高效宽带包络跟踪系统电路性能优化及非线性行为校正

曹韬; 刘友江; 杨春; 周劼

doi:10.11999/JEIT190275

引用本文: 曹韬, 刘友江, 杨春, 周劼. 高效宽带包络跟踪系统电路性能优化及非线性行为校正[J]. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190275 shu

Citation: Tao CAO, Youjiang LIU, Chun YANG, Jie ZHOU. Circuits Optimization and System Linearization for High Efficiency and Wideband Envelope Tracking Architecture[J]. Journal of Electronics and Information Technology, doi: 10.11999/JEIT190275 shu

高效宽带包络跟踪系统电路性能优化及非线性行为校正

中国工程物理研究院电子工程研究所绵阳 621900

作者简介: 曹韬: 男，1985年生，副研究员，研究方向为无线测控通信系统设计技术研究;
刘友江: 男，1986年生，特聘研究员，研究方向为无线测控通信系统设计技术研究;
杨春: 男，1972年生，研究员，研究方向为无线测控通信系统设计技术研究;
周劼: 男，1972年生，研究员，研究方向为无线测控通信系统设计技术研究

通讯作者: 曹韬,caotaog@gmail.com

基金项目: 国家自然科学基金(61601425)

摘要: 为改善包络跟踪(ET)发射机带宽、效率、线性度等指标，需优化其关键电路性能并校正系统非线性行为。针对该问题，该文构建电源调制器等效模型，推导其效率极值并阐述效率优化方法；引入频率补偿网络来提升电路带宽及线性性能；基于系统非线性行为特征，提出包络增强型数字预失真模型及线性化方案；设计实际电路并搭建包络跟踪系统。对于S频段5/10/20 MHz带宽6.7 dB峰均比测试信号，该系统功放平均效率分别为61%, 54%, 44%，且矢量幅度误差(EVM)均优于1%，具有较好的带宽、效率、线性度等性能，验证了电路优化方法及非线性行为校正方案的可行性。

关键词:

English

Circuits Optimization and System Linearization for High Efficiency and Wideband Envelope Tracking Architecture

Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China

Corresponding author: Tao CAO,caotaog@gmail.com

Received Date: 2019-04-22
Accepted Date: 2019-12-05
Available Online: 2019-01-01
Fund Project: The National Natural Science Foundation of China (61601425)

Abstract: To improve bandwidth, efficiency and linearity of Envelope Tracking (ET) architecture, it is necessary to optimize the performance of envelope supply modulator and linearize nonlinear behavior of the ET system. The optimization procedure of the supply modulator is proposed based on the equivalent circuit model. The frequency compensation network is used to improve the bandwidth and linearity of the modulator circuit. An envelope enhanced memory polynomial digital pre-distortion model is introduced to address the nonlinear distortion of the ET system. The practical circuit mentioned above is fabricated and the overall experimental system is set up. Measurement results show that the ET PA at S-band obtains measured efficiency 61%, 54%, 44% and Error Vector Magnitude (EVM) 1% for 6.7 dB PAPR signals with 5 MHz/10 MHz/20 MHz modulation bandwidths, respectively. The ET system exhibits competitive bandwidth, efficiency and linearity, which verifies the proposed optimization and linearization methodology.

Key words:

