用定向耦合器和RF對數(shù)放大器檢測和保護VSWR

　　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。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(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(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(fù)載之間的定向耦合器，用于對負(fù)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(fù)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