采用定向耦合器和RF對數放大器實(shí)現VSWR的檢測和保護

　　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。差的VSWR可能引起RF電路中的許多問(wèn)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(chēng)為VSWR故障。因此，保護HPA防止出現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對數放大器檢測VSWR參數，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(jìn)行了設計和測試，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(xiàn)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(shuō)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(xiàn)上的任何失配會(huì )使負載阻抗發(fā)生變化，從而引起傳輸線(xiàn)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(cháng)干涉和相消干涉，導致了圖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，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(wú)損傳輸，而嚴重的阻抗失配(高VSWR)將導致傳輸到負載的功率減少。高VSWR可能引起多種系統問(wèn)題，其中對VSWR最為敏感的器件是功率放大器，一般在天線(xiàn)之前。高VSWR可能造成無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電裝置過(guò)熱。更為嚴重的影響是損壞發(fā)射機并且擊穿傳輸電介質(zhì)。由于天線(xiàn)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，導致了類(lèi)似多徑現象，因此高VSWR可能引起電視廣播系統的遮蔽衰落。
使用定向耦合器和RF對數檢波器檢測VSWR

　　定向耦合器

　　如式1和圖1所示，當已知反射系數時(shí)，可以計算VSWR。因此接下來(lái)的問(wèn)題是如何檢測反射系數。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(jìn)行隔離和采樣，由于定向性，反射系數等于入射波與反射波的比值，如式2所示。因此，通過(guò)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。

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(jìn)行采樣。

檢波器的選擇

　　在對入射信號和反射信號進(jìn)行采樣和隔離之后，需要檢測這兩個(gè)信號的幅度，這需要兩個(gè)檢波器。通過(guò)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(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)，用于檢測入射波和反射波的輸出精度將下降。這意味著(zhù)在選擇檢波器時(shí)，隔離度是一個(gè)主要的標準。該隔離標準有兩重含義，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量?jì)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量精度變化1 dB(在其動(dòng)態(tài)范圍內且較低的功率電平下執行該操作)，兩個(gè)功率電平之間的差即是輸入-輸出的隔離度。使用不同標稱(chēng)值的耦合器和衰減器以調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，在對電路板進(jìn)行布局時(shí)應注意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(xiàn)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(xiàn)上存在開(kāi)路或短路)，這要求檢波器具有大動(dòng)態(tài)范圍。

對數放大器檢波器

　　對數減法等效于除法，由此可以簡(jiǎn)單地執行信號除法這一復雜的數學(xué)計算，這是選擇對數放大器檢測VSWR的主要原因。對于使用對數放大器測量VSWR來(lái)說(shuō)，差分輸出的精度是最為關(guān)心的參數，這要求兩個(gè)檢波器應位于同一芯片上(因為單芯片的檢波器隨溫度和工藝的漂移往往是相同的)。而且對數放大器的動(dòng)態(tài)范圍大于其它類(lèi)型的檢波器。所有這些因素表明，對于VSWR應用，最佳的檢測方法是使用一個(gè)雙路的對數放大器，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，還應當獲得獨立的對數放大器的輸出，這是因為大部分RF設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檢波器，它提供兩個(gè)通道獨立的輸出，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，是用于檢測入射波和反射波，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(>30 dB)，是雙通道RF系統的理想選擇。在不需要獨立的對數輸出時(shí)，可以使用ADI公司的AD8302。

VSWR保護

　　防止出現破壞性的高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(huì )造成嚴重的影響，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無(wú)關(guān)，主要取決于放大器的功率控制機制。

圖3 ADL5519具有±1dB范圍內的對數一致性@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(如數字控制功率)。對于由外部電壓控制的情況，當VSWR大于預定的參考指標時(shí)，可以調節引腳上的電壓。所提出的保護方案應能靈活的設置參考值，這在選擇放大器時(shí)更為方便。

實(shí)驗室中搭建的原型電路

　　這一VSWR保護機制用于在嚴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。當VSWR大于安全極限時(shí)，保護電路觸發(fā)，通過(guò)改變其功率控制引腳上的電壓來(lái)調節放大器的輸出功率。

　　如圖6所示，VSWR檢測電路由一個(gè)定向耦合器、一個(gè)雙通道對數檢波器和一個(gè)箝位電路構成。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。

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(wú)關(guān)，被饋送到另一輸入通道。如式3所示，雙通道對數檢波器計算這兩個(gè)信號的對數減法結果，獲得差分輸出VDIFF，其與反射系數成正比，而反射系數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。15 dB的方向性已足夠用于區別1.5和3.0的VSWR，而不必擔心VSWR的相位。

　　當對數檢測器的差分輸出(VDIFF)的增加量等于預先設定的電壓(VREF)時(shí)，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(guò)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被設定在檢測到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，Freq=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。

結語(yǔ)

　　VSWR是RF電路設計中的一個(gè)重要參數，特別是在設計功率放大器和天線(xiàn)之間的接口時(shí)。雙通道對數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對數檢波器實(shí)現了VSWR的檢測和保護。原型電路的測試結果表明，該電路能夠在嚴重的失配條件下保護功率放大器。