包絡(luò)跟蹤技術(shù)采用射頻信號(hào)的包絡(luò)作為功率放大器的電源，從而提高功率放大器的功率附加效率(PAE)。包絡(luò)信號(hào)與射頻信號(hào)的同步與對(duì)齊對(duì)于整體包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)的效率提升具有重要影響，也給測(cè)試系統(tǒng)帶來了較大的挑戰(zhàn)。本文介紹了利用R&S公司的矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A和頻譜與信號(hào)分析儀FSW對(duì)基于自主設(shè)計(jì)的SOI CMOS工藝的電源調(diào)制器芯片和功率放大器芯片搭建的4G LTE終端包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)獲取最佳的效率和線性度性能。

Abstract: Envelope Tracking(ET) is a technology that radio frequency envelope is used as the supply of power amplifier, so the Power-added Efficiency(PAE) is improved. The synchronization and alignment between envelope and RF signals are very important for efficiency enhancement for the ET system, but also very challenge for test. In this paper, SOI CMOS based 4G LTE ET chipsets including supply modulator and power amplifier are tested with R&S SMW200A Vector Signal Generator and R&S FSW Signal & Spectrum Analyzer, and best trade-off between efficiency and linearity was obtained.

Key words: Envelope Tracking; Supply Modulator; Power Amplifier; SMW200A; FSW

1.引言

現(xiàn)代無線通信技術(shù)多采用高階QAM調(diào)制以及OFDM等技術(shù)來提高頻譜的利用率，例如4G LTE和802.11系列標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)雜調(diào)制導(dǎo)致信號(hào)具有高達(dá)5-10 dB的峰均比PAPR (Peak to Average Power Ratio)，使得功率放大器必須進(jìn)行更大的回退才能滿足EVM的要求，大大降低了效率，減小了終端的待機(jī)時(shí)間。包絡(luò)跟蹤技術(shù)通過將射頻信號(hào)的包絡(luò)輸入至電源調(diào)制器放大后作為功率放大器的電源電壓，且跟隨射頻信號(hào)的幅度變化而變化，這將大大提高功率放大器的整體效率，延長(zhǎng)移動(dòng)終端的電池使用時(shí)間。

2.包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)原理

圖1 包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)原理圖

圖2 包絡(luò)跟蹤功率放大器效率提升原理

如圖一所示為包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)原理框圖，包含包絡(luò)檢波、電源調(diào)制器和功率放大器三個(gè)部分。射頻信號(hào)經(jīng)過檢波后產(chǎn)生包絡(luò)信號(hào)，包絡(luò)信號(hào)通過電源調(diào)制器放大后輸入給功率放大器作為電源信號(hào)，同時(shí)必須保證包絡(luò)信號(hào)與輸入功放的射頻信號(hào)完全同步和對(duì)齊。如圖二所示給出了包絡(luò)跟蹤功率放大器提升效率的基本原理：圖中紅色部分為作為熱消耗的能量，藍(lán)色部分為最終發(fā)射的有用射頻信號(hào)，左側(cè)圖中固定電源功率放大器中一大部分能量作為熱消耗掉，而右側(cè)圖中包絡(luò)跟蹤功率放大器中僅有很小一部分能量被熱消耗。

3.包絡(luò)跟蹤功率放大器測(cè)試系統(tǒng)

