采用定向耦合器和RF对数放大器实现VSWR的检测和保护

电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)是用于描述电路阻抗失配程度的参数。差的VSWR可能引起RF电路中的许多问题。VSWR引起的最坏情况是RF/微波高功率放大器(HPA)的永久性损坏，这通常被称为VSWR故障。因此，保护HPA防止出现VSWR故障是极为重要的。本文提出了一种解决方案，它使用定向耦合器和高性能RF对数放大器检测VSWR参数，避免VSWR故障，以保护HPA。本文对VSWR检测和保护方案的原型电路进行了设计和测试，采用这个方案，以往在VSWR > 4:1的条件下就发生故障的HPA，在VSWR > 15:1的条件下仍能正常工作。

　　电压驻波比(VSWR)

　　传输线上的电压和电流由特定的比率联系在一起，该比率关系就是通常所说的特征阻抗(ZO)。如果信号源加在阻抗大小为特征阻抗的负载上，那么所有资用功率均施加到该负载上。传输线上的任何失配会使负载阻抗发生变化，从而引起传输线上的反射电流和电压，由此产生了驻波。入射波和反射波发生相长干涉和相消干涉，导致了图1中示出的最大值(Vmax)和最小值(Vmin)。电压驻波比即是描述该失配的参数，被定义为Vmax和Vmin的比值Vmax/Vmin。

　　理想的阻抗匹配(VSWR=1:1)可以使功率无损传输，而严重的阻抗失配(高VSWR)将导致传输到负载的功率减少。高VSWR可能引起多种系统问题，其中对VSWR最为敏感的器件是功率放大器，一般在天线之前。高VSWR可能造成无线电装置的工作范围缩小、发射信号使接收部分饱和、或者使无线电装置过热。更为严重的影响是损坏发射机并且击穿传输电介质。由于天线上反射回的信号在功率放大器处再次反射，然后重新发射出去，导致了类似多径现象，因此高VSWR可能引起电视广播系统的遮蔽衰落。

　　使用定向耦合器和RF对数检波器检测VSWR

　　定向耦合器

　　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<0.5dB

　　图4 ADL5519 :从一个RF通道的输入到另一RF通道的输出的隔离度

　　图5 ADL5519：从一个RF通道的输入到另一RF通道的输出的隔离度

许多其它的放大器使用外部电压控制功率(如数字控制功率)。对于由外部电压控制的情况，当VSWR大于预定的参考指标时，可以调节引脚上的电压。所提出的保护方案应能灵活的设置参考值，这在选择放大器时更为方便。

　　实验室中搭建的原型电路

　　这一VSWR保护机制用于在严重失配的条件下保护GSM的功放。定向耦合器和双通道检波器用于检测反射系数。当VSWR大于安全极限时，保护电路触发，通过改变其功率控制引脚上的电压来调节放大器的输出功率。

　　如图6所示，VSWR检测电路由一个定向耦合器、一个双通道对数检波器和一个箝位电路构成。HPA和负载之间的定向耦合器将入射波和反射波的采样结果耦合到耦合端口和反射端口，然后将其馈送到双通道对数检波器，如ADL5519或AD8302。在900 MHz频段具有30 dB耦合因子和大于15 dB方向性的定向耦合器使耦合信号和反射信号处于检波器的检测范围内。

　　图6 VSWR检测和保护电路装置使用定向耦合器和双通道对数检波器(如ADL5519或AD8302)

　　定向耦合器反射端口的功率(PD)与VSWR成正比，被馈送到检波器的一个输入通道。而耦合端口的功率(PC)与VSWR无关，被馈送到另一输入通道。如式3所示，双通道对数检波器计算这两个信号的对数减法结果，获得差分输出VDIFF，其与反射系数成正比，而反射系数等于反射信号和耦合信号的比。

上式对于具有高方向性(>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。