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宽带高效率包络跟踪功率放大器设计的开题报告一、研究背景及意义随着无线通信技术的不断发展，对于功率放大器的需求越来越高。
在通信系统中，功率放大器是扮演着核心作用的部件之一。
功率放大器在无线通信系统中的作用是将低功率电信号转换为高功率电信号以满足不同的应用要求，其性能直接关系到整个通信系统的性能。
由于功率放大器需要负责承载信号的功率，因此一个好的功率放大器设计不仅需要拥有高的效率，还需要保证高的线性度和稳健性。
近年来，宽带高效率包络跟踪功率放大器引起了广泛关注，其能够在线性、效率和频率等方面提供更好的性能。
因此，对于宽带高效率包络跟踪功率放大器的研究具有重要的意义和应用前景。
二、研究内容和研究方法1. 研究内容本文的研究内容主要包括以下几个方面：（1）分析宽带高效率包络跟踪功率放大器的结构和原理（2）设计宽带高效率包络跟踪功率放大器的电路（3）制作宽带高效率包络跟踪功率放大器的实物模型（4）测试宽带高效率包络跟踪功率放大器的性能，包括效率、线性度和稳健性等。
2. 研究方法本文的研究方法主要包括：（1）文献综述：对于宽带高效率包络跟踪功率放大器的研究现状和发展趋势进行深入的调研和分析。
（2）理论分析：结合理论模型和仿真软件对宽带高效率包络跟踪功率放大器进行设计和优化。
（3）实验制作：根据设计模型制作实物模型，并对其进行实验测试。
三、研究进度计划本文计划的具体进度如下：第一阶段（1个月），完成文献综述和理论分析；第二阶段（2个月），进行宽带高效率包络跟踪功率放大器的电路设计；第三阶段（2个月），制作宽带高效率包络跟踪功率放大器的实物模型；第四阶段（1个月），对宽带高效率包络跟踪功率放大器进行性能测试和分析；第五阶段（1个月），进行实验数据处理和分析，并完成毕业论文撰写。
四、预期目标和预期成果预期目标：（1）深刻理解宽带高效率包络跟踪功率放大器的原理和结构；（2）成功研制出一种高效率、高线性度和高稳健性的宽带高效率包络跟踪功率放大器；（3）彻底掌握宽带高效率包络跟踪功率放大器的设计和制作技术；（4）对宽带高效率包络跟踪功率放大器在通信系统中的应用前景有深刻的认识。
在无线射频设计和测试中包络跟踪(ET-Envelope tracking)描述了一种射频(RF) 放大器设计方法；其通过不断调整施加到射频功率放大器的电源电压，以确保放大器在每个传输时刻所需的功率以峰值效率运行。
一、功率放大器的效率曲线采用固定电源电压设计的传统射频放大器只有在压缩工作时才能最有效地工作。
功放输出功率与效率曲线显示:功放输出的功率越高，效率越高。
图1.功率与效率曲线图二、GSM信号特点在GSM网络中它基于恒定包络调制，这意味着其信号的PAPR接近于零。
因此GSM放大器输出功率接近饱和点，因此它具有更好的效率，如下图所示：图2.GSM功率与效率曲线图GSM恒定包络信号在时域中的样子：图3.GSM恒包络信号三、LTE信号特点在LTE网络中其信号采用由于OFDM调制，PAPR接近12dB。
并且使用一些基带技术可以实现8.5dB PAPR。
因此由于这个8.5dB PAPR，功率放大器在低于饱和点8.5dB处工作，从而导致PA效率下降，如下所示：图4.LTE功率与效率曲线图LTE变化包络信号在时域中的样子：图5.LTE变化包络信号四、峰均比与放大器如果峰值与平均功率比很高即与平均值相比，波形具有更高的峰值电平，因为放大器必须能够适应峰值，同时仍仅以低平均功率电平运行。
在峰值期间放大器需要完整的电源电压才能在不压缩的情况下提供所需的功率；但在较低信号期间，不需要该电压，这意味着功率会在设备中消耗。
放大器只需要较小的电压即可提供较低水平的功率，因此始终以较高的电压运行，不必要地浪费功率。
图6.功率与电压网线图可以看出功耗与射频包络顶部和轨电压之间的面积成正比。
对于低峰均功率比信号，这可能很高。
五、包络跟踪特点为了提高射频放大器的效率水平，最有效方法之一是采用包络跟踪技术(Envelope tracking technology)。
而包络跟踪则是采用一种系统，放大器可以跟踪和利用信号的幅度包络。
理解包络跟踪功率放大器及其特性。
功放的输出参数（包括AM、PM 和效率）现在都取决于时间（即信号的历史），还有即时输入功率与电源电压。
存储效应在放大器特性中体现为扩展了AM/AM 与AM/PM 特性，可以源于输入或输出偏置电路中的电子时间常数，与局部片芯加热相关的热时间常数，或对某种技术的电荷存储效应。
图9 :相同硬件可以同时用于功放器件级的特性确定，以及功放系统性能的直接验证，方法是使用一个预定义的成形表，捕捉AM/AM 响应(a) 以及AM/PM 响应(b)。
提高效率
对典型的高峰均功率比信号统计表明，包络跟踪功率放大器通常大部分时间是工作在相对较低的电源电压下，仅偶尔在大功率峰值上有短时高压。
因此，优化放大器的匹配，从而获得在目标峰均功率比信号下的最佳效率，就好于简单地在峰值功率和最大电源电压下获得最佳效率的设计，后者是对固定电源功放的做法。