1. [1]
  BALTEANU F, MODI H, ZHU Yu, et al. Envelope tracking system for high power applications in uplink 4G/5G LTE advanced[C]. 2018 Asia-Pacific Microwave Conference, Kyoto, Japan, 2018: 863–865. doi: 10.23919/APMC.2018.8617571.
2. [2]
  SHI Weimin, HE Songbai, ZHU Xiaoyu, et al. Broadband continuous-mode doherty power amplifiers with noninfinity peaking impedance[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2018, 66(2): 1034–1046. doi: 10.1109/TMTT.2017.2749224
3. [3]
  HOLZER K D, YUAN Wen, and WALLING J S. Wideband techniques for outphasing power amplifiers[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2018, 65(9): 2715–2725. doi: 10.1109/TCSI.2018.2800041
4. [4]
  LIU Youjiang, YOO C S, FAIRBANKS J, et al. A 53% PAE envelope tracking GaN power amplifier for 20 MHz bandwidth LTE signals at 880 MHz[C]. 2016 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications, Austin, USA, 2016: 30–32. doi: 10.1109/PAWR.2016.7440155.
5. [5]
  HASSAN M, ASBECK P M, and LARSON L E. A CMOS dual-switching power-supply modulator with 8% efficiency improvement for 20 MHz LTE envelope tracking RF power amplifier[C]. 2013 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, San Francisco, USA, 2013: 366–368. doi: 10.1109/ISSCC.2013.6487772.
6. [6]
  KOMATSUZAKI Y, LANFRANCO S, KOLMONEN T, et al. A high efficiency 3.6–4.0 GHz envelope-tracking power amplifier using GaN soft-switching buck-converter[C]. 2018 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, Philadelphia, USA, 2018: 465–468. doi: 10.1109/MWSYM.2018.8439225.
7. [7]
  HASSAN M, LARSON L E, LEUNG V W, et al. A wideband CMOS/GaAs HBT envelope tracking power amplifier for 4G LTE mobile terminal applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2012, 60(5): 1321–1330. doi: 10.1109/TMTT.2012.2187537
8. [8]
  KIM J, KIM D, CHO Y, et al. Highly efficient RF transmitter over broad average power range using multilevel envelope-tracking power amplifier[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2015, 62(6): 1648–1657. doi: 10.1109/TCSI.2015.2423771
9. [9]
  WANG Yazhou, JIN Qian, and RUAN Xinbo. Optimized design of the multilevel converter in series-form switch-linear hybrid envelope-tracking power supply[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(9): 5451–5460. doi: 10.1109/TIE.2016.2565459
10. [10]
  JIN Qian, RUAN Xinbo, REN Xiaoyong, et al. Step-wave switched capacitor converter for compact design of envelope tracking power supply[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(12): 9587–9591. doi: 10.1109/TIE.2017.2716900
11. [11]
  LENG Yang, RUAN Xinbo, JIN Qian, et al. High-efficiency high-bandwidth switch-linear hybrid envelope-tracking power supply with slew rate split-band method[C]. 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Cincinnati, USA, 2017: 2246–2252. doi: 10.1109/ECCE.2017.8096438.
12. [12]
  JING Yue and BAKKALOGLU B. A high slew-rate adaptive biasing hybrid envelope tracking supply modulator for LTE applications[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2017, 65(9): 3245–3256. doi: 10.1109/TMTT.2017.2678476
13. [13]
  XI Huan, CAO Juan, LIU Ning, et al. High bandwidth envelope tracking power supply with pulse edge independent distribution method[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(8): 5907–5917. doi: 10.1109/TIE.2018.2874580
14. [14]
  KIM D, KANG D, CHOI J, et al. Optimization for envelope shaped operation of envelope tracking power amplifier[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2011, 59(7): 1787–1795. doi: 10.1109/TMTT.2011.2140124
15. [15]
  LEACH W M. Feedforward compensation of the amplifier output stage for improved stability with capacitive loads[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 1988, 34(2): 334–338. doi: 10.1109/30.2950
16. [16]
  MKADEM F, ISLAM A, and BOUMAIZA S. Multi-band complexity reduced generalized-memory-polynomial power-amplifier digital pre-distortion[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2016, 64(6): 1763–1774. doi: 10.1109/TMTT.2016.2561279
1. [1]
  李冰, 涂云晶, 陈帅, 吉建华. 基于SRAM物理不可克隆函数的高效真随机种子发生器设计. 电子与信息学报,
2. [2]
  徐樱杰, 王晶琦, 朱晓维. GaN逆F类高效率功率放大器及线性化研究. 电子与信息学报,
3. [3]
  刘兴隆, 杜彪, 周建寨. 一种新型椭圆波束天线设计技术. 电子与信息学报,
4. [4]
  杨富花, 苏小保, 张万君. 高效率星载TWTA用EPC预稳电路的设计与仿真. 电子与信息学报,
5. [5]
  梅其初, P.J.M.Peters, W.J.Witteman. 放电激励XeF(BX)准分子激光器的高效率运转. 电子与信息学报,
6. [6]
  张志刚, 柳超, 王跃平. 小型化高效率的短波宽带天线. 电子与信息学报,
7. [7]
  殷树娟, 李翔宇, 孙义和. 标准数字工艺下16位精度低压低功耗模数调制器设计. 电子与信息学报,
8. [8]
  刘本田. 新型高效率二次谐波宽带可调复合互作用回旋管. 电子与信息学报,
9. [9]
  赵永翔, 朱允淑, 李道坤. 扇调管一种新型高效率微波管. 电子与信息学报,
10. [10]
  齐美彬, 陈秀丽, 杨艳芳, 蒋建国, 金玉龙, 张俊杰. 高效率视频编码帧内预测编码单元划分快速算法. 电子与信息学报,
11. [11]
  艾渤, 杨知行, 潘长勇, 张涛涛, 阳辉. 基于LUT的HPA数字基带预失真方法研究. 电子与信息学报,
12. [12]
  刘恩科, 贾全喜. 高效率硅太阳电池AR-BSF一次成型工艺研究. 电子与信息学报,
13. [13]
  钟佩琳, 王红星, 孙小东, 潘耀宗. 基于压缩量化的非正弦时域正交调制信号预失真方法. 电子与信息学报,
14. [14]
  李波, 葛建华, 王勇. 一种新的分数阶记忆多项式预失真器. 电子与信息学报,
15. [15]
  佀秀杰, 金明录. 一种新的用于Hammerstein预失真器的自适应结构. 电子与信息学报,
16. [16]
  陈晓毅, 姚庆栋, 刘小成. 高效数字调制VMSK的错觉. 电子与信息学报,
17. [17]
  陈雷, 岳光荣, 唐俊林, 李少谦, 宋志群, 曾媛. 基于数字预失真的发射机I/Q不平衡矫正. 电子与信息学报,
18. [18]
  颜森林. 激光混沌外部调制包络隐藏及相位隐藏编码方法及其在光纤保密通信中的应用研究. 电子与信息学报,
19. [19]
  王琨, 罗琳. ISAR成象中包络对齐的幅度相关全局最优法. 电子与信息学报,
20. [20]
  李育晖, 欧阳缮, 晋良念, 廖桂生. 超宽带穿墙雷达椭圆包络线目标边界成像算法. 电子与信息学报,