包絡(luò)跟蹤技術(shù)給系統(tǒng)測(cè)試帶來了巨大的挑戰(zhàn)，包絡(luò)跟蹤功率放大器要在獲得較高的整體效率同時(shí)還需要滿足發(fā)射機(jī)EVM的要求，這就要求測(cè)試系統(tǒng)對(duì)包絡(luò)信號(hào)具要有整形的功能以獲取最佳效率和線性的折中。如圖三所示為基于R&S設(shè)備的包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)測(cè)試圖，圖四為R&S矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A-K540選件提供的包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)軟件界面，可以完成包絡(luò)信號(hào)的整形優(yōu)化，功能強(qiáng)大。包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)最大的測(cè)試難點(diǎn)在于功率放大器的電源包絡(luò)信號(hào)與射頻輸入信號(hào)的同步和對(duì)齊。要實(shí)現(xiàn)同步，射頻信號(hào)與包絡(luò)信號(hào)必須是同源信號(hào)，而要實(shí)現(xiàn)對(duì)齊，則要求矢量信號(hào)源必須具有延遲校準(zhǔn)功能。本文使用R&S的矢量信號(hào)發(fā)生器SMW200A產(chǎn)生20 MHz LTE射頻調(diào)制信號(hào)和包絡(luò)信號(hào)，同時(shí)可以完成對(duì)包絡(luò)信號(hào)的整形以及電源包絡(luò)與射頻信號(hào)的同步和對(duì)齊功能；使用R&S的頻譜與信號(hào)分析儀FSW對(duì)LTE信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并測(cè)試其EVM, ACPR等性能。另外，R&S公司還可以提供單獨(dú)測(cè)試功率放大器瞬時(shí)電源電壓和電流的探頭，并在FSW上顯示其實(shí)際積分功率，最終可以單獨(dú)測(cè)試功率放大器本身的PAE。

圖3 R&S包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)測(cè)試方案

圖4 R&S SMW200-K540選件包絡(luò)跟蹤測(cè)試界面

4.包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

項(xiàng)目組基于Global Foundries 0.18微米SOI CMOS工藝設(shè)計(jì)了面向4G LTE終端的包絡(luò)跟蹤芯片組，其中包括了電源調(diào)制器芯片和功率放大器芯片，電源調(diào)制器支持20 MHz帶寬，功率放大器工作頻段為2.3-2.4 GHz，其芯片照片如圖五所示，左側(cè)為電源調(diào)制器芯片照片，右側(cè)為功率放大器芯片照片。

圖5 LTE電源調(diào)制器和功率放大器芯片照片

圖6 電源包絡(luò)信號(hào) (紅) 與射頻信號(hào) (紫) 對(duì)齊時(shí)域波形

采用基于圖三和圖四所示的R&S包絡(luò)跟蹤測(cè)試系統(tǒng)，完成了自主芯片搭建的包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)的測(cè)試。信號(hào)源SMW200A輸出了20 MHz LTE上行16QAM調(diào)制信號(hào)給功率放大器的射頻輸入端，同時(shí)信號(hào)源直接產(chǎn)生同步的包絡(luò)信號(hào)給電源調(diào)制器輸入端，通過放大后提供給功率放大器芯片作為電源。通過信號(hào)源SMW200A完成包絡(luò)信號(hào)與射頻信號(hào)的同步、對(duì)齊和整形處理，如圖六所示為的時(shí)域波形圖，其中紅色信號(hào)為電源調(diào)制器輸出給功率放大器電源的包絡(luò)信號(hào)，紫色信號(hào)為射頻信號(hào)，由圖可見包絡(luò)信號(hào)和射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)了良好的同步和對(duì)齊。功率放大器輸出的放大信號(hào)輸入到R&S FSW頻譜與信號(hào)分析中進(jìn)行解調(diào)，最終測(cè)試星座圖和EVM如圖七所示，輸出信號(hào)的ACPR如圖八所示。測(cè)試結(jié)果顯示，該包絡(luò)跟蹤功率放大器同時(shí)實(shí)現(xiàn)了30%的功率附加效率和3.4% EVM，詳細(xì)測(cè)試結(jié)果參見論文[3]。

圖7 20 MHz LTE包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)EVM和星座圖測(cè)試結(jié)果

圖8 LTE包絡(luò)跟蹤系統(tǒng)ACPR測(cè)試結(jié)果

5.結(jié)束語

包絡(luò)跟蹤技術(shù)是提高功率放大器功率附加效率的重要方法，對(duì)于延長(zhǎng)移動(dòng)終端的待機(jī)時(shí)間具有重要意義。本文給出了包絡(luò)跟蹤技術(shù)的原理，基于R&S SMW200A矢量信號(hào)源和R&S SMW頻譜和信號(hào)分析儀的包絡(luò)跟蹤功率放大器測(cè)試系統(tǒng)，并最終對(duì)自主研發(fā)的SOI CMOS電源調(diào)制器和功率放大器芯片進(jìn)行了完整的采用20 MHz LTE調(diào)制信號(hào)的測(cè)試。