也將不斷演進。未來，該技術有望與新興的半導體材料(如氮化鎵 GaN)相結合，進一步提升功率放大器的效率和性能。氮化鎵具有高電子遷移率、高擊穿電場等優(yōu)勢，與包絡跟蹤技術協(xié)同，能夠在更高功率密度下實現(xiàn)更高效的信號放大。同時，隨著數(shù)字信號處理技術的不斷進步，包絡跟蹤系統(tǒng)的同步精度、帶寬性能以及控制算法將得到進一步優(yōu)化，使其在未來通信系統(tǒng)中發(fā)揮更為重要的作用，為實現(xiàn)綠色、高效的通信網(wǎng)絡奠定堅實基礎。

包絡跟蹤技術作為提升功率放大器效率的有效手段，在當前和未來的通信領域具有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿?。通過不斷克服技術挑戰(zhàn)，持續(xù)創(chuàng)新與優(yōu)化，它將為通信設備的節(jié)能降耗、性能提升以及通信網(wǎng)絡的可持續(xù)發(fā)展提供強有力的支持。