RF電路中的VSWR測(cè)試和保護(hù)設(shè)計(jì)的解決方案

電壓駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）是用于描述電路阻抗失配程度的參數(shù)。差的VSWR可能引起RF電路中的許多問題。VSWR引起的最壞情況是RF/微波高功率放大器（HPA）的永久性損壞，這通常被稱為VSWR故障。因此，保護(hù)HPA防止出現(xiàn)VSWR故障是極為重要的。本文提出了一種解決方案，它使用定向耦合器和高性能RF對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)VSWR參數(shù)，避免VSWR故障，以保護(hù)HPA。本文對(duì)VSWR檢測(cè)和保護(hù)方案的原型電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和測(cè)試，采用這個(gè)方案，以往在VSWR 》 4:1的條件下就發(fā)生故障的HPA，在VSWR 》 15:1的條件下仍能正常工作。

電壓駐波比（VSWR）

傳輸線上的電壓和電流由特定的比率聯(lián)系在一起，該比率關(guān)系就是通常所說的特征阻抗（ZO）。如果信號(hào)源加在阻抗大小為特征阻抗的負(fù)載上，那么所有資用功率均施加到該負(fù)載上。傳輸線上的任何失配會(huì)使負(fù)載阻抗發(fā)生變化，從而引起傳輸線上的反射電流和電壓，由此產(chǎn)生了駐波。入射波和反射波發(fā)生相長(zhǎng)干涉和相消干涉，導(dǎo)致了圖1中示出的最大值（Vmax）和最小值（Vmin）。電壓駐波比即是描述該失配的參數(shù)，被定義為Vmax和Vmin的比值Vmax/Vmin。

理想的阻抗匹配（VSWR=1:1）可以使功率無損傳輸，而嚴(yán)重的阻抗失配（高VSWR）將導(dǎo)致傳輸?shù)截?fù)載的功率減少。高VSWR可能引起多種系統(tǒng)問題，其中對(duì)VSWR最為敏感的器件是功率放大器，一般在天線之前。高VSWR可能造成無線電裝置的工作范圍縮小、發(fā)射信號(hào)使接收部分飽和、或者使無線電裝置過熱。更為嚴(yán)重的影響是損壞發(fā)射機(jī)并且擊穿傳輸電介質(zhì)。由于天線上反射回的信號(hào)在功率放大器處再次反射，然后重新發(fā)射出去，導(dǎo)致了類似多徑現(xiàn)象，因此高VSWR可能引起電視廣播系統(tǒng)的遮蔽衰落。

使用定向耦合器和RF對(duì)數(shù)檢波器檢測(cè)VSWR

定向耦合器

圖1 失配條件下的傳輸線上的駐波是由入射波和反射波疊加而成的。

如式1和圖1所示，當(dāng)已知反射系數(shù)時(shí)，可以計(jì)算VSWR。因此接下來的問題是如何檢測(cè)反射系數(shù)。圖2所示安置在電源和負(fù)載之間的定向耦合器，用于對(duì)負(fù)載的入射波和反射波進(jìn)行隔離和采樣，由于定向性，反射系數(shù)等于入射波與反射波的比值，如式2所示。因此，通過定向耦合器和檢波器，可以檢測(cè)出反射波和入射波，以得到反射系數(shù)。

圖2： 定向耦合器使失配負(fù)載的入射和反射功率隔離并且對(duì)其進(jìn)行采樣。

檢波器的選擇

在對(duì)入射信號(hào)和反射信號(hào)進(jìn)行采樣和隔離之后，需要檢測(cè)這兩個(gè)信號(hào)的幅度，這需要兩個(gè)檢波器。通過考慮測(cè)量精度和檢測(cè)范圍隨溫度的變化，以確定最佳的檢測(cè)方法。

