芯耀
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一、前言
射频功率放大器能耗巨大，这是5G面临的一大问题。包络跟踪技术有助于降低功耗，但也存在权衡。
由于无线调制中的高峰均功率比特性，功率放大器（PA）设计正采用新方法，其中之一便是包络跟踪技术——通过使功率放大器的电源电压跟踪射频信号的包络来实现优化。
包络跟踪并非全新概念。通常认为，洛伊·巴顿在20世纪30年代初首创了这一技术。当时他致力于提升功率放大器效率，还发明了B类放大器。那是调幅广播和真空管功率放大器的时代，功率放大器效率是核心问题，因为广播电台力求发射最强信号。如今，包络跟踪技术已应用于无线基站和移动设备的放大器设计。
二、采用固定电源供电
图1所示为传统功率放大器的架构。无线发射机通常包含数字基带部分，通过同相和正交（I/Q）值实现数字调制。上变频器将基带信号转换至目标频段，再由功率放大器进行放大。传统功率放大器采用恒定电源（VS）供电，提供稳定可靠的电压并输出足够电流，确保功率放大器正常工作。电源电压必须足够高以应对峰值功率，此时功率放大器效率最高。但在大多数时间里，功率放大器工作在较低输出功率状态，效率也较低。
图1. 传统功率放大器使用固定电源电压
通常，根据具体调制方式的不同，峰均功率比（PAPR）范围在5dB至13dB之间。例如，当PAPR为10dB时，峰值功率是平均功率的10倍。一个能够产生10W输出功率的功率放大器，平均而言仅需输出1W功率即可维持运行。
图2以图形方式展示了这一现象，表明当电源电压与信号电压存在显著差异时会产生功率浪费。当信号接近峰值时，功率放大器工作效率很高，但当信号电平下降时，大量功率会被浪费。
图2. 传统功率放大器使用固定电源电压，在信号电平较低时往往会浪费功率。
三、采用可变电源供电
包络跟踪技术的核心思想是实时调整电源电压，以满足PA的供电需求。当信号达到峰值时，电源电压升高；当信号电平下降时，电源电压也随之降低。如图3所示，这种技术可显著减少电路中的功率浪费。
图3. 包络跟踪功率放大器系统通过调整电源电压来跟踪所需的信号电平。
图4所示为采用包络跟踪技术的功率放大器系统。包络检测器用于监测基带信号的幅度，其可以是模拟电路，但如今大多数基带系统为数字式，因此包络检测器也采用数字形式。包络检测器利用I/Q基带数据实时计算信号的幅度。
图4. 包络跟踪功率放大器通过跟踪信号电平并调整电源电压以实现最高效率
包络整形模块将信号幅度转换为所需的电源电压。这可以是线性函数，但更常见的是系统设计中会引入非线性整形，以优化PA的整体性能。设计人员通常会为PA电源电压设定下限，确保即使信号消失，电路仍能保持偏置状态。
包络跟踪电源（ETPS）利用包络整形输出生成施加到PA的可变电源电压（VPA）。图中ETPS以放大器符号表示，以强调该模块必须具备放大器的动态性能——带宽、噪声、增益和精度。这并非简单的直流稳压器：ETPS必须具备足够的带宽以跟上调制速率，通常要求带宽为调制带宽的2-3倍。例如，LTE信道带宽最高达20MHz，要求ETPS带宽约为50MHz；而更高吞吐量的5G信道则需要更高的带宽。为维持系统整体功率效率，ETPS自身也必须高效节能。
包络跟踪系统中的两条主要路径（PA的信号路径和包络跟踪路径）必须实现时间同步：PA电源电压必须在正确的时间响应信号包络的变化——既不能太早也不能太晚。路径间的失配会降低功率效率，并在发射信号中引入失真。因此，系统中可能需要添加延迟匹配模块，以满足延迟同步需求。
四、举一个例子
这里我们以4G LTE包络跟踪系统为例，进一步阐述包络跟踪电源对调制信号的影响。
