测试仪表如何满足包络跟踪放大器的需求 放大器, 如何, 仪表

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来源：罗德与施瓦茨

简介

移动通信技术从2G时代的GSM/EDGE发展到3G时代的WCDMA/TD-SCDMA/CDMA2000,再到目前的研究热点LTE/LTE-A，高阶调制、多载波等新技术的应用，使得网络所支持的数据速率越来越高， 与此同时信号的峰均比（PAR）也越来越大。而传统的固定电源功率放大器在高峰均比、高功率情况下，工作效率很低，从而导致很大一部分能量浪费了，尤其是对于终端的电池寿命影响很大。

与传统的固定电源功放相比，包络跟踪放大器可以与射频信号的包络同步地改变放大器电源电压，从而提高包络跟踪功放的效率。所以，更多的功放厂商开始支持包络跟踪技术，来减少功率消耗，比如应用在智能手机上的功放。

典型的功放测试系统由一台信号源和一台频谱分析仪组成，不过对于包络跟踪放大器测试，需要一台额外的信号源提供包络信号给放大器的直流调制器。罗德与施瓦茨公司的矢量信号源SMW200A，一台仪表就可以同时提供射频信号和包络信号给包络跟踪放大器，同时配合矢量信号分析仪FSW就可以对包络跟踪放大器的功放效率、邻带泄露特性、调制特性等指标进行分析测量，如果加装相应的数字预失真选件，该套测试环境还可以对放大器进行相应的预失真测试。

包络跟踪技术基础

现代通信系统中的数字调制信号比如LTE/LTE-A 都有很高的峰均比，至少会有几个dB。也就是说LTE的瞬时信号功率随着时间的变化会有很大的变化，为了防止功放工作在饱和区域，所以需要给传统的功放提供一个很高的直流电压。这样，当功放工作在低输出功率时，会造成很多能量以散热的方式浪费了。

包络跟踪技术的应用，有效地克服了这个问题。理想的包络跟踪技术可以根据射频信号的包络，动态的调节给功放的供电电压，从而使得功放的效率大大提高。以移动终端为例，应用了包络跟踪技术的功放，可以使得电池的寿命大大延长。

图1给出了传统功放与包络跟踪放大器的基本原理差别。



图1：传统功率放大器和包络跟踪放大器基本原理图。

从图1可以看出，对于传统的功率放大器直接把基带的IQ数据上变频之后，以射频形式提供给功放，同时功放需要一个恒定的直流电压供电。但是，对于包络跟踪放大器，除了提供射频信号之外，还需要把相应基带信号的包络下列公式提供给直流调制器，以便提供可变的直流电压给功放。




为了使直流调制器更有效地工作，需要把直接的包络信息A经过一定的赋形处理，比如线性、查找表、多项式、Detroughing等。同时，为了使功放能够正常有效地工作，到达功放的射频信号和调制直流电压需要严格的时间对齐，如果两者的时间存在一定的误差，就会导致功放输出信号的调制质量变差。

包络跟踪测试方案

罗德与施瓦茨公司针对包络跟踪放大器提供了完整的测试方案，矢量信号源SMW200A可以提供测试所需的射频信号和包络信号，矢量信号分析仪FSW可以对放大器输出的射频信号以及直流调制器输出的电压和电流进行测量，同时SMW200A和FSW可以由运行在PC机上的测试软件FS-K180PC进行控制，自动完成包络跟踪的测试。

SMW200A可以实时产生各种通信制式的标准信号，也可以加载客户自定义的ARB文件。同时，SMW200A的IQ Analog模块可以输出相应的包络信号，并且可以适配直流调制器的电压范围、偏压、增益、阻抗等特征参数。在包络跟踪测试过程中，还需要对包络信号进行赋形，SMW200A支持线性、查找表、多项式和Detroughing等赋形方式；射频信号和调制电压是否同步，对包络跟踪的效果至关重要，SMW200A支持包络信号和射频信号之间可调整的时延范围是，可以轻松满足同步的需要。

FSW具有良好的射频指标，可以对放大器的频域特性进行测试，同时可以分析各种通信标准信号的调制质量（EVM、频谱误差等），如果加装模拟IQ输入选件，还可以对直流调制器输出电压和电流进行测试。

FS-K180PC软件可以通过网络接口控制SMW200A和FSW，来完成包络跟踪和数字预失真的自动测试。该软件可以测试常规的频域信息，比如PA输出信号的功率、ACLR等；测试信号的调制质量，比如EVM、IQ Offset、IQ Imblance等；测试包络信号和射频信号的时域关系；同时还可以测试放大器的AM-AM，AM-PM特性，并且可以通过软件中的“Update DPD on SMW”功能实时对SMW200A中的信号进行数字预失真补偿，使PA工作在线性区域。

本文使用罗德与施瓦茨公司的测试设备和软件，对实际的包络跟踪放大器进行测试，现场测试连接如图2所示：



图2：包络跟踪放大器测试连接图。

测试结果及说明

包络跟踪技术可以使工作在高功率输出状态下的放大器减少功率损耗，提高功放效率。以该测试为例，当我们使用上行10MHz 带宽的FDD LTE信号作为放大器的输入，其输出平均功率约为25dBm，此时与传统的恒定电压供电放大器相比，使用包络跟踪技术可以使其功放效率提高20%左右。同时，FS-K180PC软件还可以对放大器的EVM、ACLR等射频指标进行测试，也可以测试出进放大器射频信号与包络电压之间的时域关系，具体结果如图3所示。



图3：包络跟踪放大器测试结果。

从测试结果图中可以看出，FS-K180PC软件同时可以对放大器的预失真效果进行测试和补偿，FSW测试出放大器的AM-AM、AM-PM特征，会自动生成相应的查找表，SMW200A支持实时的修改数字预失真查找表，无需重新生成信号即可实现数字预失真功能，通过激活该功能可以使放大器的线性截止点提高3个dB左右。

小结

本文介绍了罗德与施瓦茨公司针对包络跟踪放大器完整的测试方案，最新的矢量信号源SMW200A是业界第一台同时支持射频信号和包络信号输出的测试仪表，大大提高了测试效率，减轻了测试复杂度。同时，其分析软件基于矢量信号分析仪FSW可以测量包络跟踪放大器测试所需的所有指标，包括功放效率、射频指标等。

参考文献

[1]Rohde & Schwarz Application Note（1GP104）

[2]Vector Signal Generator R&SSMU200ASpecifications

[3]Spectrum Analyzer R&SFSWSpecifications

[4]Steven Baker. ET101 An Introduction to Envelop Tracking for RF Amplifiers