檢測(cè)方法的精度將決定VSWR測(cè)量的精度。由于兩個(gè)通道之間的耦合，特別是兩個(gè)通道在功率電平差異很大時(shí)，用于檢測(cè)入射波和反射波的輸出精度將下降。這意味著在選擇檢波器時(shí)，隔離度是一個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn)。該隔離標(biāo)準(zhǔn)有兩重含義，即兩個(gè)RF通道輸入之間的隔離度以及從一個(gè)RF通道的輸入到另一RF通道輸出的隔離度。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀可以容易地測(cè)量?jī)蓚€(gè)輸入之間的隔離度，但是輸入-輸出的隔離度更加重要。測(cè)量輸入-輸出的隔離度的方法是，增加一個(gè)通道上的功率電平，直至使另一通道的功率測(cè)量精度變化1 dB（在其動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)且較低的功率電平下執(zhí)行該操作），兩個(gè)功率電平之間的差即是輸入-輸出的隔離度。使用不同標(biāo)稱值的耦合器和衰減器以調(diào)整檢波器輸入功率電平，并最小化兩通道間的功率差異，以便于減少耦合。PC電路板上的耦合同樣會(huì)影響隔離度，在對(duì)電路板進(jìn)行布局時(shí)應(yīng)注意RF輸入的相互隔離。

入射信號(hào)的檢測(cè)范圍等于發(fā)送器的輸出功率范圍，但是反射信號(hào)的檢測(cè)范圍應(yīng)該更大些。反射功率電平的范圍是從非常小的信號(hào)電平（功率放大器和天線之間的阻抗匹配良好），到入射信號(hào)的最大信號(hào)電平（在傳輸線上存在開路或短路），這要求檢波器具有大動(dòng)態(tài)范圍。

對(duì)數(shù)放大器檢波器

對(duì)數(shù)減法等效于除法，由此可以簡(jiǎn)單地執(zhí)行信號(hào)除法這一復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，這是選擇對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)VSWR的主要原因。對(duì)于使用對(duì)數(shù)放大器測(cè)量VSWR來說，差分輸出的精度是最為關(guān)心的參數(shù)，這要求兩個(gè)檢波器應(yīng)位于同一芯片上（因?yàn)閱涡酒臋z波器隨溫度和工藝的漂移往往是相同的）。而且對(duì)數(shù)放大器的動(dòng)態(tài)范圍大于其它類型的檢波器。所有這些因素表明，對(duì)于VSWR應(yīng)用，最佳的檢測(cè)方法是使用一個(gè)雙路的對(duì)數(shù)放大器，具有寬動(dòng)態(tài)范圍和高精度，且不易隨溫度變化。

除了差分輸出之外，還應(yīng)當(dāng)獲得獨(dú)立的對(duì)數(shù)放大器的輸出，這是因?yàn)榇蟛糠諶F設(shè)計(jì)工程師使用該信息確定其發(fā)送鏈路的輸出功率。ADI公司的ADL5519是一款高性能的雙通道對(duì)數(shù)檢波器，它提供兩個(gè)通道獨(dú)立的輸出，并且還可以是兩個(gè)通道的差分輸出。如圖3所示，ADL5519能夠提供從低頻到8 GHz的54 dB的動(dòng)態(tài)范圍，隨溫度漂移在+/-0.5dB 內(nèi)，是用于檢測(cè)入射波和反射波，并同時(shí)控制輸出功率的理想的解決方案。如圖4和圖5所示，ADL5519具有優(yōu)異的輸入-輸入和輸入-輸出通道隔離指標(biāo)（》30 dB），是雙通道RF系統(tǒng)的理想選擇。在不需要獨(dú)立的對(duì)數(shù)輸出時(shí)，可以使用ADI公司的AD8302。

VSWR保護(hù)

防止出現(xiàn)破壞性的高VSWR保護(hù)放大器的方法有很多種。在輸出功率較高的情況下，高VSWR通常會(huì)造成嚴(yán)重的影響，因此保護(hù)電路的目的是降低輸出功率，使放大器工作于安全模式。這里所提出的VSWR檢測(cè)方法與放大器的架構(gòu)無關(guān)，主要取決于放大器的功率控制機(jī)制。

圖3 ADL5519具有±1dB范圍內(nèi)的對(duì)數(shù)一致性@900MHz，隨溫度的漂移《0.5dB

圖4 ADL5519 ：從一個(gè)RF通道的輸入到另一RF通道的輸出的隔離度

圖5 ADL5519：從一個(gè)RF通道的輸入到另一RF通道的輸出的隔離度

許多其它的放大器使用外部電壓控制功率（如數(shù)字控制功率）。對(duì)于由外部電壓控制的情況，當(dāng)VSWR大于預(yù)定的參考指標(biāo)時(shí)，可以調(diào)節(jié)引腳上的電壓。所提出的保護(hù)方案應(yīng)能靈活的設(shè)置參考值，這在選擇放大器時(shí)更為方便。