设计者可以改变放大器的匹配，围绕着信号概率密度函数的峰值来提高效率，虽然这样会略微损失峰值功率效率，如下式所示（图10）：
图10 :设计者可以通过改变放大器的匹配，围绕信号概念密度函数的峰值而提高效率，即使这样做会付出少许峰值功率效率的代价。
为了彻底优化一个包络跟踪功放的效率，可以扩展器件的特性，使之包含随输入功率与电源电压而扫描负载阻抗，可采用基本方法或谐波负载拉移方法。
这种特性确定产生了大量的数据，而Matlab 这类工具可以对这些数据做自动化分析，预测出当运行在某组包络跟踪参数下时的平均效率。
使用这种特性确定方法时，可以预测出放大器工作在包络跟踪模式时，其平均效率随成形函数、输出电压摆幅、最大功率回退，以及波形统计等的变化（图11）。
理解和表征包络跟踪功率放大器
Gerard Wimpenny首席技术官Nujira公司及OpenET联盟成员传统固定电源功率放大器(PA)的设计过程经过多年发展已经非常成熟。
性能指标也早已确定，设计人员的工作就是“简单地”设计出一个具有最好性能指标的PA。
当然实际的实现过程并非一个简单的任务，但至少评估标准早已制定好，并且很好理解。
不过，对于包络跟踪(ET)功放来说，情况就比较复杂，要求使用更为复杂的表征技术。
包络跟踪的基本原理包络跟踪的目标是，提高处理高峰均值功率比(PAPR)信号的功放效率。
在有限的频谱资源内，取得高数据吞吐量的驱动力要求使用具有高PAPR值的线性调制方法。
传统固定电源功放在这些条件下工作时的效率非常低。
而包络跟踪功放则可以根据射频信号的包络同步改变功放电源
电压，因此可以极大地提高效率。
这种功放的基本输出特性(功率、效率、增益、相位……)取决于两个“控制”输入(射频输入功率和电源电压)，并且可以描述成3D表面。
在典型的包络跟踪系统中，电源电压是动态调整的，以便跟踪具有高瞬时功率的射频包络。
这时的功放工作在压缩区，具有很高的效率。
功放的输出特性主要取决于瞬时电源电压。
反之，当瞬时射频功率较低时，电源电压实际上保持恒定状态，此时功放的输出特性主要取决于瞬时输入功率(线性区)。
电源
电压和输入功率同时影响输出特性的过渡区存在于这两种极端情况之间(见图1)。
图1：瞬时效率与电源电压的关系--ISO增益赋形包络跟踪功放的线性度如果知道功放的幅度/幅度(AM/AM)和幅度/相位(AM/PM)特性，我们就可以建立简单的功放‘准静态’(即无存储器)行为模型。
这些特性和功率与效率等其它关键的功放指标一起深受瞬时射频包络和电源电压之间的映射的影响。
在包络跟踪系统中，这种映射由包络路径中的‘赋形表’内容决定(见图2)。
图2：包络跟踪功放系统。
‘ISO增益’赋形是一种特殊的映射，在这个过程中将选取瞬时电源电压以实现特定常数的功放增益(见图3)。
图3：射频输出功率－电源电压映射－ISO增益赋形。
在这种映射条件下，尽管在许多包络周期内，包络跟踪功放系统都工作在压缩区，但可以取得很低的AM-AM失真，如图4所示。
图4也显示了固定电源工作时的等效轨迹。
从图中可以明显看出，使用包络跟踪可以真正地实现功放线性化，从而降低邻道功率比(ACPR)和误差向量幅度(EVM)。
图4：包络跟踪功放增益特性--ISO增益赋形。
与使用赋形表线性功放有关的系统折衷是在线性度有实质性改善的情况下(比较图4和图6)，效率会有少许损失(比较图1和图5)。
赋形函数的选择对包络路径的带宽要求也有很大的影响。
线
性区和压缩区之间的平滑过渡可以在适度减小系统效率
(1-2%)的条件下降低对包络放大器的带宽要求。
图5：包络跟踪放大器的效率--最佳效率赋形。
图6：包络跟踪功放的增益特性--最佳效率赋形。
在设计固定电源的线性功放时，必须仔细斟酌才能在最大输出功率时获得足够好的线性化性能。
有许多因素会影响线性度(如基本技术特性、偏置和射频匹配)，因此主要靠功放设计人员在效率和线性度之间取得最佳平衡。
对于包络跟踪功放来说，情况有所不同，因为包络跟踪功放在压缩区的线性度不再是独立的一个功放参数。
这种功放在低功率、低电压区域仍必须是线性的，但在更高功率时，幅度线性约束就没有了，因此可以在不考虑幅度线性度的条件下，设计出具有最佳包络跟踪效率的功放。
与幅度失真不同，相位失真不直接受包络赋形表的控制。
不过，据观察，许多功放工作在包络跟踪模式时确实减少了相位失真。
作为这种‘自我线性化’的结果，包络跟踪放大器与固定电源放大器相比，可以在信号峰值处进行更大的压缩，从而允许在给定线性度的条件下提高输出功率。
图7显示了工作在固定电源和包络跟踪模式下功放的ACLR和EVM测量值。
在这个例子中，-40dBc ACLR时的包络跟踪功放输出功率要比固定电源功放高出2dB。
图7：包络跟踪功放/固定电源功放的线性度比较。
图7：包络跟踪功放/固定电源功放的线性度比较。
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