在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，功率放大器(PA)作為關(guān)鍵組件，其效率的提升對(duì)于降低能耗、延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航以及提高系統(tǒng)性能具有至關(guān)重要的意義。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，如 5G 乃至未來(lái) 6G 的演進(jìn)，信號(hào)的峰均比(PAPR)不斷提高，傳統(tǒng)功率放大器在應(yīng)對(duì)此類信號(hào)時(shí)效率急劇下降。包絡(luò)跟蹤(Envelope Tracking，ET)技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(luò)跟蹤技術(shù)原理

包絡(luò)跟蹤技術(shù)的核心原理是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)射頻信號(hào)的包絡(luò)，并據(jù)此動(dòng)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(diǎn)附近。一般而言，功率放大器的效率峰值點(diǎn)和輸出功率峰值點(diǎn)會(huì)隨著供電電壓(Vcc)的變化而改變。當(dāng)供電電壓與輸入信號(hào)的包絡(luò)同步變化時(shí)，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(guò)程如下：射頻信號(hào)首先經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波器，從射頻信號(hào)中提取出包絡(luò)信息。該包絡(luò)信號(hào)隨后經(jīng)過(guò)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(guò)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(luò)信號(hào)輸入到 ET 電源調(diào)制器，這是 ET 系統(tǒng)的核心組件，它負(fù)責(zé)將包絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為隨包絡(luò)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(zhǔn)滿足功率放大器動(dòng)態(tài)電壓的快速變化需求。

在整個(gè)系統(tǒng)中，射頻信號(hào)路徑與包絡(luò)跟蹤路徑之間的同步至關(guān)重要。任何延遲不匹配都將導(dǎo)致功率損失和信號(hào)失真。因此，需要采用專門的延遲匹配技術(shù)來(lái)確保兩條路徑嚴(yán)格同步，最終實(shí)現(xiàn)給功率放大器供電的 Vcc 電源大小與射頻信號(hào)的功率值能夠精確同步契合，達(dá)到既不損害射頻信號(hào)信息，又能高效省電的目標(biāo)。

提升功率放大器效率的機(jī)制

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

包絡(luò)跟蹤技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整供電電壓，能夠有效解決這一問題。當(dāng)輸入信號(hào)的包絡(luò)幅值較低時(shí)，降低功率放大器的供電電壓，減少不必要的能量消耗;而當(dāng)信號(hào)包絡(luò)幅值達(dá)到峰值時(shí)，提高供電電壓，確保放大器有足夠的功率輸出，且此時(shí)放大器工作在高效區(qū)。這種隨信號(hào)包絡(luò)實(shí)時(shí)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(shí)，功放的峰值效率雖可達(dá) 65%，但由于給定的峰均比(PAPR)高達(dá) 10，平均效率可能低于 25%。而通過(guò)包絡(luò)跟蹤技術(shù)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(zhǎng)近一倍，功放損耗減少約三分之二。

技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

包絡(luò)跟蹤技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨一些挑戰(zhàn)。其中，包絡(luò)信號(hào)的高帶寬需求是一大難題。因?yàn)?Vcc 波形的帶寬通常至少比射頻波形的帶寬大三倍，當(dāng)出現(xiàn)寬帶數(shù)字預(yù)失真時(shí)，Vcc 波形所需帶寬甚至可達(dá)實(shí)際射頻信號(hào)帶寬的 5 倍。為解決這一問題，常采用功率調(diào)節(jié)器來(lái)驅(qū)動(dòng)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(hào)共同驅(qū)動(dòng)。

此外，確保射頻信號(hào)發(fā)生器與任意波形發(fā)生器之間的精確同步也是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。儀器間較差的同步會(huì)使 Vcc 值相對(duì)于給定的輸出功率過(guò)高或過(guò)低，導(dǎo)致效率降低。例如，當(dāng) Vcc 波形滯后于射頻波形時(shí)，在波形峰值功率時(shí)功率調(diào)節(jié)器無(wú)法為設(shè)備提供足夠功率，峰值過(guò)后又會(huì)提供過(guò)多功率。解決辦法是利用 PXI 平臺(tái)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(hào)收發(fā)儀在基準(zhǔn)測(cè)試中，最大同步抖動(dòng)小于 50ps，滿足了嚴(yán)格的同步要求。同時(shí)，還可以通過(guò)編程方式使 Vcc 波形相對(duì)于 RF 信號(hào)進(jìn)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(hào)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(shí)現(xiàn)任意皮秒級(jí)的延遲，從而保證調(diào)制電源和 RF 信號(hào)在放大器處精確對(duì)齊。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著通信技術(shù)向更高頻段、更大帶寬以及更復(fù)雜調(diào)制方式發(fā)展，包絡(luò)跟蹤技術(shù)也將不斷演進(jìn)。未來(lái)，該技術(shù)有望與新興的半導(dǎo)體材料(如氮化鎵 GaN)相結(jié)合，進(jìn)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(chǎng)等優(yōu)勢(shì)，與包絡(luò)跟蹤技術(shù)協(xié)同，能夠在更高功率密度下實(shí)現(xiàn)更高效的信號(hào)放大。同時(shí)，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)的同步精度、帶寬性能以及控制算法將得到進(jìn)一步優(yōu)化，使其在未來(lái)通信系統(tǒng)中發(fā)揮更為重要的作用，為實(shí)現(xiàn)綠色、高效的通信網(wǎng)絡(luò)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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