實(shí)驗(yàn)室中搭建的原型電路

這一VSWR保護(hù)機(jī)制用于在嚴(yán)重失配的條件下保護(hù)GSM的功放。定向耦合器和雙通道檢波器用于檢測(cè)反射系數(shù)。當(dāng)VSWR大于安全極限時(shí)，保護(hù)電路觸發(fā)，通過改變其功率控制引腳上的電壓來調(diào)節(jié)放大器的輸出功率。

如圖6所示，VSWR檢測(cè)電路由一個(gè)定向耦合器、一個(gè)雙通道對(duì)數(shù)檢波器和一個(gè)箝位電路構(gòu)成。HPA和負(fù)載之間的定向耦合器將入射波和反射波的采樣結(jié)果耦合到耦合端口和反射端口，然后將其饋送到雙通道對(duì)數(shù)檢波器，如ADL5519或AD8302。在900 MHz頻段具有30 dB耦合因子和大于15 dB方向性的定向耦合器使耦合信號(hào)和反射信號(hào)處于檢波器的檢測(cè)范圍內(nèi)。

圖6 VSWR檢測(cè)和保護(hù)電路裝置使用定向耦合器和雙通道對(duì)數(shù)檢波器（如ADL5519或AD8302）

定向耦合器反射端口的功率（PD）與VSWR成正比，被饋送到檢波器的一個(gè)輸入通道。而耦合端口的功率（PC）與VSWR無關(guān)，被饋送到另一輸入通道。如式3所示，雙通道對(duì)數(shù)檢波器計(jì)算這兩個(gè)信號(hào)的對(duì)數(shù)減法結(jié)果，獲得差分輸出VDIFF，其與反射系數(shù)成正比，而反射系數(shù)等于反射信號(hào)和耦合信號(hào)的比。

上式對(duì)于具有高方向性（》40 dB）的耦合器是成立的。如果方向性較低，則測(cè)得的VDIFF輸出將是VSWR相位的函數(shù)。15 dB的方向性已足夠用于區(qū)別1.5和3.0的VSWR，而不必?fù)?dān)心VSWR的相位。

當(dāng)對(duì)數(shù)檢測(cè)器的差分輸出（VDIFF）的增加量等于預(yù)先設(shè)定的電壓（VREF）時(shí)，運(yùn)算放大器的箝位電路觸發(fā)，指示高VSWR條件。一旦檢測(cè)到高VSWR條件，則通過HPA的功率控制電壓端口（VAPC），降低HPA功率以使其進(jìn)入安全工作模式。在確定VREF時(shí)，應(yīng)考慮功率放大器的POUT vs. VAPC特性。在這個(gè)電路模型里，VREF被設(shè)定在檢測(cè)到VSWR大于1.5時(shí)觸發(fā)箝位電路。

圖7 GSM功率放大器@900MHz在VSWR》4的條件下發(fā)生故障。

圖8 采用所提出的保護(hù)方案，GSM功率放大器@900MHz在VSWR》15的條件下仍然正常工作。

如圖7所示，在VSWR》4 ，POUT=34.5 dBm，F(xiàn)req=900 MHz的條件下，被試驗(yàn)的GSM功率放大器徹底損壞。而在相似的工作條件下，采用所提出的電路，在VSWR》15的條件下，GSM功率放大器仍然能正常工作，如圖8所示。

結(jié)語

VSWR是RF電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，特別是在設(shè)計(jì)功率放大器和天線之間的接口時(shí)。雙通道對(duì)數(shù)檢波器是用于精確測(cè)量VSWR的最佳器件。使用定向耦合器和高性能雙通道RF對(duì)數(shù)檢波器實(shí)現(xiàn)了VSWR的檢測(cè)和保護(hù)。原型電路的測(cè)試結(jié)果表明，該電路能夠在嚴(yán)重的失配條件下保護(hù)功率放大器。

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