用定向耦合器和RF對數(shù)放大器檢測和保護電壓駐波比VSWR

　　本文提出了一種解決方案，它使用定向耦合器和高性能RF對數(shù)放大器檢測VSWR參數(shù)，避免VSWR故障，以保護HPA。本文對VSWR檢測和保護方案的原型電路進行了設(shè)計和測試，采用這個方案，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(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HPA防止出現(xiàn)VSWR故障是極為重要的。　

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)。如果信號源加在阻抗大小為特征阻抗的負載上，那么所有資用功率均施加到該負載上。傳輸線上的任何失配會使負載阻抗發(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)截撦d的功率減少。高VSWR可能引起多種系統(tǒng)問題，其中對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)射機并且擊穿傳輸電介質(zhì)。由于天線上反射回的信號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對數(shù)檢波器檢測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，可以計算VSWR。因此接下來的問題是如何檢測反射系數(shù)。圖2所示安置在電源和負載之間的定向耦合器，用于對負載的入射波和反射波進行隔離和采樣，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載的入射和反射功率隔離并且對其進行采樣。

　　檢波器的選擇

　　在對入射信號和反射信號進行采樣和隔離之后，需要檢測這兩個信號的幅度，這需要兩個檢波器。通過考慮測量精度和檢測范圍隨溫度的變化，以確定最佳的檢測方法。

　　檢測方法的精度將決定VSWR測量的精度。由于兩個通道之間的耦合，特別是兩個通道在功率電平差異很大時，用于檢測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，隔離度是一個主要的標(biāo)準(zhǔn)。該隔離標(biāo)準(zhǔn)有兩重含義，即兩個RF通道輸入之間的隔離度以及從一個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量兩個輸入之間的隔離度，但是輸入-輸出的隔離度更加重要。測量輸入-輸出的隔離度的方法是，增加一個通道上的功率電平，直至使另一通道的功率測量精度變化1 dB(在其動態(tài)范圍內(nèi)且較低的功率電平下執(zhí)行該操作)，兩個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影響隔離度，在對電路板進行布局時應(yīng)注意RF輸入的相互隔離。

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

　　對數(shù)放大器檢波器

　　對數(shù)減法等效于除法，由此可以簡單地執(zhí)行信號除法這一復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，這是選擇對數(shù)放大器檢測VSWR的主要原因。對于使用對數(shù)放大器測量VSWR來說，差分輸出的精度是最為關(guān)心的參數(shù)，這要求兩個檢波器應(yīng)位于同一芯片上(因為單芯片的檢波器隨溫度和工藝的漂移往往是相同的)。而且對數(shù)放大器的動態(tài)范圍大于其它類型的檢波器。所有這些因素表明，對于VSWR應(yīng)用，最佳的檢測方法是使用一個雙路的對數(shù)放大器，具有寬動態(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)獲得獨立的對數(shù)放大器的輸出，這是因為大部分RF設(shè)計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數(shù)檢波器，它提供兩個通道獨立的輸出，并且還可以是兩個通道的差分輸出。如圖3所示，ADL5519能夠提供從低頻到8 GHz的54 dB的動態(tài)范圍，隨溫度漂移在+/-0.5dB 內(nèi)，是用于檢測入射波和反射波，并同時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。在不需要獨立的對數(shù)輸出時，可以使用ADI公司的AD8302。

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

圖4 ADL5519 :從一個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RF通道的輸入到另一RF通道的輸出的隔離度　VSWR保護

　　防止出現(xiàn)破壞性的高VSWR保護放大器的方法有很多種。在輸出功率較高的情況下，高VSWR通常會造成嚴(yán)重的影響，因此保護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制。

　　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，可以調(diào)節(jié)引腳上的電壓。所提出的保護方案應(yīng)能靈活的設(shè)置參考值，這在選擇放大器時更為方便。

　　實驗室中搭建的原型電路

　　這一VSWR保護機制用于在嚴(yán)重失配的條件下保護GSM的功放。定向耦合器和雙通道檢波器用于檢測反射系數(shù)。當(dāng)VSWR大于安全極限時，保護電路觸發(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檢測電路由一個定向耦合器、一個雙通道對數(shù)檢波器和一個箝位電路構(gòu)成。HPA和負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和反射信號處于檢波器的檢測范圍內(nèi)。

圖6 VSWR檢測和保護電路裝置使用定向耦合器和雙通道對數(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，雙通道對數(shù)檢波器計算這兩個信號的對數(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)等于反射信號和耦合信號的比。

　　上式對于具有高方向性(>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，而不必擔(dān)心VSWR的相位。

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

　　如圖7所示，在VSWR>4 ，POUT=34.5 dBm，F(xiàn)req=900 MHz的條件下，被試驗的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。

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

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

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