图 1 混合型EA电路结构

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 电流采样信号与开关波形示意图

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 参数β与h的关系曲线及不同调制信号包络幅度概率分布

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 EA平均效率曲面3维视图及俯视图

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 EA线性级反馈网络结构图

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 频率补偿前后线性级幅频特性

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 EA电路实物图及其平均效率特性

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 EA电路输入、输出包络及误差信号归一化功率谱

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 ET测试系统框图

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 ET系统关键波形实测图(局部)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 DPD前后ET系统输出频谱测试图(局部)

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 本文EA电路测试结果与近年文献结果对比

文献/年份	带宽(MHz)	负载(Ω)	输出范围(V)	输出功率(W)	效率(%)
文献[9]/2016	5	—	12.0～27.0	4.0	76.0
文献[10]/2017	5	—	0～22.5	4.8	73.6
文献[11]/2017	10	17.5	9.6～26.4	19.4	77.0
文献[12]/2017	10	6	1.0～2.5	1.0	83.0
文献[13]/2019	10	8	7.0～27.0	42.5	77.1
本文	40	7.5	2.5～28.0	18.2	81.7

下载: 导出CSV

表 2 ET系统测试结果

信号带宽(MHz)	DPD	功率(dBm)	增益(dB)	效率(%)	ACPR1(dBc)	EVM(%)
5	无	34.4	11.0	61.3	-26.7	7.50
5	有	34.4	11.0	60.8	-49.7	0.32
10	无	34.6	11.1	56.7	-26.8	8.10
10	有	34.2	10.7	53.7	-46.3	0.60
20	无	34.3	11.3	46.4	-26.4	8.90
20	有	34.1	11.1	44.1	-46.0	0.67

下载: 导出CSV

点击查看大图

图(11)表(2)

计量

PDF下载量: 10
文章访问数: 246
HTML全文浏览量: 121
引证文献数: 0

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

高效宽带包络跟踪系统电路性能优化及非线性行为校正

通讯作者: 曹韬,caotaog@gmail.com

English

Circuits Optimization and System Linearization for High Efficiency and Wideband Envelope Tracking Architecture

Corresponding author: Tao CAO,caotaog@gmail.com

计量

文章相关

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com