采用定向耦合器和RF对数放大器实现VSWR的检测和保护

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　　               　　图1 失配条件下的传输线上的驻波是由入射波和反射波叠加而成的。如式1和图1所示，当已知反射系数时，可以计算VSWR。因此接下来的问题是如何检测反射系数。图2所示安置在电源和负载之间的定向耦合器，用于对负载的入射波和反射波进行隔离和采样，由于定向性，反射系数等于入射波与反射波的比值，如式2所示。因此，通过定向耦合器和检波器，可以检测出反射波和入射波，以得到反射系数。                                      　　图2: 定向耦合器使失配负载的入射和反射功率隔离并且对其进行采样。　　检波器的选择　　在对入射信号和反射信号进行采样和隔离之后，需要检测这两个信号的幅度，这需要两个检波器。通过考虑测量精度和检测范围随温度的变化，以确定最佳的检测方法。
                          
                       
                          
                                　　检测方法的精度将决定VSWR测量的精度。由于两个通道之间的耦合，特别是两个通道在功率电平差异很大时，用于检测入射波和反射波的输出精度将下降。这意味着在选择检波器时，隔离度是一个主要的标准。该隔离标准有两重含义，即两个RF通道输入之间的隔离度以及从一个RF通道的输入到另一RF通道输出的隔离度。使用网络分析仪可以容易地测量两个输入之间的隔离度，但是输入-输出的隔离度更加重要。测量输入-输出的隔离度的方法是，增加一个通道上的功率电平，直至使另一通道的功率测量精度变化1 dB(在其动态范围内且较低的功率电平下执行该操作)，两个功率电平之间的差即是输入-输出的隔离度。使用不同标称值的耦合器和衰减器以调整检波器输入功率电平，并最小化两通道间的功率差异，以便于减少耦合。PC电路板上的耦合同样会影响隔离度，在对电路板进行布局时应注意RF输入的相互隔离。　　入射信号的检测范围等于发送器的输出功率范围，但是反射信号的检测范围应该更大些。反射功率电平的范围是从非常小的信号电平(功率放大器和天线之间的阻抗匹配良好)，到入射信号的最大信号电平(在传输线上存在开路或短路)，这要求检波器具有大动态范围。　　对数放大器检波器　　对数减法等效于除法，由此可以简单地执行信号除法这一复杂的数学计算，这是选择对数放大器检测VSWR的主要原因。对于使用对数放大器测量VSWR来说，差分输出的精度是最为关心的参数，这要求两个检波器应位于同一芯片上(因为单芯片的检波器随温度和工艺的漂移往往是相同的)。而且对数放大器的动态范围大于其它类型的检波器。所有这些因素表明，对于VSWR应用，最佳的检测方法是使用一个双路的对数放大器，具有宽动态范围和高精度，且不易随温度变化。　　除了差分输出之外，还应当获得独立的对数放大器的输出，这是因为大部分RF设计工程师使用该信息确定其发送链路的输出功率。ADI公司的ADL5519是一款高性能的双通道对数检波器，它提供两个通道独立的输出，并且还可以是两个通道的差分输出。如图3所示，ADL5519能够提供从低频到8 GHz的54 dB的动态范围，随温度漂移在+/-0.5dB 内，是用于检测入射波和反射波，并同时控制输出功率的理想的解决方案。如图4和图5所示，ADL5519具有优异的输入-输入和输入-输出通道隔离指标(>30 dB)，是双通道RF系统的理想选择。在不需要独立的对数输出时，可以使用ADI公司的AD8302。　　VSWR保护　　防止出现破坏性的高VSWR保护放大器的方法有很多种。在输出功率较高的情况下，高VSWR通常会造成严重的影响，因此保护电路的目的是降低输出功率，使放大器工作于安全模式。这里所提出的VSWR检测方法与放大器的架构无关，主要取决于放大器的功率控制机制。              　　图3 ADL5519具有±1dB范围内的对数一致性@900MHz，随温度的漂移40 dB)的耦合器是成立的。如果方向性较低，则测得的VDIFF输出将是VSWR相位的函数。15 dB的方向性已足够用于区别1.5和3.0的VSWR，而不必担心VSWR的相位。　　当对数检测器的差分输出(VDIFF)的增加量等于预先设定的电压(VREF)时，运算放大器的箝位电路触发，指示高VSWR条件。一旦检测到高VSWR条件，则通过HPA的功率控制电压端口(VAPC)，降低HPA功率以使其进入安全工作模式。在确定VREF时，应考虑功率放大器的POUT vs. VAPC特性。在这个电路模型里，VREF被设定在检测到VSWR大于1.5时触发箝位电路。         　　图7 GSM功率放大器@900MHz在VSWR>4的条件下发生故障。         　　图8 采用所提出的保护方案，GSM功率放大器@900MHz在VSWR>15的条件下仍然正常工作。　　如图7所示，在VSWR>4 ，POUT=34.5 dBm，Freq=900 MHz的条件下，被试验的GSM功率放大器彻底损坏。而在相似的工作条件下，采用所提出的电路，在VSWR>15的条件下，GSM功率放大器仍然能正常工作，如图8所示。　　结语　　VSWR是RF电路设计中的一个重要参数，特别是在设计功率放大器和天线之间的接口时。双通道对数检波器是用于精确测量VSWR的最佳器件。使用定向耦合器和高性能双通道RF对数检波器实现了VSWR的检测和保护。原型电路的测试结果表明，该电路能够在严重的失配条件下保护功率放大器。