图5. 应用于4G中的包络跟踪系统框图
图5展示了包络跟踪系统的框图。如图所示，该系统由基带IQ发射机、包络检测器、基于查找表（LUT）的整形表、射频上变频器、功率放大器（PA）和包络跟踪电源组成。
图6. 无包络跟踪时的波形
图6展示了未采用包络跟踪时的波形。如图所示，直流电源电压未跟随射频功率放大器的输入信号，因此电源电压与放大器信号输入之间存在差异。这会导致放大器在工作时被注入不必要的电压，进而造成功率浪费和功率放大器（PA）效率降低。这是因为效率由放大器的输出功率与直流输入功率之比表示。
为避免这种情况，可采用图5所示的电路。在包络跟踪技术中，电源输入会根据进入功率放大器的输入功率包络不断变化。由于包络跟踪的作用，只需按需求在输入端提供适当的电源，这使得放大器能够针对所需的瞬时功率输出指标以峰值效率运行。
为实现协调一致，直流电源电压和放大器输入信号需在时间上同步；否则，所需电源与放大器输入之间将出现失配。这可以通过向射频矢量信号发生器（VSG）提供触发输入来实现，该触发输入与用于生成功率放大器可变电源电压的任意波形发生器（AWG）来自同一信号源。
图7展示了一款采用包络跟踪技术的射频前端，如图所示，调制解调器负责基带信号的生成和分析。它在发射路径中使用数模转换器（DAC），在接收路径中使用模数转换器（ADC）。包络功率跟踪器从调制解调器的DAC接收输入，并向功率放大器（PA）提供成比例的直流电压。
在射频前端系统中使用包络功率跟踪器具有多个优势，包括延长电池寿命、提高放大器效率，以及更好地符合无线系统的误差矢量幅度（EVM）/邻道功率比（ACPR）指标。
图7. 采用包络跟踪技术的射频前端（图片来自高通）
五、系统设计挑战
包络跟踪的基本概念相对容易理解，但其实现远比固定电压电源复杂：
1、ETPS性能要求：
- 高带宽：需匹配信号调制速率，5G场景下可能需要数百MHz带宽。
- 大电流驱动能力：PA通常是系统中功耗最大的器件，ETPS需提供瞬时大电流。
-低噪声：输出噪声需远低于射频信号功率，避免信噪比恶化（如要求噪声基底低于-60dBm）。
2、PA非线性补偿：
PA增益可能随电源电压变化（如电源抑制比不足），导致射频信号引入幅度调制（AM-AM失真）。需通过包络整形算法预校正此类非线性，例如结合PA的电压-增益特性曲线设计逆函数。
3、同步与延迟管理：
信号路径与包络路径的延迟偏差需控制在调制符号周期的10%以内。例如，对于20MHz LTE信号，符号周期约为50ns，延迟偏差需＜5ns，通常通过数字延迟线或FPGA实时校准实现。
六、应用与权衡
1、优势场景：
- 5G基站Massive MIMO放大器：结合ET和Doherty技术，可将6dB回退效率从30%提升至50%以上。
- 手机终端PA：在4G LTE中，ET可使平均功耗降低30%，延长电池续航。
2、技术权衡：
- 复杂度与成本：ETPS需集成宽带放大器、模数转换（ADC）和数字信号处理（DSP）模块，硬件成本增加约20-30%。
- 散热设计：ETPS的高效率开关电源可能引入电磁干扰（EMI），需额外滤波和屏蔽措施。
- 多标准适配：不同通信制式（如LTE、5G NR）的包络特性差异大，需动态重构ET算法，增加软件设计复杂度。
总结
包络跟踪技术通过动态匹配电源电压与信号包络，显著提升了功率放大器在低功率区域的效率，是应对5G高峰均比信号的关键技术。尽管面临高带宽设计、同步精度和成本等挑战，其在基站和终端中的应用已成为行业主流（如高通的WTR系列芯片集成ET技术）。未来，随着氮化镓（GaN）器件和宽带隙半导体的普及，ET与Doherty、数字预失真（DPD）的融合将进一步推动射频系统能效突破。
