包络跟踪功放系统介绍:包络跟踪系统测量的设计考虑因素

首先,电源调制器面临一个问题,即用于放大的高功率放大器器件中受到限制:动态范围电压有限。例如,许多组件提供36 V最大电源电压轨道(supply rails)并需要几伏的电压裕量来保持线性度,从而产生30 V输出电压动态范围。可以将适当的DC偏移应用于输出电压范围,以允许输出更高的峰值电压,但代价是更高的最小电压。 RF PA可用的最大和最小漏极/集电极电压会影响其效率。

包络跟踪原理,包络跟踪技术实现的难点

图7.9

图7.9 ET电源调制器测量设置的示意图,其中包含电阻和容性负载,以模拟漏极/集电极的端口特性。

其次,带宽和频率响应是小信号测量参数。它们仅适用于线性和弱非线性运算。例如,可以通过增加非常低 - 输入正弦波的频率来观察电路的带宽是否充分,并且如下图7.9测试台设置所示中监视到的输出波形的幅度减小,因为增益在耦合输出端口处滚降。然而,转换速率是对大信号现象的测量,而压摆率(slew rate)能力不足可能导致输出信号失真。各种复杂的组件和电路问题可能导致这种行为。因此,供电调制器的速度通常受到作为大信号效应的转换速率的限制。由于压摆率(slew rate)可以描述为电源调制器可以为其负载提供的充电和放电的最大速度,为了测量压摆率,可以配置类似于图7.9的测试台,但是在给定的初始频率下用方波代替激励信号源来让输出信号幅度接近轨到轨的范围,以保证输出作为合格的大信号。检查输出方波波形轨到轨转换是否存在显著的回转(slewing)是有意义的。假设难以观察到小于无穷大的转变斜率(the slope of transition),增加方波波形频率直到清楚地观察到斜率回转区域(slope slewing region),但记住在每个周期中要保持输出波形轨到轨电平清晰或者方波太快而不能观察到回转效应(slewing effect)。最后,在上升或下降斜率上选择两个点,并从中计算正的或者负的压摆率(slew rate)。通常,用于BTS目的的电源调制器的压摆率应大于2,000 V /μs。但是,它取决于输出电压电平和应用场景。因此,低功耗应用需要相对宽松的转换速率(slew rate)性能。

第三,对于所有类型的调制信号,通常用于供电电源调制器的带宽设计是复调制信号带宽的3到10倍,但是对于所有的调制信号并不总是如此。不能基于复调制的带宽来估计电源调制器的带宽和动态性能要求。它应该取决于调制的结构。例如,对于复杂调制,例如具有“通过零”点符号的3G和4G信号,该规则是适用的。然而,这种经验法则对于具有恒定幅度的2G GMSK调制是不正确的,2G GMSK调制信号具有0Hz的调制带宽,因此具有恒定幅度。因此,使用RF信号带宽来计算供应调制器带宽要求是经验性的。幅度通过零的复调制信号在时域中具有尖锐的幅度零点;在瞬间改变方向并向峰值增加之前,其振幅迅速下降到零。因此,重要的是在此澄清,调制器的RF信号带宽要求的三倍以上适合于“通过零”的调制信号类型。幸运的是,3G和4G信号通常是属于这种调制信号类型。

第四,由RF PA漏极供电端口处的电源调制器驱动的虚拟负载RPA被称为漏极电阻。仔细注意它是与PA负载线(PA load line)或任何RF负载阻抗是无关的,并且借助RF扼流圈进行循环因此在RF周期上保持恒定。 RPA随PA输出功率和效率而变化如下:

包络跟踪原理,包络跟踪技术实现的难点

最后,在特定频率区域的高增益峰值用于扩展有用带宽,但需要与电源调制器的增益平坦度要求进行权衡。混合电源调制器设计中的许多线性调制器都在有意识地利用增益峰值来扩展带宽。然而,期望电压增益能在调制带宽上保持其平坦度要求。因此,适当的反馈网络调谐可以衰减频率响应以使增益峰值效应变平,但是同时扩展带宽的能力有限。电源调制器可以利用中等反馈网络调谐带宽,权衡与增益峰值相关的扩展带宽而要求获得的增益平坦度,如图7.13所示。

包络跟踪原理,包络跟踪技术实现的难点

图7.13

图7.13 在不同直流负载下测量电源调制器的小信号频率响应。 激励信号是频率扫描信号。 在反馈网络调谐之前和之后,可以观察到小信号频率响应中的展平效应。

总而言之,电源调制器带宽,压摆率和输出阻抗需要足够精确地再现动态电源信号以实现系统的线性度,而包络跟踪PA系统的线性度是输入信号,RF PA行为和包络形成函数(envelope shaping function)的函数。 降低的电源调制器动态要求可提高电源调制器的效率,但也会强制包络整形函数(envelope shaping function),从而会降低RF PA的效率。

本头条号后面会陆续讲解介绍动态电源和包络跟踪射频发射机系统的基本结构以及工作行为和原理,敬请关注。

(完)